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（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
2、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,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
3、.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
4、以fp 和fs 相隔很近，由式（4-38）有,当 时,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。,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,
5、（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,4.7 石英晶体振荡器电路,由石英谐振
6、器（石英晶体振子）构成的振荡电路通常叫“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；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。,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 4.520pF与 20pF 两个小电容）和C1、
7、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,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
8、 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,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
9、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,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
10、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
11、,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
12、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，应采取措施将其他模式抑制下去）。C1 、C2亦可微调频率。,图4-35 陶瓷振子振荡电路,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,图4-36 利用E1648组成的正弦波振荡器,4.9 单片集成振荡电路E1648,图4-36 利用E1648组成的正弦波振荡器,
