4.4晶体振荡器

一、石英晶体的结构和特性1．结构石英晶体俗称水晶，是一种化学成分为SiO2两端呈角锥状的六棱柱结晶体。按一定的方位角将晶体切成薄片称石英晶片（正方形、长方形、圆形），不同方位的切片有不同程度的频率特性，即石英晶片尺寸、厚度决定频率。项目单元3：石英晶体振荡器2．石英晶体具有压电效应。当交流电压加在晶体两端,晶体先随电压变化产生应变,然后机械振动又使晶体表面产生交变电荷。当晶体几何尺寸和结构一定时,它本身有一个固有的机械振动频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时,晶体片的机械振动最大,晶体表面电荷量最多,外电路中的交流电流最强,于是产生了谐振。因此,将石英晶体按一定方位切割成片,两边敷以电极,焊上引线,再用金属或玻璃外壳封装即构成石英晶体谐振器（简称石英晶振）。项目单元3：石英晶体振荡器3，特性石英晶振的固有频率十分稳定,它的温度系数（温度变化１℃所引起的固有频率相对变化量）在１０-6以下。另外,石英晶振的振动具有多谐性,即除了基频振动外,还有奇次谐波泛音振动。对于石英晶振,既可利用其基频振动,也可利用其泛音振动。前者称为基频晶体,后者称为泛音晶体。项目单元3：石英晶体振荡器晶片厚度与振动频率成反比,工作频率越高,要求晶片越薄,因而机械强度越差,加工越困难,使用中也易损坏。由此可见,在同样的工作频率上,泛音晶体的切片可以做得比基频晶体的切片厚一些。所以在工作频率较高时,常采用泛音晶体。通常在工作频率小于20MHz时采用基频晶体,大于20MHz时采用泛音晶体。项目单元3：石英晶体振荡器4．符号及等效电路图4.14石英晶体振荡器的符号及等效电路图4.15晶体的阻抗频率特性项目单元3：石英晶体振荡器说明：①参数：安装电容C0约１pF～１０ｐF（金属板及支架构成的电容）动态电容Cq约10-4pF～10-1pF动态电感Lq约10-3H～102H动态电阻rq项目单元3：石英晶体振荡器②石英晶振可以等效为一个串联谐振回路和一个并联谐振回路。若忽略ｒq,则晶振两端呈现纯电抗,串联谐振频率③并联谐振频率00000121CCfCCCfCCCCLfqsqsqqqpqqsCLf21项目单元3：石英晶体振荡器④由于Cq／C0很小,所以ｆp与ｆs间隔很小,因而在ｆs～ｆp感性区间,石英晶振具有陡峭的电抗频率特性,曲线斜率大,利于稳频。故只在ｆs～ｆp很窄的范围内，石英谐振器等效一特殊电感，其余频率均等效于电容．⑤外部因素使谐振频率增大,则根据晶振电抗特性,必然使等效电感Ｌ增大,但由于振荡频率与Ｌ的平方根成反比,所以又促使谐振频率下降,趋近于原来的值。项目单元3：石英晶体振荡器5．石英晶体振荡器的优缺点①优点：频率稳定度高②缺点：单频性、加工困难项目单元3：石英晶体振荡器二、晶体振荡电路将石英晶振作为高Ｑ值谐振回路元件接入正反馈电路中,就组成了晶体振荡器。根据石英晶振在振荡器中的作用原理,晶体振荡器可分成两类。一类是将其作为等效电感元件用在三点式电路中,工作在感性区,称为并联型晶体振荡器；另一类是将其作为一个短路元件串接于正反馈支路上,工作在它的串联谐振频率上,称为串联型晶体振荡器。项目单元3：石英晶体振荡器1．并联型晶体振荡电路并联型晶振电路的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，目的是保证反馈电压中仅包含所需要的基音频率或泛音频率，而滤除其它的奇次谐波分量。图4.16皮尔斯晶体振荡电路项目单元3：石英晶体振荡器说明：皮尔斯电路类似于克拉泼电路,但由于石英晶振中Ｃq极小,Ｑq极高；晶体一般工作在fs和fp之间，即感性区；振荡频率几乎由晶振的参数决定，具有高度的稳定性；振荡频率LqsLqLqqCCCfCCCCCCLf00001)(21项目单元3：石英晶体振荡器其中ＣL是和晶振两端并联的外电路各电容的等效值,即根据产品要求的负载电容。在实用时,一般需加入微调电容,用以微调回路的谐振频率,保证电路工作在晶振外壳上所注明的标称频率ｆN上。项目单元3：石英晶体振荡器2．泛音晶振电路在石英晶振的完整等效电路中,不仅包含了基频串联谐振支路,还包括了其它奇次谐波的串联谐振支路,这就是前面所说的石英晶振的多谐性。但泛音晶体所工作的奇次谐波频率越高,可能获得的机械振荡和相应的电振荡越弱。在工作频率较高的晶体振荡器中,多采用泛音晶体振荡电路。泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。在泛音晶振电路中,为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上,不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡,而且必须正确地调节电路的环路增益,使其在工作泛音频率上略大于1,满足起振条件,而在更高的泛音频率上都小于1,不满足起振条件。项目单元3：石英晶体振荡器在实际应用时,可在三点式振荡电路中,用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件,使这一支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则,不能起振；而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则,达到起振。图4.18泛音晶体振荡电路及LC回路的电抗频率特性项目单元3：石英晶体振荡器图4.18（a）给出了一种并联型泛音晶体振荡电路。假设泛音晶振为五次泛音,标称频率为５MHz,基频为１MHz,则ＬＣ1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样,在５MHz频率上,ＬＣ1回路呈容性,振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说,ＬＣ1回路呈感性,电路不符合组成法则,不能起振。项目单元3：石英晶体振荡器3．串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反馈支路中,利用其串联谐振时等效为短路元件,电路反馈作用最强,满足振幅起振条件,使振荡器在晶振串联谐振频率ｆs上起振。图4.19串联型晶体振荡电路项目单元3：石英晶体振荡器这种振荡器与三点式振荡器基本类似,只不过在正反馈支路上增加了一个晶振。Ｌ,Ｃ1,Ｃ2和Ｃ3组成并联谐振回路而且调谐在振荡频率上。谐振回路的频率为012fLC项目单元3：石英晶体振荡器1．振荡器与放大器的区别2．产生自激振荡的条件（起振、平衡、稳定）3．LC振荡器的分析（振荡频率的计算、区分振荡器的类型并能画出交流等效电路图）4．石英晶振（特性、等效电路及电抗曲线、稳频原理、看懂实际晶体振荡器电路并画交流等效电路图）学习项目四：小结