石英晶體振蕩電路分析課件

9.7.4石英晶體振蕩電路9.7.4石英晶體振蕩電路1正弦波振蕩器的頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度一般用一段時(shí)間內(nèi)頻率的相對(duì)變化量來表示。影響振蕩頻率的主要因素影響振蕩頻率的主要因素主要是LC并聯(lián)回路的參數(shù)L、C和R對(duì)品質(zhì)因數(shù)Q的影響，Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。LC振蕩電路的Q為數(shù)百，石英晶體振蕩電路的Q為104106提高頻率穩(wěn)定度的措施提高頻率穩(wěn)定度的措施是盡量減小R并加大L/C值。在要求頻率穩(wěn)定度很高的場合，采用石英晶體振蕩器。正弦波振蕩器的頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度一般用一2石英晶體的基本特性石英晶體的物理特性石英晶體是一種各向異性的結(jié)晶體，主要成分是二氧化硅。石英晶體的壓電效應(yīng)

若在晶片的兩個(gè)極板間加一電場，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在極板間施加機(jī)械力，又會(huì)在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場。石英晶體的壓電諧振

當(dāng)晶片兩極加上交變電壓時(shí)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振蕩，同時(shí)晶片的機(jī)械振蕩又會(huì)產(chǎn)生交流電場。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于晶片的固有頻率（與晶片尺寸有關(guān)）時(shí)，機(jī)械振蕩幅度最大。石英晶體的基本特性石英晶體的物理特性石英晶體是一種各向異3OfXfsfp容性容性感性石英晶體的等效電路Co為靜電電容，約10-12F～10-11F。L模擬晶體的慣性，約10-3～102H。C模擬晶體的彈性，約10-14～10-13F。R等效摩擦損耗，約幾百?；芈返腝很大，可達(dá)104～106。OfXfsfp容性容性感性石英晶體的等效電路Co為靜電電容，4石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器有并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩器兩類。并聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體以并聯(lián)諧振的形式出現(xiàn)，起電感作用。串聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體以串聯(lián)諧振的形式出現(xiàn)，起電阻作用。石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器有并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振5振蕩頻率一、并聯(lián)型石英晶體振蕩電路振蕩頻率一、并聯(lián)型石英晶體振蕩電路6當(dāng)振蕩頻率等于fS時(shí)，晶體阻抗最小，且為純電阻，此時(shí)正反饋?zhàn)顝?qiáng)，相移為零，電路滿足自激振蕩條件。振蕩頻率調(diào)節(jié)R可改變反饋的強(qiáng)弱，以獲得良好的正弦波。二、串聯(lián)型石英晶體振蕩電路當(dāng)振蕩頻率等于fS時(shí)，晶體阻抗最小，且為純電阻，此時(shí)正反79.8非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路有方波產(chǎn)生電路、三角波產(chǎn)生電路、鋸齒波產(chǎn)生電路等。9.8非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路有方波產(chǎn)89.8.1電壓比較器電壓比較器是一種用來比較輸入信號(hào)vi和參考電壓VREF的電路。運(yùn)算放大器工作在非線性狀態(tài)下。特點(diǎn)：開環(huán)，虛短不成立增益A0大于1059.8.1電壓比較器電壓比較器是一種用來比較輸入信號(hào)vi和9單門限電壓比較器當(dāng)vID=vi-VREF＜0時(shí)，運(yùn)放處于負(fù)飽和狀態(tài)，vo=VOL；當(dāng)vID=vi-VREF＞0時(shí)，運(yùn)放轉(zhuǎn)入正飽和狀態(tài)，vo=VOＨ；兩個(gè)二極管是為了避免集成運(yùn)放內(nèi)部管子進(jìn)入深飽和區(qū)來提高響應(yīng)速度。門限電壓單門限電壓比較器當(dāng)vID=vi-VREF＜0時(shí)，運(yùn)放處于負(fù)飽10輸入為正負(fù)對(duì)稱的正弦波時(shí)，輸出為方波。電壓傳輸特性（1）過零比較器輸入為正負(fù)對(duì)稱的正弦波時(shí)，輸出為方波。電壓傳輸特性（11電壓傳輸特性（2）門限電壓不為零的比較器電壓傳輸特性（2）門限電壓不為零的比較器129.8.1已知Rb=51K，Rc=5.1K，=50，VCES≈0，ICEO≈0，試求：(1)當(dāng)vI=1V時(shí)，vO=?(2)當(dāng)vI=3V時(shí)，vO=?(3)當(dāng)vI=5sint(V)時(shí)，試畫出vI、vO2和vO的波形。解：(1)當(dāng)vI=1V時(shí)，vO=0V(2)當(dāng)vI=3V時(shí)，vO=6V(3)當(dāng)vI=5sint(V)時(shí)vO9.8.1已知Rb=51K，Rc=5.1K，=50，13單門限比較器的抗干擾能力應(yīng)為高電平錯(cuò)誤電平單門限比較器的抗干擾能力應(yīng)為高電平錯(cuò)誤電平14遲滯比較器上門限電壓下門限電壓回差電壓遲滯比較器上門限電壓下門限電壓回差電壓15傳輸特性+VOHvIvO-VOLOVT+VT-傳輸特性+VOHvIvO-VOLOVT+VT-16通過上述幾種電壓比較器的分析，可得出如下結(jié)論：（1）用于電壓比較器的運(yùn)放，通常工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)和非線性區(qū)，其輸出電壓只有高電平VOH和低電VOL兩種情況。（2）一般用電壓傳輸特性來描述輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系。（3）電壓傳輸特性的關(guān)鍵要素

輸出電壓的高電平VOH和低電平VOL

門限電壓輸出電壓的跳變方向令vP＝vN所求出的vI就是門限電壓vI等于門限電壓時(shí)輸出電壓發(fā)生跳變跳變方向取決于是同相輸入方式還是反相輸入方式通過上述幾種電壓比較器的分析，可得出如下結(jié)論：（1）用于電壓179.8.6已知VZ=6V，(1)試畫出該電路的電壓傳輸特性；(2)畫出幅值為6V正弦信號(hào)電壓vi所對(duì)應(yīng)的輸出電壓波形。解：9.8.6已知VZ=6V，(1)試畫出該電路的電壓傳輸特18集成電壓比較器集成電壓比較器比集成運(yùn)算放大器的開環(huán)增益低、失調(diào)電壓大、共模抑制比小，因而它的靈敏度往往不如用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的比較器高，但由于集成電壓比較器通常工作在兩種狀態(tài)之一，因此不需要頻率補(bǔ)償電容，也就不存在像集成運(yùn)算放大器那樣因加入補(bǔ)償電容引起轉(zhuǎn)換速率受限。根據(jù)輸出方式不同，集成電壓比較器可分為普通、集電極開路輸出或互補(bǔ)輸出三種情況。集成電壓比較器集成電壓比較器比集成運(yùn)算放大器的開環(huán)增益低、失199.8.2方波產(chǎn)生電路9.8.2方波產(chǎn)生電路20一、電路組成穩(wěn)壓管雙向限幅一、電路組成穩(wěn)壓管雙向限幅21設(shè)t=0時(shí)，vC=0，vO=+VZtOvCOvOt當(dāng)v-=vC=v+時(shí)，t1t2當(dāng)v-=vC=v+時(shí)，輸出又一次跳變，vO=+VZ輸出跳變，vO=-VZ二、工作原理設(shè)t=0時(shí)，vC=0，vO=+VZtOvCOvOt當(dāng)v-=v22tOvCOvOtt1t2三、振蕩周期改變充放電回路的時(shí)間常數(shù)及滯回比較器的電阻，即可改變振蕩周期。tOvCOvOtt1t2三、振蕩周期改變充放電回路的239.8.3三角波產(chǎn)生電路9.8.3三角波產(chǎn)生電路24一、電路組成積分電路同相輸入遲滯比較器一、電路組成積分電路同相輸入遲滯比較器25OvO1tOvOt當(dāng)v+=v-=0時(shí)，滯回比較器的輸出發(fā)生跳變。二、工作原理OvO1tOvOt當(dāng)v+=v-=0時(shí)，滯回比較器的輸出發(fā)生跳26OvO1tOvOt三、輸出幅度和振蕩周期當(dāng)v+=v-=0時(shí)，vO1跳變?yōu)?VZ，vO達(dá)到最大值Vom。三角波的輸出幅度振蕩周期OvO1tOvOt三、輸出幅度和振蕩周期當(dāng)v+=v-=0279.8.3鋸齒波產(chǎn)生電路9.8.3鋸齒波產(chǎn)生電路28一、電路組成充放電時(shí)間常數(shù)不同一、電路組成充放電時(shí)間常數(shù)不同29OvO1tOvOtT1T2T二、工作原理OvO1tOvOtT1T2T二、工作原理30三、輸出幅度和振蕩周期OuO1tOuOtT1T2T三、輸出幅度和振蕩周期OuO1tOtT1T2T319.8.8下圖所示波形發(fā)生器電路由哪些單元電路組成，各起什么作用，定性畫出A、B、C各點(diǎn)的波形。9.8.8下圖所示波形發(fā)生器電路由哪些單元電路組成，各起什329.7.4石英晶體振蕩電路9.7.4石英晶體振蕩電路33正弦波振蕩器的頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度一般用一段時(shí)間內(nèi)頻率的相對(duì)變化量來表示。影響振蕩頻率的主要因素影響振蕩頻率的主要因素主要是LC并聯(lián)回路的參數(shù)L、C和R對(duì)品質(zhì)因數(shù)Q的影響，Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。LC振蕩電路的Q為數(shù)百，石英晶體振蕩電路的Q為104106提高頻率穩(wěn)定度的措施提高頻率穩(wěn)定度的措施是盡量減小R并加大L/C值。在要求頻率穩(wěn)定度很高的場合，采用石英晶體振蕩器。正弦波振蕩器的頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度一般用一34石英晶體的基本特性石英晶體的物理特性石英晶體是一種各向異性的結(jié)晶體，主要成分是二氧化硅。石英晶體的壓電效應(yīng)

若在晶片的兩個(gè)極板間加一電場，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在極板間施加機(jī)械力，又會(huì)在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場。石英晶體的壓電諧振

當(dāng)晶片兩極加上交變電壓時(shí)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振蕩，同時(shí)晶片的機(jī)械振蕩又會(huì)產(chǎn)生交流電場。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于晶片的固有頻率（與晶片尺寸有關(guān)）時(shí)，機(jī)械振蕩幅度最大。石英晶體的基本特性石英晶體的物理特性石英晶體是一種各向異35OfXfsfp容性容性感性石英晶體的等效電路Co為靜電電容，約10-12F～10-11F。L模擬晶體的慣性，約10-3～102H。C模擬晶體的彈性，約10-14～10-13F。R等效摩擦損耗，約幾百?；芈返腝很大，可達(dá)104～106。OfXfsfp容性容性感性石英晶體的等效電路Co為靜電電容，36石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器有并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩器兩類。并聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體以并聯(lián)諧振的形式出現(xiàn)，起電感作用。串聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體以串聯(lián)諧振的形式出現(xiàn)，起電阻作用。石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器有并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振37振蕩頻率一、并聯(lián)型石英晶體振蕩電路振蕩頻率一、并聯(lián)型石英晶體振蕩電路38當(dāng)振蕩頻率等于fS時(shí)，晶體阻抗最小，且為純電阻，此時(shí)正反饋?zhàn)顝?qiáng)，相移為零，電路滿足自激振蕩條件。振蕩頻率調(diào)節(jié)R可改變反饋的強(qiáng)弱，以獲得良好的正弦波。二、串聯(lián)型石英晶體振蕩電路當(dāng)振蕩頻率等于fS時(shí)，晶體阻抗最小，且為純電阻，此時(shí)正反399.8非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路有方波產(chǎn)生電路、三角波產(chǎn)生電路、鋸齒波產(chǎn)生電路等。9.8非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路有方波產(chǎn)409.8.1電壓比較器電壓比較器是一種用來比較輸入信號(hào)vi和參考電壓VREF的電路。運(yùn)算放大器工作在非線性狀態(tài)下。特點(diǎn)：開環(huán)，虛短不成立增益A0大于1059.8.1電壓比較器電壓比較器是一種用來比較輸入信號(hào)vi和41單門限電壓比較器當(dāng)vID=vi-VREF＜0時(shí)，運(yùn)放處于負(fù)飽和狀態(tài)，vo=VOL；當(dāng)vID=vi-VREF＞0時(shí)，運(yùn)放轉(zhuǎn)入正飽和狀態(tài)，vo=VOＨ；兩個(gè)二極管是為了避免集成運(yùn)放內(nèi)部管子進(jìn)入深飽和區(qū)來提高響應(yīng)速度。門限電壓單門限電壓比較器當(dāng)vID=vi-VREF＜0時(shí)，運(yùn)放處于負(fù)飽42輸入為正負(fù)對(duì)稱的正弦波時(shí)，輸出為方波。電壓傳輸特性（1）過零比較器輸入為正負(fù)對(duì)稱的正弦波時(shí)，輸出為方波。電壓傳輸特性（43電壓傳輸特性（2）門限電壓不為零的比較器電壓傳輸特性（2）門限電壓不為零的比較器449.8.1已知Rb=51K，Rc=5.1K，=50，VCES≈0，ICEO≈0，試求：(1)當(dāng)vI=1V時(shí)，vO=?(2)當(dāng)vI=3V時(shí)，vO=?(3)當(dāng)vI=5sint(V)時(shí)，試畫出vI、vO2和vO的波形。解：(1)當(dāng)vI=1V時(shí)，vO=0V(2)當(dāng)vI=3V時(shí)，vO=6V(3)當(dāng)vI=5sint(V)時(shí)vO9.8.1已知Rb=51K，Rc=5.1K，=50，45單門限比較器的抗干擾能力應(yīng)為高電平錯(cuò)誤電平單門限比較器的抗干擾能力應(yīng)為高電平錯(cuò)誤電平46遲滯比較器上門限電壓下門限電壓回差電壓遲滯比較器上門限電壓下門限電壓回差電壓47傳輸特性+VOHvIvO-VOLOVT+VT-傳輸特性+VOHvIvO-VOLOVT+VT-48通過上述幾種電壓比較器的分析，可得出如下結(jié)論：（1）用于電壓比較器的運(yùn)放，通常工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)和非線性區(qū)，其輸出電壓只有高電平VOH和低電VOL兩種情況。（2）一般用電壓傳輸特性來描述輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系。（3）電壓傳輸特性的關(guān)鍵要素

輸出電壓的高電平VOH和低電平VOL

門限電壓輸出電壓的跳變方向令vP＝vN所求出的vI就是門限電壓vI等于門限電壓時(shí)輸出電壓發(fā)生跳變跳變方向取決于是同相輸入方式還是反相輸入方式通過上述幾種電壓比較器的分析，可得出如下結(jié)論：（1）用于電壓499.8.6已知VZ=6V，(1)試畫出該電路的電壓傳輸特性；(2)畫出幅值為6V正弦信號(hào)電壓vi所對(duì)應(yīng)的輸出電壓波形。解：9.8.6已知VZ=6V，(1)試畫出該電路的電壓傳輸特50集成電壓比較器集成電壓比較器比集成運(yùn)算放大器的開環(huán)增益低、失調(diào)電壓大、共模抑制比小，因而它的靈敏度往往不如用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的比較器高，但由于集成電壓比較器通常工作在兩種狀態(tài)之一，因此不需要頻率補(bǔ)償電容，也就不存在像集成運(yùn)算放大器那樣因加入補(bǔ)償電容引起轉(zhuǎn)換速率受限。根據(jù)輸出方式不同，集成電壓比較器可分為普通、集電極開路輸出或互補(bǔ)輸出三種情況。集成電壓比較器集成電壓比較器比集成運(yùn)算放大器的開環(huán)增益低、失519.8.2方波產(chǎn)生電路9.8.2方波產(chǎn)生電路52一、電路組成穩(wěn)壓管雙向限幅一、電路組成穩(wěn)壓管雙向限幅53設(shè)t=0時(shí)，vC=0，vO=+VZtOvCOvOt當(dāng)v-=vC=v+時(shí)，t1t2當(dāng)v-=vC=v+時(shí)，輸出又一次跳變，vO=+VZ輸出跳變，vO=-VZ二、工作原理