最新-第四章-第6～9节-PPT课件

1、 近代科学技术的发展对正弦波振荡器的稳定度要求愈来愈高。例如，作为频率标准的振荡器的频率稳定度要求达到 以上，而对于LC振荡器，尽管采用各种稳频措施，但理论分析和实践都表明，其频率稳定度一般只能达到 ，究其原因主要是回路的Q 值不能做得很高（约200以下）。石英晶体振荡器就是以石英晶体谐振器取代LC振荡器中构成谐振回路的电感、电容元件所组成的正弦波振荡器，它的频率稳定度可达 数量级。4.6 石英晶体谐振器 石英晶体振荡器之所以具有极高的频率稳定度，其关键是采用了石英晶体这种具有高Q 值的谐振元件。 由石英谐振器构成的振荡电路叫“晶振电路”。晶体振荡器电路的种类很多，但根据晶体在电路中的作用来看

2、分两类： 一类是工作在晶体并联谐振频率附近，晶体等效为电感的情况，叫做“并联晶振电路”。 另一类是工作在晶体串联谐振频率附近，晶体近于短路的情况，叫做“串联晶振电路”。一、石英晶体的压电效应及等效电路1. 等效电路和符号(a) 结构示意图(b)等效电路 (c)符号 图4-20 石英谐振器的的结构示意图、等效电路和符号 2.石英谐振器的特点 等效电感Lq非常大，而Cq和rq都非常小，所以石英谐振器的Q 值非常高（ ），可以达几万到几百万，因此石英晶体谐振器的振荡频率稳定度非常高。3. 等效参数 一般常用石英谐振器的等效参数大致是： Cq大约0.005 0.1pF ；C0大约2pF 5pF ； r

3、q大约1欧姆到几十欧姆； Q大约105；Lq大约100H（频率约100 kHz）；1H（频率约1MHz）；10mH（频率约10MHz）。 Lq的数值取决于晶片的厚度，低频晶体较厚，质量较大，动态电感Lq 较大，而高频晶体较薄，质量较小，所以Lq较小。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。1.串联谐振频率 fs 在等效电路中，Lq、Cq组成串联谐振回路，串联谐振频率为2. 并联谐振频率 fp 如果将C0 也考虑进去，则Lq、Cq与C0 组成并联谐振回路，并联谐振频率为（4-38） 由于 ，所以fp 和fs 相隔很近， 由式（4-38）有当

4、 时,图4-21 石英谐振器的电抗特性3. 电抗频率曲线（rq =0） （4-40）由上式看出：当 时，Lq 、Cq支路产生串联谐振，Z =0 ；当 时，产生并联谐振， 或 时， ，电抗呈容性； 时， ，电抗呈感性。 由于 与 两谐振频率与之差很小，所以呈感性的阻抗曲线非常陡峭。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感），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），电容区是不宜使用的。 4.考虑 rq 的晶体等效阻抗特性这时，晶体的等效阻抗 Z 表达式为（4-41）三、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Q 的优点，但是，如果它的电参

5、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。 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。 1.它的频率温度系数小，用恒温设备后，更可保证频率稳定。 2.石英谐振器的Q值非常高，在谐振频率fp或 fs 附近，相位特性变化率很高（相频特性的斜率很大），这有利于稳频。 3.石英谐振器的 ，使振荡频率基本上由Cq和 Lq 决定，外电路对振荡频率的影响很小。四、石英谐振器频率稳定度高的原因4.7 石英晶体振荡器电路 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； 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

6、。1. 电路 由晶体与外接电容器或线圈构成并联谐振回路，按三点线路的连接原则组成振荡器，晶体等效为电感 理论上可以构成三种类型基本电路，但在实际应用中常用的是图所示的电路，称“皮尔斯”电路。这种电路不需外接线圈，而且频率稳定度较高。图4-25 并联晶体振荡器 原理电路图一、并联晶振电路图4-26 并联晶体振荡器实例2振荡频率 f0的确定 这里，晶体等效为电感，晶体与外接电容(称为晶体的负载电容,这里包括4.520pF与 20pF 两个小电容以及C1、 C2 )，其振荡频率应落在 fp 与 fs 之间。 图4-27是图4-26中谐振回路的等效电路。该谐振回路的电感就是Lq ，而谐振回路的总电容应

7、由Cq 、 C0及外接电容 C 、 C1 、 C2 组合而成。 由下式决定，即 图4-27 图4-26中谐振回路的等效电路选择电容时， 所以（4-49）3f0 总是处在 fp 与 fs 两频率之间 调节C 可使 f0 产生很微小的变动。如果C 很大，取 代入式（4-49）可得f0 最小值为 即晶体串联谐振频率 若C 很小，取 代入式（4-49） 可得 f0 的最大值为 即晶体并联谐振频率。可见，无论怎样调节C，f0 总是处于晶体fp 与 fs 的两频率之间。图4-28 串联型晶体振荡器的一种方框图 二、串联型晶振电路 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。 串联型晶体振荡

8、器的一种框图如图4-28所示。因为是两级共发放大器,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入端，这个反馈是正反馈。由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。图4-29 串联型晶体振荡器(9kHz)的实例（一）图4-30 串联晶振(1MHz)实例（二） 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，两者不能同时并存。 石英谐振器的频率越高，则要求晶片越薄，则机械强度越差，用在电路中易于振碎。一般基音

9、晶体频率不超过30MHz。三、泛音晶振电路 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，这是一种特制的晶体，叫做泛音晶体（例如JA12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。图431 并联型泛音晶体振荡器并联型泛音晶体振荡器如图所示。 它与皮尔斯振荡器不同之处是用谐振回路代替了电容，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。假如要求晶体工作在5次泛音，则调谐好的回路对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5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

10、以振荡。 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4-30，不同的是回路应调谐在需要的 n 次泛音上，其频率稳定度仍由晶体控制，可以做得很高。 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。4.8 陶瓷振子和陶瓷振子电路1机械作用转换成电效应2电作用转换成机械效应图4-32 压电效应示意图一、压电陶瓷元件的特性图4-33 二端陶瓷元件的等效电路及其频率特性 二、陶瓷振子 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。由粘合面引出的端

11、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4-34（a）所示，其代表符号见图4-34（b）。图4-34 三端陶瓷元件 输入信号 u 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180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。这样的三端元件可用于振荡器，并称之为陶瓷振子。图4-35 陶瓷振子振荡电路 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，通过三

12、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。 集电极槽路的调谐状况对振荡频率有一定影响，但与振子比起来是次要的，可作频率微调用。R1、C2 组成低通滤波器，有抑制陶瓷振子其他高频模式的作用（由于物体的振动可以有若干种不同的模式，如横向振动，纵向振动，弯曲振动等，相应地，一片陶瓷元件可以具有若干种不同的串联和并联谐振频率。在实际应用于某一振动模式时，应采取措施将其他模式抑制下去）。C1 、C2亦可微调频率。 单片集成振荡器E1648是ECL中规模集成电路。 图所示是利用E1648组成的正弦波振荡器。振荡频率 4.9 单片集成振

13、荡电路E1648Ci是10,12脚之间的输入电容,约6pF图4-36 利用E1648组成的正弦波振荡器一.RC移相振荡器 RC移相振荡器是利用RC网络的移相特性，使振荡器的 最简单的RC移相网络可用电阻和电容串联构成，如图3.17所示。 图所示是超前移相网络。其传输特性为 RC正弦波振荡器图3.17 RC串联移相网络 其中，时常数=RC。幅频特性为相频特性为 (3.32) (3.33) 由上式可知，当一定时，输入信号频率在0-之间变化时，该电路的输出信号与输入信号之间的相位差在90-00，即输出信号相位超前输入信号相位，不同频率对应不同的相移值；当信号频率一定时，调整值在0-之间变化时同样也可

14、以产生90到0的相移。图3.18 RC串联超前网络频率特性 c称为截止频率 幅频特性和相频特性 如图3.19所示。由图可见，该电路也可实现0-90之间的相移，截止频率 对应的相移(C)=-45。图3.17(b)所示是滞后相移网络。其频率响应图3.19 RC串联滞后网络频率特性 图3.19 由运算放大器和RC超前移相网络 构成的振荡器 RC移相式振荡器电路结构简单，种类较多，改变RC时间常数可调节频率，其范围在几赫到几十千赫兹，因选频性能不强，故波形较差。3.2.2 RC选频振荡器 RC选频振荡器是利用具有选频特性的RC网络筛选出满足起振条件的信号而实现振荡。图3.20为具有选频特性的RC串并联

15、网络，其电压传输系数为 图3.20 RC串并联网络 其中幅频特性和相频特性表达式为 图3.21 RC串并联网络的频率特性曲线 根据以上两式可画出相应的频率特性曲线如图3.21所示, 根据带宽的定义,由式(3.2.3)可求得带宽B3o,品质因素Q=o/B=1/3, 与LC谐振电路相比，品质因数很低，带宽很宽，选频性能不如LC选频网络好。这是RC网络共有的特点，所以用RC网络构成的振荡器波形质量较差。 图3.22 文氏电桥振荡器 显然该振荡器的工作频率g=o=1/RC。同相运算放大器的增益A=1+Rf/R1，在=g时反馈系数F=1/3，根据起振幅度条件AF1，即 可求得该振荡器的起振具体条件是 这种振荡器由于采用了线性放大器, 故