模拟电子技术 CH9-4 石英晶体振荡电路.ppt

1、,Q值越高，幅频特性越尖锐，选频特性越好，频率越稳定。,9.3.4 石英晶体振荡电路,1. 振荡电路的频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,LC振荡电路 Q 数百,石英晶体振荡电路 Q 104 106 有很高的频率稳定性。,影响LC振荡电路频率f0的因素主要是LC并联回路的参数L、C、R,（某一时间段）,LC振荡电路频率稳定度：10-5 而石英晶体振荡电路 可达：10-1010-11,2. 石英晶体的基本特性与等效电路, 结构,压电效应,一定f的机械振动,感应一定f的交变电场,机械振动的固有频率只与晶片本身尺寸有关， 石英晶体组成的振荡电路 f 稳定性高,当交变电场

2、频率 = 晶体固有频率时，发生共振，机械振动振幅最大，随之产生的交变电场的幅值也最大。,压电谐振,两 极板间加交变电场,C0：无振荡时晶体极板间的静电容（几十pf）； L：模拟晶体惯性的电感（10-310 2 H很大）； C：模拟晶体弹性的电容（10-210-1 pf很小）； R：模拟晶体振动摩擦损耗的电阻（100左右 可忽略）。,等效电路：晶体振荡时，可用下面的电路模型描述。,惯性与弹性比L/C很大，Q值很高。 频率稳定度极高！,*,晶体有两个谐振频率,L、 C、R支路可发生串联谐振,串联谐振时，支路阻抗最小，且为纯阻性 R 。 且,石英晶体也呈阻性，等效电阻为R。,*,ffs时，串联支路呈

3、感性,通常,所以,ffp时，石英晶体呈容性。,可与Co发生并联谐振，晶体又呈阻性；,即：1) 晶体有两个谐振频率fs 、fp,2)只在fs fp 间很窄的频带内，石英晶体呈感性。,3)实际使用时，外接一微调电容Cs,新的串联谐振频率,由此看出,调整,*,且此时石英晶体呈感性,令复数阻抗的电抗部分（虚部）为0，有,并联石英晶体振荡电路,3. 石英晶体振荡电路,在石英晶体的fs fp 间，石英晶体为感性。将其取代电容三点式电路中的L,由于C1、 C2 Cs ，,振荡频率取决于石英晶体与Cs的谐振频率 fs 。,*,fs 与 C1、C2无关，杂散电容对其无影响,CS很小， fs更接近于fp,调整,（

4、2） 串联石英晶体振荡电路,石英晶体与 Rf 构成正反馈支路， 当晶体串联谐振时，阻抗最小，且为纯阻性。 电路才满足正反馈相位平衡条件且正反馈作用最强。 振荡频率为石英晶体的串联谐振频率fs 。,T1共基组态， T2共集组态,*,end,*9.8 非正弦信号产生电路,9.8.1 电压比较器,9.8.3 方波三角波产生电路,9.8.2 方波产生电路,单门限电压比较器,迟滞比较器,矩形波锯齿波产生电路,1. 单门限电压比较器,运放处于开环状态,运放差模增益A0105,9.8.1 电压比较器,vI 、VREF（参考电压）分别加在集成运放的同相和反相输入端。,这里， VREF接在反相输入端（可正可负）

5、，vI接在同相输入端。 构成同相输入的电压比较器。,两种状态翻转的临界点是vI=vREF,当vI略 VREF，输出为接近正电源值 当vI略 VREF，输出为接近负电源值,输出只有这两种状态,门限电平、阈值电平,(2),传输特性曲线,vI 与VREF的输入端互换,若vREF =0（接地），则vI 每次过零时， vo翻转。 称为过零比较器。,*,输入为正弦波时,*,(a) VREF0时,(b) VREF2V时,(c) VREF4V时,vI为峰值6V的三角波，设VCC12V，运放为理想器件。,例9.8.1,解：,图示为另一种形式的单门限电压比较器，试求出其门限电压(阈值电压)VT，画出其电压传输特性

6、。设运放输出的高、低电平分别为VOH和VOL。,利用叠加定理可得,输出电压发生跳变时对应的vi 值为阈值此时，vPvN0，即,门限电压,例9.8.2,单门限电压比较器的缺点：,抗干扰能力差,在vI= Vth = VREF附近出现干扰时，vo不稳定， vo在VOH和VOL之间频繁变化。 若以此去控制电机，则将出现频繁起 停现象。,2、双门限电压比较器（迟滞比较器） 与施密特触发器类似，传输特性有迟滞环,(1)电路组成,并经分压器R1、 R2把v0的一部分引回同相输入端（正反馈）。,为便于分析，给出参数，并设VOH= VOL = 5V， VREF= 1V。,(2)工作原理, vI vP 时， vo

7、 = +5V ，根据叠加原理，此时,vP =,设vI 从小逐渐，在vI VT+=1.04V时， vo 保持 VOH=+ 5V不变。, vI ，当vI VT+时， vo 从 +5V 5V，,*,vI 从反相输入端输入， VREF从同相输入端输入，,-,= VT+,vi 继续， vo= VOL=5V不变,翻转以后，, Vi ，,例9.8.3 电路和参数及输入波形如图，,求传输特性和输出电压vo波形。,解：（1）求门限电压,传输特性如图,*,反相端输入的滞回比较器，VREF = 0 R4、DZ 组成双向限幅电路,（2）输出电压波形,虽然vI 波形有顶部干扰， 但vo 波形近似为矩形波。 整形,通过上

8、述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：,（1）用于电压比较器的运放，通常工作在开环或正反馈状态非线性区，其输出电压只有VOH和VOL两种情况。,（2）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。,（3）电压传输特性的关键要素 输出电压的最高电平VOH和最低电平VOL 门限电压 输出电压的跳变方向,门限电压等于输出电压发生跳变所对应的vI 跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式,9.8.2 方波产生电路,1、电路组成：,A、R1、R2：反相端输入的迟滞比较器， R3、C：积分环节， R4、DZ：双向限幅电路,2、工作原理：,(1)设电源合闸瞬间vo = +VZ,则此时 vP =

9、 VT+=+FVZ 上门限值,(2) vo 经R3向C 充电， vc 以指数规律,(3)当vc VT+时， A翻转， vo 从 +VZ VZ ，,则此时vP = VT=FVZ 下门限值,(4) vc 经R3放电， vc 以指数规律,(5)当vc VT时， A翻转， vo 从 VZ+VZ ，,C充电重复上述过程vo输出方波。,*,3、波形图：,4、振荡频率：,根据过渡过程三要素法有,电容充、放电 值相同 占空比不可调,*,t上升=,t下降=,1/2,占空比可调的矩形波产生电路,调整R的滑动端， 可以改变占空比， 但振荡周期不变。,*,9.8.3 方波-三角波产生电路,A1：同相输入滞回比较器,A2：反向积分运算电路,方波-三角波产生电路,1、电路组成：,*,迟滞比较器A的输出电压vo1=VZ，vP1是vo与vo1作用的叠加，即,令vP1=vN1 =0，得,*,迟滞比较器A的电压传输特性为,则阈值电压,2、工作原理：,而反向积分电路的输入为vo1 =VZ， 当vo1 = + VZ时，积分器负向线性积分， vo 以线性规律,而当vo1 =VZ时，积分器正向线性积分， vo 以线性规律,则，vo1输出方波， vo输出三角波。,*,3、波形图：,振荡周期,或振荡频率,*,4、振荡频率：,注意方波、三角波之间的相位关系,矩形波锯齿波产生电路,波形发生电路如图选择增大、不变或减小