晶体振荡器课程设计

1、1石英晶体及其特性 . 11.1石英晶体简介 .1.2 石英晶体的阻抗频率特性 .1.2晶体管的部工作原理 .33.晶体振荡器电路的类型及其工作原理 .43.1 串联型谐振晶体振荡器 .43.2 并联谐振型晶体振荡器 .63.3 泛音晶体振荡器.8.4 确定工作点和回路参数（以皮尔斯电路为例） . 104.1 主要技术指标 .104.2 确定工作点 .104.3 交流参数的确定.115 提高振荡器的频率稳定度 .1 26.总结.13参考文献： .1.4Word 文档11 石英晶体及其特性1.1 石英晶体简介石英是矿物质硅石的一种，化学成分是 Sio2Sio2,形状是呈角锥形的六 棱结晶体，具有

2、各向异性的物理特性。按其自然形状有三个对称轴，电轴X,X,机械轴丫光轴 Z Z。石英谐振器中的各种晶片，就是按与各轴不同角度，切 割成正方形、长方形、圆形、或棒型的薄片，如图 1 1 的 ATAT、BTBT、CTCT、DTDT等切型。不同切型的晶片振动型式不，性能不同1.2 石英晶体的阻抗频率特性石英谐振器的电路符号和等效电路如图 121121。C0C0 称为静态电容， 即晶体不振动时两极板间的等效电容，与晶片尺寸有关，一般约为几到 几十 pFpF。晶体作机械振动时的惯性以 LqLq、弹性用 CqCq 振动时因磨擦造 成的损耗用 RqRq 来等效，它们的数值与晶片切割方位、形状和大小有关, 一

3、般 LqLq 为103102H H，CqCq 为104101pFpF，RqRq 在几一几百欧之间。它并联谐振频率2=丄的 LqLq 非常大，而 CqCq、RqRq 又非常小，品质因数Q Q 值很高，在104106之间，由于石英晶振的接入系数 P=P= Cq/(CO+Cq/(CO+ Cq)Cq) 很小，所以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。1忽略等效电路中的 RqRq，阻抗 Z Z -1 jwC 0 j1 wLq wCq石英晶振可以等效为一个串联谐振回路和一个并联谐振回路。若忽略 gqgq，则晶振两端呈现纯电抗。A串联谐振频率：符号图3由上式可出求出它的阻抗频率特性曲线如图1.2.21.2.2

4、图 1.2.21.2.2晶振阻抗频率特性曲线当 f f fpfp 时,X,X 0 0 , ,回路呈容性。当 fqfq f f 0 0 ,回路呈感性，发生串联谐振或并 联谐振在 f=fqf=fq 时，回路的阻抗角为零，值最小且呈纯电阻性。2 晶体管的部工作原理石英晶体具有压电效应。当对它施加机械应力时会产生电荷； 加电 压时会发生振动，称此为压电效应。给石英设置电极加电压时所得到的 电学的固有振动不怎么受所加电压或环境温度的影响。因此，如果把石英振子用于振荡电路，将会得到频率非常稳定的振荡输出。当交流电压 加在晶体两端，晶体先随电压变化产生应变，然后机械振动又使晶体表 面产生交变电荷。当晶体几何

5、尺寸和结构一定时，它本身有一个固有的 机械振动频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时，晶体片 的机械振动最大，晶体表面电荷量最多，外电路中的交流电流最强，于 是产生了谐振。 因此，将石英晶体按一定方位切割成片， 两边敷以电极， 焊上引线， 再用金属或玻璃外壳封装即构成石英晶体谐振器 (简称石英 晶振)。4石英晶体作为振荡回路元件能使振荡器的频率稳定度大大提高的 原因在于：1)1) 石英晶体的物理和化学性能都十分稳定，因此，它的等效谐振回路 有很高的标准性；2)2) 它具有正、反压电效应，而且在谐振频率附近，晶体的等效参数 LqLq 很大、CqCq 很小、RqRq 也不高。因此，晶体的

6、Q Q 值可高达数百万数量级；3)3) 在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带，具有极陡峭的电抗特 性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。3. 晶体振荡器电路的类型及其工作原理3.1 串联型谐振晶体振荡器串联型晶体振荡器是将石英晶体用于正反馈支路中， 利用其串联谐振时等效为短路元件的特性，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶体串联谐振频率 fsfs 上起振。图 2.1.12.1.1 是一种串联型单管晶5体振荡器电路，图 2.1.22.1.2 是其高频等效电路。这种振荡器与三点式振荡 器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶体。L、和】组成并联谐振回路而且调谐在振荡频率上。

7、图 3.1.13.1.1串联谐振型晶体振荡器6-I图 3.1.23.1.2串联晶体振荡器交流等效电路3.2 并联谐振型晶体振荡器7图 321321 并联谐振型晶体 c c b b 型振荡器电路（皮尔斯电路）图 3.2.13.2.1 并联谐振型晶体振荡器咼频回路等效电路1 1）、振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管c、b端 ，c、e端和eb端的接入系数分别是：(321)(321)以上三个接入系数一般均小于所以外电路中的不稳定参数 对振荡回路影响很小，提高了回路的标准性。(322)(322)82 2）、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的外电路各电容的等效值，即根据

8、产品要求的负载电容。在实用时,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 fnfn 上3 3） 、 由于振荡频率一般调谐在标称频率上， 位于晶体的感性区, 电抗曲线陡峭，稳频性能极好。4 4）、石英晶体的 Q Q 值和特性阻抗、都很高，所以晶体的谐振电阻也很高，一般可达.以上。这样即使外电路接入系数很小，此谐振 电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很大， 使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。3.3 泛音晶体振荡器在工作频率较高的晶体振荡器中，多米用泛音晶体振荡电路。泛音 晶振电路与基频晶振电路有些不同。 在泛音晶振电路中，为了保证振荡 器能准确地振荡在

9、所需要的奇次泛音上，不但必须有效地抑制掉基频和 低次泛音上的寄生振荡而且必须正确地调节电路的环路增益，使其在工高度的稳定性。振荡频率其中是和晶体两端并联9作泛音频率上略大于 1 1,满足起振条件，而在更高的泛音频率上都小于 1 1，不满足起振条件。在实际应用时，可在三点式振荡电路中，用一选 频回路来代替某一支路上的电抗元件， 使这一支路在基频和低次泛音上 呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则，不能起振；而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，达到起振。图 331331 给出了一种并联型泛音晶体振荡电路。假设泛音晶振为五 次泛音，标称频率为5MHzMHz，基频为1MHzMHz

10、，贝-回路必须调谐在三 次和五次泛音频率之间。这样在5MHzMHz 频率上，-回路呈容性，振荡 电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说，；:回路呈感性，电路不符合组成法则，不能起振。而在七次及其以上泛音频率，_-回路虽呈现容性，但等效容抗减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环 路增益小于 1 1,不满足振幅起振条件。10图 331331泛音晶体振荡器电路4 确定工作点和回路参数（以皮尔斯电路为例）4.1 主要技术指标6晶振为 12MHZ12MHZ，频率稳定度fmax/fo 10 /h，振荡输出电压大于等于 1V1V，电压 Vcc=12V,Vcc=12V,选高频管型号为 3DG123DG1

11、2，其放大倍数 =60=60。114.2 确定工作点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严12重失真，甚至停振。实际中取CQ=0.55mA=0.55mA 之间，若取1CQ=2mA=2mA ,VCEQ 6V，则有：RRVCCVCEQ(12(12 6)V6)V3kecICQ2mA2mA(421)(421)ReRe 值可适当增大，取 Re=1Re=1k，贝 q q Rc=2Rc=2k实际电路中，Rb1可用 5.15.1k与 5050k电位器串联,4.3 交流参数的确定电容 C1C1、C2C2 由反馈系数 F F 及 C3C3 所决定，其中，C3C3 可远远大于 C2C2C1/或

12、C1C1;而 F=F=C2，令其为 0.50.5。这样选取后的值，电路易振荡，波形为提高电路的稳定性,则有.VEQ1CQRe2mA 1k2V(4.2.2(4.2.2) )IBQICQ/2mA0.033mA|60若取流过Rb2的电流lb2为 1010BQ，则lb2=10=10IBQ=0.33mA=0.33mA，则取:VBQVCCVEQ0.7V2V 0.7V2.7V(4.2.3(4.2.3) )Rb2VBQ/1b22.7V0.33mA8.2 k, Rb128.2k(4.2.4(4.2.4) )以便工作点的调整Rb213好。若取 C1=100pFC1=100pF，贝UC2=200pFC2=200pF

13、，取 C3=24C3=24 pFpF，C4C4 为 330330 pFpF 可调电容，对振荡频率微调，耦合电容 Cb=0.01Cb=0.01 pFpF05 提高振荡器的频率稳定度所谓频率稳定，就是在各种外界条件发生变化时，振荡器实际工作频 率与指定频率之间偏差最小，稳定的振荡频率，才能使一些电路对信号 能够正确处理准确输出。为使石英晶体振荡器频率稳定，要考虑以下因 素，并采取相应措。石英晶体的老化效应，是指它的谐振频率随时间作缓慢变化的现 象。石英晶体虽经过厂家老化处理，但还须在使用数十天后，或调整频率 补偿电容，才能使振荡器工作在指定频率上。石英晶体工作时，两端加有激励电压，要消耗一定功率。

14、激励电压 过高，损耗产生的热效应过大，而使谐振频率变化，产生不可逆的老化 漂移，或使晶片振动振幅过大，甚至可造成晶片振裂损坏，过小的激励 电压，将使振荡器 输出减小，甚至不能维持振荡。为使石英谐振器频 率稳定，激励电平要合适且稳定。石英晶体振荡器，除有良好的振荡电路外，还要采取措施，减小外界温 度对振荡频率的影响。 图 3.13.1 为简单的温度补偿石英振荡器的电路原理. 变容二极管与石英晶体串联，热敏电阻 RtRt 为变容二极管提供随温度变 化的偏压。外界温度改变时，变容二极管的电容变化，使石英晶体随温 度变化的谐振频率，向相反方向变化，以减小温度对振荡频率的影响。146.总结通过设计晶体振荡器电路，使我的动手能力和经验有了一定程度的 提高。我更好地了解了石英晶体的结构和特性。刚拿到设计题目时一头雾水，不知道该怎样去实现设计的要求。于 是便拿起教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先 是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸 多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，对 设计有了初步的思路。有了方案还不够，还要去论证其可行性，前四天都是在网上和图书 馆中查资料，论证电路的可行性。在这方面我们进行了深刻的探讨，加