石英晶体振荡电路

▪ C模拟晶体的弹性，约10-14～10-13F。
▪ R等效摩擦损耗，约几百。
X
▪ 回路的Q很大，可达104～106。
感性
fs
2
1 LC
fp
2
1
1
L Co C 2 LC
Co C
1 C Co
O
fs fp
f
容
容
性
性
4. 石英晶体振荡器
▪ 石英晶体振荡器有并联型晶体振荡器和串联型晶体振 荡器两类。
➢令vP＝vN所求出的vI就是门限电压 ➢vI等于门限电压时输出电压发生跳变 ➢跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式
9.8.6 已知VZ=6V，(1)试画出该电路的电压传输特性；(2) 画出幅值为6V正弦信号电压vi所对应的输出电压波形。
解：F R2 1
R2 R3 3 vo VZ vo 3
上门限电压
则VT
R2 R1 R2
VOL VREF
VREF
R1VREF R1 R2
R2VOL R1 R2
下门限电压
回差电压
传输特性
vO
VOH，VT
R1VREF R1 R2
R2VOH R1 R2
vO
VOL，VT
R1VREF R1 R2
R2VOL R1 R2
vO
+VOH
VT-
特点：开环，虚短不成立 增益A0大于105
运算放大器工作在非线性状态下。
1. 单门限电压比较器
门限电压
当vID=vi-VREF＜0时，运放处于负饱和状态，vo=VOL； 当vID=vi-VREF＞0时，运放转入正饱和状态，vo=VO
Ｈ两；个二极管是为了避免集成运放内部管子进入深饱和 区来提高响应速度。
解：(1)当vI=1V时，
vO(=2)0当VvI=3V时，
vO
(3)v当O=vI6=V5sint(V)时
单门限比较器的抗干扰能力
应为高电平
错误电平
2. 迟滞比较器
设vO VOH
则VT
R2 R1 R2
VOH VREF
VREF
R1VREF R1 R2
Baidu Nhomakorabea
R2VOH R1 R2
当vO VOL
vo 0时 vo 3VZ 2 9V vo 0时 vo 3VZ 2 9V
VT 9V 3 3V VT - 9V 3 3V
3. 集成电压比较器
集成电压比较器比集成运算放大器的开环增益低、失调 电压大、共模抑制比小，因而它的灵敏度往往不如用集 成运算放大器构成的比较器高，但由于集成电压比较器 通常工作在两种状态之一，因此不需要频率补偿电容， 也就不存在像集成运算放大器那样因加入补偿电容引起 转换速率受限。
R2
VZ
vO
t
VZ
RC
T 2RC ln(1 2R1 )
O
t
R2
VZ
▪ 并联型晶体振荡器中，石英晶体以并联谐振的形式出 现，起电感作用。
▪ 串联型晶体振荡器中，石英晶体以串联谐振的形式出 现，起电阻作用。
一、并联型石英晶体振荡电路
振荡频率 f0
2
1
L
C C
(C0 C) C0 C
其中C C1C2 C1 C2
由于C C0 C
f0
2
1 LC
fs
二、串联型石英晶体振荡电路
（1）过零比较器
输入为正负对称的正弦波 时，输出为方波。
电压传输特性
（2）门限电压不为零的比较器
电压传输特性
9.8.1 已知Rb=51K，Rc=5.1K，=50，VCES≈0，ICEO ≈0，试求：(1)当vI=1V时，vO=?(2)当vI=3V时，vO=? (3)当vI=5sint(V)时，试画出vI、vO2和vO的波形。
v
R1 R1 R2
VZ
R1 R1 R2
VZ
vO
VZ
当v-=vC=v+时，输
O
出又一次跳变，
t
VZ
三、振荡周期
t
vC ( t ) vC ( 0 ) vC ( ) e vC ( )
R1 R1 R2
vC
VZ
vC (
0
)
R1 R1 R2
VZ
vC ( ) VZ
O t1
t2
R1
R1
▪ 石英晶体的压电谐振 当晶片两极加上交变电压时，晶片 就会产生机械变形振荡，同时晶片的机械振荡又会产生交 流电场。当外加交变电压的频率等于晶片的固有频率（与 晶片尺寸有关）时，机械振荡幅度最大。
3. 石英晶体的等效电路
▪ Co为静电电容，约10-12F～10-11F。 ▪ L模拟晶体的惯性，约10-3～102H。
提高频率稳定度的措施 提高频率稳定度的措施是尽量减小 R并加大L/C值。在要求频率稳定度很高的场合，采用石英 晶体振荡器。
2. 石英晶体的基本特性
▪ 石英晶体的物理特性 石英晶体是一种各向异性的结晶体， 主要成分是二氧化硅。
▪ 石英晶体的压电效应 若在晶片的两个极板间加一电场， 会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力， 又会在相应的方向上产生电场。
根据输出方式不同，集成电压比较器可分为普通、集电 极开路输出或互补输出三种情况。
9.8.2 方波产生电路
一、电路组成
稳压管双 向限幅
二、工作原理
设t=0时，vC=0，
vO=+VZ
则 v R1
R1
R2
VZ
当v-=vC=v+时，
R1 R1 R2
VZ
vC
输出跳变，vO=-VZ
O t1
t2
t
则
当振荡频率等于fS时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，
此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。 振荡频率 f0 fs 调节R可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。
9.8 非正弦信号产生电路
非正弦信号产生电路有方波产生电路、三角波产 生电路、锯齿波产生电路等。
9.8.1 电压比较器
电压比较器是一种用来比较 输入信号vi和参考电压VREF 的电路。
O VT+ vI
-VOL
通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：
（1）用于电压比较器的运放，通常工作在开环或正反馈状态 和非线性区，其输出电压只有高电平VOH和低电VOL两种情况。
（2）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数 关系。
（3）电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平VOH和低电平VOL 门限电压 输出电压的跳变方向
9.7.4 石英晶体振荡电路
1. 正弦波振荡器的频率稳定问题
频率稳定度 频率稳定度一般用一段时间内频率的相对变化 量来表示。
影响振荡频率的主要因素 影响振荡频率的主要因素主要是 LC并联回路的参数L、C和R对品质因数Q的影响，Q值越 高，选频特性越好，频率越稳定。
LC振荡电路的Q为数百，石英晶体振荡电路的Q为104106