晶體振蕩器課程設計

1、1石英晶體及其特性 . 11.1石英晶體簡介 .1.2 石英晶體的阻抗頻率特性 .1.2晶體管的部工作原理 .33.晶體振蕩器電路的類型及其工作原理 .43.1 串聯型諧振晶體振蕩器 .43.2 并聯諧振型晶體振蕩器 .63.3 泛音晶體振蕩器.8.4 確定工作點和回路參數（以皮爾斯電路為例） . 104.1 主要技術指標 .104.2 確定工作點 .104.3 交流參數的確定.115 提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度 .1 26.總結.13參考文獻： .1.4Word 文檔11 石英晶體及其特性1.1 石英晶體簡介石英是礦物質硅石的一種，化學成分是 Sio2Sio2,形狀是呈角錐形的六 棱結晶體，具有

2、各向異性的物理特性。按其自然形狀有三個對稱軸，電軸X,X,機械軸丫光軸 Z 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 1 的 ATAT、BTBT、CTCT、DTDT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 121121。C0C0 稱為靜態(tài)電容， 即晶體不振動時兩極板間的等效電容，與晶片尺寸有關，一般約為幾到 幾十 pFpF。晶體作機械振動時的慣性以 LqLq、彈性用 CqCq 振動時因磨擦造 成的損耗用 RqRq 來等效，它們的數值與晶片切割方位、形狀和大小有關, 一

3、般 LqLq 為103102H H，CqCq 為104101pFpF，RqRq 在幾一幾百歐之間。它并聯諧振頻率2=丄的 LqLq 非常大，而 CqCq、RqRq 又非常小，品質因數Q Q 值很高，在104106之間，由于石英晶振的接入系數 P=P= Cq/(CO+Cq/(CO+ Cq)Cq) 很小，所以外接元器件參數對石英晶振的影響很小。1忽略等效電路中的 RqRq，阻抗 Z Z -1 jwC 0 j1 wLq wCq石英晶振可以等效為一個串聯諧振回路和一個并聯諧振回路。若忽略 gqgq，則晶振兩端呈現純電抗。A串聯諧振頻率：符號圖3由上式可出求出它的阻抗頻率特性曲線如圖1.2.21.2.2

4、圖 1.2.21.2.2晶振阻抗頻率特性曲線當 f f fpfp 時,X,X 0 0 , ,回路呈容性。當 fqfq f f 0 0 ,回路呈感性，發(fā)生串聯諧振或并 聯諧振在 f=fqf=fq 時，回路的阻抗角為零，值最小且呈純電阻性。2 晶體管的部工作原理石英晶體具有壓電效應。當對它施加機械應力時會產生電荷； 加電 壓時會發(fā)生振動，稱此為壓電效應。給石英設置電極加電壓時所得到的 電學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。當交流電壓 加在晶體兩端，晶體先隨電壓變化產生應變，然后機械振動又使晶體表 面產生交變電荷。當晶體幾何

5、尺寸和結構一定時，它本身有一個固有的 機械振動頻率。當外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時，晶體片 的機械振動最大，晶體表面電荷量最多，外電路中的交流電流最強，于 是產生了諧振。 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成石英晶體諧振器 (簡稱石英 晶振)。4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)1) 石英晶體的物理和化學性能都十分穩(wěn)定，因此，它的等效諧振回路 有很高的標準性；2)2) 它具有正、反壓電效應，而且在諧振頻率附近，晶體的等效參數 LqLq 很大、CqCq 很小、RqRq 也不高。因此，晶體的

6、Q Q 值可高達數百萬數量級；3)3) 在串、并聯諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶，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償能力。3. 晶體振蕩器電路的類型及其工作原理3.1 串聯型諧振晶體振蕩器串聯型晶體振蕩器是將石英晶體用于正反饋支路中， 利用其串聯諧振時等效為短路元件的特性，電路反饋作用最強，滿足振幅起振條件，使振蕩器在晶體串聯諧振頻率 fsfs 上起振。圖 2.1.12.1.1 是一種串聯型單管晶5體振蕩器電路，圖 2.1.22.1.2 是其高頻等效電路。這種振蕩器與三點式振蕩 器基本類似，只不過在正反饋支路上增加了一個晶體。L、和】組成并聯諧振回路而且調諧在振蕩頻率上。

7、圖 3.1.13.1.1串聯諧振型晶體振蕩器6-I圖 3.1.23.1.2串聯晶體振蕩器交流等效電路3.2 并聯諧振型晶體振蕩器7圖 321321 并聯諧振型晶體 c c b b 型振蕩器電路（皮爾斯電路）圖 3.2.13.2.1 并聯諧振型晶體振蕩器咼頻回路等效電路1 1）、振蕩回路與晶體管、負載之間的耦合很弱。晶體管c、b端 ，c、e端和eb端的接入系數分別是：(321)(321)以上三個接入系數一般均小于所以外電路中的不穩(wěn)定參數 對振蕩回路影響很小，提高了回路的標準性。(322)(322)82 2）、振蕩頻率幾乎由石英晶體的參數決定，而石英晶體本身的參數具有的外電路各電容的等效值，即根據

8、產品要求的負載電容。在實用時,般需加入微調電容，用以微調回路的諧振頻率，保證電路工作在晶體外殼上所注明的標稱頻率 fnfn 上3 3） 、 由于振蕩頻率一般調諧在標稱頻率上， 位于晶體的感性區(qū), 電抗曲線陡峭，穩(wěn)頻性能極好。4 4）、石英晶體的 Q 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.以上。這樣即使外電路接入系數很小，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，多米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 器能準確地振蕩在

9、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節(jié)電路的環(huán)路增益，使其在工高度的穩(wěn)定性。振蕩頻率其中是和晶體兩端并聯9作泛音頻率上略大于 1 1,滿足起振條件，而在更高的泛音頻率上都小于 1 1，不滿足起振條件。在實際應用時，可在三點式振蕩電路中，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 呈現的電抗性質不滿足三點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的電抗性質恰好滿足組成法則，達到起振。圖 331331 給出了一種并聯型泛音晶體振蕩電路。假設泛音晶振為五 次泛音，標稱頻率為5MHzMHz，基頻為1MHzMHz

10、，貝-回路必須調諧在三 次和五次泛音頻率之間。這樣在5MHzMHz 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，_-回路雖呈現容性，但等效容抗減小，從而使電路的電壓放大倍數減小，環(huán) 路增益小于 1 1,不滿足振幅起振條件。10圖 331331泛音晶體振蕩器電路4 確定工作點和回路參數（以皮爾斯電路為例）4.1 主要技術指標6晶振為 12MHZ12MHZ，頻率穩(wěn)定度fmax/fo 10 /h，振蕩輸出電壓大于等于 1V1V，電壓 Vcc=12V,Vcc=12V,選高頻管型號為 3DG123DG1

11、2，其放大倍數 =60=60。114.2 確定工作點高頻振蕩器的工作點要合適，若偏低、偏高都會使振蕩波形產生嚴12重失真，甚至停振。實際中取CQ=0.55mA=0.55mA 之間，若取1CQ=2mA=2mA ,VCEQ 6V，則有：RRVCCVCEQ(12(12 6)V6)V3kecICQ2mA2mA(421)(421)ReRe 值可適當增大，取 Re=1Re=1k，貝 q q Rc=2Rc=2k實際電路中，Rb1可用 5.15.1k與 5050k電位器串聯,4.3 交流參數的確定電容 C1C1、C2C2 由反饋系數 F F 及 C3C3 所決定，其中，C3C3 可遠遠大于 C2C2C1/或

12、C1C1;而 F=F=C2，令其為 0.50.5。這樣選取后的值，電路易振蕩，波形為提高電路的穩(wěn)定性,則有.VEQ1CQRe2mA 1k2V(4.2.2(4.2.2) )IBQICQ/2mA0.033mA|60若取流過Rb2的電流lb2為 1010BQ，則lb2=10=10IBQ=0.33mA=0.33mA，則取:VBQVCCVEQ0.7V2V 0.7V2.7V(4.2.3(4.2.3) )Rb2VBQ/1b22.7V0.33mA8.2 k, Rb128.2k(4.2.4(4.2.4) )以便工作點的調整Rb213好。若取 C1=100pFC1=100pF，貝UC2=200pFC2=200pF

13、，取 C3=24C3=24 pFpF，C4C4 為 330330 pFpF 可調電容，對振蕩頻率微調，耦合電容 Cb=0.01Cb=0.01 pFpF05 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，振蕩器實際工作頻 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，并采取相應措。石英晶體的老化效應，是指它的諧振頻率隨時間作緩慢變化的現 象。石英晶體雖經過廠家老化處理，但還須在使用數十天后，或調整頻率 補償電容，才能使振蕩器工作在指定頻率上。石英晶體工作時，兩端加有激勵電壓，要消耗一定功率。

14、激勵電壓 過高，損耗產生的熱效應過大，而使諧振頻率變化，產生不可逆的老化 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 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 3.13.1 為簡單的溫度補償石英振蕩器的電路原理. 變容二極管與石英晶體串聯，熱敏電阻 RtRt 為變容二極管提供隨溫度變 化的偏壓。外界溫度改變時，變容二極管的電容變化，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。146.總結通過設計晶體振蕩器電路，使我的動手能力和經驗有了一定程度的 提高。我更好地了解了石英晶體的結構和特性。剛拿到設計題目時一頭霧水，不知道該怎樣去實現設計的要求。于 是便拿起教材與實驗手冊，對知識系統而全面進行了梳理，遇到難處先 是苦思冥想再向同學請教，終于熟練掌握了基本理論知識，而且領悟諸 多平時學習難以理解掌握的較難知識，學會了如何思考的思維方式，對 設計有了初步的思路。有了方案還不夠，還要去論證其可行性，前四天都是在網上和圖書 館中查資料，論證電路的可行性。在這方面我們進行了深刻的探討，加