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1、3.5 3.5 晶体振荡器晶体振荡器3.5.1 石英晶体振荡器的频率稳定度 用石英晶体作为滤波元件，能使振荡器的频率稳定用石英晶体作为滤波元件，能使振荡器的频率稳定度大大提高，具体表现为（见第一章）：度大大提高，具体表现为（见第一章）：1、石英晶体谐振器具有很高的标准性。石英晶体、石英晶体谐振器具有很高的标准性。石英晶体的串联谐振频率的串联谐振频率 主要取决于晶片的尺寸，石英晶体主要取决于晶片的尺寸，石英晶体 的物理性能和化学性能都十分稳定，它的尺寸受外的物理性能和化学性能都十分稳定，它的尺寸受外界条件如温度、湿度等影响很小，因而其等效电路的界条件如温度、湿度等影响很小，因而其等效电路的、值很
2、稳定，使得值很稳定，使得 很稳定。很稳定。3.5.13、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值。因为值。因为 值可达几万到几百万，维持振荡频率稳定不变的能力值可达几万到几百万，维持振荡频率稳定不变的能力极强。极强。一般为一般为 量级，这大大减弱了有源器件的极间量级，这大大减弱了有源器件的极间电容等参数和外电路中不稳定因素对石英晶体的影响，电容等参数和外电路中不稳定因素对石英晶体的影响，使石英晶体振荡器的频率振荡基本不受外界不稳定因素使石英晶体振荡器的频率振荡基本不受外界不稳定因素的影响。的影响。3.5.12、石英晶体谐振器与有源器件的接入系数、石英晶体谐振器与有源器件的接入系
3、数 石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路:体两端呈纯电抗，其电体两端呈纯电抗，其电抗特性曲线如图抗特性曲线如图3.5.2中中两条实线所示。两条实线所示。3.5.1，则晶，则晶若忽略若忽略图3.5.1是石英晶振的符号和等效电路（晶体特性动画）其中，其中，串联谐振频率：串联谐振频率：并联谐振频率：并联谐振频率：3.5.1石英晶体产品的标称频率为石英晶体产品的标称频率为 ，是指石英晶体两端并接是指石英晶体两端并接 一电容一电容其中其中 通常值为通常值为（高频晶体）。（高频晶体）。图3.5.3 石英晶体产 品的标称频率3.5.13.5.2 3.5.2 晶体振荡电路晶体振荡电路晶体振荡器分为晶体振荡器分
4、为3.5.2（c c）（）（cece型）石英晶体接在晶体管型）石英晶体接在晶体管cece极之间极之间;这种这种 电路不常用。电路不常用。一、并联型晶体振荡器 并联型晶体振荡器的工作原理和三点式振荡器相同，并联型晶体振荡器的工作原理和三点式振荡器相同，只是将其中一个电感元件换成石英晶体。如下图所示。只是将其中一个电感元件换成石英晶体。如下图所示。（a）皮尔斯晶振（皮尔斯晶振（ce型）：晶体接在晶体管ce之间。（b b）米勒晶振（）米勒晶振（bebe型）：晶体接在晶体管型）：晶体接在晶体管bebe极之间。极之间。（2）电路特点：）电路特点：A、振荡回路与晶体管、振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱
5、。晶负载之间的耦合很弱。晶体管、端体管、端,、端、端和、端的接入系数分和、端的接入系数分别是：别是：3.5.21、皮尔斯晶振、皮尔斯晶振（1）原理电路）原理电路 图3.5.4 皮尔斯晶体振荡器电路（）实际电路（）高频交流通路（皮尔斯振荡器动画）以上三个接入系数一般均小于以上三个接入系数一般均小于，所以外电路所以外电路中中的不稳定参数对振荡回路影响很小，提高了回路的标准的不稳定参数对振荡回路影响很小，提高了回路的标准性。性。B、振荡频率几乎由石英晶体的参数决定：、振荡频率几乎由石英晶体的参数决定：而石英晶体本身的参数具有高度的稳定性。而石英晶体本身的参数具有高度的稳定性。在实用时，一般需加入微调
6、电容，用以微调回路的谐在实用时，一般需加入微调电容，用以微调回路的谐振频率，保证电路工作在晶体外壳上所注明的标称频率振频率，保证电路工作在晶体外壳上所注明的标称频率。3.5.2D、石英晶体的、石英晶体的Q值和特性阻抗值和特性阻抗 都很高，所以晶体都很高，所以晶体 的谐振电阻很大，一般可达的谐振电阻很大，一般可达 以上。这样即使外电路以上。这样即使外电路接入系数很小，接入系数很小，此谐振电阻此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很大，使晶体管的电压等效到晶体管输出端的阻抗仍很大，使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。增益能满足振幅起振条件的要求。C、由于振荡频率、由于振荡频率 一般调谐在标称
7、频率一般调谐在标称频率 上，上，位于晶体的感性区内，位于晶体的感性区内，电抗曲线陡峭，稳频性能极好。电抗曲线陡峭，稳频性能极好。图图3.5.5所示为一实所示为一实用振荡电路，其中的用振荡电路，其中的C4用于削弱用于削弱 的影响，的影响，以隔离外部电路与石英以隔离外部电路与石英谐振器的耦合。此外，谐振器的耦合。此外，若串联电容若串联电容C为变为变容二极管，还可构成电容二极管，还可构成电压控制型晶体振荡器。压控制型晶体振荡器。图3.5.5 采用微调电容的 晶体振荡电路3.5.2例例 3.5.1 3.5.1 图例3.5.7（）是一个数字频率计晶振电路，试分析其工作情况。等效电路，如图例3.5.5（）
8、管作射随器。图3.5.7 例 3.5.1图（）数字频率计晶振电路 （）高频交流等效电路 3.5.2解解:先画出 管高频交流电容较大，所示，作为高频旁路电路，由高频交流等效电路可以看到，管的c、e极之间有一个回路,其谐振频率为：所以在晶振工作频率 处，此回路等效为一个电容。可见，这是一个皮尔斯振荡电路，晶体等效为电感，容量为3 10 的可变电容起微调作用，使振荡器工作在晶振的标称频率上。3.5.23.5.2 图3.5.8密勒振荡电路(a)晶体管密勒振荡电路 (b)场效应管密勒振荡电路、密勒晶振电路、密勒晶振电路图图3.5.8(a)为密勒（为密勒（Miler）振荡）振荡器。由于晶体与晶体管的低输入
9、器。由于晶体与晶体管的低输入阻抗并联，降低了有载品质因数阻抗并联，降低了有载品质因数，故密勒振荡器的频率稳定，故密勒振荡器的频率稳定度度较低。实际上，密勒振荡电较低。实际上，密勒振荡电路通常不采用晶体管，而是采路通常不采用晶体管，而是采用输入阻抗高的场效应管来提用输入阻抗高的场效应管来提高回路的标准性和频率的稳定高回路的标准性和频率的稳定性，如图性，如图3.5.8(b)所示。所示。3、泛音晶振电路、泛音晶振电路 在工作频率较高的晶体在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡电路。振荡电路。回路必回路必须调谐在三次和五次泛音须调谐在三次和五次泛音频率之间。频率之间。
10、3.5.2 假设泛音晶振为五次泛假设泛音晶振为五次泛音，音，标称频率为标称频率为MHzMHz，基，基频为频为MHzMHz，则，则 图图3.5.9 泛音晶振电路泛音晶振电路成法则，不能起振。成法则，不能起振。而在七次及而在七次及其以上泛音频率，其以上泛音频率，减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环路增益减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环路增益小于小于1，不满足振幅起振条件。，不满足振幅起振条件。对于基对于基频和三次泛音频率来说，频和三次泛音频率来说，回路呈感性，电路不符合组回路呈感性，电路不符合组性，性，振荡电路满足组成法则。振荡电路满足组成法则。回路呈容回路呈容在在MHzMHz频率上，频率上，回路虽呈现容性，但等效容抗回路虽呈现容性，但等效容抗二、串联型晶体振荡器 串联型晶体振荡器是将串联型晶体振荡器是将石英晶体用于正反馈支路中，石英晶体用于正反馈支路中，利用其串联谐振时等效为短利用其串联谐振时等效为短路元件的特性，电路反馈作路元件的特性，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶体串联谐振频使振荡器在晶体串联谐振频率率 上起振。上起振。3.5.2图3.5.8 串联型单管晶体 振荡器电路