石英晶体振荡器应用课件

1、任务3.3 石英晶体振荡器 任务3.3 石英晶体振荡器 石英晶体振荡器应用课件教学重点： 石英谐振器的特点 石英晶体振荡电路的分析判断方法教学难点： 石英晶体振荡电路的分析判断方法教学重点：3.3.1 石英晶体振荡器3.3.1 石英晶体振荡器任务目标 (1)掌握石英晶体振荡器的特性。 (2)掌握石英晶体振荡器主要特性参数。 (3)掌握石英晶体振荡器电路结构形式。 (4)掌握并联型、串联型晶体振荡电路各自的特点。石英谐振器任务目标石英谐振器一、工程中对振荡器要求比较高。如要求频率稳定性好、变化小、准确性好、精度高而且功耗小。而一般振荡器是不能满足要求，需然LC振荡器的频率稳定度能达到10-310

2、-5，但在工作中要求频率稳定度超过10-5。晶振有很高的频率稳定度，约在10-410-12的范围。因此需采用石英晶体作为振荡器。石英谐振器一、工程中对振荡器要求比较高。如要求频率稳定性好、变化小、准石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，已被广泛应用于无线电通讯、广播电视、卫星通讯、原子钟、雷达、导航系统、声纳浮标、天文学、空间跟踪等领域。 石英晶体振荡器应用：石英谐振器石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，已被广泛应用于常用石英晶体谐振器外形图片如图7.20所示。 （a） （b） （c） (d) (e) (f)图7.20 石英晶体谐振器外形石英谐振器常用石英晶体谐振器外形图片如

3、图7.20所示。 （a1.国际电工委员会(IEC)将石英晶体振荡器分为4类：石英谐振器1.国际电工委员会(IEC)将石英晶体振荡器分为4类：石英谐(1)普通晶体谐振器(SPXO)：可产生10-510-4量级的频率精度，标准频率为100MHz频率稳定度是100ppm。SPXO价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。石英谐振器(1)普通晶体谐振器(SPXO)：可产生10-510-4量(2)电压控制式晶体谐振器(VCXO)：是通过施加外部控制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。在典型的VCXO中，通常是通过调谐电压改变变容二极管的电容量来“牵引”石英晶体振子频率的。通常用于锁相环路。石英谐

4、振器(2)电压控制式晶体谐振器(VCXO)：是通过施加外部控制电(3)温度补偿式晶体谐振器(TCXO):采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到10-710-6量级，频率范围160MHz，频率稳定度为12.5ppm，频率温度特性在所有类型晶振中是最好的。这类晶振主要用于各种类型的通信设备。石英谐振器(3)温度补偿式晶体谐振器(TCXO):采用温度敏感器件进行(4)恒温控制式晶体谐振器(OCXO)：将晶体和振荡电路置于恒温槽中，以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO频率精度是10-710-8量级，对某些特殊应用甚至达到更高。主要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频谱和网络分析仪

5、等设备、仪表中。石英谐振器(4)恒温控制式晶体谐振器(OCXO)：将晶体和振荡电路置于目前发展中的还有数字补偿式晶体振荡器(DCXO)微机补偿晶体振荡器(MCXO)等。石英谐振器目前发展中的还有数字补偿式晶体振荡器(DCXO)微机补偿晶体2石英晶体谐振器的主要参数晶振的主要参数有标称频率，负载电容、频率精度、频率稳定度等。石英谐振器2石英晶体谐振器的主要参数石英谐振器 (1)标称频率。振荡器输出的中心频率或频率的标称值。标称频率大都标明在晶振外壳上，如常用普通晶振标称频率有：48KHz、500KHz、503.5KHz、1MHz40.50MHz等。石英谐振器 (1)标称频率。振荡器输出的中心频率

6、或频率的标称值。 (2)负载电容(CL)。负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。石英谐振器 (2)负载电容(CL)。负载电容是指晶振的两条引线 (3)频率精度和频率稳定。这要根据具体的设备需要而选择合适的晶振，如通信网络就需要更高要求的石英晶体谐振器。因此，在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振。 石英谐振器 (3)频率精度和频率稳定。这要根据具体的设备需要而选3石英晶体的等效电路与频率特性 石英晶体谐振器在电路中的符号如图7.21(a)所示，其等效电路如图7.21(b)所示。由等效电路可知，石英晶体振荡器应有两个谐振频率。 (a)符号

7、 （b）等效电路图7.21 石英晶体谐振器 L1、C1、R1分别为石英晶体的模拟动态等效电感、等效电容和损耗电阻，C0为静态电容，它是以石英为介质在两极板间所形成的电容。一般石英谐振器的参数范围约为：R110140；L10.0110H；C10.0040.1PF；C024PF。石英谐振器3石英晶体的等效电路与频率特性 (a)符号 1)高Q值 4.石英谐振器的特点其Q值很高，可达104106，这是普通LC电路无法相比的。说明其选频作用非常好。石英谐振器1)高Q值 4.石英谐振器的特点其Q值很高，可达10410 有两个谐振频率fq和fp 2) 石英谐振器的两个谐振频率串联谐振频率： 在低频时，由于C

8、0很小，它的容抗比R大很多，可把静态电容C0看作开路。若f=fs时，L、R、C串联支路发生揩振石英谐振器 有两个谐振频率fq和fp 2) 石英谐振器的两个谐振频率并联谐振频率 且有fq略小于fp (小于几十赫兹到几百赫兹）当频率高于fs时，XLXC，L、R、C支路呈感性，当与C0发生并联谐振时石英谐振器并联谐振频率 且有fq略小于fp (小于几十赫兹到几百赫兹）3)石英谐振器的电抗特性曲线 当信号频率f fq时，石英晶体相当于一个电容；当f = fq时，石英晶体相当于短路；当fq f fp时石英晶体又相当于一个电容。石英谐振器3)石英谐振器的电抗特性曲线 当信号频率f fq时，石当L、C、R支

9、路发生串联谐振时，电抗为零，则石英谐振器的阻抗为纯电阻R，由于R很小，可视为短路，说明石英晶体在这种情况下可充当特殊短路元件使用。石英谐振器当L、C、R支路发生串联谐振时，电抗为零，则石英谐振器的阻抗当fqffp时，石英谐振器等效电路呈电感性，这个区域很窄， 石英谐振器充当一个等效电感。不过此电感是一个特殊的电感，它仅存在于fq与fp之间，且随频率f的变化而变化。 石英谐振器当fqffp时，石英谐振器等效电路呈电感性，这个区域很窄石英晶体与外电路的耦合是很弱的，这样就削弱了外电路与石英谐振器之间的相互不良影响，从而保证了石英谐振器的高Q值，因此，石英晶体振荡器振荡频率的稳定度和标准性都很高。4

10、)接入系数很小 一般为10-310-4数量级.石英谐振器石英晶体与外电路的耦合是很弱的，这样就削弱了外电路与石英谐振 石英谐振器作为振荡回路中的电感元件，它能使振荡器的频率稳定度大大提高，其原因在于： 1.石英晶体的物理化学性能十分稳定，外界因素对其性能影响很小。 2.石英谐振器的Q值极高，其稳频作用极强。 稳频原理 石英谐振器 石英谐振器作为振荡回路中的电感元件，它能使振荡器的频率3.石英谐振器在fqffp 的相当窄的频率范围内，其感抗从零变到无穷大，因此它相当于一特殊电感，极其陡峭的电抗特性使晶体对频率变化的自动调整灵敏度极高，稳频作用就极强。实际上，由于晶体被当作一个电感元件来使用，则其

11、工作频率被限制在fqffp内，外界因素对振荡频率的影响再大，也不能使它超出这个很窄的频率范围，因此，振荡频率的变化很小，它的频率稳定度就很高 。石英谐振器3.石英谐振器在fqffp 的相当窄的频率范围内，其感抗4.石英谐振器的接入系数极小，使振荡器中振荡回路与管子之间的耦合非常弱，于是，外电路中不稳定因素对回路的影响将大大减小，其频率稳定度就很高。石英谐振器4.石英谐振器的接入系数极小，使振荡器中振荡回路与管子之间的石英晶体在电路中可以起三种作用： 一是充当等效电感，晶体工作在接近于并联谐振频率fp的狭窄的感性区域内， 这类振荡器称为并联谐振型石英晶体振荡器； 二是石英晶体充当短路元件，并将它

12、串接在反馈支路内，用以控制反馈系数，它工作在石英晶体的串联谐振频率fq上，称为串联谐振型石英晶体振荡器； 三是充当等效电容，使用较少。二、石英晶体振荡电路石英谐振器石英晶体在电路中可以起三种作用：二、石英晶体振荡电路石英谐振石英晶体振荡器可分为：并联型电路串联型电路石英谐振器石英晶体振荡器可分为：并联型电路石英谐振器1.并联型晶体振荡电路 并联型晶体振荡器是把晶体作为回路电感，与其他回路元件组成三点式振荡器。工作原理和一般三点式LC振荡器相同，只是把其中的一个电感元件用晶体置换。在构成实际电路时，必须符合三点式振荡器的组成原则。石英谐振器1.并联型晶体振荡电路 并联型晶体振荡器是把晶体作为回目

13、前常用的并联型晶体振荡电路：皮尔斯电路(电容三点式振荡器) 密勒电路(电感三点式振荡器)石英谐振器目前常用的并联型晶体振荡电路：皮尔斯电路(电容三点式振荡器)皮尔斯电路 等效电路 并联型晶体振荡电路石英谐振器皮尔斯电路 等效电路 并联型晶体振荡电路石英谐振器其中 LC 为高频扼流圈，Cb为基极旁路电容，Cc为集电极耦合电容。可以看出，它的晶体接在管子的C-B极间，属于电容三点式振荡器。但是调节频率会改变反馈系数.为此，可采用改进型皮尔斯电路。石英谐振器其中 LC 为高频扼流圈，Cb为基极旁路电容，Cc为集电极耦 皮尔斯电路的频率稳定度高，电路又不需外接线圈，固应用最为广泛。 总结：在并联型晶体

14、振荡电路中，石英晶体工作在感性区，相当于一个电感元件，当在频率fqffp 之间时满足振荡条件，产生正弦波，因为fq和fp非常接近，所以振荡频率稳定度高。石英谐振器 皮尔斯电路的频率稳定度高，电路又不需外接线圈，固应用改进型皮尔斯电路（改进型电容三点式振荡器）C4为微调电容，用来改变振荡频率，不过频率调节范围是很小的。石英谐振器改进型皮尔斯电路（改进型电容三点式振荡器）C4为微调电容，用电路结构等效电路 2.串联型晶体振荡电路注：晶体相当于短路元件，常串接在正反馈支路中。石英谐振器电路结构等效电路 2.串联型晶体振荡电路注：晶体相当于短路元 该电路与电容三点式振荡器十分相似，只不过反馈信号不是直

15、接接到发射极，而是经过晶体才接到发射极，构成正反馈通路。由C1C2和L组成 的振荡回路调谐在晶体的串联谐振频率上 。此时晶体可以看成短路，正反馈最强，满足振荡条件。即其振荡频率基本上等于晶体的串联振荡频率fq .而对于其他频率。晶体呈现很大的阻抗，电路不能满足振荡条件 。石英谐振器 该电路与电容三点式振荡器十分相似，只不过反馈 因此，这个电路的振荡频率和频率稳定度，都是由晶体决定的，而不是由振荡回路决定的。由于经过 晶体和 回路的两次选项，所以这个振荡器的输出波形好。 频率稳定度完全取决于晶体的稳定度。谐振回路的频率为f0=fq石英谐振器 因此，这个电路的振荡频率和频率稳定度，都是由寄生振荡波

16、形 寄生振荡和间歇振荡简介 一. 寄生振荡寄生振荡和间歇振荡寄生振荡波形 寄生振荡和间歇振荡简介 一. 寄生振荡防止和消除寄生振荡： 首先在安装时必须考虑合理的工艺结构，尽量减少寄生参量，保持参量的稳定；其次应采用退耦电路，在较大电容处并上一个较小的电容；有时在振荡管的基极或发射极串入个小电阻或在发射结之间接一个小电容就可能消除超高频寄生振荡。 寄生振荡和间歇振荡防止和消除寄生振荡： 首先在安装时必须考虑合理的工艺结间歇振荡波形 二.间歇振荡为了避免产生间歇振荡，RC的时间常数应小于振荡回路的时间常数2L/C，一般可取RC2L/5C。 寄生振荡和间歇振荡间歇振荡波形 二.间歇振荡为了避免产生间歇振荡，RC的时间常振荡器名 称频率稳定度振荡波形适用频率频率调节范围其它电桥式10-210-3差200KHZ以下频率调节范围较宽在低频信号发生器中被广泛采用变压器反馈式10-210-4一般几千赫几十兆赫可在较宽范围内调节频率易起振，结构简单电 感三点式10-210-4差几千赫几十兆赫可在较宽范围内调节频率易起振，输出振幅大电 容三点式10-310-4好几兆赫几百兆赫只能在小范围内调节频率（适用于固定频率）常采用改进电路石英晶体10-510-11好几百千赫一百兆赫只能在极小范围内微调频率（适用于固定频率）用在精密仪器设备中各种正弦波振荡器的性能比较如表5-