基于石英晶体的正弦波振荡器

晶体振荡器的基本知识

下图是石英晶体谐振器的等效电路。图中C0是晶体作为电介质的静电容，其数值一般为几个皮法到几十皮法。Lq、Cq、rq是对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数。rq是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗。由图3-1可以看出，晶体振荡器是一串并联的振荡回路，其串联谐振频率fq和并联谐振频率f0分别为

f q=1/2πLqCq，f0= f q Co

1

Cq/

图1 晶体振荡器的等效电路

当W＜Wq或W> Wo时，晶体谐振器显容性；当W在Wq和Wo之间，晶体谐振器等效为一电感，而且为一数值巨大的非线性电感。由于Lq很大，即使在Wq处其电抗变化率也很大。其电抗特性曲线如图所示。实际应用中晶体工作于Wq~Wo之间的频率，因而呈现感性。

图2 晶体的电抗特性曲线

设计内容及要求

一设计目的及主要任务

1设计目的

掌握高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力，并在此基础上设计并联变换的晶体正弦波振荡器。

2 并联型晶体振荡器

图 3 c-b型并联晶体振荡器电路

图 4 皮尔斯原理电路图 5 交流等效电路

C3用来微调电路的振荡频率，使其工作在石英谐振器的标称频率上，C1、C2、C3串联组成石英晶体谐振器的负载电容C L上，其值为

C L=C1C2C3/(C1C2+C2C3+C1C3)

C q/ (C0+C L)<<1

二详细设计步骤

1、电路的选择

晶体振荡电路中，与一般LC振荡器的振荡原理相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡电路之中，作为一感性元件，与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。根据实际常用的两种类型，电感三点式和电容三点式。由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性容性之间有一条极陡峭的感抗曲线，而振荡器又被限定在此频率范围内工作。该电抗曲线对频率有极大的变化速度，亦即石英晶体在这频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。所以它具有很高的稳频能力，或者说具有很高的电感补偿能力。因此选用c-b型皮尔斯电路进行制作。

图 6 工作电路

2、选择晶体管和石英晶体

根据设计要求，

=300MHz；≥40，取选择高频管2N3904型晶体管作为振荡管。查手册其参数如下：

T

=60；NPN型通用；额压：20V；Icm=20mA；Po= ；≈

/ =5 MHz。

T

石英谐振器可选用HC-49S系列，其性能参数为：

标称频率。=6 MHz；工作温度：-40℃~+70℃；25℃时频率偏差：士3×10-6士30×10-6；串联谐振电阻：60 ；负载电容：C L=10PF,激励功率：~。

3、元器件参数的计算

a）、确定三极管静态工作点

正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素，静态工作点主要影响晶体管的工作状态，若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大，振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。振荡器主电路的静态工作点主要由R b1、R b2、R e、R决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路如图所示。

图7 直流通路等效电路

高频振荡器的工作点要合适，若偏低、偏高都会使振荡波形产生严重失真，甚至停振。取I CQ

(.1)

I b2=10 I BQ=，则取：

Ω，以便工作点的调整。

b1b2

b）、交流参数的确定

对于振荡器，当电路接为并联型振荡器时，晶体起到等效电感的作用，输出频率应为6MHZ，则由晶振参数知负载电容C L=10pF，即C2，C3，C1串联后的总电容为10 pF

根据负载电容的定义，C L=1/[(1/C1,2)+1/C3]

由反馈系数F=C1/C2和C1,2=C1C2/C1-C2两式联立解，并取F=1/2

则C1=51pF，C2=100pF，C3=30pF

为了提高振荡器的工作性能和稳定度，在电路中还应有高频扼流圈。

三设计结果及分析

仿真电路

调R1 可以调静态工作点；C3用来微调电路的振荡频率，使其工作在石英谐振器的标称频率上。