通信電子電路第四章第6～9節(jié)PPT課件

1、一、石英晶體的壓電效應(yīng)及等效電一、石英晶體的壓電效應(yīng)及等效電路路1. 等效電路和符號等效電路和符號(a) (a) 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖(b)(b)等效電路等效電路 (c)(c)符號符號 圖圖4-20 4-20 石英諧振器的的結(jié)構(gòu)示意圖、等效電路和符號石英諧振器的的結(jié)構(gòu)示意圖、等效電路和符號 第1頁/共41頁2.2.石英諧振器的特點石英諧振器的特點 等效電感等效電感Lq非常大，而非常大，而Cq和和rq都非常小，所都非常小，所以以石英諧振器的石英諧振器的Q 值非常高值非常高（ ），可），可以達幾萬到幾百萬，因此以達幾萬到幾百萬，因此石英晶體諧振器的振蕩石英晶體諧振器的振蕩頻率穩(wěn)定度非常高。頻率穩(wěn)定

2、度非常高。qqq1CLrQ 第2頁/共41頁3. 等效參數(shù)等效參數(shù) 一般常用石英諧振器的等效參數(shù)大致是：一般常用石英諧振器的等效參數(shù)大致是： Cq大約大約0.005 0.1pF ；C0大約大約2pF 5pF ； rq大約大約1歐姆到幾十歐姆；歐姆到幾十歐姆； Q大約大約105；Lq大約大約100H（頻率約（頻率約100 kHz）；）；1H（頻率約（頻率約1MHz）；）；10mH（頻率約（頻率約10MHz）。）。 Lq的數(shù)值取決于晶片的厚度，低頻晶體較厚，的數(shù)值取決于晶片的厚度，低頻晶體較厚，質(zhì)質(zhì)量較大，動態(tài)電感量較大，動態(tài)電感Lq 較大，而高頻晶體較薄，質(zhì)較大，而高頻晶體較薄，質(zhì)量量較小，所以

3、較小，所以Lq較小。較小。第3頁/共41頁二、石英晶體的阻抗特性二、石英晶體的阻抗特性 從等效電路可看出，石英諧振器有兩個諧振頻率，串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率。從等效電路可看出，石英諧振器有兩個諧振頻率，串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率。1.1.串聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率 fs 在等效電路中，在等效電路中，Lq、Cq組成串聯(lián)諧振回路，串聯(lián)諧振頻率為組成串聯(lián)諧振回路，串聯(lián)諧振頻率為sqq12fL C第4頁/共41頁2. 并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率 fp 如果將如果將C0 也考慮進去，則也考慮進去，則Lq、Cq與與C0 組成并聯(lián)諧振回路，并聯(lián)諧振頻率為組成并聯(lián)諧振回路，并聯(lián)諧振頻率為p0qp0q12fC C

4、LCC（4-38）第5頁/共41頁 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 當(dāng)當(dāng) 時時, ,第6頁/共41頁圖圖4-21 4-21 石英諧振器的電抗特性石英諧振器的電抗特性3. 電抗電抗頻率曲線（頻率曲線（rq =0）第7頁/共41頁 不計動態(tài)電阻不計動態(tài)電阻 rq 時的等效阻抗時的等效阻抗qq0qq0j(1)(j)j(11)LCCZLCC2qqq0q02qqq0(1 1)1j1 1LL CCC CLLCC 22ps2201j11C （4-404-40

5、）第8頁/共41頁由上式看出：由上式看出：當(dāng)當(dāng) 時，時，L Lq 、Cq支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振，支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振，Z =0 ；當(dāng)當(dāng) 時時，產(chǎn)生并聯(lián)諧振，產(chǎn)生并聯(lián)諧振， 或或 時，時， ，電抗呈容性；電抗呈容性； 時，時， ，電抗呈感性。電抗呈感性。 22ps2201j11ZC s p Zs p jZx ps jZx 第9頁/共41頁由于由于 與與 兩諧振頻率與之差很小，所以呈感兩諧振頻率與之差很小，所以呈感性的阻抗曲線非常陡峭。性的阻抗曲線非常陡峭。實用中，石英諧振器工實用中，石英諧振器工作在頻率范圍窄的電感區(qū)（可以把它看成一個電作在頻率范圍窄的電感區(qū)（可以把它看成一個電感），感），只是在電感區(qū)，電

6、抗曲線才有非常大的斜只是在電感區(qū)，電抗曲線才有非常大的斜率（這對穩(wěn)定頻率很有利），電容區(qū)是不宜使用率（這對穩(wěn)定頻率很有利），電容區(qū)是不宜使用的。的。 p s 第10頁/共41頁 4. 4.考慮考慮 rq 的晶體等效阻抗特性的晶體等效阻抗特性這時，晶體的等效阻抗這時，晶體的等效阻抗 Z 表達式為表達式為qqq0qqq0j(1)(j)j(11)rLCCZrLCC（4-414-41）第11頁/共41頁三、三、石英諧振器的頻率溫度特性石英諧振器的頻率溫度特性 雖然石英諧振器等效回路具有高雖然石英諧振器等效回路具有高Q 的優(yōu)點，但是，如果它的電參數(shù)不穩(wěn)定，仍然不能保證頻率穩(wěn)定度的優(yōu)點，但是，如果它的電參

7、數(shù)不穩(wěn)定，仍然不能保證頻率穩(wěn)定度的提高。這還要看溫度變化時，它的頻率是否穩(wěn)定。的提高。這還要看溫度變化時，它的頻率是否穩(wěn)定。 在一定的溫度范圍之內(nèi)，石英晶體的各電參量具有較小的溫度系數(shù)。具體情況與晶片切割類型有關(guān)在一定的溫度范圍之內(nèi)，石英晶體的各電參量具有較小的溫度系數(shù)。具體情況與晶片切割類型有關(guān)。 第12頁/共41頁 1.1.它的頻率溫度系數(shù)小，它的頻率溫度系數(shù)小，用恒溫設(shè)備后，更可保證頻率穩(wěn)定。用恒溫設(shè)備后，更可保證頻率穩(wěn)定。 2.2.石英諧振器的石英諧振器的Q值非常高，值非常高，在諧振頻率在諧振頻率fp或或 fs 附近，相位特性變化率很高（相附近，相位特性變化率很高（相頻特性的斜率很大）

8、，這有利于穩(wěn)頻。頻特性的斜率很大），這有利于穩(wěn)頻。 3.3.石英諧振器的石英諧振器的 ，使振蕩頻率基本上由，使振蕩頻率基本上由Cq和和 Lq 決定，外電路對振蕩頻決定，外電路對振蕩頻率的影響很小。率的影響很小。四、石英諧振器頻率穩(wěn)定度高的原因四、石英諧振器頻率穩(wěn)定度高的原因0CCq第13頁/共41頁4.7 4.7 石英晶體振蕩器電路石英晶體振蕩器電路 由石英諧振器（石英晶體振子）構(gòu)成的振蕩電路通常叫由石英諧振器（石英晶體振子）構(gòu)成的振蕩電路通常叫“晶振電路晶振電路”。 并聯(lián)晶振電路并聯(lián)晶振電路工作在晶體并聯(lián)諧振頻率附近，晶體等效為電感；工作在晶體并聯(lián)諧振頻率附近，晶體等效為電感； 串聯(lián)晶振電路

9、串聯(lián)晶振電路工作在晶體串聯(lián)諧振頻率附近，晶體近于短路。工作在晶體串聯(lián)諧振頻率附近，晶體近于短路。第14頁/共41頁1. 1. 電路電路 電路電路由晶體與外接電由晶體與外接電容器或線圈構(gòu)成并聯(lián)諧振回容器或線圈構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，按三點線路的連接原則路，按三點線路的連接原則組成振蕩器，晶體等效為組成振蕩器，晶體等效為? ? 理論上可以構(gòu)成三種理論上可以構(gòu)成三種類型基本電路，但在實際應(yīng)類型基本電路，但在實際應(yīng)用中常用的是圖所示的電路，用中常用的是圖所示的電路，稱稱“皮爾斯皮爾斯”電路。電路。這種電這種電路不需外接線圈，而且頻率路不需外接線圈，而且頻率穩(wěn)定度較高。穩(wěn)定度較高。圖圖4-25 并聯(lián)晶體振蕩器

10、并聯(lián)晶體振蕩器 原理電路圖原理電路圖一、并聯(lián)晶振電路一、并聯(lián)晶振電路第15頁/共41頁圖圖4-26 4-26 并聯(lián)晶體振蕩器實例并聯(lián)晶體振蕩器實例2振蕩頻率振蕩頻率 f0的確定的確定第16頁/共41頁 這里，這里，晶體等效為電感，晶體等效為電感，晶體與外接電容（包括晶體與外接電容（包括4.54.520pF20pF與與 20pF 20pF 兩個小電容）和兩個小電容）和C1、 C2 組成并組成并聯(lián)回聯(lián)回路，其振蕩頻率應(yīng)落在路，其振蕩頻率應(yīng)落在 fp 與與 fs 之間。之間。 圖圖4-274-27是圖是圖4-264-26中諧振回路的等效電路。該諧中諧振回路的等效電路。該諧振回振回路的電感就是路的電感

11、就是Lq ，而諧振回路的總電容應(yīng)由，而諧振回路的總電容應(yīng)由Cq 、 C0及及外接電容外接電容 C 、 C1 、 C2 組合而成。組合而成。 由下式?jīng)Q定，即由下式?jīng)Q定，即210q1111111CCCCCC C第17頁/共41頁 圖圖4-27 4-27 圖圖4-264-26中諧振回路的等效電路中諧振回路的等效電路選擇電容時，選擇電容時，,1CC ，2CC ， CCCC 0q111CCCCCC 0q0q)(0q0qq01()2fC CCLCCC所以所以（4-494-49）第18頁/共41頁3 3f0 總是處在總是處在 fp 與與 fs 兩頻率之間兩頻率之間 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)C 可使可使 f0 產(chǎn)生很微小的變

12、動。如果產(chǎn)生很微小的變動。如果C 很大，取很大，取 代入式（代入式（4-4-4949）可得）可得f0 最小值為最小值為 即晶體串聯(lián)諧振頻率即晶體串聯(lián)諧振頻率 若若C 很小，取很小，取 代入式（代入式（4-494-49） C0sqq12ffL C0C第19頁/共41頁可得可得 f0 的最大值為的最大值為 即晶體并聯(lián)諧振頻率。即晶體并聯(lián)諧振頻率?？梢姡瑹o論怎樣可見，無論怎樣調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)C，f0 總是處于晶體總是處于晶體fp 與與 fs 的兩頻率之間。的兩頻率之間。但是，只有在但是，只有在fp 附近，晶體才具有并聯(lián)諧振回附近，晶體才具有并聯(lián)諧振回路的特點。路的特點。0pq0qq012ffC CLCC第2

13、0頁/共41頁圖圖4-28 4-28 串聯(lián)型晶體振蕩器的一種方框圖串聯(lián)型晶體振蕩器的一種方框圖 二、串聯(lián)型晶振電路二、串聯(lián)型晶振電路第21頁/共41頁 晶體工作在串聯(lián)諧振頻率附近，阻抗呈短路，晶體工作在串聯(lián)諧振頻率附近，阻抗呈短路，構(gòu)成正反饋產(chǎn)生振蕩。構(gòu)成正反饋產(chǎn)生振蕩。 串聯(lián)型晶體振蕩器的一種框圖如圖串聯(lián)型晶體振蕩器的一種框圖如圖4-284-28所示。所示。因為是兩級共發(fā)放大器因為是兩級共發(fā)放大器, ,所以輸出電壓與輸入電所以輸出電壓與輸入電壓同相。輸出經(jīng)石英諧振器和負載電容反饋到輸壓同相。輸出經(jīng)石英諧振器和負載電容反饋到輸入端，這個反饋是正反饋。入端，這個反饋是正反饋。由于石英諧振器的選由

14、于石英諧振器的選頻作用，只有在石英諧振器和負載電容所決定的頻作用，只有在石英諧振器和負載電容所決定的串聯(lián)諧振頻率上，串聯(lián)阻抗最小，正反饋最強。串聯(lián)諧振頻率上，串聯(lián)阻抗最小，正反饋最強。因此，在這個頻率上產(chǎn)生振蕩。因此，在這個頻率上產(chǎn)生振蕩。第22頁/共41頁圖圖4-29 4-29 串聯(lián)型晶體振蕩器的實例（一）串聯(lián)型晶體振蕩器的實例（一）第23頁/共41頁圖圖4-30 4-30 串聯(lián)晶振實例（二）串聯(lián)晶振實例（二） 第24頁/共41頁 所謂泛音，是指石英片振動的機械諧波。所謂泛音，是指石英片振動的機械諧波。它與電氣諧波的主要區(qū)別是，電氣諧波它與電氣諧波的主要區(qū)別是，電氣諧波與基頻是整數(shù)倍的關(guān)系，

15、且諧波和基波同時并存；而與基頻是整數(shù)倍的關(guān)系，且諧波和基波同時并存；而泛音是在基頻奇數(shù)倍附近，且兩泛音是在基頻奇數(shù)倍附近，且兩者不能同時并存。者不能同時并存。 石英諧振器的頻率越高，則要求晶片越薄，則機械強度越差，用在電路中易于振石英諧振器的頻率越高，則要求晶片越薄，則機械強度越差，用在電路中易于振碎。一般晶體頻率不超過碎。一般晶體頻率不超過30MHz。三、泛音晶振電路三、泛音晶振電路第25頁/共41頁 為了提高晶振電路的工作頻率可使電路振蕩頻率工作在晶體的諧波（一般在三次為了提高晶振電路的工作頻率可使電路振蕩頻率工作在晶體的諧波（一般在三次到七次諧波）頻率上，到七次諧波）頻率上，這是一種特制

16、的晶體，叫做這是一種特制的晶體，叫做泛音晶體泛音晶體（例如（例如JA12型）。型）。 這樣就可利用幾十兆赫基頻的晶片產(chǎn)生上百兆赫的穩(wěn)定振蕩。這樣就可利用幾十兆赫基頻的晶片產(chǎn)生上百兆赫的穩(wěn)定振蕩。第26頁/共41頁圖圖4 431 31 并聯(lián)型泛音晶體振蕩器并聯(lián)型泛音晶體振蕩器并聯(lián)型泛音晶體振蕩器如圖所示。并聯(lián)型泛音晶體振蕩器如圖所示。第27頁/共41頁 它與皮爾斯振蕩器不同之處是它與皮爾斯振蕩器不同之處是用諧振回路代替了電容，用諧振回路代替了電容，而根據(jù)三點式振蕩器的組而根據(jù)三點式振蕩器的組成原則，該諧振回路應(yīng)該呈容性阻抗。成原則，該諧振回路應(yīng)該呈容性阻抗。假如要求晶體工作在假如要求晶體工作在5

17、 5次泛音，則調(diào)諧好的回路次泛音，則調(diào)諧好的回路對對3 3次泛音呈現(xiàn)感性阻抗，不滿足三點式電路的相位條件，電路不能起振；而對次泛音呈現(xiàn)感性阻抗，不滿足三點式電路的相位條件，電路不能起振；而對5 5次泛次泛音，回路又相當(dāng)一電容，即滿足了起振的相位條件，若又滿足了振幅條件，電路才可音，回路又相當(dāng)一電容，即滿足了起振的相位條件，若又滿足了振幅條件，電路才可以振蕩。以振蕩。第28頁/共41頁 用泛音晶振也可以組成串聯(lián)型泛音晶體振蕩器其電路圖類似于圖用泛音晶振也可以組成串聯(lián)型泛音晶體振蕩器其電路圖類似于圖4-304-30，不，不同的是同的是回路應(yīng)調(diào)諧在需要的回路應(yīng)調(diào)諧在需要的 n 次泛音上，其頻率穩(wěn)定度

18、仍由晶體控制，可以做次泛音上，其頻率穩(wěn)定度仍由晶體控制，可以做得很高。得很高。第29頁/共41頁 采用壓電陶瓷元件作為振蕩槽路及選頻網(wǎng)絡(luò)，具有頻率穩(wěn)定性好，選頻尖銳和采用壓電陶瓷元件作為振蕩槽路及選頻網(wǎng)絡(luò)，具有頻率穩(wěn)定性好，選頻尖銳和調(diào)試簡單的優(yōu)點。但是其抗振性能較差。調(diào)試簡單的優(yōu)點。但是其抗振性能較差。4.8 陶瓷振子和陶瓷振子電路陶瓷振子和陶瓷振子電路第30頁/共41頁1 1機械作用轉(zhuǎn)換成電效應(yīng)機械作用轉(zhuǎn)換成電效應(yīng)2 2電作用轉(zhuǎn)換成機械效應(yīng)電作用轉(zhuǎn)換成機械效應(yīng)圖圖4-32 4-32 壓電效應(yīng)示意圖壓電效應(yīng)示意圖一、壓電陶瓷元件的特性一、壓電陶瓷元件的特性第31頁/共41頁圖圖4-33 4-

19、33 二端陶瓷元件的等效電路及其頻率特性二端陶瓷元件的等效電路及其頻率特性 二、陶瓷振子二、陶瓷振子第32頁/共41頁 由一陶瓷片構(gòu)成的二端陶瓷元件是最簡單的陶瓷選頻元件，可用于要求不高的場由一陶瓷片構(gòu)成的二端陶瓷元件是最簡單的陶瓷選頻元件，可用于要求不高的場合。廣泛應(yīng)用的是三端陶瓷元件，它是由兩片陶瓷片和用導(dǎo)電膠粘合起來。由粘合面合。廣泛應(yīng)用的是三端陶瓷元件，它是由兩片陶瓷片和用導(dǎo)電膠粘合起來。由粘合面引出的端子作為公共端，而由另兩面引出的端子分別作輸入和輸出端，如圖引出的端子作為公共端，而由另兩面引出的端子分別作輸入和輸出端，如圖4-344-34（a a）所示，其代表符號見圖所示，其代表符

20、號見圖4-344-34（b b）。）。第33頁/共41頁圖圖4-34 4-34 三端陶瓷元件三端陶瓷元件第34頁/共41頁 輸入信號輸入信號 u 加在片加在片A 上，它將電能轉(zhuǎn)換成機械能，并發(fā)生振動。振動通過粘合面?zhèn)鞯狡?，它將機械能上，它將電能轉(zhuǎn)換成機械能，并發(fā)生振動。振動通過粘合面?zhèn)鞯狡?，它將機械能又轉(zhuǎn)換成電能，輸出給外接負載。同樣，當(dāng)信號頻率與陶瓷片的固有頻率相等時，可以得到最大輸出。在又轉(zhuǎn)換成電能，輸出給外接負載。同樣，當(dāng)信號頻率與陶瓷片的固有頻率相等時，可以得到最大輸出。在共振的條件下，輸出和輸入信號間可能是同相位，也可能有共振的條件下，輸出和輸入信號間可能是同相位，也可能有180180相位差，這要視該元件是由陶瓷片的哪兩相位差，這要視該元件是由陶瓷片的哪兩個面粘合起來而定。個面粘合起來而定。這樣的三端元件可用于振蕩器，并稱之為陶瓷振子。這樣的三端元件可用于振蕩器，并稱之為陶瓷振子。第35頁/共41頁 其集電極槽路調(diào)諧于陶瓷振子的頻率其集電極槽路調(diào)諧于陶瓷振子的頻率。 副邊有兩個線圈，一個為輸出線圈，另一個為反饋線圈，副邊有兩個線圈，一個為輸出線圈，另一個為反饋線圈，通過三端陶瓷振子選頻反饋至的基極。其振通過三端陶瓷振子選頻反饋至的基極。其振蕩頻率基本上等于陶瓷振子的頻率，因為在此頻率下的反饋量最大且相位可以滿足振蕩條件。蕩頻率基本上等于陶