1、高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器1晶体振荡器晶体振荡器高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器2石英晶体的结构图（图（a a）表示自然结晶体）表示自然结晶体图（图（b b）表示晶体的横断）表示晶体的横断高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器3石英晶体的特性（1 1）石英晶体特有的正、反两种压电效应）石英晶体特有的正、反两种压电效应 正压电效应：当沿晶体的电轴或机械轴
2、施以张正压电效应：当沿晶体的电轴或机械轴施以张力或压力时，就在垂直于电轴的两面上产生正、负力或压力时，就在垂直于电轴的两面上产生正、负电荷，呈现出电压。电荷，呈现出电压。负压电效应：当在垂直于电轴的两面上加交变负压电效应：当在垂直于电轴的两面上加交变电压时，晶体将会沿电轴或机械轴产生弹性变形电压时，晶体将会沿电轴或机械轴产生弹性变形（伸张或压缩），称为机械振动。（伸张或压缩），称为机械振动。高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器4（2 2）石英晶体具有谐振回路的特性）石英晶体具有谐振回路的特性 石英晶体存在着固有振动频
3、率。当外加电信号频率在此自然频率附近时，就会发生谐振现象。它既表现为晶片的机械共振，又在电路上表现出电谐振。这时有很大的电流流过晶体，产生电能和机械能的转换。石英晶体的特性（3 3）具有较小的频率温度特性）具有较小的频率温度特性 石英晶体温度系数小和低噪声 石英晶体振荡器的频率稳定度可达到10-5数量级以上，具有很高的品质因数，产生几十kHz几百MHz的振荡频率。高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器5符号符号基频等效电路基频等效电路完整等效电路完整等效电路C0 静态电容和支架引线等分布电容之和，一般几个pF；Cq 动
4、态电容，表征晶体的弹性，值很小，在10-2pF以下。Lq 动态电感，表征晶体的质量，值较大，在几十个mH；rq 动机械摩擦和空气阻尼引起的损耗，阻抗很小，1到几十。高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器6高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器7晶体谐振器的电特性：（1）有非常高的品质因数。而普通LC振荡回路的值只能到几百。（2）石英晶体谐振器与有源器件的接入系数p很小，一般为10-310-4。qqqqqqq1CLrrLQ （12 50025 0
5、00）000CCCCCpqq串高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器8soqsoqsqoqoqpfCCfCCfCCCCLf)21(121显然：CoCqLqrqqqqpqqsCCCCLCL001 1 并联谐振频率：串联谐振频率：（3）晶体的电抗特性：高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器9001)1()1(1CjCLjrCLjrCjZqqqqqqc（3）晶体的电抗特性：pspsccCjjXjZ并联谐振频率：串联谐振频率：式中 )(1)(11)(2
6、20忽略rqCoCqLqrq高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器101.作电感用2.工作于串联谐振状态应应 用用高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器11 C0(a)(b)Cq Lq rq C0 Cq1 Lq1 rq1 Cq3 Lq3 rq3 Cq5 Lq5 rq5 Cqk Lqk rqk(c)石英晶体谐振器(a)符号 (b)基频等效电路 (c)完整等效电路 除了以上基频振动模式外，石英片的振动还会产生奇次（2n-1）谐波的泛音振动。基频振动
7、模式时，产生奇次谐波谐振的支路因阻抗较高可忽略。4奇次谐波的泛音振动奇次谐波的泛音振动(3)泛音晶体振荡器应应 用用高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器121,并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器(PARALLEL CRYSTAL OSCILLATORS)这这类类晶晶体体振振荡荡器器的的振振荡荡原原因因和和一一般般反反馈馈型型 LC 振振荡荡器器相相同同,只只要要把把晶晶体体置置于于反反馈馈网网络络和和振振荡荡回回路路中中,作作为为一一个个感感性性元元件件,并并与与其其它它回回路路元元件件一一起起按按照照三三点点式式电电
8、路路的的基基本本准准则则组组成成三三点点式式振振荡荡器器.常常用用的的有有两两种种基基本本类类型型:高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器13ECJTC2C3C1Rb1Rb2CbReLc1 1.电电路路结结构构 C1,C2即即 是是 谐谐 振振 回回 路路 的的 一一 部部分分,又又 构构 成成 反反 馈馈 回回 路路.C3即即 作作 为为减减 弱弱 晶晶 体体 管管 与与 晶晶 体体 间间 的的 藕藕 合合 电电容容,也也 作作 为为 振振 荡荡 频频 率率 的的 微微 调调 电电容容.晶体晶体C1C2JTC3高频电
9、子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器14高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器152 2 串串联联型型晶晶体体振振荡荡器器(S SE ER RI IE ES S C CR RY YS ST TA AL L O OS SC CI IL LL LA AT TO OR RS S)高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器16石英晶体的基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶石英晶体的
10、基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工作时，可以在晶体振荡器后面加倍频器。作时，可以在晶体振荡器后面加倍频器。另一个办法就是令晶体工作于它的泛音频率上，构成泛音另一个办法就是令晶体工作于它的泛音频率上，构成泛音晶体振荡器。晶体振荡器。所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波。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：电气谐波与基波是整数倍关它与电气谐波的主要区别是：电气谐波与基波是整数倍关系，且谐波与基波同时并存；泛音则与基频不成整数倍关系，系，且谐波与基波同时并存；泛音
11、则与基频不成整数倍关系，只是在基频奇数倍附近，且两者不能同时存在。只是在基频奇数倍附近，且两者不能同时存在。(3)泛音晶体振荡器高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器17 若泛音晶体的标称泛音次数为若泛音晶体的标称泛音次数为5，相应的标称频率为，相应的标称频率为5MHz，则则LC谐振回路应调谐在谐振回路应调谐在35次泛音频率之间，如次泛音频率之间，如3.5MHz。在。在5MHz,LC谐振回路呈容性，满足相位平衡条件。谐振回路呈容性，满足相位平衡条件。而对于基频和而对于基频和3次泛音频率来说，次泛音频率来说，回路呈感性，
12、振荡器不满足相位平回路呈感性，振荡器不满足相位平衡条件，不能产生振荡。衡条件，不能产生振荡。而对于而对于7次及其以上的泛音频率，次及其以上的泛音频率，回路呈容性，但其电容量过大，负回路呈容性，但其电容量过大，负载阻抗过小，以致电压增益下降太载阻抗过小，以致电压增益下降太多，不能起振。多，不能起振。高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器18例例3-4：如图所示的晶体振荡器电路如图所示的晶体振荡器电路(1)画出交流等效电路，指出是何种类型的晶体振荡器。画出交流等效电路，指出是何种类型的晶体振荡器。(2)该电路的振荡频率是多
13、少？该电路的振荡频率是多少？(晶体参数：晶体参数：C0=4pF,Cq=0.05pF,Lq=0.05H,rq=10W W)(3)晶体在电路中的作用？晶体在电路中的作用？(4)该晶振有何特点？该晶振有何特点？晶体的品质因数晶体的品质因数Q?(5)若频率稳定度为若频率稳定度为10-5，问振荡频率的变化范围。问振荡频率的变化范围。高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器19画出交流等效电路后，画出交流等效电路后，看晶体是回路的一部分（并联型晶振）看晶体是回路的一部分（并联型晶振）还是反馈网络的一部分（串联型晶体）还是反馈网络的一
14、部分（串联型晶体）振。所以该电路是串联型晶解解高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器20(2)该电路的振荡频率为晶体的串联谐振频率该电路的振荡频率为晶体的串联谐振频率13.184713MHz2oscsqqffL C即：13.204556MHz2poqqoqfC CLCC(3)晶体在电路中起短接线作用。晶体在电路中起短接线作用。而晶体的并联谐振频率为：而晶体的并联谐振频率为：高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器21(4)该晶振的特点是频率稳定度
15、很高，温度系数小。该晶振的特点是频率稳定度很高，温度系数小。512osc101005.005.010111qqqqqqqqqCLrCLrLrLQ（5）振荡频率的变化范围）振荡频率的变化范围 =振荡频率振荡频率振荡频率振荡频率频稳度频稳度 =3184713 3184713 0.00001 =3184713 32 =3184681Hz 30184745Hz高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器22例例3-53-5：一晶体振荡器交流等效电路如图所示，一晶体振荡器交流等效电路如图所示，（1 1）该电路属于何种类型的晶体振荡器，
16、晶体在电路中）该电路属于何种类型的晶体振荡器，晶体在电路中的作用是什么？的作用是什么？（2 2）画出该电路的实际线路；）画出该电路的实际线路；（3 3）若将）若将5MHz5MHz的晶体换成的晶体换成2MHz2MHz的晶体，该电路是否能正的晶体，该电路是否能正常工作，为什么？常工作，为什么？高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器23MHz410330107.414.32121CL 11261011为构成回路。其谐振频率与电容电感）由于（LCf解解 而晶体的标称频率为而晶体的标称频率为5MHz5MHz，电感，电感L L与电
17、容与电容C C1 1构成的构成的回路在回路在5MHz5MHz时呈现容性，振时呈现容性，振荡器可以在荡器可以在5MHz5MHz工作。工作。如果晶体换成如果晶体换成2MHz2MHz，则，则2MHz2MHz时电感时电感L L与电容与电容C1C1构成构成的回路呈现感性，故电路不的回路呈现感性，故电路不能正常工作。能正常工作。高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器24高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器25高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振
18、荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器26高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器27高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器28高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器29高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器30高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振
19、荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器31高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器32高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器33ufS(4 42)右图为一压控振荡器的频率-控制电压特性曲线。一般情况下,这一特性是非线性的,非线性程度与变容管变容指数及电路形式有关。压控振荡器 压控振荡器的主要性能指标为压控灵敏度和线性度。压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的变化量,用S表示,即0f0Uf高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器34 12 VL1100 pF输出V110 kW100 pFC11.5 pFC2V2控制电压100kWCj 图 4 13 压控振荡器线路 高频电子线路高频电子线路 第十讲第十讲 晶体振荡器晶体振荡器7/22/2022 7:57 AM第3章 正弦波振荡器35本章作业：新版3-23-4（a、b、c、d）3-63-10
