高频课件第三章3.4——授课老师贾志成

1、第第 3 章正弦波振荡器章正弦波振荡器3.4.1石英谐振器的电特性石英谐振器的电特性3.4.2晶体振荡电路晶体振荡电路3.4晶体振荡器晶体振荡器3.4晶体振荡器晶体振荡器 频稳度频稳度晶体振荡器：超过晶体振荡器：超过 10 - -5LC 振荡器：振荡器：10 - -3 10 - -5晶体振荡器：晶体振荡器：采用石英谐振器控制和稳定振荡频率的采用石英谐振器控制和稳定振荡频率的振荡器。振荡器。 3.4.1石英谐振器的电特性石英谐振器的电特性1石英晶体的性能与等效电路石英晶体的性能与等效电路 ( (1) )结构结构利用石英晶体利用石英晶体( (Quartz- -Crystal) )的压电效应制成的一

2、种的压电效应制成的一种谐振器件。谐振器件。( (a) )( (b) )( (c) )图图 3- -4- -1石英谐振器的内部结构石英谐振器的内部结构( (2) )性能性能 晶片有一固有振动频率，与切割方位、形状、大小晶片有一固有振动频率，与切割方位、形状、大小有关，且十分稳定。有关，且十分稳定。将其接到振荡器的闭合环路中，利用其将其接到振荡器的闭合环路中，利用其固有频率固有频率，能有，能有效地控制和稳定效地控制和稳定振荡频率振荡频率。 压电效应：压电效应：机械与电的相互转换效应。机械与电的相互转换效应。 正压电效应：外正压电效应：外加力，产生电荷现象加力，产生电荷现象 逆压电效应：外加逆压电效

3、应：外加电压，产生机械振动现象。电压，产生机械振动现象。 振动特性：振动特性：具有具有多谐性多谐性，除基频除基频( (Fundamental Frequency) )振动外还有振动外还有奇次谐波的泛音奇次谐波的泛音( (Overtones) )振动振动。 ( (3) )等效电路等效电路 C0：静态电容和支架引线分布电容之和；静态电容和支架引线分布电容之和；Lq1、Cq1、rq1：晶体基频等效电路；晶体基频等效电路；Lq3、Cq3、rq3：晶体三次泛音等效电路晶体三次泛音等效电路 当外加交变电压与石英晶片的机械振动发生共振时，石当外加交变电压与石英晶片的机械振动发生共振时，石英晶片两极上的交变电

4、荷量即通过的交变电流量最大，因而英晶片两极上的交变电荷量即通过的交变电流量最大，因而具有具有串联谐振特性。串联谐振特性。2电抗特性电抗特性可证：忽略可证：忽略 rq 时，晶体两端呈现纯电抗，其值近似为时，晶体两端呈现纯电抗，其值近似为220qqqq011CC1C1LC1LC1XZ)()(1jjj)(jps0crcr-0q0qqpqqsCCCCL1CL1并并联联谐谐振振频频率率串串联联谐谐振振频频率率图图 3- -4- -3晶体的阻抗曲线晶体的阻抗曲线讨论：讨论： 在在 s p 之间为正值，呈之间为正值，呈感感性性；其他频段内为负值，呈；其他频段内为负值，呈容性。容性。 在在 s 上上 Xcr=

5、 0，为，为串联谐振串联谐振；在在 p 上上 Xcr ，为，为并联谐振。并联谐振。又又0qs0q0qqqqqq0q0qqp111CCCCCCLCLCLCCCCL应用应用 xx2111则则)211(0qspCC 或或0qssP21CC - - 因为因为 C0 Cq，所以，所以 p 很靠近很靠近 s ，例如，例如 5 MHz 的的晶振体晶振体 fp fs 6.5 kHz小结：小结： 晶振体两个谐振频率：晶振体两个谐振频率：fs、fp ；且；且 fs fp 工作于工作于 fs fp 之间为高之间为高 Q 电感，并联谐振。电感，并联谐振。 工作于工作于 fs 附近为串联谐振，对附近为串联谐振，对 fs

6、，相当于短路。，相当于短路。 晶振体只能工作于上述两种方式晶振体只能工作于上述两种方式，否则频稳度下降否则频稳度下降。0qssP21CC - - 3.4.2晶体振荡电路晶体振荡电路一、并联型晶体振荡电路一、并联型晶体振荡电路1电路电路 皮尔斯皮尔斯( (Pirece) )晶体振荡电路晶体振荡电路 ( (a) )实际电路实际电路( (b) )交流通路交流通路图图 3- -4- -1皮尔斯振荡电路皮尔斯振荡电路RB1、RB2 和和 RE ：分压偏置电路分压偏置电路，LC：高频扼流圈高频扼流圈，CB： 旁路电容旁路电容，CC：耦合电容耦合电容。2原理原理由等效电路，它与由等效电路，它与 Clapp

7、电路电路十分相似十分相似( (Cq 类似于类似于C3 ) )。3频率准确度微调频率准确度微调实际频率实际频率与与标称频率标称频率往往有偏差，若要求准确度高，往往有偏差，若要求准确度高，必须设置必须设置频率微调元件，如频率微调元件，如C C3 3。4提高频稳度的措施提高频稳度的措施 图图 3- -4- -6采用微调电容的晶体振荡电路采用微调电容的晶体振荡电路( (1) )恒温槽恒温槽将晶体或振荡器置于恒温将晶体或振荡器置于恒温槽内，槽内温度控制在晶体拐槽内，槽内温度控制在晶体拐点温度点温度( (在该温度范围内，晶在该温度范围内，晶振温度系数为振温度系数为 0) )附近。频稳度附近。频稳度可达可达

8、 10- -10 数量级。数量级。 ( (2) )变容管的温度补偿电路变容管的温度补偿电路 电路电路 T1 Pirece 晶体振荡电路晶体振荡电路 原理原理温度控制电路中，热敏元件使温度控制电路中，热敏元件使 Vi 反映了温度的变化，反映了温度的变化，作用到变容二极管，使其电容改变，补偿因温度引起振荡作用到变容二极管，使其电容改变，补偿因温度引起振荡频率的变化。频率的变化。 T Rt1vCjCj fsfs+vCj-5泛音振动泛音振动 基波和低次泛音的抑制基波和低次泛音的抑制( (1) )电路电路将将 Pirece 电路中电路中 C1 用用 LC1 谐振回路取代。谐振回路取代。( (2) )原理

9、原理 假设取五次泛音晶体，标称频率假设取五次泛音晶体，标称频率 5 MHz，为了抑制基波和三次泛音的寄生振，为了抑制基波和三次泛音的寄生振荡，荡，LC1 应调谐在三次和五次泛音之间，应调谐在三次和五次泛音之间，例如例如 3.5 MHz 。图图 3- -4- -8在在 5 MHz 频率上，频率上，LC1 呈容性，满足呈容性，满足电容三点式；电容三点式；对基频、三次泛音，对基频、三次泛音， LC1 呈感性，呈感性，组组成法则成法则不满足；不满足；对高于七次以上泛音，虽对高于七次以上泛音，虽 LC1 呈呈容性容性，但但分压比分压比 n 过小过小，不满足，不满足起振条件起振条件。)MHz5LC1MHz

10、3(1二、串联型晶体振荡电路二、串联型晶体振荡电路1电路电路 1当当 f = fs 时，晶体串联谐振，等效为短路元件，时，晶体串联谐振，等效为短路元件，T1、T2管和外接晶体构成正反馈放大器，满足管和外接晶体构成正反馈放大器，满足相位平衡条件相位平衡条件，且，且反馈最强，满足反馈最强，满足起振条件起振条件。图图 3- -4- -9XK76 集成晶体振荡的内部电路集成晶体振荡的内部电路谐振频率谐振频率 fsf fs 时，晶体呈高阻抗，反馈显著减弱，不能满足振时，晶体呈高阻抗，反馈显著减弱，不能满足振幅和相位起振条件，所以这种振荡器的振荡频率受晶体串幅和相位起振条件，所以这种振荡器的振荡频率受晶体串联谐振频率的控制，具有很高的频稳度。联谐振频率的控制，具有很高的频稳度。2电路电路 2 晶体在串联谐振频率上，等效为短路元件，电路符合晶体在串联谐振频率上，等效为短路元件，电路符合三三点式组成法则