晶體振蕩器課程設(shè)計(jì).doc

1 石英晶體及其特性11.1 石英晶體簡介11.2石英晶體的阻抗頻率特性12 晶體管的內(nèi)部工作原理33. 晶體振蕩器電路的類型及其工作原理43.1串聯(lián)型諧振晶體振蕩器43.2并聯(lián)諧振型晶體振蕩器63.3 泛音晶體振蕩器84 確定工作點(diǎn)和回路參數(shù)（以皮爾斯電路為例）94.1 主要技術(shù)指標(biāo)94.2確定工作點(diǎn)104.3交流參數(shù)的確定105 提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度116.總結(jié)12參考文獻(xiàn)：131 石英晶體及其特性1.1 石英晶體簡介石英是礦物質(zhì)硅石的一種，化學(xué)成分是Sio2，形狀是呈角錐形的六棱結(jié)晶體,具有各向異性的物理特性。按其自然形狀有三個(gè)對稱軸,電軸X,機(jī)械軸Y,光軸Z。石英諧振器中的各種晶片,就是按與各軸不同角度,切割成正方形、長方形、圓形、或棒型的薄片,如圖1的AT、BT、CT、DT等切型。不同切型的晶片振動型式不 ,性能不同。1.2石英晶體的阻抗頻率特性石英諧振器的電路符號和等效電路如圖1.2.1。C0稱為靜態(tài)電容，即晶體不振動時(shí)兩極板間的等效電容，與晶片尺寸有關(guān)，一般約為幾到幾十pF。晶體作機(jī)械振動時(shí)的慣性以Lq、彈性用Cq振動時(shí)因磨擦造成的損耗用Rq來等效，它們的數(shù)值與晶片切割方位、形狀和大小有關(guān)，一般Lq為H，Cq為pF，Rq在幾幾百歐之間。它的Lq非常大，而Cq、Rq又非常小，品質(zhì)因數(shù)，故Q 值很高，在之間，由于石英晶振的接入系數(shù)P= Cq/(C0+ Cq)很小，所以外接元器件參數(shù)對石英晶振的影響很小。忽略等效電路中的Rq ,阻抗符號 基頻等效電路 完整等效電路圖1.2.1 晶振等效電路石英晶振可以等效為一個(gè)串聯(lián)諧振回路和一個(gè)并聯(lián)諧振回路。若忽略gq，則晶振兩端呈現(xiàn)純電抗。串聯(lián)諧振頻率 ：并聯(lián)諧振頻率 由上式可出求出它的阻抗頻率特性曲線如圖1.2.2圖1.2.2 晶振阻抗頻率特性曲線當(dāng) f fp 時(shí) ,X 0 ,回路呈容性 。當(dāng) fq f 0 ，回路呈感性 ,發(fā)生串聯(lián)諧振或并 聯(lián)諧振。在f=fq時(shí)，回路的阻抗角為零，值最小且呈純電阻性。2 晶體管的內(nèi)部工作原理石英晶體具有壓電效應(yīng)。當(dāng)對它施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)會產(chǎn)生電荷；加電壓時(shí)會發(fā)生振動，稱此為壓電效應(yīng)。給石英設(shè)置電極加電壓時(shí)所得到的電學(xué)的固有振動不怎么受所加電壓或環(huán)境溫度的影響。因此，如果把石英振子用于振蕩電路，將會得到頻率非常穩(wěn)定的振蕩輸出。當(dāng)交流電壓加在晶體兩端，晶體先隨電壓變化產(chǎn)生應(yīng)變，然后機(jī)械振動又使晶體表面產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時(shí)，它本身有一個(gè)固有的機(jī)械振動頻率。當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時(shí)，晶體片的機(jī)械振動最大，晶體表面電荷量最多，外電路中的交流電流最強(qiáng)，于是產(chǎn)生了諧振。因此，將石英晶體按一定方位切割成片，兩邊敷以電極，焊上引線，再用金屬或玻璃外殼封裝即構(gòu)成石英晶體諧振器（簡稱石英晶振）。石英晶體作為振蕩回路元件能使振蕩器的頻率穩(wěn)定度大大提高的原因在于：1) 石英晶體的物理和化學(xué)性能都十分穩(wěn)定，因此，它的等效諧振回路有很高的標(biāo)準(zhǔn)性；2) 它具有正、反壓電效應(yīng)，而且在諧振頻率附近，晶體的等效參數(shù)Lq很大、Cq很小、Rq也不高。因此，晶體的Q值可高達(dá)數(shù)百萬數(shù)量級；3) 在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶內(nèi)，具有極陡峭的電抗特性曲線，因而對頻率變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力。3. 晶體振蕩器電路的類型及其工作原理3.1串聯(lián)型諧振晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器是將石英晶體用于正反饋支路中，利用其串聯(lián)諧振時(shí)等效為短路元件的特性，電路反饋?zhàn)饔米顝?qiáng)，滿足振幅起振條件，使振蕩器在晶體串聯(lián)諧振頻率fs上起振。圖2.1.1是 一種串聯(lián)型單管晶體振蕩器電路，圖2.1.2是其高頻等效電路。這種振蕩器與三點(diǎn)式振蕩器基本類似，只不過在正反饋支路上增加了一個(gè)晶體。、和組成并聯(lián)諧振回路而且調(diào)諧在振蕩頻率上。圖3.1.1 串聯(lián)諧振型晶體振蕩器圖3.1.2 串聯(lián)晶體振蕩器交流等效電路3.2并聯(lián)諧振型晶體振蕩器圖3.2.1 并聯(lián)諧振型晶體 cb型振蕩器電路（皮爾斯電路）圖3.2.1 并聯(lián)諧振型晶體振蕩器高頻回路等效電路1)、振蕩回路與晶體管、負(fù)載之間的耦合很弱。晶體管、端,、端和、端的接入系數(shù)分別是：(3.2.1)(3.2.2)以上三個(gè)接入系數(shù)一般均小于，所以外電路中的不穩(wěn)定參數(shù)對振蕩回路影響很小，提高了回路的標(biāo)準(zhǔn)性。2)、振蕩頻率幾乎由石英晶體的參數(shù)決定，而石英晶體本身的參數(shù)具有高度的穩(wěn)定性。振蕩頻率，其中是和晶體兩端并聯(lián)的外電路各電容的等效值，即根據(jù)產(chǎn)品要求的負(fù)載電容。在實(shí)用時(shí)，一般需加入微調(diào)電容，用以微調(diào)回路的諧振頻率，保證電路工作在晶體外殼上所注明的標(biāo)稱頻率fn上。3)、由于振蕩頻率一般調(diào)諧在標(biāo)稱頻率上，位于晶體的感性區(qū)內(nèi)，電抗曲線陡峭，穩(wěn)頻性能極好。4)、石英晶體的Q值和特性阻抗都很高，所以晶體的諧振電阻也很高，一般可達(dá)以上。這樣即使外電路接入系數(shù)很小，此諧振電阻等效到晶體管輸出端的阻抗仍很大，使晶體管的電壓增益能滿足振幅起振條件的要求。3.3 泛音晶體振蕩器在工作頻率較高的晶體振蕩器中，多采用泛音晶體振蕩電路。泛音晶振電路與基頻晶振電路有些不同。在泛音晶振電路中，為了保證振蕩器能準(zhǔn)確地振蕩在所需要的奇次泛音上，不但必須有效地抑制掉基頻和低次泛音上的寄生振蕩而且必須正確地調(diào)節(jié)電路的環(huán)路增益，使其在工作泛音頻率上略大于1，滿足起振條件，而在更高的泛音頻率上都小于1，不滿足起振條件。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可在三點(diǎn)式振蕩電路中，用一選頻回路來代替某一支路上的電抗元件，使這一支路在基頻和低次泛音上呈現(xiàn)的電抗性質(zhì)不滿足三點(diǎn)式振蕩器的組成法則，不能起振；而在所需要的泛音頻率上呈現(xiàn)的電抗性質(zhì)恰好滿足組成法則，達(dá)到起振。圖3.3.1給出了一種并聯(lián)型泛音晶體振蕩電路。假設(shè)泛音晶振為五次泛音，標(biāo)稱頻率為MHz，基頻為MHz，則回路必須調(diào)諧在三次和五次泛音頻率之間。這樣在MHz頻率上，回路呈容性，振蕩電路滿足組成法則。對于基頻和三次泛音頻率來說，回路呈感性，電路不符合組成法則，不能起振。而在七次及其以上泛音頻率，回路雖呈現(xiàn)容性，但等效容抗減小，從而使電路的電壓放大倍數(shù)減小，環(huán)路增益小于1，不滿足振幅起振條件。圖3.3.1 泛音晶體振蕩器電路4 確定工作點(diǎn)和回路參數(shù)（以皮爾斯電路為例）4.1 主要技術(shù)指標(biāo)晶振為12MHZ，頻率穩(wěn)定度，振蕩輸出電壓大于等于1V，電壓Vcc=12V,選高頻管型號為3DG12，其放大倍數(shù)=60。4.2確定工作點(diǎn)高頻振蕩器的工作點(diǎn)要合適，若偏低、偏高都會使振蕩波形產(chǎn)生嚴(yán)重失真，甚至停振。實(shí)際中取=0.55mA之間，若取=2mA，則有：(4.2.1)為提高電路的穩(wěn)定性，Re值可適當(dāng)增大，取Re=1，則Rc=2，則有： (4.2.2) 若取流過的電流為10，則=10=0.33mA，則取：(4.2.3)(4.2.4)實(shí)際電路中，可用5.1與50電位器串聯(lián)，以便工作點(diǎn)的調(diào)整。4.3交流參數(shù)的確定電容C1、C2由反饋系數(shù)F及C3所決定，其中，C3可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C2或C1；而F=，令其為0.5。這樣選取后的值，電路易振蕩，波形好。若取C1=100pF，則C2=200pF，取C3=24 pF，C4為330 pF可調(diào)電容，對振蕩頻率微調(diào)，耦合電容Cb=0.01 pF。5 提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度所謂頻率穩(wěn)定,就是在各種外界條件發(fā)生變化時(shí)，振蕩器實(shí)際工作頻率與指定頻率之間偏差最小，穩(wěn)定的振蕩頻率，才能使一些電路對信號能夠正確處理準(zhǔn)確輸出。為使石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定，要考慮以下因素，并采取相應(yīng)措 。石英晶體的老化效應(yīng)，是指它的諧振頻率隨時(shí)間作緩慢變化的現(xiàn)象。石英晶體雖經(jīng)過廠家老化處理,但還須在使用數(shù)十天后，或調(diào)整頻率補(bǔ)償電容，才能使振蕩器工作在指定頻率上。石英晶體工作時(shí)，兩端加有激勵(lì)電壓，要消耗一定功率。激勵(lì)電壓過高，損耗產(chǎn)生的熱效應(yīng)過大，而使諧振頻率變化，產(chǎn)生不可逆的老化漂移，或使晶片振動振幅過大，甚至可造成晶片振裂損壞，過小的激勵(lì)電壓，將使振蕩器 輸出減小，甚至不能維持振蕩。為使石英諧振器頻率穩(wěn)定,激勵(lì)電平要合適且穩(wěn)定。石英晶體振蕩器，除有良好的振蕩電路外，還要采取措施，減小外界溫度對振蕩頻率的影響。圖3.1為簡單的溫度補(bǔ)償石英振蕩器的電路原理,變?nèi)荻O管與石英晶體串聯(lián)，熱敏電阻Rt為變?nèi)荻O管提供隨溫度變化的偏壓。外界溫度改變時(shí)，變?nèi)荻O管的電容變化，使石英晶體隨溫度變化的諧振頻率，向相反方向變化，以減小溫度對振蕩頻率的影響。圖5.1簡單的溫度補(bǔ)償石英振蕩器的電路原理圖6.總結(jié)通過設(shè)計(jì)晶體振蕩器電路，使我的動手能力和經(jīng)驗(yàn)有了一定程度的提高。我更好地了解了石英晶體的結(jié)構(gòu)和特性。剛拿到設(shè)計(jì)題目時(shí)一頭霧水，不知道該怎樣去實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。于是便拿起教材與實(shí)驗(yàn)手冊，對知識系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請教，終于熟練掌握了基本理論知識，而且領(lǐng)悟諸多平時(shí)學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識，學(xué)會了如何思考的思維方式，對設(shè)計(jì)有了初步的思路。有了方案還不夠，還要去論證其可行性，前四天都是在網(wǎng)上和圖書館中查資料，論證電路的可行性。在這方面我們進(jìn)行了深刻的探討，加深了我們對其更好的理解和認(rèn)識。由于知識水平有限，這次設(shè)計(jì)存在很多不完善之處，同時(shí)也深刻地意識到自己在設(shè)計(jì)方面能力的