通信电子电路第四章第6～9节PPT课件

1、一、石英晶体的压电效应及等效电一、石英晶体的压电效应及等效电路路1. 等效电路和符号等效电路和符号(a) (a) 结构示意图结构示意图(b)(b)等效电路等效电路 (c)(c)符号符号 图图4-20 4-20 石英谐振器的的结构示意图、等效电路和符号石英谐振器的的结构示意图、等效电路和符号 第1页/共41页2.2.石英谐振器的特点石英谐振器的特点 等效电感等效电感Lq非常大，而非常大，而Cq和和rq都非常小，所都非常小，所以以石英谐振器的石英谐振器的Q 值非常高值非常高（ ），可），可以达几万到几百万，因此以达几万到几百万，因此石英晶体谐振器的振荡石英晶体谐振器的振荡频率稳定度非常高。频率稳定

2、度非常高。qqq1CLrQ 第2页/共41页3. 等效参数等效参数 一般常用石英谐振器的等效参数大致是：一般常用石英谐振器的等效参数大致是： Cq大约大约0.005 0.1pF ；C0大约大约2pF 5pF ； rq大约大约1欧姆到几十欧姆；欧姆到几十欧姆； Q大约大约105；Lq大约大约100H（频率约（频率约100 kHz）；）；1H（频率约（频率约1MHz）；）；10mH（频率约（频率约10MHz）。）。 Lq的数值取决于晶片的厚度，低频晶体较厚，的数值取决于晶片的厚度，低频晶体较厚，质质量较大，动态电感量较大，动态电感Lq 较大，而高频晶体较薄，质较大，而高频晶体较薄，质量量较小，所以

3、较小，所以Lq较小。较小。第3页/共41页二、石英晶体的阻抗特性二、石英晶体的阻抗特性 从等效电路可看出，石英谐振器有两个谐振频率，串联谐振频率和并联谐振频率。从等效电路可看出，石英谐振器有两个谐振频率，串联谐振频率和并联谐振频率。1.1.串联谐振频率串联谐振频率 fs 在等效电路中，在等效电路中，Lq、Cq组成串联谐振回路，串联谐振频率为组成串联谐振回路，串联谐振频率为sqq12fL C第4页/共41页2. 并联谐振频率并联谐振频率 fp 如果将如果将C0 也考虑进去，则也考虑进去，则Lq、Cq与与C0 组成并联谐振回路，并联谐振频率为组成并联谐振回路，并联谐振频率为p0qp0q12fC C

4、LCC（4-38）第5页/共41页 由于由于 ，所以，所以fp 和和fs 相隔很近，相隔很近， 由式（由式（4-384-38）有）有0p0qqq12CfCCL C0qs1CCf 0qsp21CCff10q CCq0CC 当当 时时, ,第6页/共41页图图4-21 4-21 石英谐振器的电抗特性石英谐振器的电抗特性3. 电抗电抗频率曲线（频率曲线（rq =0）第7页/共41页 不计动态电阻不计动态电阻 rq 时的等效阻抗时的等效阻抗qq0qq0j(1)(j)j(11)LCCZLCC2qqq0q02qqq0(1 1)1j1 1LL CCC CLLCC 22ps2201j11C （4-404-40

5、）第8页/共41页由上式看出：由上式看出：当当 时，时，L Lq 、Cq支路产生串联谐振，支路产生串联谐振，Z =0 ；当当 时时，产生并联谐振，产生并联谐振， 或或 时，时， ，电抗呈容性；电抗呈容性； 时，时， ，电抗呈感性。电抗呈感性。 22ps2201j11ZC s p Zs p jZx ps jZx 第9页/共41页由于由于 与与 两谐振频率与之差很小，所以呈感两谐振频率与之差很小，所以呈感性的阻抗曲线非常陡峭。性的阻抗曲线非常陡峭。实用中，石英谐振器工实用中，石英谐振器工作在频率范围窄的电感区（可以把它看成一个电作在频率范围窄的电感区（可以把它看成一个电感），感），只是在电感区，电

6、抗曲线才有非常大的斜只是在电感区，电抗曲线才有非常大的斜率（这对稳定频率很有利），电容区是不宜使用率（这对稳定频率很有利），电容区是不宜使用的。的。 p s 第10页/共41页 4. 4.考虑考虑 rq 的晶体等效阻抗特性的晶体等效阻抗特性这时，晶体的等效阻抗这时，晶体的等效阻抗 Z 表达式为表达式为qqq0qqq0j(1)(j)j(11)rLCCZrLCC（4-414-41）第11页/共41页三、三、石英谐振器的频率温度特性石英谐振器的频率温度特性 虽然石英谐振器等效回路具有高虽然石英谐振器等效回路具有高Q 的优点，但是，如果它的电参数不稳定，仍然不能保证频率稳定度的优点，但是，如果它的电参

7、数不稳定，仍然不能保证频率稳定度的提高。这还要看温度变化时，它的频率是否稳定。的提高。这还要看温度变化时，它的频率是否稳定。 在一定的温度范围之内，石英晶体的各电参量具有较小的温度系数。具体情况与晶片切割类型有关在一定的温度范围之内，石英晶体的各电参量具有较小的温度系数。具体情况与晶片切割类型有关。 第12页/共41页 1.1.它的频率温度系数小，它的频率温度系数小，用恒温设备后，更可保证频率稳定。用恒温设备后，更可保证频率稳定。 2.2.石英谐振器的石英谐振器的Q值非常高，值非常高，在谐振频率在谐振频率fp或或 fs 附近，相位特性变化率很高（相附近，相位特性变化率很高（相频特性的斜率很大）

8、，这有利于稳频。频特性的斜率很大），这有利于稳频。 3.3.石英谐振器的石英谐振器的 ，使振荡频率基本上由，使振荡频率基本上由Cq和和 Lq 决定，外电路对振荡频决定，外电路对振荡频率的影响很小。率的影响很小。四、石英谐振器频率稳定度高的原因四、石英谐振器频率稳定度高的原因0CCq第13页/共41页4.7 4.7 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路 由石英谐振器（石英晶体振子）构成的振荡电路通常叫由石英谐振器（石英晶体振子）构成的振荡电路通常叫“晶振电路晶振电路”。 并联晶振电路并联晶振电路工作在晶体并联谐振频率附近，晶体等效为电感；工作在晶体并联谐振频率附近，晶体等效为电感； 串联晶振电路

9、串联晶振电路工作在晶体串联谐振频率附近，晶体近于短路。工作在晶体串联谐振频率附近，晶体近于短路。第14页/共41页1. 1. 电路电路 电路电路由晶体与外接电由晶体与外接电容器或线圈构成并联谐振回容器或线圈构成并联谐振回路，按三点线路的连接原则路，按三点线路的连接原则组成振荡器，晶体等效为组成振荡器，晶体等效为? ? 理论上可以构成三种理论上可以构成三种类型基本电路，但在实际应类型基本电路，但在实际应用中常用的是图所示的电路，用中常用的是图所示的电路，称称“皮尔斯皮尔斯”电路。电路。这种电这种电路不需外接线圈，而且频率路不需外接线圈，而且频率稳定度较高。稳定度较高。图图4-25 并联晶体振荡器

10、并联晶体振荡器 原理电路图原理电路图一、并联晶振电路一、并联晶振电路第15页/共41页图图4-26 4-26 并联晶体振荡器实例并联晶体振荡器实例2振荡频率振荡频率 f0的确定的确定第16页/共41页 这里，这里，晶体等效为电感，晶体等效为电感，晶体与外接电容（包括晶体与外接电容（包括4.54.520pF20pF与与 20pF 20pF 两个小电容）和两个小电容）和C1、 C2 组成并组成并联回联回路，其振荡频率应落在路，其振荡频率应落在 fp 与与 fs 之间。之间。 图图4-274-27是图是图4-264-26中谐振回路的等效电路。该谐中谐振回路的等效电路。该谐振回振回路的电感就是路的电感

11、就是Lq ，而谐振回路的总电容应由，而谐振回路的总电容应由Cq 、 C0及及外接电容外接电容 C 、 C1 、 C2 组合而成。组合而成。 由下式决定，即由下式决定，即210q1111111CCCCCC C第17页/共41页 图图4-27 4-27 图图4-264-26中谐振回路的等效电路中谐振回路的等效电路选择电容时，选择电容时，,1CC ，2CC ， CCCC 0q111CCCCCC 0q0q)(0q0qq01()2fC CCLCCC所以所以（4-494-49）第18页/共41页3 3f0 总是处在总是处在 fp 与与 fs 两频率之间两频率之间 调节调节C 可使可使 f0 产生很微小的变

12、动。如果产生很微小的变动。如果C 很大，取很大，取 代入式（代入式（4-4-4949）可得）可得f0 最小值为最小值为 即晶体串联谐振频率即晶体串联谐振频率 若若C 很小，取很小，取 代入式（代入式（4-494-49） C0sqq12ffL C0C第19页/共41页可得可得 f0 的最大值为的最大值为 即晶体并联谐振频率。即晶体并联谐振频率。可见，无论怎样可见，无论怎样调节调节C，f0 总是处于晶体总是处于晶体fp 与与 fs 的两频率之间。的两频率之间。但是，只有在但是，只有在fp 附近，晶体才具有并联谐振回附近，晶体才具有并联谐振回路的特点。路的特点。0pq0qq012ffC CLCC第2

13、0页/共41页图图4-28 4-28 串联型晶体振荡器的一种方框图串联型晶体振荡器的一种方框图 二、串联型晶振电路二、串联型晶振电路第21页/共41页 晶体工作在串联谐振频率附近，阻抗呈短路，晶体工作在串联谐振频率附近，阻抗呈短路，构成正反馈产生振荡。构成正反馈产生振荡。 串联型晶体振荡器的一种框图如图串联型晶体振荡器的一种框图如图4-284-28所示。所示。因为是两级共发放大器因为是两级共发放大器, ,所以输出电压与输入电所以输出电压与输入电压同相。输出经石英谐振器和负载电容反馈到输压同相。输出经石英谐振器和负载电容反馈到输入端，这个反馈是正反馈。入端，这个反馈是正反馈。由于石英谐振器的选由

14、于石英谐振器的选频作用，只有在石英谐振器和负载电容所决定的频作用，只有在石英谐振器和负载电容所决定的串联谐振频率上，串联阻抗最小，正反馈最强。串联谐振频率上，串联阻抗最小，正反馈最强。因此，在这个频率上产生振荡。因此，在这个频率上产生振荡。第22页/共41页图图4-29 4-29 串联型晶体振荡器的实例（一）串联型晶体振荡器的实例（一）第23页/共41页图图4-30 4-30 串联晶振实例（二）串联晶振实例（二） 第24页/共41页 所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波。所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波。它与电气谐波的主要区别是，电气谐波它与电气谐波的主要区别是，电气谐波与基频是整数倍的关系，

15、且谐波和基波同时并存；而与基频是整数倍的关系，且谐波和基波同时并存；而泛音是在基频奇数倍附近，且两泛音是在基频奇数倍附近，且两者不能同时并存。者不能同时并存。 石英谐振器的频率越高，则要求晶片越薄，则机械强度越差，用在电路中易于振石英谐振器的频率越高，则要求晶片越薄，则机械强度越差，用在电路中易于振碎。一般晶体频率不超过碎。一般晶体频率不超过30MHz。三、泛音晶振电路三、泛音晶振电路第25页/共41页 为了提高晶振电路的工作频率可使电路振荡频率工作在晶体的谐波（一般在三次为了提高晶振电路的工作频率可使电路振荡频率工作在晶体的谐波（一般在三次到七次谐波）频率上，到七次谐波）频率上，这是一种特制

16、的晶体，叫做这是一种特制的晶体，叫做泛音晶体泛音晶体（例如（例如JA12型）。型）。 这样就可利用几十兆赫基频的晶片产生上百兆赫的稳定振荡。这样就可利用几十兆赫基频的晶片产生上百兆赫的稳定振荡。第26页/共41页图图4 431 31 并联型泛音晶体振荡器并联型泛音晶体振荡器并联型泛音晶体振荡器如图所示。并联型泛音晶体振荡器如图所示。第27页/共41页 它与皮尔斯振荡器不同之处是它与皮尔斯振荡器不同之处是用谐振回路代替了电容，用谐振回路代替了电容，而根据三点式振荡器的组而根据三点式振荡器的组成原则，该谐振回路应该呈容性阻抗。成原则，该谐振回路应该呈容性阻抗。假如要求晶体工作在假如要求晶体工作在5

17、 5次泛音，则调谐好的回路次泛音，则调谐好的回路对对3 3次泛音呈现感性阻抗，不满足三点式电路的相位条件，电路不能起振；而对次泛音呈现感性阻抗，不满足三点式电路的相位条件，电路不能起振；而对5 5次泛次泛音，回路又相当一电容，即满足了起振的相位条件，若又满足了振幅条件，电路才可音，回路又相当一电容，即满足了起振的相位条件，若又满足了振幅条件，电路才可以振荡。以振荡。第28页/共41页 用泛音晶振也可以组成串联型泛音晶体振荡器其电路图类似于图用泛音晶振也可以组成串联型泛音晶体振荡器其电路图类似于图4-304-30，不，不同的是同的是回路应调谐在需要的回路应调谐在需要的 n 次泛音上，其频率稳定度

18、仍由晶体控制，可以做次泛音上，其频率稳定度仍由晶体控制，可以做得很高。得很高。第29页/共41页 采用压电陶瓷元件作为振荡槽路及选频网络，具有频率稳定性好，选频尖锐和采用压电陶瓷元件作为振荡槽路及选频网络，具有频率稳定性好，选频尖锐和调试简单的优点。但是其抗振性能较差。调试简单的优点。但是其抗振性能较差。4.8 陶瓷振子和陶瓷振子电路陶瓷振子和陶瓷振子电路第30页/共41页1 1机械作用转换成电效应机械作用转换成电效应2 2电作用转换成机械效应电作用转换成机械效应图图4-32 4-32 压电效应示意图压电效应示意图一、压电陶瓷元件的特性一、压电陶瓷元件的特性第31页/共41页图图4-33 4-

19、33 二端陶瓷元件的等效电路及其频率特性二端陶瓷元件的等效电路及其频率特性 二、陶瓷振子二、陶瓷振子第32页/共41页 由一陶瓷片构成的二端陶瓷元件是最简单的陶瓷选频元件，可用于要求不高的场由一陶瓷片构成的二端陶瓷元件是最简单的陶瓷选频元件，可用于要求不高的场合。广泛应用的是三端陶瓷元件，它是由两片陶瓷片和用导电胶粘合起来。由粘合面合。广泛应用的是三端陶瓷元件，它是由两片陶瓷片和用导电胶粘合起来。由粘合面引出的端子作为公共端，而由另两面引出的端子分别作输入和输出端，如图引出的端子作为公共端，而由另两面引出的端子分别作输入和输出端，如图4-344-34（a a）所示，其代表符号见图所示，其代表符

20、号见图4-344-34（b b）。）。第33页/共41页图图4-34 4-34 三端陶瓷元件三端陶瓷元件第34页/共41页 输入信号输入信号 u 加在片加在片A 上，它将电能转换成机械能，并发生振动。振动通过粘合面传到片，它将机械能上，它将电能转换成机械能，并发生振动。振动通过粘合面传到片，它将机械能又转换成电能，输出给外接负载。同样，当信号频率与陶瓷片的固有频率相等时，可以得到最大输出。在又转换成电能，输出给外接负载。同样，当信号频率与陶瓷片的固有频率相等时，可以得到最大输出。在共振的条件下，输出和输入信号间可能是同相位，也可能有共振的条件下，输出和输入信号间可能是同相位，也可能有180180相位差，这要视该元件是由陶瓷片的哪两相位差，这要视该元件是由陶瓷片的哪两个面粘合起来而定。个面粘合起来而定。这样的三端元件可用于振荡器，并称之为陶瓷振子。这样的三端元件可用于振荡器，并称之为陶瓷振子。第35页/共41页 其集电极槽路调谐于陶瓷振子的频率其集电极槽路调谐于陶瓷振子的频率。 副边有两个线圈，一个为输出线圈，另一个为反馈线圈，副边有两个线圈，一个为输出线圈，另一个为反馈线圈，通过三端陶瓷振子选频反馈至的基极。其振通过三端陶瓷振子选频反馈至的基极。其振荡频率基本上等于陶瓷振子的频率，因为在此频率下的反馈量最大且相位可以满足振荡条件。荡频率基本上等于陶