晶體振蕩器課程設(shè)計(jì)

1、1石英晶體及其特性 . 11.1石英晶體簡(jiǎn)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(lèi)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.8.4 確定工作點(diǎn)和回路參數(shù)（以皮爾斯電路為例） . 104.1 主要技術(shù)指標(biāo) .104.2 確定工作點(diǎn) .104.3 交流參數(shù)的確定.115 提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度 .1 26.總結(jié).13參考文獻(xiàn)： .1.4Word 文檔11 石英晶體及其特性1.1 石英晶體簡(jiǎn)介石英是礦物質(zhì)硅石的一種，化學(xué)成分是 Sio2Sio2,形狀是呈角錐形的六 棱結(jié)晶體，具有

2、各向異性的物理特性。按其自然形狀有三個(gè)對(duì)稱(chēng)軸，電軸X,X,機(jī)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(zhǎng)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(dòng)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(hào)和等效電路如圖 121121。C0C0 稱(chēng)為靜態(tài)電容， 即晶體不振動(dòng)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 pFpF。晶體作機(jī)械振動(dòng)時(shí)的慣性以 LqLq、彈性用 CqCq 振動(dòng)時(shí)因磨擦造 成的損耗用 RqRq 來(lái)等效，它們的數(shù)值與晶片切割方位、形狀和大小有關(guān), 一

3、般 LqLq 為103102H H，CqCq 為104101pFpF，RqRq 在幾一幾百歐之間。它并聯(lián)諧振頻率2=丄的 LqLq 非常大，而 CqCq、RqRq 又非常小，品質(zhì)因數(shù)Q Q 值很高，在104106之間，由于石英晶振的接入系數(shù) P=P= Cq/(CO+Cq/(CO+ Cq)Cq) 很小，所以外接元器件參數(shù)對(duì)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(gè)串聯(lián)諧振回路和一個(gè)并聯(lián)諧振回路。若忽略 gqgq，則晶振兩端呈現(xiàn)純電抗。A串聯(lián)諧振頻率：符號(hào)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(dāng) f f fpfp 時(shí),X,X 0 0 , ,回路呈容性。當(dāng) fqfq f f 0 0 ,回路呈感性，發(fā)生串聯(lián)諧振或并 聯(lián)諧振在 f=fqf=fq 時(shí)，回路的阻抗角為零，值最小且呈純電阻性。2 晶體管的部工作原理石英晶體具有壓電效應(yīng)。當(dāng)對(duì)它施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷； 加電 壓時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，稱(chēng)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(dòng)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(huì)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(dòng)又使晶體表 面產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)晶體幾何

5、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(dòng)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(dòng)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(jiǎn)稱(chēng)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(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)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) LqLq 很大、CqCq 很小、RqRq 也不高。因此，晶體的

6、Q Q 值可高達(dá)數(shù)百萬(wàn)數(shù)量級(jí)；3)3) 在串、并聯(lián)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(duì)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(lèi)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(mǎn)足振幅起振條件，使振蕩器在晶體串聯(lián)諧振頻率 fsfs 上起振。圖 2.1.12.1.1 是一種串聯(lián)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(diǎn)式振蕩 器基本類(lèi)似，只不過(guò)在正反饋支路上增加了一個(gè)晶體。L、和】組成并聯(lián)諧振回路而且調(diào)諧在振蕩頻率上。

7、圖 3.1.13.1.1串聯(lián)諧振型晶體振蕩器6-I圖 3.1.23.1.2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7圖 321321 并聯(lián)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(lián)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(fù)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(shù)分別是：(321)(321)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(duì)振蕩回路影響很小，提高了回路的標(biāo)準(zhǔn)性。(322)(322)82 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)具有的外電路各電容的等效值，即根據(jù)

8、產(chǎn)品要求的負(fù)載電容。在實(shí)用時(shí),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(chēng)頻率 fnfn 上3 3） 、 由于振蕩頻率一般調(diào)諧在標(biāo)稱(chēng)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(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(mǎn)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(zhǔn)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(diào)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(lián)9作泛音頻率上略大于 1 1,滿(mǎn)足起振條件，而在更高的泛音頻率上都小于 1 1，不滿(mǎn)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(lái)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(mǎn)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(mǎn)足組成法則，達(dá)到起振。圖 331331 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(chēng)頻率為5MHzMHz，基頻為1MHzMHz

10、，貝-回路必須調(diào)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(mǎn)足組成法則。對(duì)于基頻和三次泛音頻率來(lái)說(shuō)，；: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 1,不滿(mǎn)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(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)6晶振為 12MHZ12MHZ，頻率穩(wěn)定度f(wàn)max/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(hào)為 3DG123DG1

11、2，其放大倍數(shù) =60=60。114.2 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(huì)使振蕩波形產(chǎn)生嚴(yán)12重失真，甚至停振。實(shí)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(dāng)增大，取 Re=1Re=1k，貝 q q Rc=2Rc=2k實(shí)際電路中，Rb1可用 5.15.1k與 5050k電位器串聯(lián),4.3 交流參數(shù)的確定電容 C1C1、C2C2 由反饋系數(shù) F F 及 C3C3 所決定，其中，C3C3 可遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guò)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(diǎn)的調(diào)整Rb213好。若取 C1=100pFC1=100pF，貝UC2=200pFC2=200pF

13、，取 C3=24C3=24 pFpF，C4C4 為 330330 pFpF 可調(diào)電容，對(duì)振蕩頻率微調(diào)，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(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(duì)信號(hào) 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(guò)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。

14、激勵(lì)電壓 過(guò)高，損耗產(chǎn)生的熱效應(yīng)過(guò)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(dòng)振幅過(guò)大，甚至可造成晶片振裂損壞，過(guò)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(duì)振蕩頻率的影響。 圖 3.13.1 為簡(jiǎn)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 RtRt 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(duì)振蕩頻率的影響。146.總結(jié)通過(guò)設(shè)計(jì)晶體振蕩器電路，使我的動(dòng)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(cè)，對(duì)知識(shí)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(qǐng)教，終于熟練掌握了基本理論知識(shí)，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(shí)，學(xué)會(huì)了如何思考的思維方式，對(duì) 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(shū) 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