Transcript 石英谐振器 - 四川信息职业技术学院

任务3.3
石英晶体振荡器
3.3.1
石英晶体振荡器
3.3.2
寄生振荡和间歇振荡简介
四川信息职业技术学院·电子工程系
§3.3.1
石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是用石英晶体谐振器来控制振荡
频率的一种三点式振荡器。
一般LC振荡器的频率稳定度只能达到10 -3 ~10 -4 数量
级，改进型电容三点式振荡器的频率稳定度也只有10 -4
~10-5 数量级。然而在许多场合，往往要求频率稳定度
优于10-5数量级，这时就必须采用石英晶体振荡器 ，它
是用石英谐振器作为振荡回路元件的具有高稳定度（可
达10-9 ~10-11数量级）的振荡器。
优点：频率稳定度高。适合作标准频率信号源，但其
带负载能力差。
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一. 石英谐振器
石英晶体是一种各向异性的结晶体，其主要成分是
二氧化硅，具有稳定的物理化学性能。从一块晶体按
一定方位角切割下来的薄片，称为晶片或石英谐振器。
在晶片的两面涂上银层作为电极，两电极各自焊出引
线固定在管角上，并密封在金属壳中，便构成了石英
谐振器。
石英谐振器（即石英晶体滤波器）简称晶体，与陶
瓷滤波器一样，它也是利用石英晶体的电压效应而制
成的，具有谐振特性。
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石英谐振器
晶体外形
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内部结构
1. 正反压电效应
当石英晶体两面加机械力时，晶片两面将产生电荷，电
荷的多少基本上与机械力所引起的形变成正比，电荷的正
负将取决于所加机械力是张力还是压力而异。由机械形变
引起产生电荷的效应称为正压电压效应，交变电场引起石
英晶体发生机械形变(压缩或伸展)的效应称为反压电效应。
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2.石英晶体的等效电路
L1
C1
CO
R1
电路符号
等效电路
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：R1＝10～140Ω；
L1＝0.01～10H；C1＝0.004～0.1PF；C0＝2～4PF。
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3.石英谐振器的特点
1)高Q值
Q 
1
L1
R1
C1
其Q值很高，可达104～106，这是普通LC电路无法相比的。
说明其选频作用非常好。
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2) 石英谐振器的两个谐振频率
有两个谐振频率fq和fp
串联谐振频率
fq 
并联谐振频率
1
2
1
fp 
2
f p  f q (1 
C1
2C O
)
L1C 1
L1
C O C1
 fq 1 
C1
CO
C O  C1
f p  fq  fq 
C1
2C 0
且有fq略小于fp (小于几十赫兹到几百赫兹）
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3)石英谐振器的电抗特性曲线
X
容性区
容性区
O
fq fp
f
感
性
区
串 并
联 联
谐 谐
振 振
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
相当于一个特殊电感；当f = fp时，石英晶体相当于开路；
当f > fp时石英晶体又相当于一个电容。
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当Lq、Cq、Rq支路发生串联谐振时，电抗为零，则石
英谐振器的阻抗为纯电阻Rq，由于Rq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。
当fq<f<fp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。
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4)接入系数很小
p 
C1
C0
一般为10-3～10-4数量级.
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。
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稳频原理
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。
3. 石英谐振器在fq<f<fp 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，则其工作频率被限制在 fq<f<fp
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 。
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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。
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二、石英晶体振荡电路
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
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。
石英晶体振荡器可分为并联型和串联型两类电路。
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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。
目前常用的是皮尔斯电路(电容三点式振荡器)。
密勒电路(电感三点式振荡器).
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并联型晶体振荡电路
皮尔斯电路
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等效电路
皮尔斯电路(电容三点式振荡器)
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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。
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。
问题：是否能大致估算出皮尔斯电路的振荡频率？
总结：在并联型晶体振荡电路中，石英晶体工作在感性区，
相当于一个电感元件，当在频率fq<f<fp 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。
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改进型皮尔斯电路（改进型电容三点式振荡器）
UCC
30 k
B
75 0
C4
V
32 0 p
C2
C1
C2
V
C1
6.8 k
12 0 p
47 00 p
20 0
(a )
C4
L
C3
(b )
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。
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2.串联型晶体振荡电路
电路结构
等效电路
晶体相当于短路元件，常串接在正反馈支路中。
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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C1\C2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 。
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
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f0=fq
§3.3.2 寄生振荡和间歇振荡简介
一. 寄生振荡
寄生振荡波形
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。
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二.间歇振荡
间歇振
荡波形
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RC≤2L/5C。
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本讲小结
1.
石英晶体振荡器有串联型和并联型两种电路
，石英晶体振荡器具有高频率稳定度的原因
是由于晶体的Q值极高、接入系数小和它相
当于一特殊电感等。
2.
振荡电路中存在寄生振荡和间歇振荡。
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本讲作业
1、练习：教材P89 5-5、5-6；P90 5-7；
2、思考：教材P90 5-8、5-9。
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石英晶振实验电路
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石英晶振实验电路
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