石英晶体振荡器高频课程设计教材

1、中文摘要石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成 的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与 石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种 特性，就可以用石英谐振器取代 LC（线圈和电容 ） 谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具 有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。 石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振 元件。本设计对利用石英晶体构成正弦波的振荡器的方法做了较深入的研究， 对振荡器 的原理及石英晶体振荡器原理

2、做了详细的介绍并通过 Multisim 软件设计、仿真出并 联的石英晶体振荡器，最后按照原理图进行调试和参数的计算。关键词 石英，晶振，压电效应，频率稳定性， Multisim 仿真目录课程设计任务书 课程设计成绩评定表 中文摘要 . . . . .1. . 目录 . . . . . . . 2 1 设计任务描述 . . . .3.1.1 设计目的 . . . . . . . . 31.2 基本要求 . . 32 设计思路 . . . . 43 设计方框图 . . . . . . . 5.4 各部分电路设计及参数计算 . . . . . . . . . . .65 工作过程分析 . . . .

3、 . . . 16 元器件清单 . . . . 127 主要元器件介绍 . . . . . 13小结 . . . . . . . . 18致谢. . . . . . . .19参考文献 . . . . . . . . .20附录逻辑电路图 . 21仿真效果图 221. 设计任务描述1设计题目：石英晶体振荡器的设计与调试1.1 设计目的：1. 深入理解石英晶体振荡器的工作原理，熟悉振荡器的构成和电路各元件的作用；2. 掌握振荡器的设计方法及参数计算；3. 学会正弦波振荡器的调试。1.2 基本要求：1. 设计一个石英晶体振荡器；2. 研究电路的设计方法，完成电路参数计算；3. 进行电路调试。2 设

4、计思路本次设计首先以 NPN 型晶体管 9013 和标称频率为 10MHz 的石英晶体为基础分别设 计出不同形式的串并联型振荡器，通过对各种不同形式的串联型振荡器和并联型振荡器做 出比较之后，综合设计出一个并联的石英晶体正弦波振荡器，然后根据石英晶体振荡器的 输出要求设计电路，然后根据电路图的基本形式和设计的要求计算出各元件的参数和性能 要求。根据仿真后的电路原理图进行调试，从而完成整个正弦波振荡器的设计。3. 设计方框图4 各部分电路设计及参数计算4.1 各部分电路设计振荡器电路属于一种信号发生器类型，即表现为没有外加信号的情况下能自动生成具 有一定频率、一定波形、一定振幅的周期性交变振荡信

5、号的电子线路。振荡器起振时是将 电路自身噪声或电源跳变中频谱很广的信号进行放大选频。此时振荡器的输出幅值是不断 增长的， 随着振幅的增大， 放大器逐渐由放大区进入饱和区或者截止区， 其增益逐渐下降， 当放大器增益下降而导致环路增益下降到 1 时，振幅的增长过程将停止， 振荡器达到平衡， 进入等幅振荡状态。振荡器进入平衡状态后，直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗 的能量。4.1.1 串联型晶体振荡器在串联型晶体振荡器中，晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间，通常接在反馈电路 中。图 4-1 和图 4-2 显示出了一串联型振荡器的实际路线和等效电路。可以看出，如果将 石英晶体短路，该电路即为电容

6、反馈的振荡器。电路的实际工作原理为：当回路的谐振频 率等于晶体的串联谐振频率时，晶体的阻抗最小，近似为一短路线，电路满足相位条件和 振幅条件，故能正常工作；当回路的谐振频率距串联谐振频率较远时，晶体阻抗增大，是反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能正常工作图 4-1 串联型晶体振荡器实际电路图 4-2 串联型晶体振荡器等效电路串联型晶体振荡器只能适应高次泛音工作，这是由于晶体只起到控制频率的作用，对回路没有影响，只要电路能正常工作，输出幅度就不受晶体控制4.1.2 并联型晶体振荡器c-b 型并联晶体振荡器的典型电路如图 4-3 所示，振荡管的基极对高频接地， 晶体接集 电极与基极之间，

7、 C2和 C3位于回路的另外两个电抗元件， 振荡器的回路等效电路如图 4-4 所示，它类似于克拉泼振荡器，由于 Cq 非常小，因此，晶体振荡器的谐振回路与振荡管 之间的耦合电容非常弱，从而使频率稳定度大大提高。由于晶体的品质因数很高，故其并 联谐振阻抗也很高，虽然接入系数很小，但等效到晶体管 CE 两端的阻抗仍很高，因此放大器的增益高，电路容易满足振幅齐起振条件图 4-3 c-b 型并联晶体振荡器实际线路 图 4-4 c-b 型并联晶体振荡器等效线路 b-e型并联晶体振荡器的典型电路如图 4-5 所示，该电路是一个双回路振荡器，它的 固有谐振频率略高于振荡器的工作频率，负载回路选用的是并联谐振

8、回路，可以抑制其他 谐波，有利于改善输出波形，并且电路的输出信号较大，但频率稳定度不如 b-c 型振荡电 路，因为在 b-e 型电路中，石英晶体则接在输入阻抗低的 b-e 之间，降低了石英晶体的标 准性。其等效电路如图 4-6 所示。图 4-5 b-e 型并联晶体振荡器实际电路 图 4-6 b-e 型并联晶体振荡器等效电路 和一般 LC 振荡器相比，石英晶体振荡器在外界因素变化而影响到晶体的回路固有频 率时，它还具有使频率保持不变的电抗补偿能力，原因是石英晶体谐振器的等效电感 Le 与普通电感不同，当频率由 Wq 变化到 Wo 时，等效电感值将由零变到无穷大，这段曲线 十分陡峭，而振荡器又刚好

9、被限定在工作在这段线性范围内，也就是说，石英晶体在这个 频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线，因而它具有很高的电感补偿能力。而本次设计为 并联谐振型晶体振荡器。4.1.3 元器件参数的计算a 确定三极管静态工作点 正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素，静态工作点主要影响晶体管的 工作状态，若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大，振荡器在没有对反馈 信号进行放大时是无法工作的。 振荡器主电路的静态工作点主要由 R1、R2、R4、W 决定， 将电感短路，电容断路，得到直流通路如图 4-7 所示。图 4-7 直流通路等效电路高频振荡器的工作点要合适， 若偏低、偏高都会使振荡波形产生

10、严重失真， 甚至停振 实际中取 I CQ =0.55mA 之间，若取 ICQ =2mA， VCEQ 6V ，则有：VCC VCEQRe RcI CQ(12 6)V2mA(4.1.1)为提高电路的稳定性， Re 值可适当增大，取 Re=1k ，则 Rc=2k ，则有：VEQ ICQ Re 2mA 1k 2V (4.1.2) IBQ ICQ /2mA 0.033mA若取流过 Rb2的60电流 Ib2为 10IBQ ，则I b2 =10 IBQ =0.33mA，则取：Rb2 VBQ b2VCC VEQ 0.7V 2V 0.7V 2.7V (4.1.3)Rb1 Rb22.7VRb2 VBQ / I b

11、28.2k ,Rb1 28.2k (4.1.4)0.33mA实际电路中， Rb1可用 6.8k 与 50k 电位器串联， Rb2可以取 10k ，以便工作点的调 整。b 交流参数的确定对于振荡器，当电路接为并联型振荡器时，晶体起到等效电感的作用，输出频率应为10MHZ，则由 f0=1/2 LC 知负载电容 CL=33.3pF，即 C2，C3，C4串联后的总电容为 33.3 pF，则取 C2=100pF，C3=100pF， C4=100pF。为了提高振荡器的工作性能和稳定度，在电路 中还应有高频扼流圈，一般取扼流圈 L1=10uH。实验数据： (1) U4min=0.36V,U4max=6.10

12、V;(2) 开关闭合时： fo=10.00173MHz,Uo=61.6mV;开关断开时： fo=10.00174MHz,Uo=63.5mV;实验结论： (1) 由于石英晶体的等效电感非常大，故品质因数 Q很大，所以石英晶体振荡 电路有很高的稳定性。(2) 对比发现，负载变化对振荡频率影响很小，影响振荡频率的主要因素为温 度。有无负载对频率的影响OFFR5f10.00173MHz10.00174 MHz- 10 -5. 工作过程分析本次设计首先以 NPN 型晶体管 9013 和标称频率为 10MHz 的石英晶体为基础设计并 联型振荡器，通过 12V 的直流电源和调节 100K 的电位器 W 为三

13、极管提供合适的静态工作 点， X1、C2、C3、C4 组成振荡回路。 Q1的集电极直流负载为 R3,偏置电路由 R1、R2、W和 R4构成，改变 W可改变 Q1 的静态工作点。静态电流的选择既要保证振荡器处于截止平衡 状态也要兼顾开始建立振荡时有足够大的电压增益。 振荡器的交流负载实验电阻为 R5。闭 合开关 J2 时可以为电路提供直流电流，闭合开关 J1 时用以研究改变负载对石英晶体振荡 电路振荡频率的影响。- 11 -6 元器件清单石英晶体振荡器元器件名称型号数量备注电阻10K1电阻5802电阻102电阻6.8K1电阻5101三极管90131电位器100K1电容100pF3石英晶体10MH

14、z1电感10uH1开关2- 12 -7 主要元器件介绍7.1 石英晶体振荡器石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器 等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为 特定系统提供基准信号。7.1.1 石英晶体振荡器的基本原理1、石英晶体振荡器的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体 （二氧化硅的结晶体） 的压电效应制成的一种 谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为 晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极， 在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了

15、石英晶体谐振 器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶 瓷或塑料封装的。图 2.1 是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。图 2.1 金属外壳封装的石英晶体结构示意图。2、压电效应若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在 晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称 为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶 片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电- 13 -场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大， 比其他频率下的振幅

16、大得多，这种现象称为压电谐振，它与 LC 回路的谐振现象 十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。3、符号和等效电路石英晶体谐振器的符号和等效电路如图 2.2 所示。当晶体不振动时，可把它 看成一个平板电容器称为静电电容 C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有 关，一般约几个 PF 到几十 PF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感 L 来等 效。一般 L 的值为几十 mH 到几百 mH。晶片的弹性可用电容 C来等效，C 的值 很小，一般只有 0.00020.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用 R 来等效，它 的数值约为 100。由于晶片的等效电感很大，而 C 很小

17、，R 也小，因此回路的品 质因数 Q 很大，可达 100010000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的 切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成 的振荡电路可获得很高的频率稳定度。图 2.2 石英晶体谐振器的符号和等效电路4、谐振频率从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即（ 1）当 L、C、R 支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于 R）。串联揩振频率用 fs 表示， 石英晶体对于串联揩振频率 fs呈纯阻性，（ 2）当频率高于 fs时 L、C、R支路呈 感性，可与电容 C。发生并联谐振，其并联频率用 fd 表示。根据石英晶体的等效电路，可定

18、性画出它的电抗 频率特性曲线如图 2.2 所 示。可见当频率低于串联谐振频率 fs 或者频率高于并联揩振频率 fd 时，石英晶体 呈容性。仅在 fs ffd 极窄的范围内，石英晶体呈感性。- 14 -7.1.2 石英晶体振荡器的分类石英晶体振荡器是由品质因素极高的石英晶体振子（即谐振器和振荡电路组成。 晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等，共同决定振荡器的性能。国 际电工委员会（ IEC）将石英晶体振荡器分为 4 类：普通晶体振荡（ TCXO），电压 控制式晶体振荡器（ VCXO ），温度补偿式晶体振荡（ TCXO），恒温控制式晶体振 荡（ OCXO）。目前发展中的还有数字补偿式晶

19、体损振荡（ DCXO ）等。（1）普通晶体振荡器（ SPXO）可产生 10（-5）10（-4）量级的频率精度，标准频 率 1100MHZ，频率稳定度是 100ppm。SPXO 没有采用任何温度频率补偿措施，价 格低廉，通常用作微 处理器的时钟器 件。封装尺寸范围从 21146mm 及 53.2 1.5mm。（2）电压控制式晶体振荡器（ VCXO ）的精度是 10（-6）10（-5）量级，频率范围 130MHz 。低容差振荡器的频率稳定度是 50ppm。通常用于锁相环路。封装尺寸 14103mm。（3）温度补偿式晶体振荡器（ TCXO ）采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频 率精度达到 10（-

20、7）10（-6）量级，频率范围 160MHz，频率稳定度为 1 2.5ppm， 封装尺寸从 303015mm 至 11.4 9.6 3.9mm。通常用于手持电话、蜂窝电话、双向 无线通信设备等。（4）恒温控制式晶体振荡器（ OCXO）将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除 环境温度变化对频率的影响。 OCXO 频率精度是 10（-10）至 10（-8）量级，对某些特殊 应用甚至达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。7.1.3 石英晶体振荡器的应用（1）石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。不论是老式石英钟或是 新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路 ，其频率精度决定了电子钟表

21、的 走时精度。石英晶体振荡器原理的示意如图 3所示，其中 V1 和V2 构成 CMOS反相 器石英晶体 Q 与振荡电容 C1 及微调电容 C2 构成振荡系统，这里石英晶体相当于电 感。振荡系统的元件参数确定了振频率。一般 Q、C1及 C2均为外接元件。另外 R1 为反馈电阻， R2 为振荡的稳定电阻，它们都集成在电路内部。故无法通过改变 C1 或 C2 的数值来调整走时精度。但此时我们仍可用加接一只电容 C 有方法，来改变振荡 系统参数，以调整走时精度。根据电子钟表走时的快慢，调整电容有两种接法：若走 时偏快，则可在石英晶体两端并接电容 C，如图 4 所示。此时系统总电容加大，振荡 频率变低，

22、走时减慢。若走时偏慢，则可在晶体支路中串接电容C。如图 5 所示。此时系统的总电容减小，振荡频率变高，走时增快。只要经过耐心的反复试验，就可以 调整走时精度。因此，晶振可用于时钟信号发生器。- 15 -（2）随着电视技术的发展，近来彩电多采用 500kHz 或 503 kHz 的晶体振荡器作 为行、场电路的振荡源，经 1/3 的分频得到 15625Hz 的行频，其稳定性和可靠性大为 提高。面且晶振价格便宜，更换容易。（3）在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现，同时也 得到了更快的发展。许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高 速数字数据传输等。7.1.4 石

23、英晶体振荡器的发展趋势1 、小型化、薄片化和片式化：为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短 小的要求，石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变。 例如 TCXO这类器件的体积缩小了 30100 倍。采用 SMD封装的 TCXO厚度不足 2mm， 目前 53mm尺寸的器件已经上市 。2、高精度与高稳定度，无补偿式晶体振荡器总精度也能达到 25ppm， VCXO的 频率稳定度在 107范围内一般可达 20 100ppm，而 OCXO在同一温度范围内频 率稳定度一般为 0.00015ppm，VCXO控制在 25ppm以下。3 、低噪声，高频化，在 GPS通信系统中是不允许频

24、率颤抖的，相位噪声是表征 振荡器频率颤抖的一个重要参数。 OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善。 除 VCXO 外，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过 200MHz。例如用于 GSM等移动电话的 UCV4系列压控振荡器，其频率为 6501700MHz，电源电压 2.2 3.3V，工作电流 8 10mA。4 、低功能，快速启动，低电压工作，低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势。 电源电压一般为 3.3V 。许多 TCXO和 VCXO产品，电流损耗不超过 2mA。石英晶体振荡 器的快速启动技术也取得突破性进展。例如日本精工生产的VG2320SC型 VCXO，在0.1ppm 规定值范围条件下

25、，频率稳定时间小于4ms。日本东京陶瓷公司生产的SMDTCX，O在振荡启动 4ms后则可达到额定值的 90%。 OAK公司的 1025MHz的 OCXO 产品，在预热 5 分钟后，则能达到 0.01ppm 的稳定度。- 16 -7.2 三极管 90139013 是一种 NPN型硅小功率的三极管它是非常常见的晶体三极管，在收音机以 及各种放大电路中经常看到它，应用范围很广 , 它是 NPN型小功率三极管，下面介绍 s9013 的引脚图参数等资料。参数：集电极电流 Ic ：Max 500mA工作温度： - 55 to +150 集电极 -基极电压 Vcbo： 40V集电极-发射极电压 25V集电极

26、-基电压 45V射极-基极电压 5V集电极电流 0.5A耗散功率 0.625W结温 150特怔频率最小 150MHZ放大倍数： D64-91 E78-112 F96-135 G122-166 H144-220 I190-300主要用途： 放大电路- 17 -小结通过本次课程设计使自己进一步熟悉、掌握高频课程设计原理与基本知识；综合训练 自己掌握高频课程设计所需电子元件的原理和选择，从而初步学会从分析到调试的基本过 程、方法和思路，为今后的设计积累经验。1、在课程设计过程中，我基本能按照规定的程序进行，调查有关资料，然后进入草 案阶段，期间与同学进行几次设计的分析、讨论、再分析，最后进行正式电路调试阶段。 调试结束后，又在老师指导下进行详细的参数计算，并开始写报告。在调试中我也遇到了 很多疑惑的地方。例如 ,在测量输出电压的时候 ,我疏忽了这是高频电路这一环节 ,后来的调 试可以说因为这个而错误连连 ,后来在老师的帮助下 ,我改成用毫伏表进行测量 ,整个过程周 密有序，有利于自己按时高质完成全部课程设计。通过这一阶段的学习和实践，我得到了 很多