通信电子电路 第四章 第6～9节课件

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）。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（石英晶体振子）构成的振荡电路通常叫“晶振电路”。晶体振荡器电路的种类很多，但从晶体在电路中的作用来看分两类：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

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

；rq大约1欧姆到几十欧姆；Q大约105；Lq大约100H（频率约100kHz）；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）图4-21石英谐振器的电抗特性3.电抗—频率曲线（rq=0）不计动态电阻rq时的等效阻抗（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。

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1.电路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?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（包括4.5／20pF与20pF两个小电容）和C1、C2

组成并联回路，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由Cq、C0及外接电容C、C1、C2组合而成。由下式决定，即3．f0

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。但是，只有在fp

附近，晶体才具有并联谐振回路的特点。图4-28串联型晶体振荡器的一种方框图二、串联型晶振电路图4-29串联型晶体振荡器的实例（一）图4-30串联晶振实例（二）

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。一般晶体频率不超过30MHz。三、泛音晶振电路图4－31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。

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。在实际工作中，当旨在应用某一振动模式时，应采取措施