3.3 石英晶体振荡器.doc

3.3 石英晶体振荡器 LC振荡电路的优点是振荡频率较高，可以达到100MHz以上，缺点是频率稳定性不高，即使采取稳频措施后，频率稳定度也只能达到10-5。在需要频率稳定度更高的场合，一般采用石英晶体作谐振回路的元件，并称这种振荡器为石英晶体振荡器。由石英晶体组成的正弦波振荡电路，频率稳定度可以达到10-6～10-8，一些产品甚至高达10-10～10-11，因此它广泛应用于要求频率稳定度高的设备中，例如，标准频率发生器、脉冲计数器和电子计算机的时钟信号发生器等。 3.3.1 石英晶体的基本特性与等效电路 1. 石英晶体的结构 将二氧化硅晶体按一定的方向切割成很薄的晶片，再在晶片的两个表面涂覆银层并作为两极引出管脚，加以封装，即成为石英晶体谐振器，简称石英晶体，石英晶体谐振器已经制成各种规格的产品。石英晶体的结构、电路符号和晶体产品外形如图3-15所示，其中(a)所示的是石英晶体结构，(b)为电路符号，(c)是几种产品的外形。 2. 压电效应及等效电路 石英晶片之所以能作成谐振器，是因为它具有压电效应和反压电效应。当机械力作用于晶片时，晶片两面将产生电荷；反之，当在晶片两面加不同极性的电压时，晶片的几何尺寸将压缩或伸长。因此，在石英谐振器两端加上高频交流电压时，如图3-16（a）也最大。 图3-16（b）石英晶体的为其等效电路。图中称为动态电感，为动态电容，是机械磨擦和空气阻尼引起的损耗。实际上，石英晶片两面敷了银层，并固定在安装架上，因此即使晶片不振动，仍然有一个静态电容存在。是以晶体作为电介质的静电容，其容值一般为几皮法至几十皮法。 石英谐振器的等效电抗与频率的关系曲线如图3-16（c）所示。当频率很低时，感抗接近于零，而容抗增大，等效电路为与并联，等效电路呈容性。当时，支路发生串联谐振，；当时，发生并联谐振，此时；当＞以后，等效电路呈容性，从图3-16（c）可见，石英谐振器有两个谐振频率和，在和之石英谐振器等效为电感，而在＜或＞频率范围等效为电容。 由图3-16(b)可求得石英晶体串联谐振频率和并联谐振频率 （3-17） （3-18） 3.3.2 石英晶体振荡器电路 石英晶体振荡器常用有并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。在并联型晶体振荡器中，用晶体置换电路的电感元件，晶振工作频率在和之间；在串联型晶体振荡器中，振荡器工作在串联谐振频率上，晶体呈低阻抗起选频短路线作用。 1. 并联型晶体振荡器 图3-17（a）为并联型晶体振荡电路。又称为皮尔斯(Pierce)振荡电路。图（a）中为高频扼流圈，为旁路电容。石英晶体接在集电极与基极之间，和、构成类似电容三点式振荡电路。图（b）。由于晶体管的集电极电路中有并联回路，该电路属于双谐振回路振荡器。由三点式振荡器的工作原理可知， 回路应呈电感性，因此的谐振频率应略高于振荡器的工作频率。从等效电路可以看出，此电路是电感三点式振荡电路。由于输出回路中接有谐振回路，故输出波形较好。此外可变电容还可用来调节振荡幅度。图（b）是其高频等效电路。 实际应用中，密勒振荡电路常采用输入阻抗高的场效应管作放大器，以提高其工作频率的稳定性。 2. 串联型晶体振荡器 如图3-19所示为串联型非正弦波晶体振荡器。图中，和组成两级共射放大器，石英谐振器和电容构成正反馈网络。当发生串联谐振时，串联阻抗最小，正反馈最强。由于等效串联回路的值很高，所以振荡频率很稳定。该电路选取不同的晶体，可产生工作频率在几十千赫到几百千赫的方波信号。 如图3-20（a）所示，为串联型正弦波晶体振荡器电路，图（b）是它的等效电路。这是一种电容反馈三点电路，电容与、并联电路的中间抽头是经过石英谐振器接在 晶体管发射极的，构成了正反馈通路。和并联，再与串联，并与组成振荡回路。该振荡器振荡频率较高。图中的晶体为1 MHz，改变电路参数(、和发射极电阻的数值)，可使振荡频率高达几十兆赫。 3. 泛音晶体振荡器 石英谐振器频率越高，石英晶片的厚度越薄。频率很高时，晶片的厚度太薄，加工困难，且机械强度差，容易振碎。因此一般晶体振荡频率最高不超过25 MHz，为了获得更高的振荡频率，可采用泛音晶体振荡器。 图3-21（a）是一种并联型泛音晶体振荡电路。如果电路的振荡频率是基频的5次泛音，则回路应调谐在3和5次泛音之间。这样，当频率低于并联谐振频率时，由图3-21（b）可见，回路呈感性，不满足三点式振荡电路的相位平衡条件，所以不能产生振荡。 而对于比5次泛音高的7次及其以上泛音来说，回路呈容性，但等效容抗非常小，反馈系数太小，不满足振荡电路的起振条件，也不能产生振荡。若将回