振荡器与谐振器

振荡器与谐振器

振荡器是将直流电能转变成交流电能的过程，用来产生一定频率的交流信号，是有源器件。谐振器是电路对一定频率的信号进行谐振，主要是用来筛选出某一频率，是无源器件。晶体谐振器是无源器件，不需要电源。晶体振荡器是有源器件，需要电源，且晶体振荡器的电路中最重要的元件就是晶体谐振器。将晶体谐振器加外部振荡电路、放大电路、滤波电路等等即为晶体振荡器。在以前，时常会把谐振器和振荡器搞混晶体振荡器是有源器件，需要电源，且晶体振荡器的电路中最重要的元件就是晶体谐振器。将晶体谐振器加外部振荡电路、放大电路、滤波电路等等即为晶体振荡器。

XO是普通的石英晶体振荡器，没有温度补偿或电压控制来微调输出频率，温频特性主要是晶体本身造成的。

VCXO压控晶体振荡器是有一个脚可以外接电压来微调输出频率的振荡器

TCXO是一种内部具有温度补偿电路的晶体振荡器，当工作温度发生变化时输出频率具有很好的稳定性。

石英晶体振荡器的基本工作原理及作用

(1)石英晶体振荡器（简称晶振）的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化矽的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑胶封装的。

(2)压电效应

若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的

两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

(3)符号和等效电路石英晶体谐振器的符号和等效电路如图所示。当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个pF到几十pF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L來等效。一般L的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R來等效，它的數值约为100Ω。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因數Q很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定性。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在fs＜f＜fd极窄的范围内，石英晶体呈感性。

晶体符号等效电路频率特性曲线图

石英晶体振荡器外形图片

振荡电路的定义

一个放大电路，在输入端加上输入信号的情况下，输出端才有输出信号。如果输入端无外加输入信号，输出端仍有一定频率和幅度的信号输出，这种现象称为放大电路的自激振荡。振荡电路就是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。它广泛应用于遥控、通信、自动控制、测量等设备中，也作为模拟电子电路的测试信号。

振荡电路的工作原理

1、产生正弦波振荡的条件

图1所示的正弦波振荡电路是一个未加输入信号的正反馈闭环电路。

图1 正弦波振荡电路的框图

2、正弦波振荡的建立和稳定

一个实际的正弦波振荡电路的初始信号是由电路内部噪声和瞬态过程的扰动引起的。通常这些噪声和扰动的频谱很宽而幅度很小。为了最终能得到一个稳定的正弦信号，首先，必须用一个选频环节把所需频率的分量从噪声或扰动信号中挑选出来使其满足相位平衡条件，而使其他频率分量不满足相位平衡条件。其次，为了能使振荡能够从小到大建立起来，要求满足

|AF|》1（4）

式（4）称为正弦波振荡的起振条件。

从式（4）可以看到，振荡建立起来后，信号由小到大不断增长，不能得到一个稳定的正弦波。实际上，信号的幅度最终要受到放大电路非线性的限制，即当幅度逐渐增大时，|A|将逐渐减小，最终使|AF|=1达到幅度平衡条件，从而使正弦波振荡稳定。

3、正弦波振荡电路的组成

从上述分析可知，正弦波振荡电路从组成上看必须有以下四个基本环节。

（1）放大电路：保证电路能够由从起振到动态平衡的过程，是电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。

（2）选频网络：确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。

（3）正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号。

（4）稳幅环节：也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。

在不少实用电路中，常将选频网络和正反馈网络“合二为一”；而且，对于分立元件放大电路，也不再另加稳幅环节，而依靠晶体管特性的非线性起到稳幅作用。

正弦波振荡电路常根据选频网络所用元件来命名，分为RC正弦波振荡电路、LC正弦波振荡电路和石英晶体正弦波振荡电路3种类型。RC正弦波振荡电路振荡频率较低，一般在1MHz以下；LC正弦波振荡电路振荡频率较高，一般在1MHz以上；石英晶体正弦波振荡电路也可以等效为LC正弦波振荡电路，其特点是振荡频率非常稳定。

振荡电路经典设计

RC振荡器

采用RC元件组成的电路作选频网络的正弦波振荡电路，称为RC振荡器。按反馈网络的结构特点，RC振荡电路可分为RC移相式、RC桥式和双T式选频网络的振荡电路。其中RC桥式振荡电路采用RC串并联电路作选频网络，故又称RC串并联振荡电路，如图1-29所示。

这个电路由两部分组成，即放大器Au和选频网络Fuo Au为集成运算放大器所组成的电压串联负反馈放大器，而Fu则由Zl、Z2组成，同时兼作正反馈网络。Zl、Z2和Rl、R2正好形成一个四臂电桥，放大电路的输入端和输出端分别接到电桥的两个对角线上，因此这种RC振荡电路又称RC桥式振荡器。

RC移相式正弦波振荡电路

RC移相式正弦波振荡电路是把RC移相网络作为正弦波振荡电路的反馈环节，如图l-30所示。该振荡电路的RC移相网络提供180°解的相移，而放大器采用反相输入比例放大电路，故φa=-180。，φa+φf=0°满足振荡的相位条件，只要调节热敏电阻Rf，使放大倍数足以补偿反馈网络引起的信号幅度衰减，就可以产生正弦波振荡信号。