3.4 晶体振荡器.ppt

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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 1.1.石英晶体的物理特性:石英晶体的物理特性:石英是矿物质硅石的一种(也可人工制造),化学成分是石英是矿物质硅石的一种(也可人工制造),化学成分是S Si iO O2 2,其形状其形状为结晶的六角锥体。图为结晶的六角锥体。图(a)(a)表示自然结晶体,图表示自然结晶体,图(b)(b)表示晶体的横截面。为了表示晶体的横截面。为了便于研究,人们根据石英晶体的物理特性,在石英晶体内画出三种几何对称便于研究,人们根据石英晶体的物理特性,在石英晶体内画出三种

2、几何对称轴,连接两个角锥顶点的一根轴轴,连接两个角锥顶点的一根轴ZZZZ,称为光轴,在图称为光轴,在图(b)(b)中沿对角线的三条中沿对角线的三条XXXX轴,称为电轴,与电轴相垂直的三条轴,称为电轴,与电轴相垂直的三条YYYY轴,称为机械轴。轴,称为机械轴。3.4晶体振荡器晶体振荡器 石石英英晶晶体体具具有有正正、反反两两种种压压电电效效应应。当当石石英英晶晶体体沿沿某某一一电电轴轴受受到到交交变变电电场场作作用用时时,就就能能沿沿机机械械轴轴产产生生机机械械振振动动,反反过过来来,当当机机械械轴轴受受力力时时,就就能能在在电电轴轴方方向向产产生生电电场场。且且换换能能性性能能具具有有谐谐振振

3、特特性性,在在谐谐振振频频率率,换换能能效效率最高。率最高。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,利用其固有频固有频率率,能有效地控制和稳定,能有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。正压电效应正压电效应:外:外加力,产生电荷现象加力,产生电荷现象 逆压电效应逆压电效应:外加:外加电压,产生机械振动现象。电压,产生机械振动现象。振振动动特特性性:具具有有多多谐谐性性,除除基基频频振振动动外外还还有有奇奇次谐波的泛音振动次谐波的泛音振动。频频稳度稳度晶体振荡器:超过晶体振荡器:超过 10-5LC 振荡器:振荡器:

4、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振荡器。采用石英谐振器控制和稳定振荡频率的振荡器。2 2、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 3.3.石英石英谐振器的等效振器的等效电抗(阻抗特性)抗(阻抗特性)石石英英晶晶体体有有两两个个谐谐振振角角频频率率。一一个个是是左左边边支支路路的的串串联联谐谐振振角角频频率率 q,即即石石英英片片本本身身的的自自然然角角频频率率。另另一一个个为为石

5、石英英谐谐振振器器的并联谐振角频率的并联谐振角频率 p。串联谐振频率串联谐振频率 并联谐振频率并联谐振频率 石英晶体振荡器之所以具有优良性能(很高的频石英晶体振荡器之所以具有优良性能(很高的频率稳定度),具体表现为:率稳定度),具体表现为:1)石英晶体振荡器具有很高的标准性)石英晶体振荡器具有很高的标准性 2)石英晶体谐振器与有源器件的介入系数)石英晶体谐振器与有源器件的介入系数p很小,很小,一般为一般为10-310-4 3)石英晶体谐振器具有非常高的)石英晶体谐振器具有非常高的Q值值2电抗特性电抗特性可证:忽略可证:忽略 rq 时时,晶体两端呈现纯电抗,其值近似为,晶体两端呈现纯电抗,其值近

6、似为图图 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 之之间间为为正正值值,呈呈感感性性;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=0,为为串串联联谐谐振振;在在 p 上上 Xcr ,为为并联谐振。并联谐振。又又因为因为 C0 Cq,所以所以 p 很靠近很靠近 s 实际振荡电路在晶体两端并接有实际振荡电路在晶体两端并接有CL,则,则C CL L称为晶体的负载电容。称为晶体的负载电容。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晶体振荡器晶体振荡器1电路电路 皮尔斯皮尔斯(Pirece)晶体振荡电路晶体振荡电

7、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 电路电路十分相似十分相似(Cq 类似于类似于C3)。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 时时,晶晶体体串串联联谐谐振振,等等效效为为短短路路元元件件,T1、T2管管和和外外接接晶晶体体构构成成正正反反馈馈放放大大器器,满满足足相相位位平平衡衡条条件件,且且反反馈最强,满足馈最强,满足

8、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 时时,晶晶体体呈呈高高阻阻抗抗,反反馈馈显显著著减减弱弱,不不能能满满足足振振幅幅和和相相位位起起振振条条件件,所所以以这这种种振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率受受晶晶体体串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 晶体串联谐振,等效为短路元件,电路符合晶体串联谐振,等效为短路元件,电路符合三点式组成三点式组成法则法则,为电容三点式电路。,为电容三点式电路。偏离串联谐振频率偏离串联谐振频率,晶体阻抗迅晶体阻抗迅速增大,电路不能振荡。速增大,电路不能振荡。振荡频率取决于振荡频率取决于晶体的串联谐振晶体的串联谐振频率频率。

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