石英晶体振荡器课件

封面7.8石英晶体振荡器金沙江·虎跳峡返回封面7.8石英晶体振荡器金沙江·虎跳峡返回1引言本页完引言晶体振荡电路是利用石英晶体(石英晶体谐振器的简称，有时也称为晶振器)作为选频元件(经常是作为电感元件)构成的电路。主要用来产生振荡频率较高、且稳定度也很高的正弦信号，稳定度一般可达10-12~10-13的量级(LC振荡器一般只达到10-3~10–4，RC振荡器就更低了)。其振荡原理与LC振荡电路产生正弦振荡的原理基本相同。返回引言本页完引言晶体振荡电路是利用石英晶体(石2学习要点本节学习要点和要求晶体振荡器晶振器等效电路的工作原理晶体振荡电路的工作过程晶体谐振器应用在电路中的串、并联正反馈返回学习要点本节学习要点和要求晶体振荡器晶振器等3主页晶体振荡电路主页使用说明：要学习哪部分内容，只需把鼠标移到相应的目录上单击鼠标左键即可，按空格键或鼠标左键进入下一页。结束石英晶体简介石英晶体的等效电路及特性石英晶体振荡电路西藏·古格废墟返回主页晶体振荡电路主页使用说明：要学习哪部分内容，只需把鼠41、石英晶体简介

(1)石英晶体的压电效应

晶体振荡器1、石英晶体简介继续(1)石英晶体的压电效应石英晶体的符号本页完若在晶片的两极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。

若在极板间所加的是交变电场，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。金属片金属片晶体石英晶体的结构当然这种机械振动在一般情形下的振幅是很小的，但振动频率却很稳定。石英晶体实物图片1、石英晶体简介

(1)石英晶体的压电效应晶体振荡器5(2)压电谐振

继续石英晶体的符号本页完当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(决定于晶体的尺寸)相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。金属片金属片晶体石英晶体的结构(2)石英晶体的压电谐振利用石英晶体作振荡用，可以得到稳定度非常高的频率，因为其谐振频率由晶体的几何尺寸决定，而其几何尺寸几乎不随温度而变。晶体振荡器1、石英晶体简介(1)石英晶体的压电效应石英晶体实物图片(2)压电谐振继续石英晶体的符号本页完当外加交变电6本内容结束页

继续石英晶体的符号本页完当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(决定于晶体的尺寸)相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。金属片金属片晶体石英晶体的结构(2)石英晶体的压电谐振利用石英晶体作振荡用，可以得到稳定度非常高的频率，因为其谐振频率由晶体的几何尺寸决定，而其几何尺寸几乎不随温度而变。晶体振荡器1、石英晶体简介(1)石英晶体的压电效应石英晶体实物图片本内容学习完毕，单击返回，返回学习主页；单击继续，继续学习《石英晶体等效电路及特性》。返回继续本内容结束页继续石英晶体的符号本页完当外加72、石英晶体的等效电路及特性

(1)

石英晶体的等效电路

继续石英晶体的符号本页完(1)石英晶体的等效电路。金属片金属片晶体石英晶体的结构(2)石英晶体的频率特性。石英晶体等效电路等效电路的总阻抗X为：XC0XCXL

X

———————XC01+———XL+XC111=———————jC0-j————1L

-——C12、石英晶体的等效电路及特性晶体振荡器1、石英晶体简介C0CLR

C、L和R串联后再与C0并联，得出总阻抗Z。通常R<<XL，所以R可忽略。Z可用总电抗X替代。C0—两金属片间电容

C—振动弹性，等效于电容

L—晶体等效质量惯性，等

效于电感

R—振动的磨擦损耗，等效

于电阻R根据上式可作出X与

的关系曲线(亦称为谐振曲线)2、石英晶体的等效电路及特性

(1)石英晶体的等效电路继8

作出曲线继续本页完石英晶体等效电路根据上式可作出X与

的关系曲线(亦称为谐振曲线)X0

X>0为感性区域X<0为容性区域

s

p晶体振荡器(1)石英晶体的等效电路。(2)石英晶体的频率特性。等效电路的总阻抗X为：2、石英晶体的等效电路及特性1、石英晶体简介C0—两金属片间电容

C—振动弹性，等效于电容

L—晶体等效质量惯性，等

效于电感

R—振动的磨擦损耗，等效

于电阻RC0CLR

X

———————XC01+———XL+XC111=———————jC0-j————1L

-——C1作出曲线继续本页完石英晶体等效电路根据上式可9

过度继续石英晶体等效电路晶体振荡器2、石英晶体的等效电路及特性(2)石英晶体的频率特性。

X

C0CLR1=———————jC0-j————1

L-——C1X0

X>0为感性区域X<0为容性区域

s

pC0—两金属片间电容

C—振动弹性，等效于电容

L—晶体等效质量惯性，等

效于电感

R—振动的磨擦损耗，等效

于电阻R过度继续石英晶体等效电路晶体振荡器2、石英10X0

X>0为感性区域X<0为容性区域

s

pC0—两金属片间电容

C—振动弹性，等效于电容

L—晶体等效质量惯性，等

效于电感

R—振动的磨擦损耗，等效

于电阻R(2)石英晶体的频率特性

讨论串联支路谐振频率s

继续本页完(2)石英晶体的频率特性。石英晶体等效电路

X

现在讨论

s和

p的意义：在上式中令X=0有

j

sC0-j—————

sL

-——

sC11所以

sL-——

sC1=0

s=

1/显然

s是串联支路的谐振频率。晶体振荡器2、石英晶体的等效电路及特性串联支路的谐振频率1———————jC0-j————1L

-——C1LCC0CLR由曲线得：

s与X=0相对应。式中j

sC0不可能

X0X>0为感性区域X<0为容性区域spC0—两金属11

讨论并联回路谐振频率p继续本页完石英晶体等效电路在上式中令X

有=0j

pC0

-j—————

pL

-——

pC11解得

p=—————LC·C0C+C01晶体振荡器(2)石英晶体的频率特性。2、石英晶体的等效电路及特性现在讨论

s和

p的意义：C0CLR

X

1———————jC0-j————1L

-——C1X0

X>0为感性区域X<0为容性区域

s

pC0—两金属片间电容

C—振动弹性，等效于电容

L—晶体等效质量惯性，等

效于电感

R—振动的磨擦损耗，等效

于电阻R串联支路的谐振频率由曲线得：

p与X

相对应。讨论并联回路谐振频率p继续本页完石英晶体等效电路12

过度继续石英晶体等效电路晶体振荡器(2)石英晶体的频率特性。2、石英晶体的等效电路及特性C0CLRX0

X>0为感性区域X<0为容性区域

s

pC0—两金属片间电容

C—振动弹性，等效于电容

L—晶体等效质量惯性，等

效于电感

R—振动的磨擦损耗，等效

于电阻R串联支路的谐振频率在上式中令X

有=0j

pC0

-j—————

pL

-——

pC11解得

p=—————LC·C0C+C01过度继续石英晶体等效电路晶体振荡器(2)石13

(2)石英晶体的频率特性。2、石英晶体的等效电路及特性讨论并联回路谐振频率p继续本页完石英晶体等效电路上式中的C·C0/(C+C0)是LC回路中C

与C0串联的总电容。所以

p是整个LC回路的并联谐振频率。晶体振荡器C0CLRX0

X>0为感性区域X<0为容性区域

s

pC0—两金属片间电容

C—振动弹性，等效于电容

L—晶体等效质量惯性，等

效于电感

R—振动的磨擦损耗，等效

于电阻R串联支路的谐振频率并联回路的谐振频率在上式中令X

有=0j

pC0

-j—————

pL

-——

pC11解得

p=—————LC·C0C+C01(2)石英晶体的频率特性。2、石英晶体的等14

(2)石英晶体的频率特性。2、石英晶体的等效电路及特性讨论p和s的关系继续本页完石英晶体等效电路并联谐振频率fs

————1串联谐振频率把并联谐振频率式子变形为1fp=————·2fp=fs·1+—C0晶体振荡器1C0CLRX0

X>0为感性区域X<0为容性区域

s

pC0—两金属片间电容

C—振动弹性，等效于电容

L—晶体等效质量惯性，等

效于电感

R—振动的磨擦损耗，等效

于电阻R串联支路的谐振频率并联回路的谐振频率下面讨论fs和fp之间的联系。2

LCfp=———————LC·C0C+C021+—C0C

LCC(2)石英晶体的频率特性。2、石英晶体的等15

(2)石英晶体的频率特性。2、石英晶体的等效电路及特性过度继续石英晶体等效电路晶体振荡器C0CLRX0

X>0为感性区域X<0为容性区域

s

pC0—两金属片间电容

C—振动弹性，等效于电容

L—晶体等效质量惯性，等

效于电感

R—振动的磨擦损耗，等效

于电阻R串联支路的谐振频率并联回路的谐振频率fp=fs·1+—C0C(2)石英晶体的频率特性。2、石英晶体的等16

(2)石英晶体的频率特性。2、石英晶体的等效电路及特性讨论p和s的关系—结论继续本页完石英晶体等效电路由式可知fp>fs。但因为C<<C0

,所以

fp>fs~两个频率非常接近。同时由图中可以看出，晶体在fp~fs之间才呈感性，晶体在这个区间内可作电感L用，其他区间呈容性，只能作为电容使用。由于感性区间很窄，所以选频特性很好。晶体振荡器C0CLRX0

X>0为感性区域X<0为容性区域

s

pC0—两金属片间电容

C—振动弹性，等效于电容

L—晶体等效质量惯性，等

效于电感

R—振动的磨擦损耗，等效

于电阻R串联支路的谐振频率并联回路的谐振频率fp=fs·1+—C0C(2)石英晶体的频率特性。2、石英晶体的等17

(2)石英晶体的频率特性。2、石英晶体的等效电路及特性本内容结束页继续本页完石英晶体等效电路由式可知fp>fs。但因为C<<C0

,所以

fp>fs~晶体振荡器C0CLRX0

X>0为感性区域X<0为容性区域

s

pC0—两金属片间电容

C—振动弹性，等效于电容

L—晶体等效质量惯性，等

效于电感

R—振动的磨擦损耗，等效

于电阻R串联支路的谐振频率并联回路的谐振频率本内容学习完毕，单击返回，返回学习主页；单击继续，继续学习《石英晶体振荡电路》。返回继续fp=fs·1+—C0C两个频率非常接近。同时由图中可以看出，晶体在fp~fs之间才呈感性，晶体在这个区间内可作电感L用，其他区间呈容性，只能作为电容使用。由于感性区间很窄，所以选频特性很好。(2)石英晶体的频率特性。2、石英晶体的等183、石英晶体振荡电路

(1)并联型晶振器

①运放组成的晶振器

继续本页完(1)并联型晶体振荡器运放组成的并联晶体振荡器3、石英晶体振荡电路由图得反馈信号反馈回运放的“-”端。本电路符合相位平衡条件。－－+－++++事实上，本电路是属于电容三点式振荡器，晶体在此是起到一个电感L的作用，它与C1、C2并联组成选频和反馈回路。本质上是一个电容三点式LC并联谐振回路。假设断开反馈回路，在“-”端先输入一个信号利用瞬时极性法分析相位平衡条件：

①运放组成的晶振器晶体振荡器

++－AC1C2C3晶体vo3、石英晶体振荡电路

(1)并联型晶振器

①运放组成的晶振器19+－AC1C2C3晶体vo工作原理：频率在f<fs和f>fp

(1)并联型晶体振荡器3、石英晶体振荡电路

①运放组成的晶振器继续本页完工作原理分析：由晶体的频率特性知，电路中f<fs

和f>fp的频率，晶体呈现电容性质的阻抗，此时等效于一只电容器。显然由C1、C2、C3和C组成的电路不是选频回路，不可能有谐振频率。所以这些频率受到衰减。并联晶体振荡器X>0为感性区域X<0为容性区域X0

s

pf<fs

和f>fp晶体振荡器C+－AC1C2C3晶体vo工作原理：频率在f<fs和f>20+－AC1C2C3晶体vo

(1)并联型晶体振荡器3、石英晶体振荡电路工作原理：频率在fs<f<fp继续本页完并联晶体振荡器fs~fpL而在fs

~fp

间的频率，晶体呈现电感性质的阻抗，此时等效于一只线圈L。晶体与C1、C2和C3组成一个电容三点式并联LC谐振回路。这是一个改进型电容三点式并联LC谐振回路。X>0为感性区域X<0为容性区域X0

s

p晶体振荡器

①运放组成的晶振器工作原理分析：+－AC1C2C3晶体vo(1)并联型晶体振荡器21

(1)并联型晶体振荡器3、石英晶体振荡电路谐振频率的确定继续并联晶体振荡器晶体振荡器

①运放组成的晶振器谐振频率的确定：+－AC1C2C3晶体vo(1)并联型晶体振荡器3、石英晶体振荡电路22

(1)并联型晶体振荡器3、石英晶体振荡电路谐振频率的确定:单独画出LC回路继续C1C2C3晶体vo晶体振荡器

①运放组成的晶振器谐振频率的确定：(1)并联型晶体振荡器3、石英晶体振荡电路23谐振频率的确定：C1、C2、C3串联

(1)并联型晶体振荡器3、石英晶体振荡电路继续本页完C1C2C3晶体vo

C1

、C2和C3是串联，总电容为C’。

C’晶体振荡器

①运放组成的晶振器谐振频率的确定：—1=—

C11+—

C21+—

C31C0CLR谐振频率的确定：C1、C2、C3串联(1)并联24谐振频率的确定：C’的表达式

(1)并联型晶体振荡器3、石英晶体振荡电路继续本页完C’晶体振荡器

①运放组成的晶振器谐振频率的确定：C0CLR

C1

、C2和C3是串联，总电容为C’。

C’—1=—

C11+—

C21+—

C31谐振频率的确定：C’的表达式(1)并联型晶体振25谐振频率的确定：总电路等效回路

(1)并联型晶体振荡器3、石英晶体振荡电路继续本页完

C’与C0并联后再与C串联晶体振荡器

①运放组成的晶振器谐振频率的确定：

C∑—1=———C’+C01+—

C1电路总电容C∑为因为C’+C0>>C所以

C∑—1

——

C1C’C0CLR

C1

、C2和C3是串联，总电容为C’。

C’—1=—

C11+—

C21+—

C31谐振频率的确定：总电路等效回路(1)并联型晶体26过度

(1)并联型晶体振荡器3、石英晶体振荡电路继续晶体振荡器

①运放组成的晶振器谐振频率的确定：

C∑—1

——

C1C’C0CLR过度(1)并联型晶体振荡器3、石英27回路的等效电容CQ及谐振频率。

(1)并联型晶体振荡器3、石英晶体振荡电路继续本页完f0

————2

1晶体振荡器

①运放组成的晶振器谐振频率的确定：

C∑

C整个回路的谐振频率为

LC显然这就是石英晶体的串联谐振频率fs。fs=f0

————2

1LCCLR

C∑—1

——

C1C’C0CLR回路的等效电容CQ及谐振频率。(1)并联型28总结

(1)并联型晶体振荡器3、石英晶体振荡电路继续本页完晶体振荡器

①运放组成的晶振器谐振频率的确定：通过分析可知，由运放组成的并联型晶振器的谐振频率基本上由晶体的固有频率fS决定。

C∑

C整个回路的谐振频率为

C∑—1

——

C1显然这就是石英晶体的串联谐振频率fs。+－AC1C2C3晶体vof0

————2

1

LCfs=f0

————2

1LC总结(1)并联型晶体振荡器3、石英29

①运放组成的晶振器②三极管组成的晶振器继续本页完这是两个利用三极管组成的晶体振荡电路，工作原理与上述电路相同，其振荡频率均为

②三极管组成的晶振器同学们如果绘出这两个电路的交流等效电路就会发现，它们的振荡原理是一样的。晶体振荡器(1)并联型晶体振荡器3、石英晶体振荡电路fs=f0

————2

1

LCC1C2CS晶体voVCCReRcRb1Rb2CbC1C2CS晶体voVCCReRcRb1Rb2Ce①运放组成的晶振器②三极管组成的晶振器继续本页完30

①运放组成的晶振器这是两个利用三极管组成的晶体振荡电路，工作原理与上述电路相同，其振荡频率均为

②三极管组成的晶振器(1)并联型晶体振荡器3、石英晶体振荡电路(2)使用三极管的晶体并联型晶振器继续本页完但是这两个电路的反馈回路是不一样的，上图在射极反馈，放大电路为共基电路；下图在基极反馈，放大电路为共射电路。但当晶体作为L用时，都符合“射同基反”。晶体振荡器C1C2CS晶体voVCCReRcRb1Rb2CbC1C2CS晶体voVCCReRcRb1Rb2Cefs=f0

————2

1

LC①运放组成的晶振器这是两个利用三极管组成的31(2)串联型晶振器

工作原理分析

继续本页完由图可得，晶体和电阻R组成了反馈回路。(2)串联型晶体振荡器X>0为感性区域X<0为容性区域X0

s

p显然晶体在此不是作为LC振荡的元件。由晶体频率特性曲线知，除了

s之外，晶体对所有的频率均呈现容性或感性，这些