无线电通信-6.3 石英晶体振荡器、负阻振荡器及几种特殊振荡现象
中职电子线路教案：石英晶体振荡器
江苏省XY中等专业学校2021-2022-2教案编号：备课组别电子上课日期主备教师授课教师课题： 6.2.3 石英晶体振荡器教学目标1、理解石英晶体振荡器的特性及等效电路2、能分析石英晶体振荡电路的工作原理重点石英晶体振荡器的压电效应难点石英晶体振荡器的压电效应教法讲授法，讨论法教学设备多媒体展示系统教学环节教学活动内容及组织过程个案补充教学内容引入LC振荡器的频率稳定度一般总小于10－5量级，用石英晶体组成的振荡器其频率稳定度可达10-6 ～10 -11量级。
新课教学6.2.3 石英晶体振荡器一、石英晶体的基本特性及其等效电路石英晶体谐振器是在晶片的两个对面上喷涂一对金属极板，引出两个电极，加以封装所构成的器件。
1．压电效应压电效应：晶片在电压产生的机械压力下，其表面电荷的极性随机械拉力而改变的一种现象。
压电谐振：外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，回路发生串联谐振，电流振幅最大的一种现象。
产生压电谐振时的振荡频率称晶体谐振器的谐振频率。
教学内容2．符号和等效电路当晶体不振动时，可用静态电容C0 来等效，一般约为几皮法到几十皮法；当晶体振动时，机械振动的惯性可用电感L 来等效，一般为10-3 ~ 10-2 H；晶片的弹性可用电容 C 来等效，一般为10-2 ~ 10-1 pF；晶片振动时的损耗用R 来等效，阻值约为102 Ω。
1LQR C=由可知，品质因数Q 很大，可达104 ~ 106。
加之晶体的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，其精度高而稳定。
所以，采用石英晶体谐振器组成振荡电路，可获得很高的频率稳定度。
它有两个谐振频率（1）当L、C、R 支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为s12fLC=π（2）当等效电路并联谐振时，并联谐振频率为教学内容p s112Cf fCCCLC C=≈++π由于 C << C0，因此f s 和f p 两个频率非常接近。
3．电抗频率特性石英谐振器在f s 和f p 之间为感性，在此区域之外为容性。
电路中的振荡器介绍振荡器的种类和应用领域
电路中的振荡器介绍振荡器的种类和应用领域电路中的振荡器是指能够在不受外部信号源驱动下，在电路内自行产生周期性信号的电子设备。
振荡器在电子设备中广泛应用，例如无线电、雷达、计算机等领域，因此，了解振荡器的种类及其应用领域是十分重要的。
本文将介绍振荡器的种类及其应用。
1. 晶体振荡器晶体振荡器是常用的一种振荡器，它利用压电效应产生振荡。
晶体振荡器主要由压电石英晶片、放大器、反馈电路、电源和输出电路等组成。
晶体振荡器振荡频率的稳定性高，且精确度高，应用于频率稳定要求高的电路，例如计算机、通讯设备等领域。
2. 电感耦合振荡器电感耦合振荡器是利用电路中的电感和电容进行产生振荡的一种振荡器。
电感耦合振荡器主要由电容、电感、晶体管等元器件组成。
电感耦合振荡器的振荡频率范围广，应用于频率要求不高的电子设备，例如音频放大器、调谐器等领域。
3. 集成电路振荡器集成电路振荡器是可以直接集成在电路板上的一种振荡器。
集成电路振荡器主要由电容、电感、晶体管等元器件组成。
由于集成电路振荡器可以大规模生产，成本相对较低，因此在数字电路、计算机等领域应用最为广泛。
4. RC振荡器RC振荡器是利用电路中的电容和电阻形成的RC环路产生振荡的一种振荡器。
RC振荡器主要由电容、电阻、晶体管等元器件组成。
RC 振荡器的频率不稳定，但由于成本低廉，应用于一些低频率要求的电子设备，例如弱电信号接收与放大器。
5. 摆线振荡器摆线振荡器是利用物理学中的摆线定理产生振荡的一种振荡器。
摆线振荡器主要由模拟计算器、捷克电池表、过氧化银光源等元器件组成。
摆线振荡器的频率通常在几十千赫范围内，应用于高精度计时和频率测量等领域。
总之，电路中的振荡器种类多样，根据不同的应用领域和需求选择合适的振荡器是十分重要的。
对于电子爱好者来说，学习振荡器的原理和应用也是提高技能的一个重要方向。
石英振荡器原理
石英振荡器原理石英振荡器是一种基于石英晶体的电子振荡器，广泛应用于各种电子设备中，如电子钟、计算机、通信设备和无线电等。
它的原理是利用石英晶体的压电效应和谐振效应来产生稳定的振荡信号。
石英晶体是一种具有压电效应的晶体，当施加压力或电场时，晶体会发生形变或产生电荷。
这种压电效应是石英振荡器工作的基础。
石英晶体通常是由两块厚度相等、形状规则的石英片组成，它们之间夹着极薄的金属电极。
当外加电压施加在石英晶体上时，由于压电效应，晶体会发生形变，而形变产生的电荷又会引起电压的变化。
如果晶体的尺寸、厚度和形状等参数选择得当，那么在某个特定的频率下，晶体就会发生共振现象，即能够产生稳定的振荡信号。
石英振荡器的谐振频率取决于晶体的物理尺寸和晶体的材料特性。
晶体的物理尺寸主要包括晶片的厚度、长度和宽度，而材料特性则与晶体的晶格结构和分子间力有关。
通过精确控制晶体的尺寸和材料特性，可以实现不同频率下的振荡。
为了使石英振荡器能够产生稳定的振荡信号，通常还需要引入反馈电路。
反馈电路会将一部分输出信号反馈到输入端，形成闭环，从而使振荡器能够自激振荡并保持稳定的振荡频率。
在石英振荡器中，反馈电路通常由放大器和滤波器组成，放大器负责放大信号，而滤波器则用于滤除非振荡频率的干扰信号。
由于石英晶体具有稳定的物理特性和良好的温度稳定性，石英振荡器能够提供非常精确和稳定的振荡频率。
此外，石英晶体还具有较高的品质因数，即振荡器的输出信号衰减较小，能够提供较长的振荡时间。
因此，石英振荡器成为各种电子设备中不可或缺的重要部件。
总结一下，石英振荡器是利用石英晶体的压电效应和谐振效应来产生稳定振荡信号的电子振荡器。
通过精确控制晶体的尺寸和材料特性，结合反馈电路的作用，石英振荡器能够提供精确、稳定的振荡频率，广泛应用于电子设备中。
它的原理简单清晰，但在实际应用中扮演着重要的角色。
石英振荡器原理
石英振荡器原理
石英振荡器是一种基于石英晶体的电子元件，用于产生稳定的高精度时钟信号。
它的工作原理基于石英的压电效应和谐振现象。
石英晶体是一种二向性晶体，具有压电性质。
当施加电场或机械应力到石英晶体上时，它会产生相应的电荷分布和变形。
这种压电效应是石英振荡器工作的关键。
石英振荡器通常由一个石英晶体片和驱动电路组成。
石英片是一个薄片，具有特殊的晶体结构和面向。
该片被固定在一个金属座上，并与电路连接。
在工作时，驱动电路会施加一个交变电压到石英晶体上。
由于石英片的压电效应，它会引起晶体的微小压缩和膨胀，产生机械振动。
这种振动通过石英晶体的声波传播。
石英晶体具有特定的谐振频率，也称为共振频率。
当驱动电压的频率与石英晶体的谐振频率相等时，石英晶体会发生共振现象，振动幅度增大。
驱动电路会不断调整驱动电压的频率，使其逐渐接近石英晶体的共振频率。
一旦频率匹配，石英晶体会产生稳定的机械振动，并将其转换为电信号输出。
由于石英晶体的物理性质非常稳定，因此它产生的振荡频率非常准确和稳定。
这使石英振荡器成为许多电子设备中的重要组
件，如电子钟、计算机和通信系统。
总之，石英振荡器利用石英晶体的压电效应和谐振现象，在外加电场或应力的作用下产生稳定的机械振动，并将其转化为准确的时钟信号输出。
这种精准度和稳定性使得石英振荡器广泛应用于各种计时和通信系统中。
石英晶体振荡器原理说明
石英晶体振荡器原理说明台灣大學電機系大學部電子實驗(三) –石英晶體振盪器原理說明發表於 2006年12月19日Rocky石英晶體振盪器是高精度和高穩定度的振盪器，被廣泛應用於彩電、計算機、遙控器等各類振盪電路中，以及通信系統中用於頻率發生器、為數據處理設備產生時鐘信號和為特定系統提供基準信號。
一、石英晶體振盪器的基本原理1、石英晶體振盪器的結構石英晶體振盪器是利用石英晶體（二氧化矽的結晶體）的壓電效應製成的一種諧振器件，它的基本構成大致是︰從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。
其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑膠封裝的。
下圖是一種金屬外殼封裝的石英晶體架構示意圖。
2、壓電效應若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械變形。
反之，若在晶片的兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產生電場，這種物理現象稱為壓電效應。
如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。
在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現象十分相似。
它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。
3、符號和等效電路石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖2所示。
當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關，一般約幾個PF到幾十PF。
當晶體振盪時，機械振動的慣性可用電感L來等效。
一般L的值為幾十mH 到幾百mH。
晶片的彈性可用電容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。
晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數值約為100Ω。
石英晶体多谐振荡器的振荡频率
石英晶体多谐振荡器的振荡频率摘要：1.石英晶体多谐振荡器的基本概念和原理2.石英晶体多谐振荡器的振荡频率决定因素3.石英晶体多谐振荡器的应用领域4.石英晶体多谐振荡器的发展趋势正文：一、石英晶体多谐振荡器的基本概念和原理石英晶体多谐振荡器是一种基于石英晶体谐振原理实现的振荡器。
它主要由石英晶体（晶振）、非门、电容等元件组成，结构相对简单。
石英晶体多谐振荡器主要用于信号发生电路，尤其是方波的产生。
二、石英晶体多谐振荡器的振荡频率决定因素石英晶体多谐振荡器的输出脉冲频率主要取决于石英晶体的固有频率。
石英晶体的固有频率是由其物理性质决定的，因此在设计石英晶体多谐振荡器时，需要根据实际需求选择合适的石英晶体。
三、石英晶体多谐振荡器的应用领域石英晶体多谐振荡器广泛应用于通信、广播、导航等领域。
在通信领域，石英晶体多谐振荡器常用于信号发生器、调制器等设备，以实现信号的传输和接收。
在广播和导航领域，石英晶体多谐振荡器则用于产生稳定的基准频率，确保广播和导航信号的精确传输。
四、石英晶体多谐振荡器的发展趋势随着科技的不断发展，石英晶体多谐振荡器也在不断改进和优化。
未来的发展趋势主要包括以下几个方面：1.向高频化发展：随着通信、广播等领域对信号传输速率和容量的需求不断提高，石英晶体多谐振荡器需要实现更高的振荡频率。
2.向小型化、集成化发展：为了满足电子设备小型化、轻便化的要求，石英晶体多谐振荡器需要实现更小的体积和更高的集成度。
3.向高稳定性、高精度发展：在通信、导航等领域，对信号传输的稳定性和精度要求越来越高。
因此，石英晶体多谐振荡器需要实现更高的稳定性和精度。
石英振动器原理
石英振动器原理
石英振动器是一种常用的电子元件，它利用石英晶体的压电效应来产生稳定的振荡信号。
石英晶体是一种具有特殊晶体结构的石英矿物，它具有良好的压电性能和稳定性，因此被广泛应用于各种精密仪器和设备中。
石英振动器的工作原理基于石英晶体的压电效应。
当施加外力或电场到石英晶体上时，石英晶体会产生变形或位移，进而产生电压。
反之，当施加电压到石英晶体上时，石英晶体也会产生变形或位移。
这种压电效应使得石英晶体能够将电信号转化为机械振动，或者将机械振动转化为电信号。
石英振动器通常由石英晶体和电路组成。
电路中的电子元件会将电信号输入到石英晶体上，使其产生机械振动。
而石英晶体的振动又会被电路接收并转换为电信号输出。
这样，石英振动器就实现了电信号到机械振动的转换，以及机械振动到电信号的转换。
石英振动器的关键在于石英晶体的振荡频率稳定性。
石英晶体的晶格结构决定了其具有稳定的共振频率。
通过合理设计石英晶体的尺寸和形状，可以使其在特定频率下产生共振，从而产生稳定的振荡信号。
这种稳定的振荡信号被广泛应用于计时、通信、测量等领域，例如电子钟、无线电收发器、频率计等。
石英振动器利用石英晶体的压电效应来产生稳定的振荡信号。
通过
合理设计石英晶体的尺寸和形状，可以实现特定频率下的共振，从而产生稳定的振荡信号。
石英振动器的工作原理简单可靠，因此被广泛应用于各种精密仪器和设备中。
石英晶振工作原理
石英晶振工作原理石英晶振是一种应用广泛的振荡器元件，它在电子设备中起着非常重要的作用。
石英晶振的工作原理是基于石英晶体的压电效应和谐振特性。
在电子技术领域，石英晶振被广泛应用于时钟电路、计时电路、通信设备等领域。
下面我们来详细了解一下石英晶振的工作原理。
石英晶振是利用石英晶体的压电效应和谐振特性来产生稳定的振荡信号。
石英晶体是一种具有压电效应的晶体材料，当施加外力或外电场时，会产生形变或极化。
同时，石英晶体还具有谐振特性，即在特定的频率下会产生共振现象。
这两种特性共同作用，使得石英晶振能够产生稳定的振荡信号。
石英晶振的工作原理可以简单描述为，当施加外电压到石英晶振上时，石英晶体会产生压电效应，导致晶体内部产生形变和极化。
这种形变和极化会导致石英晶体内部产生机械振动，并且在特定的频率下达到谐振状态。
在谐振状态下，石英晶振会产生稳定的振荡信号，这个信号的频率由石英晶体的物理特性和外部电路的参数决定。
石英晶振的工作频率由其物理尺寸和结构参数决定，通常在几十千赫兹到几百兆赫兹的范围内。
在电子设备中，石英晶振的工作频率非常稳定，具有很高的频率稳定性和温度稳定性，这使得它成为了电子设备中不可或缺的元件之一。
除了稳定的工作频率外，石英晶振还具有快速启动、低功耗、长寿命等优点。
这些优点使得石英晶振在现代电子设备中得到了广泛的应用。
在通信设备中，石英晶振被用于产生稳定的时钟信号；在计算机设备中，石英晶振被用于时序控制和数据同步；在工业自动化领域，石英晶振被用于精密计时和测量等方面。
总的来说，石英晶振是一种非常重要的电子元件，它的工作原理基于石英晶体的压电效应和谐振特性。
通过合理设计和制造，石英晶振能够产生稳定的振荡信号，在电子设备中发挥着重要的作用。
随着电子技术的不断发展，石英晶振的应用范围将会更加广泛，同时也会不断提高其性能和稳定性，以满足不断变化的电子设备需求。
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上图(b)可以看到，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。
如图，石英晶体振荡器工 作于串、并联谐振频率之间 很狭窄的感性区间。因此， 振荡电路可分为两类：
并联型晶体振荡器：振荡
器工作在晶体谐振器的并
联谐振频率附近，晶体作 为等效电感使用。
石英晶体谐振器的电抗曲线
串联型晶体振荡器：振荡 器工作在晶体谐振器的串 联谐振频率，晶体作为短 路元件（串联谐振元）来 使用。
6.8.1 并联谐振型晶体振荡器
这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式LC振荡器 相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作 为一个感性元件，并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。常见有两种基本类型：
皮尔斯电路
密勒电路
皮尔斯振荡电路
振荡频率几乎由石英晶振的参数决定，而石英晶 振本身的参数具有高度的稳定性，且具有高Q值。
合理选择扼流圈的电感量或旁路电容的电容量，高频扼流 圈串接小电阻或并接大电阻。
② 超高频寄生振荡是由电路中的分布参数(引线电感，极 间电容)构成。要消除这类振荡的常用措施是：
粗短的引线，贴片元件，基极、集电极串小无感电阻，隔 直、旁路电容上并小电容。
③ 电源加去耦电路。
6.10.2 间歇振荡
振荡 → 停振 → 振荡 ，这样现率
来说，回路呈感性，振荡器不
满足相位平衡条件，不能产生
振荡。而对于7次及其以上的
泛音频率，回路呈容性，但其
电容量过大，负载阻抗过小，
以致电压增益下降太多，不能
起振。
泛音晶体振荡器交流等效电路
关键：用LC1回路替代了C1。LC1回路必须设计在该电路所利用的n 次泛音和（n-2）次泛音之间
6.8 石英晶体振荡器
从上节振荡器的频率稳定度分析可知，振 荡器的频率稳定度主要取决于振荡回路的标 准性和品质因数。
1、石英晶体特性： 石英晶体具有正、反压电效应：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；
说明：1）正电阻消耗功率，负电阻产生功率 2）正负电阻必须是对交流来说的 3）负电阻提供的能量是从某种能量转换而来 的，而不是说负电阻本身能产生能量。
2、分类
双基极二极管和工作于雪崩击穿状态的三极管 都具有负阻特性。
电压控制型负阻特性
电流控制型负阻特性
电压控制型负阻：
电流控制型负阻：
电流随电压单值变化。当电
一、产生原因 当输入端作用着振荡电压vi 时,晶
体管会经历导通和截止两个过程，导通
时，发射极电流向CE 充电；截止时，CE 向RE 放电，充电电阻远小于RE。
如果 RE、CE 取值过大，电容充电快，放电慢。振荡器起振 后，振幅增大，偏置电压向负值方向增大，使振幅减小，直到 停振。停振后，偏置电压向正值方向增大，达到一定数值后， 振荡器又开始起振。振荡波形如图。
在实际应用时，可在三端式振荡电路中，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 性质不满足三端式振荡电路的判别法则，而 在所需的高次泛音频率上呈现的电抗性质恰 好满足法则，达到起振条件。
例：若泛音晶体的标称泛音次数为5，相应的标称 频率为5MHz，则LC谐振回路应调谐在3～5次泛音频率 之间，如3.5MHz。在5MHz, LC谐振回路呈容性，满足 相位平衡条件。
由于振荡频率调谐在石英晶振标称频率上，其位于 晶振的感性区间，电抗曲线陡峭，稳频性能极好。
密勒振荡电路
6.8.2 串联谐振型晶体振荡器
6.8.3 泛音晶体振荡器
需要工作频率较高的晶体振荡器，方法一：晶体 振荡器后面加倍频器，方法二：多采用泛音晶体振荡 电路。
所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波。它与电 气谐波的主要区别是：电气谐波与基波是整数倍关系， 且谐波与基波同时并存；泛音则与基频不成整数倍关 系，只是在基频奇数倍附近，且两者不能同时存在。 由于晶体片实际上是一个具有分布参数的三维系统， 它的固有频率从理论上来说有无限多个。
6.9 负阻振荡器
负阻振荡器：指一个呈现负阻特性的有源器 件直接与谐振回路相接，可以 产生等幅振荡。主要工作在 100 MHz 以上的超高频段。
1、什么是负阻？其物理意义是什么？
正电阻：电位降方向与电流方向相同，相当于电动 机作用，吸收功率。
负电阻：电位升方向与电流方向相同，相当于发电 机作用，不消耗功率，反而向外界输出功 率。
石英晶体的振动具有基频振动和奇次谐波泛音振动。 前者称为基频晶体，后者称为泛音晶体；
晶体厚度与振动频率成反比，工作频率越高，要求 晶片越薄。机械强度越差，加工越困难，使用中也 易损坏。
石英晶体振荡器的优点： 频率稳定度大大提高
石英晶体的物理和化学性能都十分稳定；
晶体的Ｑ值可高达数百万数量级；
6.10.1 6.10.2 6.10.3 6.10.4
寄生振荡 间歇振荡 频率占据 频率拖曳
6.10.1 寄生振荡
一、产生原因
电路中一些集中参数及分布参数形成寄生振荡回路，产生自 激振荡。
二、抑制措施 破坏寄生振荡回路的振荡条件。
① 低频寄生振荡回路一般由高频扼流圈、隔直电容或旁路 电容构成。要消除这种低频振荡的常用措施是：
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
石英晶体振荡器的缺点： 工作频率范围受限
单一稳定振荡频率工作，不能直接应用于波段振荡 器；
受限于晶体厚度，工作振荡频率不高，在几十MHz 以下。
2、石英晶体振荡器的应用：
符号 基频等效电路
完整等效电路
电压随电流单值变化。当电
压升高到一定值时，电流迅速 流升高到一定值时，电压迅速
下降。其等效电源类似于交流 下降。其等效电源类似于交流
恒压源。
恒流源。
3、负阻振荡器等效电路
-rn r
－rn为负阻器件的等效电阻，LRC为谐振回路
6.10 几种特殊振荡现象
振荡器除了能够正常的振荡，有时还会产生不希望出 现的电路现象，比如寄生振荡、间歇振荡和频率占据以及 频率拖曳现象等。一旦产生将破坏电路的正常工作。下面 讨论它产生的原因和预防措施。