最新-第四章-第6~9节-PPT课件.ppt
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1、 近代科学技术的发展近代科学技术的发展对正弦波振荡器的稳定度对正弦波振荡器的稳定度要求愈来愈高。要求愈来愈高。例如,作为频率标准的振荡器的频例如,作为频率标准的振荡器的频率稳定度要求达到率稳定度要求达到 以上,而对于以上,而对于LC振荡器,尽振荡器,尽管采用各种稳频措施,但理论分析和实践都表明,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其频率稳定度一般只能达到 ,究其原因主要是,究其原因主要是回路的回路的Q 值不能做得很高(约值不能做得很高(约200200以下)。以下)。石英晶体石英晶体振荡器就是振荡器就是以石英晶体谐振器取代以石英晶体谐振器取代LC振荡器中构成振荡器
2、中构成谐振回路的电感、电容元件所组成的正弦波振荡谐振回路的电感、电容元件所组成的正弦波振荡器,器,它的频率稳定度可达它的频率稳定度可达 数量级。数量级。810510111010104.6 石英晶体谐振器石英晶体谐振器 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度,其关键是采用了石英晶体这种具有高Q 值的值的谐振元件。谐振元件。由石英谐振器构成的振荡电路叫由石英谐振器构成的振荡电路叫“晶振电晶振电路路”。晶体振荡器电路的种类很多,但根据晶体晶体振荡器电路的种类很多,但根据晶体在电路中的作用来看分两类:在电路中的作用来看分两类:
3、一类是一类是工作在晶体并联谐振频率附近,晶体工作在晶体并联谐振频率附近,晶体等效为电感的情况,叫做等效为电感的情况,叫做“并联晶振电路并联晶振电路”。另一类是另一类是工作在晶体串联谐振频率附近,晶工作在晶体串联谐振频率附近,晶体近于短路的情况,叫做体近于短路的情况,叫做“串联晶振电路串联晶振电路”。一、石英晶体的压电效应及等效电路一、石英晶体的压电效应及等效电路1.等效电路和符号等效电路和符号(a)(a)结构示意图结构示意图(b)(b)等效电路等效电路(c)(c)符号符号 图图4-20 4-20 石英谐振器的的结构示意图、等效电路和符号石英谐振器的的结构示意图、等效电路和符号 2.2.石英谐振
4、器的特点石英谐振器的特点 等效电感等效电感Lq非常大,而非常大,而Cq和和rq都非常小,所都非常小,所以以石英谐振器的石英谐振器的Q 值非常高值非常高(),可),可以达几万到几百万,因此以达几万到几百万,因此石英晶体谐振器的振荡石英晶体谐振器的振荡频率稳定度非常高。频率稳定度非常高。qqq1CLrQ 3.等效参数等效参数 一般常用石英谐振器的等效参数大致是:一般常用石英谐振器的等效参数大致是:Cq大约大约0.005 0.1pF;C0大约大约2pF 5pF;rq大约大约1欧姆到几十欧姆;欧姆到几十欧姆;Q大约大约105;Lq大约大约100H(频率约(频率约100 kHz););1H(频率约(频率
5、约1MHz););10mH(频率约(频率约10MHz)。)。Lq的数值取决于晶片的厚度,低频晶体较厚,质的数值取决于晶片的厚度,低频晶体较厚,质量较大,动态电感量较大,动态电感Lq 较大,而高频晶体较薄,质量较大,而高频晶体较薄,质量较小,所以较小,所以Lq较小。较小。二、石英晶体的阻抗特性二、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。振频率,串联谐振频率和并联谐振频率。1.1.串联谐振频率串联谐振频率 fs 在等效电路中,在等效电路中,Lq、Cq组成串联谐振回组成串联谐振回路,串联谐振频率为路,串联谐振频率
6、为sqq12fL C2.并联谐振频率并联谐振频率 fp 如果将如果将C0 也考虑进去,则也考虑进去,则Lq、Cq与与C0 组成并联谐振回路,并联谐振频率为组成并联谐振回路,并联谐振频率为p0qp0q12fC CLCC(4-38)由于由于 ,所以,所以fp 和和fs 相隔很近,相隔很近,由式(由式(4-384-38)有)有0p0qqq12CfCCL C0qs1CCf 0qsp21CCff10q CCq0CC 当当 时时,图图4-21 4-21 石英谐振器的电抗特性石英谐振器的电抗特性3.电抗电抗频率曲线(频率曲线(rq=0)qq0qq0j(1)(j)j(11)LCCZLCC2qqq0q02qqq
7、0(1 1)1j1 1LL CCC CLLCC 22ps2201j11C (4-404-40)由上式看出:由上式看出:当当 时,时,L Lq、Cq支路产生串联谐振,支路产生串联谐振,Z=0;当当 时时,产生并联谐振,产生并联谐振,或或 时,时,电抗呈容性;电抗呈容性;时,时,电抗呈感性。电抗呈感性。22ps2201j11ZC s p Zs p jZx ps jZx 由于由于 与与 两谐振频率与之差很小,所以呈感两谐振频率与之差很小,所以呈感性的阻抗曲线非常陡峭。性的阻抗曲线非常陡峭。实用中,石英谐振器工实用中,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作在频率范围窄的电感区(可以把
8、它看成一个电感),感),只是在电感区,电抗曲线才有非常大的斜只是在电感区,电抗曲线才有非常大的斜率(这对稳定频率很有利),电容区是不宜使用率(这对稳定频率很有利),电容区是不宜使用的。的。p s 4.4.考虑考虑 rq 的晶体等效阻抗特性的晶体等效阻抗特性这时,晶体的等效阻抗这时,晶体的等效阻抗 Z 表达式为表达式为qqq0qqq0j(1)(j)j(11)rLCCZrLCC(4-414-41)三、三、石英谐振器的频率温度特性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虽然石英谐振器等效回路具有高Q 的优点,的优点,但是,如果它的电参数不稳定,仍然不能保证但是,如果它的电参数不稳定,仍
9、然不能保证频率稳定度的提高。这还要看温度变化时,它频率稳定度的提高。这还要看温度变化时,它的频率是否稳定。的频率是否稳定。在一定的温度范围之内,石英晶体的各电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。具体情况与晶片切参量具有较小的温度系数。具体情况与晶片切割类型有关割类型有关。1.1.它的频率温度系数小,它的频率温度系数小,用恒温设备后,用恒温设备后,更可保证频率稳定。更可保证频率稳定。2.2.石英谐振器的石英谐振器的Q值非常高,值非常高,在谐振频率在谐振频率fp或或 fs 附近,相位特性变化率很高(相频特性附近,相位特性变化率很高(相频特性的斜率很大),这有利于稳频。的斜率
10、很大),这有利于稳频。3.3.石英谐振器的石英谐振器的 ,使振荡频率基,使振荡频率基本上由本上由Cq和和 Lq 决定,外电路对振荡频率的影决定,外电路对振荡频率的影响很小。响很小。四、石英谐振器频率稳定度高的原因四、石英谐振器频率稳定度高的原因0CCq4.7 4.7 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路 并联晶振电路并联晶振电路工作在晶体并联谐振频工作在晶体并联谐振频率附近,晶体等效为电感;率附近,晶体等效为电感;串联晶振电路串联晶振电路工作在晶体串联谐振频工作在晶体串联谐振频率附近,晶体近于短路。率附近,晶体近于短路。1.1.电路电路 由晶体与外接电容器或由晶体与外接电容器或线圈构成并联谐振
11、回路,按线圈构成并联谐振回路,按三点线路的连接原则组成振三点线路的连接原则组成振荡器,晶体等效为电感荡器,晶体等效为电感 理论上可以构成三种类理论上可以构成三种类型基本电路,但在实际应用型基本电路,但在实际应用中常用的是图所示的电路,中常用的是图所示的电路,称称“皮尔斯皮尔斯”电路。电路。这种电这种电路不需外接线圈,而且频率路不需外接线圈,而且频率稳定度较高。稳定度较高。图图4-25 并联晶体振荡器并联晶体振荡器 原理电路图原理电路图一、并联晶振电路一、并联晶振电路图图4-26 4-26 并联晶体振荡器实例并联晶体振荡器实例2振荡频率振荡频率 f0的确定的确定 这里,这里,晶体等效为电感,晶体
12、等效为电感,晶体与外接电容晶体与外接电容(称为晶称为晶体的负载电容体的负载电容,这里包括这里包括4.54.520pF20pF与与 20pF 20pF 两个小电两个小电容以及容以及C1、C2 ),其振荡频率应落在,其振荡频率应落在 fp 与与 fs 之间。之间。图图4-274-27是图是图4-264-26中谐振回路的等效电路。该谐振回中谐振回路的等效电路。该谐振回路的电感就是路的电感就是Lq ,而谐振回路的总电容应由,而谐振回路的总电容应由Cq、C0及及外接电容外接电容 C、C1、C2 组合而成。组合而成。由下式决定,即由下式决定,即210q1111111CCCCCC C 图图4-27 4-27
13、 图图4-264-26中谐振回路的等效电路中谐振回路的等效电路选择电容时,选择电容时,,1CC,2CC,CCCC 0q111CCCCCC 0q0q)(0q0qq01()2fC CCLCCC所以所以(4-494-49)3 3f0 总是处在总是处在 fp 与与 fs 两频率之间两频率之间 调节调节C 可使可使 f0 产生很微小的变动。产生很微小的变动。如果如果C 很大,取很大,取 代入式(代入式(4-494-49)可)可得得f0 最小值为最小值为 即晶体串联谐振频率即晶体串联谐振频率 若若C 很小,取很小,取 代入式(代入式(4-494-49)C0sqq12ffL C0C可得可得 f0 的最大值为
14、的最大值为 即晶体并联谐振频率。即晶体并联谐振频率。可见,无论怎样调节可见,无论怎样调节C,f0 总是处于晶体总是处于晶体fp 与与 fs 的两频率之间。的两频率之间。0pq0qq012ffC CLCC图图4-28 4-28 串联型晶体振荡器的一种方框图串联型晶体振荡器的一种方框图 二、串联型晶振电路二、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,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。构成正反馈产生振荡。串联型晶体振荡器的一种框图如图串联型晶体振荡器的一种框图如图4-284-28所示。所示。因为是两级共发放大器因为是两级共发放大器,所以输出电压与输入电压所以输
15、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,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。这个反馈是正反馈。由于石英谐振器的选频作用,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。频率上产生振荡。图图4-29 4-29 串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器(9kHz)的实例(一)的实例(一)图图4-30 4-30 串联晶振串联晶振(1MHz)(1MHz)实例(二)实例(二)泛音是指石英片振动的
16、机械谐波。泛音是指石英片振动的机械谐波。它与电它与电气谐波的主要区别是,电气谐波与基频是整数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;而倍的关系,且谐波和基波同时并存;而泛音是泛音是在基频奇数倍附近,两者不能同时并存。在基频奇数倍附近,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,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。一般则机械强度越差,用在电路中易于振碎。一般基音晶体频率不超过基音晶体频率不超过30MHz。三、泛音晶振电路三、泛音晶振电路 为了提高晶振电路的工作频率可使电路振为了提高晶振电路的工作频率可使电路振荡频率
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