1、任务任务3.3 3.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 1第1页，共48页。2第2页，共48页。教学重点：教学重点：石英谐振器的特点石英谐振器的特点 石英晶体振荡电路的分析判断方法石英晶体振荡电路的分析判断方法教学难点：教学难点：石英晶体振荡电路的分析判断方法石英晶体振荡电路的分析判断方法3第3页，共48页。3.3.1 3.3.1 石英晶体振荡器石英晶体振荡器4第4页，共48页。任务目标任务目标 (1)掌握石英晶体振荡器的特性。掌握石英晶体振荡器的特性。(2)掌握石英晶体振荡器主要特性参数。掌握石英晶体振荡器主要特性参数。(3)掌握石英晶体振荡器电路结构形式。掌握石英晶体振荡器电路结构形式。(4
2、)掌握并联型、串联型晶体振荡电路各自的特点。掌握并联型、串联型晶体振荡电路各自的特点。石英谐振器石英谐振器5第5页，共48页。一、工程中对振荡器要求比较高。如要求频率稳定性一、工程中对振荡器要求比较高。如要求频率稳定性好、变化小、准确性好、精度高而且功耗小。而一般振好、变化小、准确性好、精度高而且功耗小。而一般振荡器是不能满足要求，需然荡器是不能满足要求，需然LC振荡器的频率稳定度能振荡器的频率稳定度能达到达到10-310-5，但在工作中要求频率稳定度超过，但在工作中要求频率稳定度超过10-5。晶振有很高的频率稳定度，约在晶振有很高的频率稳定度，约在10-410-12的范围。因的范围。因此需采
3、用石英晶体作为振荡器。此需采用石英晶体作为振荡器。石英谐振器石英谐振器6第6页，共48页。石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，已被广泛应用于无线电通讯、广已被广泛应用于无线电通讯、广播电视、卫星通讯、原播电视、卫星通讯、原子钟、雷达、导航系统、声纳浮标、天文学、空间跟踪子钟、雷达、导航系统、声纳浮标、天文学、空间跟踪等领域。等领域。石英晶体振荡器应用：石英晶体振荡器应用：石英谐振器石英谐振器7第7页，共48页。常用石英晶体谐振器外形图片如图常用石英晶体谐振器外形图片如图7.20所示。所示。（a）（b）（c）(d)(e)(f)图图7.20
4、石英晶体谐振器外形石英晶体谐振器外形石英谐振器石英谐振器8第8页，共48页。1.国际电工委员会国际电工委员会(IEC)将石英晶体振荡器分为将石英晶体振荡器分为4类：类：石英谐振器石英谐振器9第9页，共48页。(1)普通晶体谐振器普通晶体谐振器(SPXO)：可产生：可产生10-510-4量级的频量级的频率精度，标准频率为率精度，标准频率为100MHz频率稳定度是频率稳定度是100ppm。SPXO价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。石英谐振器石英谐振器10第10页，共48页。(2)电压控制式晶体谐振器电压控制式晶体谐振器(VCXO)：是通过施加外部控：是通过
5、施加外部控制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。在典型的在典型的VCXO中，通常是通过调谐电压改变变容二极管中，通常是通过调谐电压改变变容二极管的电容量来的电容量来“牵引牵引”石英晶体振子频率的。通常用于锁相石英晶体振子频率的。通常用于锁相环路。环路。石英谐振器石英谐振器11第11页，共48页。(3)温度补偿式晶体谐振器温度补偿式晶体谐振器(TCXO):采用温度敏感器件采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到进行温度频率补偿，频率精度达到10-710-6量级，频率量级，频率范围范围160MHz，频率稳定度为，频率稳定度为12.
6、5ppm，频率温，频率温度特性在所有类型晶振中是最好的。这类晶振主要用于度特性在所有类型晶振中是最好的。这类晶振主要用于各种类型的通信设备。各种类型的通信设备。石英谐振器石英谐振器12第12页，共48页。(4)恒温控制式晶体谐振器恒温控制式晶体谐振器(OCXO)：将晶体和振荡电路置：将晶体和振荡电路置于恒温槽中，以消除环境温度变化对频率的影响。于恒温槽中，以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO频频率精度是率精度是10-710-8量级，对某些特殊应用甚至达到更高。主量级，对某些特殊应用甚至达到更高。主要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频
7、谱频谱和和网络分析仪等设备、仪表中。网络分析仪等设备、仪表中。石英谐振器石英谐振器13第13页，共48页。目前发展中的还有目前发展中的还有数字数字补偿式晶补偿式晶体振荡器体振荡器(DCXO)微机补偿晶体振荡微机补偿晶体振荡器器(MCXO)等。等。石英谐振器石英谐振器14第14页，共48页。2石英晶体谐振器的主要参数石英晶体谐振器的主要参数晶振的主要参数有标称频率，负载电容、频率精晶振的主要参数有标称频率，负载电容、频率精度、频率稳定度等。度、频率稳定度等。石英谐振器石英谐振器15第15页，共48页。(1)标称频率。振荡器输出的中心频率或频率的标称标称频率。振荡器输出的中心频率或频率的标称值。标
8、称频率大都标明在晶振外壳上，如常用普通晶振值。标称频率大都标明在晶振外壳上，如常用普通晶振标称频率有：标称频率有：48KHz、500KHz、503.5KHz、1MHz40.50MHz等。等。石英谐振器石英谐振器16第16页，共48页。(2)负载电容负载电容(CL)。负载电容是指晶振的两条引线。负载电容是指晶振的两条引线连接连接IC块内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振块内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。片在电路中串接电容。石英谐振器石英谐振器17第17页，共48页。(3)频率精度和频率稳定。这要根据具体的设备需要频率精度和频率稳定。这要根据具体的设备需要而选择合适的晶
9、振，如通信网络就需要更高要求的石英而选择合适的晶振，如通信网络就需要更高要求的石英晶体谐振器。因此，在实际应用中要根据具体要求选择晶体谐振器。因此，在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振。适当的晶振。石英谐振器石英谐振器18第18页，共48页。3石英晶体的等效电路与频率特性石英晶体的等效电路与频率特性 石英晶体谐振器在电路中的符号如图石英晶体谐振器在电路中的符号如图7.21(a)所示，其等效电路如图所示，其等效电路如图7.21(b)所所示。由等效电路可知，石英晶体振荡器应有两个谐振频率。示。由等效电路可知，石英晶体振荡器应有两个谐振频率。(a)符号符号 （b）等效电路）等效电路图图7.21
10、石英晶体谐振器石英晶体谐振器 L1、C1、R1分别为石英晶体的模拟分别为石英晶体的模拟动态等效电感、等效电容和损耗电阻，动态等效电感、等效电容和损耗电阻，C0为静态电容，它是以石英为介质在两极为静态电容，它是以石英为介质在两极板间所形成的电容。一般石英谐振器的参数板间所形成的电容。一般石英谐振器的参数范围约为：范围约为：R110140；L10.0110H；C10.0040.1PF；C024PF。石英谐振器石英谐振器19第19页，共48页。1)1)高高Q Q值值 4.4.石英谐振器的特点石英谐振器的特点1111CLRQ 其其Q值很高，可达值很高，可达104106，这是普通这是普通LC电路无法相比
11、的。电路无法相比的。说明其选频作用非常好。说明其选频作用非常好。石英谐振器石英谐振器20第20页，共48页。有两个谐振频率有两个谐振频率f fq q和和f fp p 2)2)石英谐振器的石英谐振器的两个谐振频率两个谐振频率串联谐振频率：串联谐振频率：在低频时，由于在低频时，由于C0很小，它的很小，它的容抗比容抗比R大很多，可把静态电容大很多，可把静态电容C0看作开路。若看作开路。若f=fs时，时，L、R、C串联支路发生揩振串联支路发生揩振1121CLfq石英谐振器石英谐振器21第21页，共48页。并并联谐振频率联谐振频率 且有且有f fq q略小于略小于f fp p(小于几十赫兹到几百赫兹）小
12、于几十赫兹到几百赫兹）OqOOpCCfCCCCLf1111121)21(1OqpCCff012CCfffqqp当频率高于当频率高于fs时，时，XLXC，L、R、C支路呈感性，当与支路呈感性，当与C0发生并联谐振时发生并联谐振时石英谐振器石英谐振器22第22页，共48页。3)3)石英谐振器的电抗特性曲线石英谐振器的电抗特性曲线q石石英晶体英晶体q石英晶体石英晶体q石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体石英晶石英晶体体石英谐振器石英谐振器23第23页，共48页。当当L L、C C、R R支路发生串联支路发生串联谐振时，电抗为零，则石谐振时，电抗为零，则石英谐振器的阻抗为纯电阻英谐振器的阻抗为纯电阻R R
13、，由于，由于R R很小，可视为短很小，可视为短路，说明石英晶体在这种路，说明石英晶体在这种情况下可充当特殊短路元情况下可充当特殊短路元件使用。件使用。石英谐振器石英谐振器24第24页，共48页。当当f fq f f f fp p时，石英谐振时，石英谐振器等效电路呈电感性，这器等效电路呈电感性，这个区域很窄，个区域很窄，石英谐振石英谐振器充当一个等效电感。不器充当一个等效电感。不过此电感是一个特殊的电过此电感是一个特殊的电感，它仅存在于感，它仅存在于f fq与与f fp p之之间，且随频率间，且随频率f f的变化而的变化而变化。变化。石英谐振器石英谐振器25第25页，共48页。石英晶体与外电路的
14、耦合是很弱的，这样就削弱了外电石英晶体与外电路的耦合是很弱的，这样就削弱了外电路与石英谐振器之间的相互不良影响，从而保证了石英路与石英谐振器之间的相互不良影响，从而保证了石英谐振器的高谐振器的高Q值，因此，石英晶体振荡器振荡频率的稳值，因此，石英晶体振荡器振荡频率的稳定度和标准性都很高。定度和标准性都很高。4)4)接入系数很小接入系数很小 01CCp 一般为一般为10-310-4数量级数量级.石英谐振器石英谐振器26第26页，共48页。石英谐振器作为振荡回路中的电感元件，它能使振石英谐振器作为振荡回路中的电感元件，它能使振荡器的频率稳定度大大提高，其原因在于：荡器的频率稳定度大大提高，其原因在
15、于：1.1.石英晶体的物理化学性能十分稳定，外界因素石英晶体的物理化学性能十分稳定，外界因素对其性能影响很小。对其性能影响很小。2.2.石英谐振器的石英谐振器的Q Q值极高，其稳频作用极强。值极高，其稳频作用极强。稳稳频频原理原理 石英谐振器石英谐振器27第27页，共48页。3.3.石英谐振器在石英谐振器在f fq f f f fp p 的相当窄的频率范围内，其的相当窄的频率范围内，其感抗从零变到无穷大，因此它相当于一特殊电感，极感抗从零变到无穷大，因此它相当于一特殊电感，极其陡峭的电抗特性使晶体对频率变化的自动调整灵敏其陡峭的电抗特性使晶体对频率变化的自动调整灵敏度极高，稳频作用就极强。实际
16、上，由于晶体被当作度极高，稳频作用就极强。实际上，由于晶体被当作一个电感元件来使用，则其工作频率被限制在一个电感元件来使用，则其工作频率被限制在f fq f f f fp p内，外界因素对振荡频率的影响再大，也不能使它超内，外界因素对振荡频率的影响再大，也不能使它超出这个很窄的频率范围，因此，振荡频率的变化很小，出这个很窄的频率范围，因此，振荡频率的变化很小，它的频率稳定度就很高它的频率稳定度就很高 。石英谐振器石英谐振器28第28页，共48页。4.4.石英谐振器的接入系数极小，使振荡器中振荡回路石英谐振器的接入系数极小，使振荡器中振荡回路与管子之间的耦合非常弱，于是，外电路中不稳定因与管子之
17、间的耦合非常弱，于是，外电路中不稳定因素对回路的影响将大大减小，其频率稳定度就很高。素对回路的影响将大大减小，其频率稳定度就很高。石英谐振器石英谐振器29第29页，共48页。石英晶体在电路中可以起三种作用：石英晶体在电路中可以起三种作用：一是充当等效电感，晶体工作在接近于并联谐振频率一是充当等效电感，晶体工作在接近于并联谐振频率f fp p的狭的狭窄的感性区域内，窄的感性区域内，这类振荡器称为并联谐振型石英晶体振荡器；这类振荡器称为并联谐振型石英晶体振荡器；二是石英晶体充当短路元件，并将它串接在反馈支路内，用以控制反馈二是石英晶体充当短路元件，并将它串接在反馈支路内，用以控制反馈系数，它工作在
18、石英晶体的串联谐振频率系数，它工作在石英晶体的串联谐振频率f fq q上，称为串联谐振型石英晶体上，称为串联谐振型石英晶体振荡器；振荡器；三是充当等效电容，使用较少。三是充当等效电容，使用较少。二、石英晶体振荡电路二、石英晶体振荡电路石英谐振器石英谐振器30第30页，共48页。石英晶体振荡器可分为：石英晶体振荡器可分为：并联型电路并联型电路串联型电路串联型电路石英谐振器石英谐振器31第31页，共48页。1.1.并联型晶体振荡电路并联型晶体振荡电路 并联型晶体振荡器是把晶体作为回路电感，与其他并联型晶体振荡器是把晶体作为回路电感，与其他回路元件组成三点式振荡器。回路元件组成三点式振荡器。工作原理
19、和一般三点式工作原理和一般三点式LC振荡器相同，只是把其中的一个电感元件用晶体置振荡器相同，只是把其中的一个电感元件用晶体置换。换。在构成实际电路时，必须符合三点式振荡器的组成在构成实际电路时，必须符合三点式振荡器的组成原则。原则。石英谐振器石英谐振器32第32页，共48页。目前常用的目前常用的并联型晶体振荡电路：并联型晶体振荡电路：皮尔斯电路皮尔斯电路(电容三点式振荡器电容三点式振荡器)密勒电路密勒电路(电感三点式振荡器电感三点式振荡器)石英谐振器石英谐振器33第33页，共48页。皮尔斯电路皮尔斯电路 等效电路等效电路 并联型晶体振荡电路并联型晶体振荡电路石英谐振器石英谐振器34第34页，共
20、48页。其中其中 LC 为高频扼流圈，为高频扼流圈，Cb为基极旁路电容，为基极旁路电容，Cc为为集电极耦合电容。可以看集电极耦合电容。可以看出，它的晶体接在管子的出，它的晶体接在管子的C-B极间，属于电容三点极间，属于电容三点式振荡器。但是调节频率式振荡器。但是调节频率会改变反馈系数会改变反馈系数.为此，可为此，可采用改进型皮尔斯电路。采用改进型皮尔斯电路。石英谐振器石英谐振器35第35页，共48页。皮尔斯电路的频率稳定度高，电路又不需外接线圈，皮尔斯电路的频率稳定度高，电路又不需外接线圈，固应用最为广泛。固应用最为广泛。总结：在总结：在并联型晶体振荡电路并联型晶体振荡电路中，石英晶体工作在中
21、，石英晶体工作在感性区，相当于一个电感元件，当在频率感性区，相当于一个电感元件，当在频率f fq q f f f fp p 之间之间时满足振荡条件，产生正弦波，因为时满足振荡条件，产生正弦波，因为f fq q和和f fp p非常接近，非常接近，所以振荡频率稳定度高。所以振荡频率稳定度高。石英谐振器石英谐振器36第36页，共48页。改进型皮尔斯电路（改进型电容三点式振荡器）改进型皮尔斯电路（改进型电容三点式振荡器）C1C4C2C3V320 p120 p2004700 p75030 k6.8 kBUCCVC1C2LC4(a)(b)C4为微调电容，为微调电容，用来改变用来改变振荡振荡频率，不过频频率
22、，不过频率调节范围是率调节范围是很小的。很小的。石英谐振器石英谐振器37第37页，共48页。电路电路结构结构等效电路等效电路 2.2.串联型晶体振荡电路串联型晶体振荡电路注：注：晶体晶体相当于短路元件，常串接在正反馈支路中。相当于短路元件，常串接在正反馈支路中。石英谐振器石英谐振器38第38页，共48页。该电路与电容三点式振荡器十分相似，只不过反馈该电路与电容三点式振荡器十分相似，只不过反馈信号不是直接接到发射极，而是经过晶体才接到发射极，信号不是直接接到发射极，而是经过晶体才接到发射极，构成正反馈通路。由构成正反馈通路。由C1C2和和L组成组成 的振荡回路调谐在的振荡回路调谐在晶体的串联谐振
23、频率上晶体的串联谐振频率上。此时晶体可以看成短路，正。此时晶体可以看成短路，正反馈最强，满足振荡条件。即其振荡频率基本上等于晶反馈最强，满足振荡条件。即其振荡频率基本上等于晶体的串联振荡频率体的串联振荡频率fq.而对于其他频率。晶体呈现很大而对于其他频率。晶体呈现很大的阻抗，电路不能满足振荡条件的阻抗，电路不能满足振荡条件。石英谐振器石英谐振器39第39页，共48页。因此，这个电路的振荡频率和频率稳定度，都因此，这个电路的振荡频率和频率稳定度，都是由晶体决定的，而不是由振荡回路决定的。由于是由晶体决定的，而不是由振荡回路决定的。由于经过经过 晶体和晶体和 回路的两次选项，所以这个振荡器的回路的
24、两次选项，所以这个振荡器的输出波形好。输出波形好。频率稳定度完全取决于晶体的稳定度。谐振回路频率稳定度完全取决于晶体的稳定度。谐振回路的频率为的频率为f0=fq石英谐振器石英谐振器40第40页，共48页。寄生振荡波形寄生振荡波形 寄生振荡和间歇振荡简介寄生振荡和间歇振荡简介 一一.寄生振荡寄生振荡寄生振荡和间歇振荡寄生振荡和间歇振荡41第41页，共48页。防止和消除寄生振荡：防止和消除寄生振荡：首先在安装时必须考虑合理的工艺结构，尽量减首先在安装时必须考虑合理的工艺结构，尽量减少寄生参量，保持参量的稳定；其次应采用退耦电路，少寄生参量，保持参量的稳定；其次应采用退耦电路，在较大电容处并上一个较
25、小的电容；有时在振荡管的在较大电容处并上一个较小的电容；有时在振荡管的基极或发射极串入个小电阻或在发射结之间接一个基极或发射极串入个小电阻或在发射结之间接一个小电容就可能消除超高频寄生振荡。小电容就可能消除超高频寄生振荡。寄生振荡和间歇振荡寄生振荡和间歇振荡42第42页，共48页。间歇间歇振荡振荡波形波形 二二.间歇振荡间歇振荡为了避免产生间歇振荡，为了避免产生间歇振荡，RCRC的时间常数应小于振荡回的时间常数应小于振荡回路的时间常数路的时间常数2L/C2L/C，一，一 般可取般可取RC2L/5CRC2L/5C。寄生振荡和间歇振荡寄生振荡和间歇振荡43第43页，共48页。振荡器振荡器名名 称称
26、频率稳定频率稳定度度振荡振荡波形波形适用频率适用频率频率调节范围频率调节范围其它其它电桥式电桥式1010-2-210-3差差200KH200KHZ Z以下以下频率调节范围较宽频率调节范围较宽在低频信号发生在低频信号发生器中被广泛采用器中被广泛采用变压器变压器反馈式反馈式1010-2-210-4一般一般几千赫几十兆几千赫几十兆赫赫可在较宽范围内调节频率可在较宽范围内调节频率易起振，结构简易起振，结构简单单电电 感感三点式三点式1010-2-210-4差差几千赫几十兆几千赫几十兆赫赫可在较宽范围内调节频率可在较宽范围内调节频率易起振，输出振易起振，输出振幅大幅大电电 容容三点式三点式1010-3-
27、310-4好好几兆赫几百兆几兆赫几百兆赫赫只能在小范围内调节频率只能在小范围内调节频率（适用于固定频率）（适用于固定频率）常采用改进电路常采用改进电路石英晶石英晶体体1010-5-510-11好好几百千赫一百几百千赫一百兆赫兆赫只能在极小范围内微调频只能在极小范围内微调频率（适用于固定频率）率（适用于固定频率）用在精密仪器设用在精密仪器设备中备中各种正弦波振荡器的性能比较如表各种正弦波振荡器的性能比较如表5-15-1所示。所示。表表5-15-1各种正弦波振荡器性能比较各种正弦波振荡器性能比较正弦波振荡器的性能比较正弦波振荡器的性能比较44第44页，共48页。本讲小结本讲小结1.1.石英晶体振荡
28、器有串联型和并联型两种电路，石英晶石英晶体振荡器有串联型和并联型两种电路，石英晶体振荡器具有高频率稳定度的原因是由于晶体的体振荡器具有高频率稳定度的原因是由于晶体的Q Q值极高、接入系数小和它相当于一特殊电感等。值极高、接入系数小和它相当于一特殊电感等。2.2.振荡电路中存在寄生振荡和间歇振荡。振荡电路中存在寄生振荡和间歇振荡。45第45页，共48页。本讲作业本讲作业1、练习：教材、练习：教材P89 5-5、5-6；P90 5-7；2、思考：教材、思考：教材P90 5-8、5-9。46第46页，共48页。石英晶振实验电路石英晶振实验电路47第47页，共48页。石英晶振实验电路石英晶振实验电路48第48页，共48页。
