晶体振荡器课程设计

1 石英晶体及其特性 (1)

1.1 石英晶体简介 (1)

1.2石英晶体的阻抗频率特性 (1)

2 晶体管的内部工作原理 (3)

3. 晶体振荡器电路的类型及其工作原理 (4)

3.1串联型谐振晶体振荡器 (4)

3.2并联谐振型晶体振荡器 (6)

3.3 泛音晶体振荡器 (8)

4 确定工作点和回路参数（以皮尔斯电路为例） (9)

4.1 主要技术指标 (9)

4.2确定工作点 (9)

4.3交流参数的确定 (10)

5 提高振荡器的频率稳定度 (10)

6.总结 (11)

参考文献： (12)

1 石英晶体及其特性

1.1 石英晶体简介

石英是矿物质硅石的一种，化学成分是Sio2，形状是呈角锥形的六棱结晶体,具有各向异性的物理特性。按其自然形状有三个对称轴,电轴X,机械轴Y ,光轴Z 。石英谐振器中的各种晶片,就是按与各轴不同角度,切割成正方形、长方形、圆形、或棒型的薄片,如图1的AT 、BT 、CT 、DT 等切型。不同切型的晶片振动型式不 ,性能不同。

1.2石英晶体的阻抗频率特性

石英谐振器的电路符号和等效电路如图1.2.1。C0称为静态电容，即晶体不振动时两极板间的等效电容，与晶片尺寸有关，一般约为几到几十pF 。晶体作机械振动时的惯性以Lq 、弹性用Cq 振动时因磨擦造成的损耗用Rq 来等效，它们的数值与晶片切割方位、形状和大小有关，一般Lq 为231010--H ，Cq 为141010---pF ，Rq 在几—几百欧之间。它的Lq 非常大，而Cq 、Rq 又非常小，品质因数，故Q 值很高，在641010-之间，由于石英晶振的接入系数P= Cq/(C0+ Cq)很小，所以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。

忽略等效电路中的Rq ,阻抗wCq wLq j jwC Z 1

1

01**=

符号 基频等效电路 完整等效电路

图1.2.1 晶振等效电路

石英晶振可以等效为一个串联谐振回路和一个并联谐振回路。 若忽略gq ，则晶振两端呈现纯电抗。

串联谐振频率 ：

并联谐振频率

由上式可出求出它的阻抗频率特性曲线如图1.2.2

图1.2.2 晶振阻抗频率特性曲线

当f < fq 和 f > fp 时,X < 0 ,回路呈容性。

当fq < f < fp 时，X > 0 ，回路呈感性,发生串联谐振或并联谐振。在f=fq时，回路的阻抗角为零，值最小且呈纯电阻性。

2 晶体管的内部工作原理

石英晶体具有压电效应。当对它施加机械应力时会产生电荷；加电压时会发生振动，称此为压电效应。给石英设置电极加电压时所得到的电学的固有振动不怎么受所加电压或环境温度的影响。因此，如果把石英振子用于振荡电路，将会得到频率非常稳定的振荡输出。当交流电压加在晶体两端，晶体先随电压变化产生应变，然后机械振动又使晶体表面产生交变电荷。当晶体几何尺寸和结构一定时，它本身有一个固有的机械振动频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时，晶体片的机械振动最大，晶体表面电荷量最多，外电路中的交流电流最强，于是产生了谐振。因此，将石英晶体按一定方位切割成片，两边敷以电极，焊上引线，再用金属或玻璃外壳封装即构成石英晶体谐振器（简称石英晶振）。

石英晶体作为振荡回路元件能使振荡器的频率稳定度大大提高的

原因在于：

1) 石英晶体的物理和化学性能都十分稳定，因此，它的等效谐振回路有很高的标准性；

2) 它具有正、反压电效应，而且在谐振频率附近，晶体的等效参数Lq 很大、Cq很小、Rq也不高。因此，晶体的Q值可高达数百万数量级；

3) 在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。

3. 晶体振荡器电路的类型及其工作原理

3.1串联型谐振晶体振荡器

串联型晶体振荡器是将石英晶体用于正反馈支路中，利用其串联谐振时等效为短路元件的特性，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶体串联谐振频率fs上起振。图2.1.1是一种串联型单管晶体振荡器电路，图2.1.2是其高频等效电路。这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶体。Ｌ、、和

组成并联谐振回路而且调谐在振荡频率上。

图3.1.1 串联谐振型晶体振荡器

图3.1.2 串联晶体振荡器交流等效电路

3.2并联谐振型晶体振荡器

图3.2.1 并联谐振型晶体c—b型振荡器电路（皮尔斯电路）

图3.2.1 并联谐振型晶体振荡器高频回路等效电路

1)、振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管ｃ、ｂ端,ｃ、ｅ端和ｅ、ｂ端的接入系数分别是：

(3.2.1)

(3.2.2)

以上三个接入系数一般均小于，所以外电路中的不稳定参数对振荡回路影响很小，提高了回路的标准性。

2)、振荡频率几乎由石英晶体的参数决定，而石英晶体本身的参数具有

高度的稳定性。振荡频率，其中是和晶体两端并联的外电路各电容的等效值，即根据产品要求的负载电容。在实用时，一般需加入微调电容，用以微调回路的谐振频率，保证电路工作在晶体外壳上所注明的标称频率fn上。

3)、由于振荡频率一般调谐在标称频率上，位于晶体的感性区内，电抗曲线陡峭，稳频性能极好。

4)、石英晶体的Q值和特性阻抗都很高，所以晶体的谐振电阻也很高，一般可达以上。这样即使外电路接入系数很小，此谐振

电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很大，使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。

3.3 泛音晶体振荡器

在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡电路。泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。在泛音晶振电路中，为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上，不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡而且必须正确地调节电路的环路增益，使其在工作泛音频率上略大于1，满足起振条件，而在更高的泛音频率上都小于1，不满足起振条件。在实际应用时，可在三点式振荡电路中，用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件，使这一支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则，不能起振；而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，达到起振。

图3.3.1给出了一种并联型泛音晶体振荡电路。假设泛音晶振为五次泛音，标称频率为５MHz，基频为１MHz，则回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样在５MHz频率上，回路呈容性，振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说，回路呈感性，电路不符合组成法则，不能起振。而在七次及其以上泛音频率，回路虽呈现容性，但等效容抗减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环路增益小于1，不满足振幅起振条件。

图3.3.1 泛音晶体振荡器电路

4 确定工作点和回路参数（以皮尔斯电路为例）

4.1 主要技术指标

晶振为12MHZ ，频率稳定度h f f /10/60max -≤?，振荡输出电压大于等于1V ，电压Vcc=12V ,选高频管型号为3DG12，其放大倍数β=60。

4.2确定工作点

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。实际中取

CQ I =0.5~5mA 之间，若取CQ I =2mA ，

V 6V CEQ =，则有：Ω=-=-=

+k mA V I V V R CQ CEQ CC c e 32)612(R

(4.2.1)

为提高电路的稳定性，Re 值可适当增大，取Re=1Ωk ，则Rc=2Ωk ，则有：V 2k 1mA 2R I V e CQ EQ =Ω?=?= (4.2.2)

mA mA 033.0602/I I CQ BQ ≈=

=β若取流过b2R 的电流b2I 为10BQ I ，则b2I =10BQ I =0.33mA ，则取：

V V V V V V R R EQ CC b b b 7.27.027.0R V 212BQ =+=+≈?+= (4.2.3) Ω=Ω≈==k R k mA V I V R b b BQ b 2.28,2.833.07.2/122 (4.2.4) 实际电路中，b1R 可用5.1Ωk 与50Ωk 电位器串联，以便工作点的调整。

4.3交流参数的确定

电容C1、C2由反馈系数F 及C3所决定，其中，C3可远远大于C2或C1；而F=C2C1，令其为0.5。这样选取后的值，电路易振荡，波形好。若取C1=100pF ，则C2=200pF ，取C3=24 pF ，C4为3~30 pF 可调电容，对振荡频率微调，耦合电容Cb=0.01 pF 。

5 提高振荡器的频率稳定度

所谓频率稳定,就是在各种外界条件发生变化时，振荡器实际工作频

率与指定频率之间偏差最小，稳定的振荡频率，才能使一些电路对信号能够正确处理准确输出。为使石英晶体振荡器频率稳定，要考虑以下因素，并采取相应措。

石英晶体的老化效应，是指它的谐振频率随时间作缓慢变化的现象。石英晶体虽经过厂家老化处理,但还须在使用数十天后，或调整频率补偿电容，才能使振荡器工作在指定频率上。

石英晶体工作时，两端加有激励电压，要消耗一定功率。激励电压过高，损耗产生的热效应过大，而使谐振频率变化，产生不可逆的老化漂移，或使晶片振动振幅过大，甚至可造成晶片振裂损坏，过小的激励电压，将使振荡器输出减小，甚至不能维持振荡。为使石英谐振器频率稳定,激励电平要合适且稳定。

石英晶体振荡器，除有良好的振荡电路外，还要采取措施，减小外界温度对振荡频率的影响。图3.1为简单的温度补偿石英振荡器的电路原理,变容二极管与石英晶体串联，热敏电阻Rt为变容二极管提供随温度变化的偏压。外界温度改变时，变容二极管的电容变化，使石英晶体随温度变化的谐振频率，向相反方向变化，以减小温度对振荡频率的影响。

图5.1简单的温度补偿石英振荡器的电路原理图

6.总结

通过设计晶体振荡器电路，使我的动手能力和经验有了一定程度的提高。我更好地了解了石英晶体的结构和特性。

刚拿到设计题目时一头雾水，不知道该怎样去实现设计的要求。于

是便拿起教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，对设计有了初步的思路。

有了方案还不够，还要去论证其可行性，前四天都是在网上和图书馆中查资料，论证电路的可行性。在这方面我们进行了深刻的探讨，加深了我们对其更好的理解和认识。

由于知识水平有限，这次设计存在很多不完善之处，同时也深刻地意识到自己在设计方面能力的欠缺，以往都是只学习原理，对设计方面的知识了解不多，而我们这专业要求最重要的就是实践能力。以后我要多看专业书，多做些实际电路以加强这方面的锻炼。

总之，通过这次设计电路，我收获挺大。感谢老师的辛勤教导，以后我会加倍努力。

参考文献：

李银华《电子线路设计指导》北京航天航空大学出版社

谢自美《电子线路设计》华中科技大学出版社

张肃文《高频电子线路》高等教育出版社

稻叶保《振荡电路的设计与应用》科学出版社