石英晶体振荡电路石英谐振器

UCC 30 k B C 4 750 V 320 p C2 V 4700 p C3 (b ) C1 L C2 C4
6.8 k
C1 120 p 200 (a )
C4为微调电容， 用来改变振荡 频率，不过频 率调节范围是 很小的。
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石英谐振器
2.串联型晶体振荡电路
电路结构
等效电路
注：晶体相当于短路元件，常串接在正反馈支路中。
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石英谐振器
二、石英晶体振荡电路
石英晶体在电路中可以起三种作用：
一是充当等效电感，晶体工作在接近于并联谐振频率 fp
的狭窄的感性区域内， 这类振荡器称为并联谐振型石英晶体 振荡器；
二是石英晶体充当短路元件，并将它串接在反馈支路内， 用以控制反馈系数，它工作在石英晶体的串联谐振频率fq上， 称为串联谐振型石英晶体振荡器； 三是充当等效电容，使用较少。
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石英谐振器
(4)恒温控制式晶体谐振器(OCXO)：将晶体和振荡电路置 于恒温槽中，以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO频 率精度是10-7～10-8量级，对某些特殊应用甚至达到更高。主 要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频谱和 网络分析仪等设备、仪表中。
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石英谐振器
目前发展中的还有数字补偿 式晶体振荡器(DCXO)微机补偿
电 感 三点式
电 容 三点式 石英晶 体
10-2～10-4
10-3～10-4 10-5～10-11
差
好 好
几千赫～几十兆 赫
几兆赫～几百兆 赫 几百千赫～一百 兆赫
可在较宽范围内调节频率
只能在小范围内调节频率 （适用于固定频率） 只能在极小范围内微调频 率（适用于固定频率）
易起振，输出振 幅大
常采用改进电路 用在精密仪器设 备中
在典型的VCXO中，通常是通过调谐电压改变变容二极管
的电容量来“牵引”石英晶体振子频率的。通常用于锁相 环路。
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石英谐振器
(3)温度补偿式晶体谐振器(TCXO):采用温度敏感器件
进行温度频率补偿，频率精度达到10-7～10-6量级，频率 范围1～60MHz，频率稳定度为±1～±2.5ppm，频率温 度特性在所有类型晶振中是最好的。这类晶振主要用于 各种类型的通信设备。
任务3.3 石英晶体振荡器
1
2
教学重点：
石英谐振器的特点
石英晶体振荡电路的分析判断方法
教学难点：
石英晶体振荡电路的分析判断方法
3
3.3.1 石英晶体振荡器
4
石英谐振器
任务目标
(1)掌握石英晶体振荡器的特性。 (2)掌握石英晶体振荡器主要特性参数。 (3)掌握石英晶体振荡器电路结构形式。 (4)掌握并联型、串联型晶体振荡电路各自的特点。
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石英谐振器
石英晶体振荡器应用：
石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，
已被广泛应用于无线电通讯、广播电视、卫星通讯、原 子钟、雷达、导航系统、声纳浮标、天文学、空间跟踪 等领域。
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石英谐振器
常用石英晶体谐振器外形图片如图7.20所示。
（ a）
（b）
（ c）
(d)
(e)
(f)
图7.20 石英晶体谐振器外形
适当的晶振。
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石英谐振器
3．石英晶体的等效电路与频率特性
石英晶体谐振器在电路中的符号如图7.21(a)所示，其等效电路
如图7.21(b)所示。由等效电路可知，石英晶体振荡器应有两个谐 振频率。
L1、C1、R1分别为石英晶体的
模拟动态等效电感、等效电容和损 耗电阻，C0为静态电容，它是以石 英为介质在两极板间所形成的电容。 一般石英谐振器的参数范围约为： R1＝10～140Ω；L1＝0.01～ 10H；C1＝0.004～0.1PF；C0＝ 2～4PF。
度极高，稳频作用就极强。实际上，由于晶体被当作
一个电感元件来使用，则其工作频率被限制在fq<f<fp 内，外界因素对振荡频率的影响再大，也不能使它超 出这个很窄的频率范围，因此，振荡频率的变化很小， 它的频率稳定度就很高 。
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石英谐振器
4. 石英谐振器的接入系数极小，使振荡器中振荡回路
与管子之间的耦合非常弱，于是，外电路中不稳定因 素对回路的影响将大大减小，其频率稳定度就很高。
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石英谐振器
皮尔斯电路的频率稳定度高，电路又不需外接线圈， 固应用最为广泛。 总结：在并联型晶体振荡电路中，石英晶体工作在 感性区，相当于一个电感元件，当在频率fq<f<fp 之间 时满足振荡条件，产生正弦波，因为fq和fp非常接近， 所以振荡频率稳定度高。
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石英谐振器
改进型皮尔斯电路（改进型电容三点式振荡器）
目前常用的并联型晶体振荡电路：
皮尔斯电路(电容三点式振荡器)
密勒电路(电感三点式振荡器)
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石英谐振器
并联型晶体振荡电路
皮尔斯电路
等效电路
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石英谐振器
其中 LC 为高频扼流圈， Cb为基极旁路电容，Cc为 集电极耦合电容。可以看 出，它的晶体接在管子的 C-B极间，属于电容三点 式振荡器。但是调节频率 会改变反馈系数.为此，可 采用改进型皮尔斯电路。
(a)符号 （b）等效电路 图7.21 石英晶体谐振器
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石英谐振器
4.石英谐振器的特点
1)高Q值
1 L1 Q R1 C1
其Q值很高，可达104～106， 这是普通LC电路无法相比的。 说明其选频作用非常好。
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石英谐振器
2) 石英谐振器的两个谐振频率 有两个谐振频率fq和fp
串联谐振频率： f q
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石英谐振器
因此，这个电路的振荡频率和频率稳定度，都
是由晶体决定的，而不是由振荡回路决定的。由于 经过 晶体和 输出波形好。 频率稳定度完全取决于晶体的稳定度。谐振回路 回路的两次选项，所以这个振荡器的
的频率为f0=fq
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寄生振荡和间歇振荡
寄生振荡和间歇振荡简介
一. 寄生振荡
寄生振荡波形
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本讲小结
1.石英晶体振荡器有串联型和并联型两种电路，石英晶 体振荡器具有高频率稳定度的原因是由于晶体的Q 值极高、接入系数小和它相当于一特殊电感等。 2.振荡电路中存在寄生振荡和间歇振荡。
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本讲作业
1、练习：教材P89 5-5、5-6；P90 5-7； 2、思考：教材P90 5-8、5-9。
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石英晶振实验电路
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石英晶振实验电路
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1 2 L1C1
在低频时，由于C0很小，它 的容抗比R大很多，可把静 态电容C0看作开路。若f=fs 时，L、R、C串联支路发生 揩振
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石英谐振器
并联谐振频率
fp 2 L1 1 COC1 CO C1 fq 1 C1 CO
C1 f p f q (1 ) 2CO
C1 f p fq fq 2C0
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石英谐振器
一、工程中对振荡器要求比较高。如要求频率稳定性 好、变化小、准确性好、精度高而且功耗小。而一般振
荡器是不能满足要求，需然LC振荡器的频率稳定度能
达到10-3～10-5，但在工作中要求频率稳定度超过10-5。 晶振有很高的频率稳定度，约在10-4～10-12的范围。因 此需采用石英晶体作为振荡器。
晶体振荡器(MCXO)等。
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石英谐振器
2．石英晶体谐振器的主要参数 晶振的主要参数有标称频率，负载电容、频 率精度、频率稳定度等。
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石英谐振器
(1)标称频率。振荡器输出的中心频率或频率的标称 值。标称频率大都标明在晶振外壳上，如常用普通晶振 标称频率有：48KHz、500KHz、503.5KHz、1MHz～
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石英谐振器
稳频原理
石英谐振器作为振荡回路中的电感元件，它能使振
荡器的频率稳定度大大提高，其原因在于：
1. 石英晶体的物理化学性能十分稳定，外界因素 对其性能影响很小。 2.石英谐振器的Q器在 fq<f<fp 的相当窄的频率范围内，其 感抗从零变到无穷大，因此它相当于一特殊电感，极 其陡峭的电抗特性使晶体对频率变化的自动调整灵敏
40.50MHz等。
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石英谐振器
(2)负载电容(CL)。负载电容是指晶振的两条引线
连接IC块内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振 片在电路中串接电容。
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石英谐振器
(3)频率精度和频率稳定。这要根据具体的设备需要 而选择合适的晶振，如通信网络就需要更高要求的石英 晶体谐振器。因此，在实际应用中要根据具体要求选择
容性区 f
器充当一个等效电感。不
过此电感是一个特殊的电 感，它仅存在于fq与fp之 间，且随频率f的变化而 变化。
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石英谐振器
4)接入系数很小
C1 p C0
一般为10-3～10-4数量级.
石英晶体与外电路的耦合是很弱的，这样就削弱了外电 路与石英谐振器之间的相互不良影响，从而保证了石英 谐振器的高Q值，因此，石英晶体振荡器振荡频率的稳 定度和标准性都很高。
当频率高于fs时，XL>XC， L、R、C支路呈感性，当与 C0发生并联谐振时
且有fq略小于fp (小于几十赫兹到几百赫兹）
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石英谐振器
3)石英谐振器的电抗特性曲线
X
O
容性区 fq fp 感 性 区 串并 联联 谐谐 振振
容性区 f
当信号频率 f < fq 时， 石英晶体相当于一个 电容；当f = fq时，石 英晶体相当于短路； 当fq <f < fp时，石英 晶体相当于一个特殊 电感；当f = fp时，石 英晶体相当于开路； 当f > fp时石英晶体又 相当于一个电容。
为了避免产生间歇振荡，RC的时间常数应小于振荡回
路的时间常数2L/C，一 般可取RC≤2L/5C。
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正弦波振荡器的性能比较
各种正弦波振荡器的性能比较如表5-1所示。
表5-1各种正弦波振荡器性能比较
振荡器 名 称 电桥式 变压器 反馈式 频率稳定 度 10-2～10-3 10-2～10-4 振荡 波形 差 一般 适用频率 200KHZ以下 几千赫～几十兆 赫 频率调节范围 频率调节范围较宽 可在较宽范围内调节频率 其它 在低频信号发生 器中被广泛采用 易起振，结构简 单
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石英谐振器
当L、C、R支路发生串联
谐振时，电抗为零，则石 英谐振器的阻抗为纯电阻
R，由于R很小，可视为短
路，说明石英晶体在这种 情况下可充当特殊短路元 件使用。
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石英谐振器
X
当fq<f<fp时，石英谐振
器等效电路呈电感性，这 个区域很窄， 石英谐振
O
容性区 fq fp 感 性 区 串并 联联 谐谐 振振
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石英谐振器
1.国际电工委员会(IEC) 将石英晶体振荡器分为4 类：
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石英谐振器
(1)普通晶体谐振器(SPXO)：可产生10-5～10-4量级的频 率精度，标准频率为100MHz频率稳定度是±100ppm。 SPXO价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。
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石英谐振器
(2)电压控制式晶体谐振器(VCXO)：是通过施加外部控 制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。
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石英谐振器
该电路与电容三点式振荡器十分相似，只不过反馈 信号不是直接接到发射极，而是经过晶体才接到发射极， 构成正反馈通路。由C1\C2和L组成 的振荡回路调谐在 晶体的串联谐振频率上 。此时晶体可以看成短路，正 反馈最强，满足振荡条件。即其振荡频率基本上等于晶 体的串联振荡频率fq .而对于其他频率。晶体呈现很大 的阻抗，电路不能满足振荡条件 。
寄生振荡和间歇振荡
防止和消除寄生振荡：
首先在安装时必须考虑合理的工艺结构，尽量减 少寄生参量，保持参量的稳定；其次应采用退耦电路， 在较大电容处并上一个较小的电容；有时在振荡管的 基极或发射极串入－个小电阻或在发射结之间接一个
小电容就可能消除超高频寄生振荡。
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寄生振荡和间歇振荡
二.间歇振荡
间歇 振荡 波形
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石英谐振器
石英晶体振荡器可分为：
并联型电路 串联型电路
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石英谐振器
1.并联型晶体振荡电路
并联型晶体振荡器是把晶体作为回路电感，与其他 回路元件组成三点式振荡器。工作原理和一般三点式
LC振荡器相同，只是把其中的一个电感元件用晶体置
换。在构成实际电路时，必须符合三点式振荡器的组成 原则。
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石英谐振器