石英晶体振荡电路一
9.4 石英晶体正弦波振荡电路
9.4 石英晶体正弦波振荡电路
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石英晶体正弦波振荡电路
1. 石英晶体的特性 （1）结构与压电特性
① 结构与符号 ② 压电特性
当外加交变电场的频率与晶片的固有频率相等时产 生共振，称之为压电振荡，相应的频率称为谐振频率。
（2）等效电路与频率特性 ① 等效电路
很高
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当频率为1MHz时，LC并联 回路等效为感性。符合三点式振荡电路的组成原则，即 满足相位条件，有可能振荡。
（2）是电感三点式并联型石英晶体振荡电路。电路 的振荡频率即为石英晶体的固有频率。
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石英晶体正弦波振荡电路
② 石英晶体有两个谐振频率：
非
呈纯阻性
常
接
近
当
时，呈电感性，曲线很陡，利于稳频。
当
时，晶体电抗近似为零，可作为小电阻使用。
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石英晶体正弦波振荡电路
2. 石英晶体振荡电路 （1）并联型石英晶体振荡电路
并联型石英晶体振荡电 路是利用石英晶体作为一个 电感元件来组成 选频网络， 晶体工作在 fs 与 fp 之间。晶 体与C1、C2构成电容三点式 振荡电路。
振荡频率约等于石英晶体的并联谐振频率 fp2）串联型石英晶体振荡电路
串联型石英晶体振荡
电路是利用石英晶体串联
谐振时阻抗最小的特性组
成振荡电路，晶体工作在
fs 处，即电路的谐振频率 为 fs。
电阻Rf 的大小将影响正反馈强弱，若 Rf太大，则 正反馈过小，电路的幅值条件可能不满足；若Rf 太小， 则正反馈过大，可能导致振荡输出波形明显失真。
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晶体Crystal振荡电路原理、分类及设计
晶体Crystal振荡电路原理、分类及设计目录1.文档简介 (3)2.晶体振荡电路的工作原理 (3)2.1石英晶体特性 (3)2.2并联型晶体振荡电路 (4)2.3串联型晶体振荡电路 (6)3.时钟的重要参数 (6)4.晶体振荡器种类 (11)4.1普通晶体振荡器 (11)4.2温度补偿晶体振荡器 (12)4.3恒温晶体振荡器 (14)5.CRYSTAL（晶体）电路设计 (14)5.1晶体电路设计器件说明及选择 (15)5.2PCB布局设计 (16)6.晶体常见问题举例 (16)6.1不起振问题分析与解决 (16)6.2频偏过大 (17)7.总结 (17)附录一相关公式推导一 (18)附录二相关公式推导二 (20)1.文档简介本文主要介绍了晶体振荡电路的工作原理，时钟的重要参数，晶体振荡器的种类，晶体电路设计及晶体常见问题的举例。
2.晶体振荡电路的工作原理晶体（石英晶体）振荡电路主要由主振电路和石英谐振器组成，主振电路将直流能量转换成交流能量，振荡器频率主要取决于石英晶体谐振器。
振荡电路一般采用反馈型电路，按晶体在振荡电路中的作用，又可以分为串联型晶体振荡电路和并联型晶体振荡电路。
本章首先介绍石英晶体的特性，然后分别介绍并联型晶体振荡电路和串联型晶体振荡电路的结构及工作原理。
2.1石英晶体特性晶体（石英晶体）之所以能作为振荡器产生时钟，是基于它的压电效应：所谓的压电效应是指电和力的相互转化，即，如果在晶体的两端施加压缩或拉伸的力，晶体的两端会产生电压信号；同样的，在晶体的两端施加电压信号，晶体会产生形变。
而且这种转化在某特定的频率上效率最高，此频率（由晶片的尺寸和形状决定）即为晶体的谐振频率。
实际应用的晶片是由石英晶体按一定的方向切割而成的，晶片的形状可以各种各样，如方形、矩形或圆形等。
由于晶体的物理性质存在各向差异性，相同的晶体按不同晶格方向切下的晶片，会产生不同的物理特性。
因此，晶体的切割方法是非常重要的，对石英晶体来说，有AT/BT/DT/GT/IT/RT/FC/SC等不同的切法，要根据具体的需求选择相应的切法切割晶片，其中最常用的有AT切和SC切。
石英晶体振荡器与外围电路关系
石英晶体振荡器与外围电路关系一、三端式LC 振荡器三端式LC 振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几MHz 到几百MHz 的范围，频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些，约为10–3~10–4量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。
三端式LC 振荡电路以分为电感三端式和电容三端式电容三端式又分为串联型电容三端式和并联型电容三端式（也有叫三点式）。
并联型电容三端式：电容反馈式振荡电路,如图1a 。
振荡频率)(212121210C C C C L LCf +≈=ππ(公式1)反馈系数21C C U FUf≈=∙∙∙(公式2)集电极等效负载：2//`∙=FR RR iL C(公式3)ab图1在这个电路中若要提高电容反馈式振荡电路的振荡频率，势必要减小C 1和C2的电容量和L 的电感量。
实际上不C1和C2的电容量减小到一定程度时，晶体管的极间电容和电路中的杂散电容将纳入C1和C2中，从而影响振荡频率。
这些电容等效为放大电路的输入电容Ci 和输出电容C 。
，如图1b 中所标注。
电路的优点:1. 电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。
2. 电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响。
3. 电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振 荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。
它的工作频率可做到几十MHz,采用共基放大电路可做到几百MHz 的甚高频波段范围。
电路的缺点：调C 1或C 2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。
改进型电容反馈式振荡电路，如图2：图2在电感支路串联一个小容量电容C ，而且C ＜＜C1，C ＜＜C2，这样CC C C 111121≈++总电容约为C ，因面电路的振荡频率为：LCf π210≈(公式4)二、石英晶体振荡器1 、石英晶体的压电特性石英晶体所以能成为电谐振器，是利用了它所特有的正、反两种压电效应。
所谓正压电效应，就是当沿晶体的电轴或机械轴施以张力或压力时，就在垂直于电轴的两面上产生正、负电荷，呈现出电压。
石英晶体振荡电路
石英晶体振荡电路
石英晶体 石英晶体的品质因数很高
符号
等效电路
电抗-频率响应特性
1.当R、L、C支路发生串联谐振时，串联谐振频率为：f S
2
1 LC
2.当R、L、C支路与C0发生并联谐振时，并联谐振频率为：
1
C
fP 2
LC
1 C0
石英晶体的振荡fS
1 C C0 CS
石英晶体振荡电路
+
+
-
+-
+
满足正反馈的条件，为此，石英晶体必须呈电 感性才能形成LC并联谐振回路，产生振荡。由于 石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所示电路 可以获得很高的振荡频率稳定性。
1.2石英晶体振荡电路
1. 串联型石英晶体振荡电路
RB2 43kΩ
RC 4.3kΩ
+UCC +10v V2
RB1 43kΩ
V1 R
10kΩ RE1 1.5kΩ
C1
•
RE2
Uo
4.3kΩ
2. 并联型石英晶体振荡电路
RB2
RC
晶体
+UCC
V
C1 C2
RB1
RE
CE
•
Uo
（a）
•
Uo
RB
V
RC
C1
C2
L
C0
C
R
（b）
晶体
模拟电子技术
石英晶体振荡电路石英谐振器
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。
12
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
LC三点式振荡器和石英晶体振荡器
3、反馈深度不同时对振荡器的影响 、
测试条件： 测试条件：CT=100pF， ， C、C’分别为下列三组数据： 、 分别为下列
C=C3=100pF，C’=C4=1200pF； ， ； C=C5=120pF，C’=C6=680pF； ， ； C=C7=680pF，C’=C8=120pF ， 调节电位器Rp ，使IEQ（静态值，即断开 1后调 静态值，即断开C 调节电位器 IEQ，调好后再接上 1），分别为 ，0.8，2.0，3.0， 调好后再接上C ），分别为 分别为0.5， ， ， ， 4.0所标各值，用示波器分别测出各个振荡幅度（峰峰 所标各值， 所标各值 用示波器分别测出各个振荡幅度（ 值）。
二、实验原理及电路说明
1、实验原理 实验原理
LC三点式振荡器的基本构成是放大器加 振 放大器加LC振 放大器加 荡回路，反馈电压取自振荡回路中某个元件， 荡回路 三点式振荡器的一般组成原则 一般组成原则是： 一般组成原则 凡是与晶体管发射极相连的两个回路元件， 其电抗性质必须相同，而不与晶体管发射极相 连的两个回路元件，其电抗性质应相反。
LC三点式振荡器和石英晶体振荡器 三点式振荡器和石英晶体振荡器 一、实验目的
1. 了解LC三点式振荡电路的基本原理； 2. 掌握振荡回路Q值对频率稳定度的影响； 3. 了解反馈系数不同时，静态工作电流IEQ 对振荡器起振及振幅 起振及振幅的影响。 起振及振幅 4.熟悉石英晶体振荡器的工作原理及特点。 5.了解和掌握串联型晶体振荡电路的构成方 法
4、回路Q值和IEQ对频率稳定度的影响 、
值变化时， （1）Q值变化时，对振荡频率稳定度的影 ） 值变化时 响
测试条件： 测试条件： ，IEQ=2mA，CT=100pF， ， ， 分别改变R值 使其值分别为1K 、10K 、 分别改变 值，使其值分别为 110K ，记录电路的振荡频率， 注意观察频 记录电路的振荡频率， 率显示后几位数的跳动情况
串联、并联石英晶体振荡电路中石英晶体的作用
串联、并联石英晶体振荡电路中石英晶体的作用
1、串联、并联石英晶体振荡电路中石英晶体的作用
石英晶体振荡电路是一种多种电子器件的组合，它可以提供定定的、可靠的频率。
石英晶体振荡电路可用于产生、调节、检测和锁定各种频率，如电视机的调谐器和声音的收音机等。
石英晶体和振荡电路中的其他电子器件是互相联系的，石英晶体的作用在于传输信号，控制振荡电路的频率。
串联石英晶体振荡电路是在振荡电路中使用的一种类型。
串联石英晶体振荡电路由电阻、电容、石英晶体和放大器构成，石英晶体在此种类型的振荡电路中填充放大器的输出电压，从而控制频率。
石英晶体振荡电路的频率取决于石英晶体的频率，当石英晶体的频率发生变化时，振荡电路的频率也会发生变化。
并联石英晶体振荡电路也是一种常用的类型，它由电阻、电容、双石英晶体以及一个放大器构成。
由于双石英晶体是并联的，因此对频率的控制是更为精确的。
并联石英晶体振荡电路的工作原理是，石英晶体向放大器输出信号，放大器将这些信号放大，从而产生振荡，使频率变得稳定。
综上所述，在串联、并联石英晶体振荡电路中，石英晶体的作用是传输信号，控制振荡电路的频率。
另外，串联石英晶体振荡电路的频率取决于石英晶体的频率，而并联石英晶体振荡电路的频率则由双石英晶体共同决定。
4-2LC、RC和石英晶体振荡电路
4-2 LC 、RC 和石英晶体振荡电路课 题：集成运算放大器的基本电路教学目的、要求：1、掌握三种选频振荡电路的工作频率 2、三种振荡电路的工作特点 教学重点、难点：1、LC 、RC 、石英晶体的谐振频率（重点）2、LC 、RC 、石英晶体振荡电路特点（难点）授 课 方 法：多媒体课件讲授，提纲及重点板书。
授 课 提 纲：教 学 内 容： 组织教学准备教学材料，清点学生人数。
（课前2分钟） 复习旧课正弦波振荡电路的起振条件（2分钟） 引入新课根据选用选频网络的不同，我们把正弦波振荡器分为LC 、RC 、石英晶体振荡电路。
这三种不同的选频网络所选择的频率也不一样。
（3分钟） 进入新课第四章 正弦波振荡电路4-2 LC 、RC 和石英晶体振荡电路【板书】 一、选频放大器介绍【板书】（10分钟）图1（a ）为普通共射放大器电路图，若用LC 并联谐振回路来替代集电极负载电阻R3后，就构成了选频放大器，或称调谐放大器。
如图（b）所示，LC 并联谐振回路的阻抗特性如图（c ）所示。
图1 选频网络既使选频放大器输入信号的频率很多，在它的输出端得到的输出信号却始终是频率等于f o 的正弦波信号。
由于LC 回路具有选频特性，故常称它为选频网络。
二、LC 振荡电路【板书】（15分钟）LC 振荡电路由放大器、LC 选频网络和反馈网络三部分组成。
按反馈方式可分为变压器反馈式振荡电路和三点式振荡电路两大类。
1、变压器反馈式LC 振荡电路【标题板书+内容多媒体】图2 变压器反馈式LC 振荡器优点：便于实现阻抗匹配，效率高、容易起振；调节频率方便，只要将谐振电容换成一个可变电容器，就可以实现调节频率的要求。
2、三点式LC 振荡电路【标题板书+内容多媒体】 ⑴电感三点式振荡电路图3 电感三点式LC 振荡电路(a)图为电感三点式振荡电路，又称哈特莱振荡电路。
若用瞬时极性法不易判其反馈极性。
现画出其交流通路，如(b)图所示，可见电感的三个端点分别接到晶体管的三个电极上（1端→集电极C ，2端→发射极E ，3端→基极B ），象这样：发射极两旁为电感，集电极—基极间为电容，称电感三点式振荡电路。
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感性
fP
1 fS 2 LqCq
2 Lq 1 C 0C q C0 Cq
C0>>Cq
f fP 容性
fS 1
Cq C0
•
多谐振荡器是一种产生矩形脉冲的自激 振荡器。
无稳态触发器（多谐振荡器）
UCC R1 7 R2 6 555 2 1 (a) 电路 5 0.01μ F 8 4 3 2UCC/3
2. 产生正弦波自激振荡的条件 （1）振荡条件
Ui
• •
放大器
Au
反馈网络
•
•
RL
Uo
•
Uo Au • ; Ui • • Uf Fu • ; Uo
•
•
Uf
Fu
Au Fu 1
•
•作状态，没有输入情况下，维持 变，就必须： Ui U f
微弱的电扰动中，某一频 • • — 振幅平衡条件 Au Fu 1 率成分通过正反馈逐渐放 大，则产生正弦振荡。 AF A F 2nπ n = 0, 1, 2, — 相位平衡条件
— 振幅平衡条件 Au Fu 1 AF A F 2nπ n = 0, 1, 2, — 相位平衡条件
一个自激式振荡器由以下几部分组成： 基本放大电路── 作用是对反馈信号进行放大； 选频网络── 作用是获得单一确定的振荡频率； 正反馈网络── 作用是将输出回路中的能量取出一部 分加到基本放大器的输入端。
稳幅环节—— 保持输出幅度稳定
二、 LC 正弦波振荡电器
类型：变压器反馈式 、 电感三点式、 电容三点式 ωL＞＞R 1、变压器反馈式 LC 振荡电路 1
并联谐振的本质
i
— 电流谐振
U
iL iC C •
•
+ R u L –
I
•
IL
•
IC
I L IC
•
•
1) Z = Z0 呈纯阻 2)形成环流，大小是总电流的 Q 倍
Z 0 Qω0 L IC I L I I QI ω0 L ZL
（二）、变压器反馈式LC正弦波振荡器
当扩音器的音量开得太大时，会引起一阵刺耳的哨叫声。
图1 扩音系统中的电声振荡
这种现象是由于当扬声器靠近话筒时，来自扬声器 的声波激励话筒，话筒感应电压，输入放大器，然后扬 声器又把放大了的声音再送回话筒，形成正反馈。如此 反复循环，就形成了声电和电声的自激振荡哨叫声。 放大电路在没有输入信号的情况下有输出信号，即 产生了自激振荡。
(一) LC 并联回路的特性
L 的等 效损耗 电阻
jωC L / RC Z 1 L 1L) ( R j ω 1 j( ) jωC R RC
( R j ωL)
L
. Is Z
C
谐振频率 f0
R
ω0
1 ， LC
1 f0 2π LC
正弦波振荡器的振荡频率f 取决于选频网络的参数 正弦波振荡电器输出的是一定幅值，一定频率的正弦波信号
Co —模拟晶片静态电容(几 ~ 几十 pF) Lq — 模拟机械振动的惯性(103 ~ 102 H 大模拟晶体的弹性 ) C )( — (< 0.1 pF)(小)
q
Rq —模拟振动过程的损耗(小) 石英晶体可产生两种谐振： fs串联谐振频率，fp并联谐振频率
4. 频率特性和谐振频率
X fS 容性
振幅平衡条件：说明反馈信号与输入信号幅值要相等 相位平衡条件：说明反馈信号与输入信号同相 Ui 放大器 Uo Au
•
•
（2）起振条件 起振条件
AF 1
• •
AF 2nπ
uf Fu uo
uf
Uf 反馈网络 Fu
uo Au ui
起振时反馈信号比输入信号幅值要大
起振
稳幅
3. 自激式振荡器的组成
uc uo
UCC/3 0
t
uc
C
uo
0 t tP1 tP2 (b) 工作波形
接通UCC后，UCC经 R1和R2对C充电。当uc上升到2UCC/3时，uo=0， V导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到UCC/3时，uo又由 0变为1，V截止，UCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程， 在输出端uo产生了连续的矩形脉冲。
CE 2 L1 • M U f L2
•
缺点：
C
3
输出取自电感，对 高次谐波阻抗大， 输出波形差。
f0
1 1 2 LC 2 ( L1 L2 2 M )C
3.电容三点式振荡电路 考毕兹振荡器 克拉泼振荡器
+VCC RB1 V CB RB2
• •
优点：波形较好 缺点： 1) 调频时易停振
+VCC RB1 C L V RE CE
×CB
RB2
A 180 F 180 AF 0
—满足相位平衡条件
1 f0 2 LC
2. 电感三点式 LC 振荡电器
+VCC RB1 V C1
优点： 易起振(L 间耦合紧)； 易调节(C 可调)。
×RB2
CB
RE
Ui
•
Uo 1
2) V 极间电容影响 f0 C3
L
×
Uo
C1 CE 2
Ui
1
RE
Uf
•
C2
改进
3
1 1 f 1 0 1 2 1LC 1 1 CC 1 1 10 2 f L C C1 C 2 C 3 2C 3C C 2 LC 2 LC 3 1 2
三、 RC 正弦振荡
RC 串并联电路选频网络
555定时器构成水位监控报警电路
+UCC R1 R2 C
7 6 2
8
4 C 3
1
5 C
水位正常情况下，电容C 被短接，扬声器不能发 音；水位下降到探测器以下时，555定时器构成的 多谐振荡器工作，驱动扬声器发出声音报警。
0 = 1/RC
f0 = 1/2πRC
四、 石英晶体振荡电路 (一)石英晶体谐振器的阻抗特性 1. 结构和符号 化学成分 SiO2 焊点 结构 涂银层 符号
晶片
2. 压电效应
压电谐振— 外加交变 电压的频率等 于晶体固有频 率时，机械振 动幅度急剧加 大的现象。
us
形变 外力
形变
机械振动
3. 等效电路 Cq C0 Lq Rq
正弦波振荡电路
一、振荡的概念
振荡器：信号产生电路
分类：
正弦波振荡
RC 振荡器(1 kHz ~ 数百 kHz) LC 振荡器(几百 kHz 以上) 石英晶体振荡器(频率稳定度高)
非正弦波振荡： 方波、 三角波、锯齿波等 主要性 输出信号的幅度准确稳定 能要求： 输出信号的频率准确稳定
1. 自激振荡现象