1、6.1 正弦波振荡电路的基本概念正弦波振荡电路的基本概念6.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路6.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路6.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器教学目标教学目标1 1、掌握振荡电路和自激振荡电路的振幅平衡条件、相位平衡掌握振荡电路和自激振荡电路的振幅平衡条件、相位平衡条件，熟悉振荡电路的组成和分析方法。会用振荡电路起振条件，熟悉振荡电路的组成和分析方法。会用振荡电路起振条件判断电路是否起振。了解表征频率稳定性的主要参数：条件判断电路是否起振。了解表征频率稳定性的主要参数：频率准确度、相对频率准确度的含义。频率准确度、相对频率准确度的含义。2、了解、了解RC串并联网络
2、频率特性。熟悉文氏桥式正弦波振荡串并联网络频率特性。熟悉文氏桥式正弦波振荡电路组成。掌握振荡频率估算方法。熟悉起振条件，稳幅措电路组成。掌握振荡频率估算方法。熟悉起振条件，稳幅措施。选学施。选学RC移相式正弦波振荡电路组成、起振条件及频率移相式正弦波振荡电路组成、起振条件及频率估算方法。估算方法。教学目标教学目标3、了解、了解LC并联回路的频率特性，熟悉变压器反馈式、电感并联回路的频率特性，熟悉变压器反馈式、电感三点式、电容点式及其改进型振荡电路组成、起振条件和频三点式、电容点式及其改进型振荡电路组成、起振条件和频率估算方法。率估算方法。4、了解石英晶体结构和晶体压电效应原理，熟悉石英谐振了解
3、石英晶体结构和晶体压电效应原理，熟悉石英谐振器电路符号和晶体振荡电路组成。器电路符号和晶体振荡电路组成。6.1 6.1 正弦波振荡电路的基本概念正弦波振荡电路的基本概念 正弦波振荡器（Sinusoidal oscillator）是一种不需外加激励信号就能将直流能源转换成具有一定频率、一定幅度的正弦波信号的电路。它在测量、通信、无线电技术、自动控制和热加工、音频、视频设备等领域有着广泛的应用。6.1.1 6.1.1 产生自激振荡的条件产生自激振荡的条件 正弦波振荡电路框图如图6.1.1所示。1原理框图原理框图图6.1.1 正弦波振荡电路的框图 其中A是放大电路，F是反馈网络。由图可知，产生振荡的
4、基本条件是反馈信号与输入信号大小相等、相位相同。0UFUfidUAU0当 时，必有idfUU1FA 2振荡平衡条件振荡平衡条件(1)振幅平衡条件振幅平衡条件（Amplitude equilibrium condition）=1称为 振荡电路产生振荡时的振幅平衡条件，即放大倍数与反馈系数乘积的模为1。它表示反馈信号与原输入信号 的幅度相等。aAAfFF1faFAFAFA(2)相位平衡条件相位平衡条件（Phase equilibrium condition）(n=0,1,2,3)称为振荡电路产生振荡时的相位平衡条件，即放大电路的相移与反馈网络的相移之和为2n，引入的反馈为正反馈，反馈端信号与输入端
5、信号同相。nfa2设 ，则得 得到振荡的两个条件：6.1.2 6.1.2 振荡电路的起振与稳幅振荡电路的起振与稳幅 1起振条件起振条件 振荡的平衡条件是指振荡电路已进入振荡的稳定状态而言的，为使电路接通直流电源后能自动起振，必须满足振幅起振条件和相位起振条件：(1)振幅起振条件：幅度上 ，即 (2)相位起振条件：反馈电压与输入电压同相，即 （n=0,1,2,3）idfUUFA1nfa2 2起振稳幅过程起振稳幅过程 当振荡电路接通电源时，电路中就会产生微小的不规则的噪声和电源刚接通时的冲击信号，它们包含从低频到甚高频的各种频率的谐波成分，其中必有一种频率信号f0能满足相位平衡条件。若又满足 的条
6、件，则振荡电路起振。起振后，振荡幅度迅速增大,使放大器工作于非线性区,致使放大倍数 下降，直到 ,振荡(幅度)进入稳定状态。FA1A1FA6.1.3 振荡电路的组成与分析方法振荡电路的组成与分析方法 一、振荡电路的组成一、振荡电路的组成 正弦波振荡电路具有能自行起振且输出稳定的振荡信号的特点，一般必须由以下几部分组成。1放大电路 具有信号放大作用，将电源的直流电能转换成交变的振荡能量。2反馈网络 形成正反馈以满足振荡平衡条件。3选频网络(Frequency-selective nework)选择某一频率f0的信号满足振荡条件，形成单一频率的振荡。4稳幅电路(Amblitude stabilit
7、y circuit)使幅度稳定并改善输出波形。常用的有两种稳幅措施，一种是利用振荡管特性的非线性（截止或饱和）实现稳幅，称为内稳幅；另一种是利用外加稳幅电路实现稳幅，称为外稳幅，这时，振荡管工作在线性放大区。二、振荡电路的分析方法二、振荡电路的分析方法 对于一个振荡电路，首先要判断它能否产生振荡。对于能振荡的电路，其振荡频率可根据选频网络的参数进行计算。为保证振荡电路的起振，必须根据起振条件来确定电路元器件的参数。判断电路能否产生振荡的步骤如下：判断电路能否产生振荡的步骤如下：(1)检查电路的基本环节，一般振荡电路应具有放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅电路等环节，缺一不可。(2)检查放大电路
8、的静态工作是否合适。(3)检查电路是否引入正反馈，即是否满足相位平衡条件，如不能满足，肯定不能产生振荡。(4)判断电路是否满足振幅起振条件,具体方法是：分别求解电路 和 ，然后判断 是否大于1。AFFA三、振荡器的频率稳定性三、振荡器的频率稳定性 在实际应用中，总希望振荡器频率稳定不变。但由于受环境温度及元件老化等影响，振荡频率或多或少会发生变化。振荡器频率的稳定性指标用频率稳定度和频率准确度来衡量。频率准确度（Frequency accuracy）又称频率精度，可用两种方法表示。1.频率准确度频率准确度 （1）绝对频率准确度）绝对频率准确度f f 是指一定条件下，实际振荡频率与标称频率之间的
9、偏差值，即 f=ff0 （2 2）相对频率准确度）相对频率准确度 相对频率准确度指绝对频率差值f与标称频率的比值，即 f/f0=ff0/f0 (1)频率稳定度（Frequency stability）是指在一定观测时间内，由于各种因素引起振荡频率相对于标称频率变化的程度。(2)根据观察时间长短，将频率稳定度分为长期（一天以上），短期（观测时间一天以内）和瞬时频率稳定度（秒或毫秒内频率变化）。(3)频率稳定度用10_n来表示，方次绝对值越大，频率稳定度越高。2 2.频率稳定度频率稳定度6.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路6.2.1 文氏桥式文氏桥式RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 RC串并联
10、正弦波振荡电路如图6.2.1 a所示。图中集成运放A构成同相比例放大电路，反馈网络由RC串并联网络组成，因它与Rf、R3构成电桥形式，如图6.2.1 b所示，故称文氏桥式RC振荡电路(Wien bridge RC oscillator)。1电路组成电路组成 由瞬时极性法可知，RC串并联网络构成正反馈电路，满足相位平衡条件。Rf、R3将运放接成同相比例放大电路，即电压串联负反馈电路，满足振幅平衡条件。2振荡判断振荡判断 图6.2.1 RC文氏桥式振荡器（a）电原理图 （b）等效电路 为了便于分析，将图6.2.1中的选频网络单独画在图6.2.2上。图中R1=R2=R，C1=C2=C。一、一、RC串
11、并联网络的频率特性串并联网络的频率特性1频率特性分析频率特性分析图6.2.2 RC串联联网络 RC并联电路的阻抗为 CjRCjcjRZ11111RCjRCjRcjRZ11122222RC串联电路的阻抗为 图6.2.3 RC串并联网络的频率特性 (a)幅频特性 (b)相频特性 当输入端输入正弦波电压时，电路的输出电压为，电路的传输函数（即振荡电路中的反馈系数）为RCjRcjRcjRCjRZZZUUFf1112120)1(31RCRCj 令 ,0 是电路的谐振角频率。则上式可改写为 )(31)(310000ffffjjFRC10(1)RC串并联选频网络的幅频特性 20020)(31ffffUUFF
12、f(2)RC串并联选频网络的相频特性为)(31ffffarctgoo 二、二、RC串并联正弦波振荡电路分析串并联正弦波振荡电路分析 当串并联选频网络在f=f0时，Uf最大，相移=0o，因此，采用同相放大器，就能满足相位平衡条件。1.振荡频率计算振荡频率计算 RCfo21 可见，改变R、C的参数值，就可调节振荡频率。为了同时改变图6.2.1中的R1、R2值或C1、C2值，一般采用双联电位器或双联电容器来实现。当R1=R2=R，C1=C2=C时，RC串并联 正弦波振荡电路的振荡频率为 2.起振条件起振条件 当 f=f0、F=|=1/3,根据起振条件|1，要求图6.2.1所示Rf、R3构成电压串联负
13、反馈电路的电压放大倍数Af=1+Rf/R33。即Rf2R3就能顺利起振。FFA例6.2.1 图6.2.1所示电路中，若R1=R2=100，C1=C2=0.22F，R3=10k，求振荡频率以及满足振荡条件的Rf的值。解：由求振荡频率公式可得：ZZoKHHRCf23.71022.010014.321216 要满足起振条件，则Rf2R3，故Rf 210k=20k，Rf取大于20k电阻。3.稳幅措施稳幅措施 如图6.2.4所示电路是利用二极管的非线性自动完成稳幅的。在负反馈电路中，二极管VD1、VD2与R4并联，只要有信号输出总有一个二极管导通，放大倍数为：34)/(1RRRrAfdf(1)二极管稳幅
14、二极管稳幅 式中，rd为二极管VD1、VD2导通时的动态电阻。图6.2.4 利用二极管稳幅RC振荡电路 振荡电路刚起振时，输出电压较小，二极管正向偏置电压小，二极管正向交流电阻较大，负反馈较弱，使|大于3，满足起振条件。当输出电压增大时，通过二极管的电流相应增大，导致二极管动态电阻rd减小，负反馈增强，使|减小，从而达到自动稳定输出幅度的目的。FAFA 除二极管外，还可用热敏电阻进行稳幅。为此，把图6.2.1中的负反馈电阻Rf换成负温度系数的热敏电阻，就能达到稳幅的目的。即振荡电压振幅增加时，流过Rf的电流增加，导致Rf中的功率增加而使温度上升，从而使Rf阻值减小，同相放大器增益下降。(2)热
15、敏电阻稳幅 电路如图6.2.5所示。图中，场效应管V1的漏源电阻RDS和R3串联后代替图6.2.1中的R3，负反馈网络由RP3、RDS、R3组成。输出电压经二极管VD1整流和R4、C4滤波后，通过R5和RP4为场效应管提供与振荡振幅成比例的负栅压UGS，调整RP4，使场效应管工作在变阻区，它的RDS成为受UGS控制的可变电阻。当振荡电路输出幅值增大，|UGS|也随之增大（即UGS变负），管子的RDS增大，负反馈增强，放大倍数Au减小。(3)场效应管稳幅 图6.2.5 利用场效应稳幅文氏振荡电路三、三、RC串并联正弦波振荡电路特点串并联正弦波振荡电路特点 RC串并联正弦波振荡电路具有电路简单，易
16、于起振的优点，适用于f01MHz的场合。缺点是频率调节不方便，振荡频率不高。四、应用示例四、应用示例 附录B中图B.2所示可燃气体报警器中的音频振荡器，是由A3、RP2、R16、R15、C6、R14、C7、R13组成的RC桥式振荡器。把数据代入（6.2.5）式可估算出该电路的振荡频率 614021CRf931022101014.321Hz724Hz 在电路调试过程中，要注意电路起振条件。若电位器RP1调整后的阻值为RP1，根据式(6.2.6)可知，当(RP1+R16)2R12时，即RP115K时，电路才能起振。6.2.2 RC移相式正弦波振荡电路移相式正弦波振荡电路一、电路组成和振荡条件的实现
17、一、电路组成和振荡条件的实现 RC移相式正弦波振荡电路如图6.2.6 a所示。图中三个电阻R和电容C构成选频网络。Rf将集成运放接成反相输入组态，a=180o。若要满足相位平衡条件，则RC反馈网络必须在某一特定频率上提供移相f=180o。因一节RC移相网络可以移相0o90o，要使f=180o，必须有三节或三节以上移相电路，使总移相在0o270o范围内。另外，还要适当调整Rf，以满足幅值平衡条件。图6.2.6 RC移相正弦波振荡电路 (a)电原理图 (b)等效电路 由图6.2.6 b可见，它是由反相放大器和三节RC移相网络组成。通过分析求得三节RC移相网络的电压增益为320)1(6)1(511R
18、CRCjRCUUf振荡时，上式虚部为零，即0)1(63RCRC610RC6210RCf振荡频率 二、振荡频率的估算及起振条件二、振荡频率的估算及起振条件 1估算估算 振荡角频率 当当 时，电路产生振荡，振荡时，电路产生振荡，振荡时的反馈系数为时的反馈系数为 61RCo291)1(511)()(200RCjUjUFFof 2电路起振条件电路起振条件 达到振荡平衡时|=1，可得达到振荡平衡时反相放大器的电压增益应为 。可见，电路的起振条件应为|Af|29,即Rf29R。为了实现稳幅，电路中Rf一般用具有负温度系数的热敏电阻取代。FA29RRAff 三、三、RC移相式正弦波振荡电路特点移相式正弦波振
19、荡电路特点 RC移相式正弦波振荡电路具有结构简单、使用方便等优点。缺点是选频作用差导致输出波形失真大，频率调节不容易，振荡频率不够稳定。它一般适用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场合，其频率范围为几HZ至几十kHZ。6.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路的选频网络为LC并联回路，它主要用于产生高频正弦波信号。6.3.1 LC并联回路的频率特性并联回路的频率特性 LC并联回路如图6.3.1所示。图中R表示电感和电路其它损耗的总等效电阻，IS为幅值不变、频率可变的正弦波电流源信号。图6.3.1 LC并联回路图6.3.1中LC并联回路总阻抗Z为一般情况下，L R，故上式可简化为
20、)(1)(1LjRcjLjRcjZ)1()1(1CLjRCLCLjRLjcjZ一、谐振频率一、谐振频率 当虚部为零时即L=1/(c)时，电路发生并联谐振，电路呈纯电阻性，令并联谐振角频率为0，即LC10LCfo21谐振频率为 并联谐振时阻抗Z0为最大，且 谐振回路品质因数 故 RCLZ0CLRCRRLQ1100CLQCQLQZ000 LC并联回路谐振时，阻抗呈纯阻性，且Q值越大，谐振时阻抗Z0越大。二、谐振时的回路阻抗二、谐振时的回路阻抗三、三、LC并联回路的选频特性并联回路的选频特性引入Q后，将Z改写为)(1000jQZZ 相应的幅频特性和相频特性如图6.3.2所示。1频率特性图频率特性图图
21、6.3.2 LC并联回路的频率特性（a）幅频特性 （b)相频特性2选频特性分析选频特性分析 由图6.3.2可见，当信号频率f=f0时，Z最大且为纯阻性，=0o。当ff0时，Z减小。当f/f01，即ff0时，Z呈感性，0o。当ff0时，Z呈容性，0。同时Q值越大，谐振阻抗Z0也越大，幅频特性越尖锐，相位随频率变化的程度也越急剧，说明电路选择有用信号（频振频率f0信号）的能力越强，即选频效果越好。图6.3.3 变压器反馈式LC正弦波振荡器电路 6.3.2 变压器反馈式变压器反馈式LC正弦波振荡器正弦波振荡器（1）放大电路 图中由V组成采用分压式偏置的共射电路，耦合电容Cb和发射极旁路电容Ce容量较
22、大，在振荡频率上，交流阻抗小，可视短路。（2）选频网络 选频网络由L1和C构成。作为三极管集电极负载。（3）反馈网络 变压器二次侧绕组N2作为反馈绕组，将输出的一部分，经Cb反馈到输入端。变压器二次侧绕组N3接输出负载。一、电路组成一、电路组成 变压器反馈式LC正弦波振荡器电路（Transformer feedback oscillator）如图6.3.3所示。由下列三部分组成。1.相位平衡条件判断 在反馈输入端K处断开，用瞬时极性法进行判断。设V基极上的瞬时极性为正，则集电极为负，即L1的瞬时极性为上正下负。根据同名端的概念，N2上端瞬时极性为正，反馈至K处的瞬时极性为正，为正反馈。满足振荡
23、的相位平衡条件。二、电路能否振荡的判断二、电路能否振荡的判断 2.振幅起振条件的判断 本电路中，N1、N2同绕在一磁芯上为紧耦合。放大电路为共射电路，放大倍数较大，这种电路是利用三极管的非线性实现内稳幅的。实践中，只要设置合适的静态工作点，增减N2的匝数或改变同一磁棒上N1、N2的相对位置调节反馈系数的大小，使反馈量合适，即可满足起振条件。振荡器的振荡频率近似为LC网络的固有谐振频率，可用X下式估算LCf210三、振荡频率三、振荡频率f0的估算的估算其中，L为谐振回路总电感量，C为谐振回路总电容量。1 1电路特点电路特点 四、电路特点与实用电路分析示例四、电路特点与实用电路分析示例 变压器耦合
24、LC振荡电路易于起振，用可变电容器可使输出正弦波信号的频率连续可调。但振荡频率不太高，一般为几兆赫至十几兆赫。2 2实用电路分析实用电路分析 超外差收音机变频级中的本机振荡电路如图6.3.4所示。电路中V兼作变频器，L1、L2、C1、C2组成变频器的输入回路，C8、L5、L6组成变频器的输出中频回路，它们在振荡频率上因回路严重失谐而均可看作短路，故本机振荡电路的简化电路如图6.3.5所示。图6.3.4 超外差收音机变频级电路 图6.3.5 变频级中本机振荡简化电路 图6.3.5中，R1/是偏流电阻，C6/为振荡回路谐振电容，由C5、C6和C7等效而成，且5765766)()(CCCCCCC 本
25、电路是一个谐振线圈带抽头的变压器反馈式LC振荡电路。L4和C6/为并联谐振回路，决定振荡频率f0,三极管V组成共基极放大电路，C3为基极旁路电路。L3为集电极负载，输出电压通过耦合反馈到L4、C6/耦合回路，经C4加到V的发射极上，由于三极管的射极输入电阻很低，必须采用抽头式以减小三极管低输入电阻对LC回路的影响，以保证回路有高Q值，并满足起振条件。6.3.3 6.3.3 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 电感三点式振荡电路又称哈脱莱（Hartley）振荡电路，电路如图6.3.6所示。一、电路组成一、电路组成 图6.3.6 电感三点式振荡电路 (a)电路图 (b)交流通路 （1）放大电路）
26、放大电路 本电路采用分压式偏置，Cb为基极旁路电容，由于容量足够大，对交流可视为短路。画出电路的交流通路如6.3.6 b所示。基极是交流接地端，所以是共基极放大电路（2）选频网络）选频网络 选频网络由L1、L2和C并联而成。（3）反馈网络）反馈网络 L2上的反馈电压 经Ce送至三极管的输入端发射极。.fU 二、电路能否振荡的判断二、电路能否振荡的判断 在图6.3.6 b中，断开反馈输入端K，设三极管输入端发射极的输入信号 对地瞬时极性为正，共基放大电路集电极电压与射极同相，瞬时极性也为正，电感L2的反馈信号 对地瞬时极性也为正，即 与 同相，满足相位平衡条件。iU.fU.fU.iU1 1相位起
27、振条件判断相位起振条件判断 电感三点式振荡器的L1、L2由同一电感线圈中间抽头组成，耦合紧密，易于起振，其起振条件为：其中，（L2+M）/（L1+M）=Fu为反馈系数的模。MLMLrbe122 2振幅起振条件判断振幅起振条件判断 电感三点式振荡电路的振荡频率近似等于LC并联回路的谐振频率，即其中，M是电感L1与L2间的互感。CMLLLCf)2(2121210 电感三点式振荡电路简单，易于起振，但由于反馈信号取自感L1，电感对高次谐波的感抗大，因而输出振荡电压的谐波分量增大，波形较差。常用于对波形要求不高的设备中，其振荡频率通常在几十兆赫以下。三、谐振频率三、谐振频率f0估算估算 四、电路特点四
28、、电路特点6.3.4 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路 一、电容三点式振荡电路一、电容三点式振荡电路 电容三点式振荡电路又称考毕兹（Colpitts oscillator）电路，电原理图如图6.3.7 a所示。三极管V接成共射电路，Cb为耦合电容，Ce为旁路电容。该电路的交流通路如图6.3.7 b所示。用瞬时极性法在图b中标出各点瞬时极性，由图可知，反馈信号 与输入端信号 同相，满足相位平衡条件。fU.iU.1 1相位起振条件判断相位起振条件判断图6.3.7 电容三点式振荡电路(a)电原理图 (b)交流通路 该电路的振荡频率为 该电路起振的条件为212102121CCCCLLCf21CCr
29、rcebe3振幅起振条件振幅起振条件2f0估算估算 该电路的反馈电压为电容器C2的两端电压，反馈电压中的高次谐波分量小，输出波形较好。但三极管的极间电容Cbc、Cce与C2、C1并联，极间电容随温度变化，影响振荡频率的稳定性。该电路的振荡频率可达100MHz以上。4电路特点电路特点 为提高电容三点式振荡（考毕兹）电路的频率稳定性，可采用改进型电路。1.克拉波（克拉波（Clapp）电路）电路 二、电容三点式改进型振荡电路二、电容三点式改进型振荡电路 (1)(1)电路与交流通路电路与交流通路 在电容三点式电路的回路中多加一个与C1、C2相串接的电容C3即可构成克拉波电路，如图6.3.8 a所示，交
30、流通路如图b所示。图6.3.8 克拉波振荡电路（a)电原理图（b)交流通路(2)(2)起振条件分析起振条件分析 一般情况下，C3取值较小，满足C3 C1，C3 C2，回路总电容值C主要取决于C3。而影响振荡频率稳定性的是三极管的极间电容Cce、Cbc、Ccb,它们都直接并接在C1、C2上，不影响C3值，故减小了不稳定的极间电容对振荡频率的影响，且C3越小，影响就越小，频率稳定也就越高。但是C3过小，有可能不满足起振条件而停振。(3)(3)克拉波电路特点及适用场合克拉波电路特点及适用场合 克拉波电路的频率稳定度比电容三点式电路高一个数量级，达10-410-5。克拉波振荡器的起振条件对振荡管的值要
31、求高，它与f03成正比。但输出电压幅值与f03成反比，故f0升高，会使输出电压幅值迅速下降而停振。因此，克拉波振荡器在波段内输出幅值不均匀，波段覆盖系数小，只适于固定频率振荡器。(4)f0 估算估算3321021111121LCCCCLf克拉波振荡电路的频率为 2.西勒（西勒（Seiler）电路）电路 在克拉波电路的电感L两端并联一个电容C4即为西勒电路，原理图和交流通路如图6.3.9所示。(1)(1)电路图与交流通路电路图与交流通路 图6.3.9 西勒电路(a)电原理图 (b)交流通路 当C1 C3、C2 C3的情况下，总电容C C4+C3,振荡频率为32141111CCCCC)(21430
32、CCLf(2)f0 的估算的估算 西勒电路的总电容C值为C1、C2、C3串联后再与C4并联，即 由此可知，西勒电路的振荡频率主要由L和C3+C4决定，而与C1、C2的大小基本无关，因此，西勒电路也具有频率稳定度高的优点。分析表明，它的输出电压幅值与f0成正比，因此西勒电路可用作可变频率振荡器。(3)(3)适用场合适用场合 LC振荡因LC回路的Q值不高（仅在200以下），频率的稳定度很难突破10-5数量级，而用石英晶体（Quartz crystal）作为振荡回路，组成晶体振荡器（Crystal oscllator）的Q值高达104以上，可将频率稳定度提高几个数量级，最高稳定度可达10-10数量级
33、。它在各类电子设备中得到广泛应用。6.4 6.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英晶体是从石英晶体柱上按一定方位角切割下来的薄片（称之为晶片，可为圆形、正方形或矩形等），在表面上涂敷上银层作为电极，加上引线后封装而成。外壳可为金属，也可为玻璃。它的结构示意图如图6.4.1所示。6.4.1 6.4.1 石英晶体谐振器石英晶体谐振器一、石英晶体的结构一、石英晶体的结构图6.4.1 某石英晶体结构示意图二、晶体的压电效应二、晶体的压电效应 当在晶片上施加外力，使之产生机械形变，则会在两电极上产生极性相反、数值相等的电荷；反之，若在两极间施加电压，晶片会产生由电压极性决定的机械形变，这种现象称之为压
34、电效应（Piezoelectric effect）。1 1压电效应与压电谐振压电效应与压电谐振 改变交变电压频率，晶片的振动幅度和流过晶片回路的交变电流都会随之改变。当外加交变电压的频率与晶片的固有振动频率（由晶片尺寸决定）相等时，晶片机械振动的幅度将急剧增加，振动最强，通过晶体的交变电流最大，这时称为压电谐振，故石英晶体又称之为石英谐振器。石英晶体的振动具有多谐性，除基频振动外，还有奇次谐波的泛音振动。石英谐振器若利用其基频振动的，称之为基频（Fundamental frenquency）晶体。若利用其泛音振动的，称之为泛音（Overtones）晶体。泛音晶体一般利用三次和五次的泛音振动，而
35、很少利用九次以上的泛音振动。2 2基频（基频（Fundamental frenquencyFundamental frenquency）晶体）晶体与泛音（与泛音（OvertonesOvertones）晶体）晶体 石英谐振器图形符号如图6.4.2 a所示。它的基频等效电路如图6.4.2 b所示。图中C0表示石英晶片的静态电容和支架、引线等分布电容之和。Lq用来模拟晶片振动时的惯性，Cq模拟晶片的弹性；晶片振动时的摩擦损耗用电阻rq来等效。三、石英谐振器图形符号及其性能参数三、石英谐振器图形符号及其性能参数1 1图形符号与基频等效电路图形符号与基频等效电路 石英谐振器的Lq很大（几十毫亨），Cq很
36、小（10-2PF以下），品质因数Qq很高(104106)，且它们的数值极其稳定。另外C0远大于Cq，故频率稳定度高。图6.4.2 石英谐振器的符号、等效电路及其电抗频率特性(a)电路符号 (b)基频等效电路 (c)电抗频率特性(1)串联谐振角频率串联谐振角频率s（Series resonant angular frequency）当L、C、R支路发生串联谐振时，XLq=XCq，X=0，串联谐振角频率为qqsCL1 由图6.4.2c可见，石英谐振器有两个谐振角频率。2 2谐振角频率谐振角频率此时，C0忽略不计。当频率高于s时，晶体Lq、Cq串联支路呈电感性，电路发生并联谐振，并联谐振的角频率为
37、在实际振荡电路中，晶体两端往往并接有负载电容CL，如图6.4.3所示。此时，并接的总电容为(C0+CL)，相应的并联谐振频率由fp减小到fN,fN值为00011CCCCCCLqsqqqp)211(0LqsNCCCff(2)并联谐振角频率并联谐振角频率(Antiresonant angular frequency)3 3负载电容负载电容 CL越大，fN值就越接近fs。一般情况下，基频晶体的负载电容为30pF或50pF，在晶体外壳上的振荡频率（晶体标称频率）就是并接CL后的fN值。图6.4.3 并联CL晶体等效电路 根据晶体在振荡电路中的作用不同，晶体振荡电路可分为并联型晶体振荡电路（Parall
38、el-mode crystal oscillators）和串联型晶体振荡电路（Series-mode crystal oscillators）。使晶体工作在略高于fs呈感性的频段内，用来代替三点式电路中的回路电感，相应构成的振荡电路称为并联型晶体振荡电路。使晶体工作在fs上，等效为串联谐振电路，用作高选择性的短路元件，相应构成的振荡电路称为串联型晶体振荡电路。晶体只能工作在上述两种方式，决不能工作在低于fs和高于fp呈容性的频段内，否则，频率稳定度将明显下降。6.4.2 6.4.2 晶体振荡电路晶体振荡电路一、串联型石英晶体振荡电路一、串联型石英晶体振荡电路 串联型石英振荡电路如图6.4.4所
39、示。图中V1组成共基极放大器，V2组成共集极电路。设V1发射极瞬时极性为（+），集电极亦为（+），V2发射极为（+），经石英晶体反馈到V1发射极瞬时极性为（+），石英晶体构成正反馈电路，满足相位起振条件。0f1 1电路组成及相位起振条件电路组成及相位起振条件2 2振幅起振条件振幅起振条件 图中可变电阻R5，用以改变正反馈信号的幅度，使之满足振幅起振条件，使电路起振。R5不能过小，否则，振荡波形会产生失真。图6.4.4 串联型石英晶体振荡电路 二、并联型石英晶体振荡电路二、并联型石英晶体振荡电路 目前应用最广的并联型晶体振荡器是类似电容三点式的皮尔斯（Pirese）电路，如图6.4.5 a所示。
40、其中，Cb为旁路电容，Cc为耦合电容，Lc为高频扼流圈。三极管接成分压式偏置的共基极电路，以稳定直流工作点 图6.4.5(a)中C1、C2串接后与石英晶体并联，为晶体的负载电容，若它们的等效电容值等于晶体规定的负载电容值，那么振荡电路的振荡频率就是晶体的标称频率。但实际上，由于种种原因，振荡器的频率往往与标称频率略有偏差。故工程上采用微调电容的晶体振荡电路如图6.4.5(b)所示。1 1电路组成电路组成 图6.4.5 并联型晶体振荡电路(a)皮尔斯晶体振荡电路 (b)采用微调电容晶体振荡电路 图6.4.5b中，CT为微调电容，用来改变并接在晶体上的负载电容，从而改变振荡频率。CT和C3并联与石
41、英晶体串接，以减弱振荡管与晶体的耦合，从而进一步减小三极管参量变化对回路的影响。但CT的频率调节范围很小，故在实际电路中，还可采用微调电感或同时采用微调电容和微调电感。2 2频率微调方法频率微调方法(1)在频率稳定度要求很高的场合，为克服温度变化对频率的影响，将晶体或整个振荡器设置于恒温槽内。采用恒温措施可将频率稳定度提高到10-10数量级。(2)在使用过程中，石英晶体的激励功率不能过大，否则会使频率稳定性、老化特性、寄生频率特性等变差，甚至可能使晶片振毁。3.晶振电路应用注意事项晶振电路应用注意事项 随着MOS集成工艺的发展，出现了一种低功耗的CMOS晶体振荡器。所谓CMOS电路是指NMOS
42、管和PMOS管构成的互补对称的MOS电路，它具有静态功耗低、抗干扰能力强、工作稳定性、开关速度高等优点。CMOS晶体振荡器非常适合在功耗要求小的电子设备中使用，如电子表中的时间基准振荡器等，当电源电压VDD=1.5V时，其功耗仅为微瓦量级。三、三、CMOS晶体振荡器晶体振荡器 CMOS微功耗晶体振荡器如图6.4.6所示。图中V1、V2为组成互补倒相的N沟道和P沟道场效应管，在振荡过程中，V1、V2轮流导通对环路电容充电、放电。V3为N沟道MOS管，工作于可变电阻区，给V1、V2提供电流通路。C2用于微调振荡频率。为减小芯片面积，石英谐振器、C1、C2都为外接元件。图6.4.6 CMOS微功耗晶
43、体振荡器本本 章章 小小 结结1.要使正弦波振荡电路产生振荡，既要使电路满足幅度平衡条件又要满足相位平衡条件。2.正弦波振荡器一般由放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节组成。正弦波振荡电路按选频网络不同，主要分为LC振荡（含石英晶体振荡器）和RC振荡电路两大类，改变选频网络的电参数，可以改变电路的振荡频率。3.RC振荡电路的振荡频率不高，通常在1MHz以下，用作低频和中频正弦波发生电路（1Hz1MHz）。桥式文氏RC振荡电路的振荡频率为 RCf210常用在频带较宽且要求连续可调的场合；RC移相式正弦波振荡电路的振荡频率为 6210RCf(三节RC)其频率范围为几赫到几十千赫，一般用于频率固定且稳定性要求不高的场合。4.LC振荡电路有变压器反馈式、电感三点式、电容三点式三种。电容三点式改进型电路频率稳定性高。它们的振荡频率 LCf210 0愈大，所需L、C值愈小，因此常用作几十千赫以上高频信号源。5.石英晶体振荡器是利用石英谐振器的压电效应来选频。它与LC振荡电路相比，Q值要高得多，主要用于要求频率稳定度高的场合。
