第5章(4)石英晶体振荡器讲解
高二物理竞赛课件石英晶体振荡器
Uom
R1 R2
UZ
T1
2R1RW C R2
T2
2R1RW C R2
T
T1
T2
2 R1 RW C R2
uO1
UZ
O
uOUZ
Uom
O
Uom
图 8.5.8
T2
T1
t
t
T
图
2
2
t
解得： T 2RC ln(1 2R1 )
UZ
R2
图 8.5.3
结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电
阻，即可改变振荡周期。
四、占空比可调的矩形波发生电路
使电容的充、放电时间常数不
同且可调，即可使矩形波发生器的
占空比可调。
uC
充电时间 T1
放电时间 T2
O
t 占空比 D
图 8.5.4
T
T
2
2
又一次跳变， uO = + UZ
O
t
图
UZ
三、振荡周期
电容的充放电规律：
uC
R1 R1 R2
UZ
t
uC (t ) uC (0) uC () e uC ()
O t1
t2
t3
t
对于放电，
R1 R1 R2
UZ
uC
(0)
R1
R1 R2
UZ
uO
UZ
T
T
uC () UZ RC
O
并联谐振频率
图
电抗频率特性
X 感 性
fp 2
1 L CC 0
fs
1 C C0
C C0
O
fs fp
f
晶体振荡原理
石英晶体、晶振介绍文摘2010-10-25 23:36:39 阅读50 评论0 字号：大中小订阅石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器、手机等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
可以说只要需要稳定时钟的地方，就必需要有晶体振荡器。
一：认识晶体、晶振常见晶体振荡器有两类，一类是无源晶体，也叫无源晶振，另一类是有源晶振，也叫钟振。
无源晶体外形如下图：（HC-49S 插脚）（HC-49S/SMD 贴片）无源晶体以以上两种封装的晶体最为常用，广泛应用于普通设备上，尤其是嵌入式设备，若对体积大小有要求，可以选择更小的贴片封装，如下图：（XG5032 贴片）（XS3225 贴片1，3脚有效，2，4脚为空脚）当前消费类电子如手机，MP4，笔记本等，XS3225封装最为常用。
具体关于晶体的封装及参数信息，请参考国内最大的高端晶体晶振厂家：浙江省东晶电子股份有限公司网站提供的信息：/product.aspx/23无源晶体说穿了就是封装了一下晶体，在晶体两面镀上电极引出两根线即可，那么有源晶振就是在无源晶体的基础上加了一个晶体振荡电路，，比如采用一个74HC04或者54HC04之类的非门与晶体勾通三点式电容振荡电路，所以它具有电源，地，时钟输出三个脚，有些还会增加一个脚，就是晶振工作控制脚，当不需要工作的时候，可以关掉晶振降低功耗。
如下图：（OS3225 与XS3225外形一样，只是脚位定义不同1：EN控制脚，2：GND地，3：OUT信号输出，4：VCC电源，一般为3.3V 或者5V）。
晶振内部振荡电路等效图如下：非门5404的输出脚2就是信号输出脚。
二：晶体振荡电路原理分析（本篇由东晶电子网上独家代理创易电子提供技术文档）我们以最常见得MCU振荡电路为例,参考电路如下：很多人做MCU51单片机得时候，不明白晶体两边为什么要加两个电容，大小一般在15pF～33pF之间，有些特殊的，还需要在晶体上并联一个大电阻，一般老师的解释是提高晶体振荡电路的稳定性，有助于起振,而对于其根本原理没有解释。
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。
37
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。
29
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。
13
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
石英晶体振荡器原理
石英晶体振荡器原理石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。
其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
1.晶振概述晶振一般指晶体振荡器。
晶体振荡器BAV99-7是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片），石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振；并添加到包装内部IC形成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。
其产品一般用金属壳包装，也用玻璃壳包装.陶瓷或塑料包装。
2.晶振的工作原理石英晶体振荡器是一种由石英晶体压电效应制成的谐振器件。
其基本组成大致如下：从石英晶体上按一定方向角切下薄片，在两个对应面涂上银层作为电极，在每个电极上焊接一根导线，连接到管脚上。
此外，封装外壳构成石英晶体谐振器，简称石英晶体或晶体.晶体振动。
其产品一般用金属外壳包装，也有玻璃外壳.陶瓷或塑料包装。
如果在石英晶体的两个电极上增加一个电场，晶片就会发生机械变形。
相反，如果在晶片两侧施加机械压力，就会在晶片的相应方向产生电场，这种物理现象称为压电效应。
如果在晶片的两极上增加交变电压，晶片会产生机械振动，晶片的机械振动会产生交变电场。
一般来说，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常小，但当外部交变电压的频率为特定值时,振幅明显增远大于其他频率,称为压电谐振，与1C电路的谐振现象非常相似。
其谐振频率与晶片切割方法相似。
.几何形状.尺寸等相关。
晶体不振动时，可视为平板电容器，称为静电电容器C,晶片的大小和几何尺寸.与电极面积有关，一般几种皮法到几十种皮法。
当晶体振荡时,机械振动的惯性可以与电感1相等。
一般1值为几十豪亨到几百豪亨。
电容C可以等效晶片的弹性，C值很小，一般只有O.0002~0.1皮法。
石英晶体振荡器分析PPT学习教案
第7页/共32页
二、频率稳定度分析
根据式5.4.6
1 LC
rG 1(变压器耦合)，振荡器的
ω主要取决于回路的L、C，当然也与晶体管的参数(G∑)
有关。从相位平衡条件可知，电路中任何一个相角发生变化 都会使振荡频率产生变化，而使振荡器重新平衡在某一新的 频率上。例如温度、湿度、电源电压、负载等的变化以及机 械振动的影响都有可能引起回路元件参数(L、C、Q等)。有 源器件参量和相角 、 、 发生变化，而使ω发生变化。
令定α因代素表α和外频界率不的稳函定数因。素所，Y以由相于位振Z 平荡衡器F条各件相可角以都写是成外：界不稳
第8页/共32页
, Y , Z , F , A, F , 0
5.6.9
当α变化时，ω也相应变化，只要相位平衡条件重新得
到满足，则 , 0
对式5.6.9全微分
, Y Z F Y Z F 0
ui ,相当于提高了回路的补充能量，使频率提高
；
2、u外i ,相因当使于减小了，回0表路示的反补馈充电能压量，uf滞使后频原率先下的降输入电压；
不论上述哪种情况，频率随相 位的变化趋势是：
0
0
0
第5页/共32页
为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必须使得频率变化 时产生相反方向的相位变化，以补偿外因引起的相位变化。 因此，相位平衡的稳定条件是：
由物理知识可知，任何平衡都要相应地考虑是否稳定平 衡。所谓稳定平衡是当外因使系统偏离原来的平衡状态，一 旦外因消除后，系统能自动地恢复到原来的状态；否则就是 不稳定平衡。例如一个小球放置在抛物面形的锅底就属于稳 定平衡，杂技表演者用头顶篮球就是不稳定平衡。
高频振荡器实验-石英晶体振荡器
实
调整RW1电位器，使IC=2mA
验
调整时采用间接测量法。 ：即用直流电压表测量晶体管发射极对
数
地电压，并将测量结果记录于表中。
据
BG1
Re=1K
记
Vb
Ve
Vce
Ic计算值
录
四、实验应会技能
实验内容二： 振荡器的频率与幅度调测
实验准备
SW1“右”（LC振荡） SW2“左”（RL=110K）
SW3“左”（C2=330Pf）
fo 1
2 LC
三、实验应知知识
6与.3考毕串兹联电型路相改进电容三端式振荡器(克拉泼电路)
比，电在路电组感成L如上图串示：
联特一点个是电在容考。毕但兹电路的基础上，
它用有一以电下容特C点3与：原电路中的电感L相 1可串、不。振影功荡响用频反主率馈要改系是变以增加回路总电 数容。和减小管子与回路间的耦合来
三点式
三点电容（考毕兹） 三点电感（哈特莱）
改进三 点式
电容串联改进（克拉泼） 电容并联改进（西勒）
串联型
皮尔斯
并联型
密勒
① 放大网络 三、实验应知知识 以有源器件为主体，起能量转换作用，将直流电源提供的能量，通过振荡系统转
换§成4固反定频馈率型的交正流能弦量波，即振构荡成驱器动的系统电。路构成与工作原理
－
•
Vo
正反馈网络
•
Vf
－
－
－
•
Vf
谐振放大＋ 器输出的信号电压经反馈网络产生回授电压uf，作为正回授反馈 到基极。且uf>ui。经放大后再输出，再回授。
振荡器只要满足A*F>1，振荡器则周而复始形成对某单一频率信号放大—回 授,且有uin>ui2>ui1.从而形成振荡过程，实现将直流能量转换成交流信号。
石英晶体振荡器ppt课件
24
;
EXIT
例
一晶体振荡电路如图 4.25(a)所示，其中 C1 为 300pF、C2 从 5pF～22pF 可变、C3 为 1600pF、L 为 3.9uH，试分析该电路中晶体的作用，并求出该电路的振荡频 率。
高频晶体通常标CL为30pF或
2) 要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、 振坏
晶片；过小会使噪声影响大，输出减小，甚至停振。
16
;
EXIT
4. 泛音晶体 机械振动的谐波称为泛音。
奇次
利用基频振动称为基频晶体，利于泛音振动称为泛音晶体。
石英晶体基频越高，晶片越薄，加工难并易碎，故要求 频率高时使用泛音频率。多用三次和五次的。
当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大。 压电谐振
11
;
EXIT
2. 石英谐振器的基本特性与等效电路
C0 是 晶 片 的静态电容，相 当于平板电容， 即由晶片作介质， 镀银电极和支架 引线作极板构成。 几～十几pF
Lq、Cq、rq为晶片振动时的等效动态电感、电容 和摩擦损耗。 Lq很大，几十～几百mH；Cq很小，百分 之几pF； rq 为几～几百欧。
EXIT
2. 石英谐振器的基本特性与等效电路
X fS
容性
感性 fP
f 容性
石英谐振器只在 fs 和 fp 之间的很窄频率范围 内呈感性，且感抗曲线很陡，故当工作于该区域时，
具有很强的稳频作用。一般不用电容区。
14
;
EXIT
2. 石英谐振器的基本特性与等效电路 实际使用时外接一小电容Cs
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1 则振荡频率ω为： 0 1 2Q tan YF
对式5.6.12全微分得：
0 Q YF 0 Q YF tan YF 1 2Q 0 0 1 0 tan YF 2Q 2 Q 2Q cos 2 YF YF
当
tan YF 1 时， 2Q
0
0
0
tan YF YF Q 2Q 2 2Q cos 2 YF
5.6.13
该式表明了 0、Q、YF 对频率稳定度影响的定量 关系，可以看出： (1) 0、Q、YF 均影响振荡器的频率稳定度； (2) 0 对频率稳定度的影响最严重；
荡频率，可选的集中参数电容容量大，降低不稳定电容占回
路总电容量的比重。所以，为了提高频率稳定度，在无线电 设备中总是希望主振器工作在较低的频段，然后采用倍频的 方法达到规定的频率。另外一种方法是在满足起振的条件下
尽量减小回路与负载、有源器件之间的耦合，即采用部分接 入的方法。 ㈣. 提高回路的有效Q值。采用先进工艺提高线圈本身 的Q值。
第5章 正弦波振荡器
(4)石英晶体振荡器
5.7.1 5.7.2 石英振荡器的性能与等效电路 石英晶体振荡器
作业： P185
5.18
5.19
5.6 振荡器的频率稳定度
频率稳定度是振荡器非常重要的电气指标之一。例如电
子钟时钟频率不稳，直接影响计时的精度；FM广播如FM发射
频率非常稳定，就可实现自动播音，取代有线广播。 5.6.1 频率准确度和频率稳定度 评价振荡频率的主要指标是频率准确度和稳定度。 频率准确度表明实际工作频率偏离标称频率的程度。它
Y Z F 0 0 Z
5.6.10
Байду номын сангаас
从式5.6.10可知提高振荡器频率稳定度的一般规律： (1) 要小。要尽量减小外界不稳定因素α的变化，最主要 的是减小振荡回路固有频率 (2) 分子
Y Z F
二、频率稳定度分析
1 rG 1(变压器耦合)，振荡器的 根据式5.4.6 LC
ω主要取决于回路的L、C，当然也与晶体管的参数(G∑) 有关。从相位平衡条件可知，电路中任何一个相角发生变化 都会使振荡频率产生变化，而使振荡器重新平衡在某一新的
频率上。例如温度、湿度、电源电压、负载等的变化以及机
其振荡的幅度、频率(相角)不随时间而变化。即使有变化， 希望它尽快地恢复到原来的稳定状态。 不稳定因素也会破坏相位平衡条件。如电流电压的波动 或者工作点的变化会使晶体管Yfe的相角φ fe发生变化。相角 的变化必然会引起频率的变化。因为 d
二种可能情况： 1、外因使 0 ，表示反馈电压 uf超前原先的输入电压 ui ,相当于提高了回路的补充能量，使频率提高 0 ； 2、外因使 0 ，表示反馈电压 uf滞后原先的输入电压 ui ,相当于减小了回路的补充能量，使频率下降 0 ； 不论上述哪种情况，频 率随相位的变化趋势是： 0
tan YF (3) △Q对频率稳定度的影响要考虑到系数 ，Q越高， 2Q 2
(4)
YF 越小，△Q的影响越弱； 1 YF 对频率稳定度的影响要考虑到系数 2Q cos
YF 越小，则 YF 的影响越弱。 越高，
2
YF
，Q
结论：要提高频率稳定度，首先要提高回路的标准性。 所谓回路的标准性就是指回路在外界因素变化时保持其固有 谐振频率不变的能力。| | 越小标准性越高。此外，要求Q 值要高，YF 要小。
F 为反馈网络相移。
Y Z F
当 |
5.6.8
Y Z F Z || |， | || |时 Z
Z 0
因此，相位的稳定条件为
由此可见，振荡器的相位平衡条件是靠并联回路 的相频特性来保证的。回路的品质因数Q值越高，这 种稳频能力越强。
谐回路锁定装置。
(2)温度：将主要元器件放在恒温槽中。合理选择回路元 件的材料，如选用膨胀系数小的金属材料和介质材料。采用 正负温度补偿。也可用热敏电阻稳定偏置。 (3)湿度和大气压力：将振荡器和主要元件密封，还可选
用吸潮性较小的介质和绝缘材料。
(4)电源电压：采用性能好的稳压电源，振荡器单独供电。 (5)周围电磁场的影响：采用电磁屏蔽措施。 (6)负载变化：加缓冲级（跟随器）。 (7)老化：预先对元器件进行老化处理。
0
1 LC
的变化量
越小越好，在外界因素α变化时，
、 、 Y、Z、F 的变化量尽量小。或者设法使 三个量
Y Z F
不完全同号，相互抵消。 (3) 分母
Z
越大越好。即要求并联谐振回路相频特性的斜
率要大，在较小斜率增量作用下，能产生足够的相位来补偿 外因所引起的 Y、F 的相移。 由并联振荡回路的相频特性可知，Q越高，ω越接近ω0 相频特性就越大。因此应尽量提高Q值，减小 Z 相角。 以上研究了提高频率稳定度的原则性措施，为了将上述
频率稳定度表示。
| f f o |max fo
5.6.3
时间间隔
频率稳定度按时间间隔分为:
长期频率稳定度——数月或一年内的相对频率准确度; 短期频率稳定度——一天内的相对频率稳定度;
瞬时频率稳定度——秒或毫秒内的相对频率稳定度。
频率稳定度数据处理方法有: 1.均方根值表示法：它是用在指定的时间间隔内测得的各频 率准确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的。即
械振动的影响都有可能引起回路元件参数(L、C、Q等)。有
Z 、 F 发生变化，而使ω发生变化。 源器件参量和相角 Y 、
令α代表外界不稳定因素，由于振荡器各相角都是外界不稳 定因素α和频率的函数。所以相位平衡条件可以写成：
, Y , Z , F , A , F , 0
dt
为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必须使得频率变化 时产生相反方向的相位变化，以补偿外因引起的相位变化。
因此，相位平衡的稳定条件是：
而振荡器的相移:
0
g
5.6.6
A F Y Z F
5.6.7
Z 为回路相移， Y 为晶体管正向传输导纳相移，， 式中，
电感线圈。其特点是损耗小且温度膨胀系数小，吸水性小。
高质量的电容则采用膨胀系数小的金属（如殷钢）作极片的
空气电容或云母电容器。还可以采用温度补偿的方法。 ㈡. 减小分布电容和引线电感。引线尽可能短，且应有 足够的机械强度，各引线和元器件的连接和安装尽可能牢 靠。 ㈢. 减小不稳定电容对回路标准性的影响，即减小不稳 定电容在回路中所占的比重。可以有两种方法，一是降低振
Y Z F Y Z F F 对频率变化的敏感性远小于Z 对频率变化的 由于 Y 、
因而
敏感性，即
Z Y F
又ω≈ω0则上式可近似写成
C L 即 0 1
0
5.6.14
2 C
L
式中负号表示L或C增加时，ω0降低。可见谐振频率相
对变化量的L和C的相对变化量之和成正比。因此，提高回路
的标准性，也就是当外界因素变化时，减小L和C的相对变化 量。 ㈠. 采用高质量的回路元件 目前使用较广的是在高频陶瓷上用烧渗银的方法制成的
Y 及其变化量 (2) 减小相角 F、
㈠. Y 是平均正向传输导纳的相角，它主要由以下两个
原因产生：一是载流子在基区渡越时间的影响。二是高次谐
波的影响。前者可选用fT高的晶体管，使Y减小，通常选 fT=10f 。后者，主要是因为回路的Q值有限，高次谐波在回 路上总有一定的压降，使得回路电压uC不是理想的正弦波而
措施具体化，下面讨论振荡频率与电路参量之间的关系。
并联谐振回路的相频特性为：
由相位平衡条件： Z 得
Z arctan arctan 2Q 0
5.6.11
即
Y F Z YF 0 arctan 2Q YF 0 0 0 2Q 2Q( 1) tan YF 0 0
（长期频率稳定度）
2
n
1 f n i 1 fo
n
f f o
5.6.4
f 1 n f lim 式中,n为测量次数， f o n n i 1 fo
为n个测量数据的平均值。 i
可以分为绝对频率准确度和相对频率准确度。 定义：绝对频率准确度 f f f o
相对频率准确度
f fo f fo fo
5.6.1 5.6.2
式中，f为实际工作频率，fo为标称频率。 频率稳定度：是在指定时间间隔内频率准确度变化的最
大值。也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度。常用相对
5.6.3 提高频率稳定度的措施
要提高频率稳定度可采取如下两方面的措施：1.减小
YF 的影响，即为外界因 △α ；2.减小外界因素对ω 0、Q、
素变化时，设法使△ω 0、△Q、△YF 尽可能小。 1. 减小外界因素变化△α的措施
影响振荡频率的外界因素主要有：机械振动，环境温度
的变化、湿度及大气压力的变化、电源电压的变化、周围电 磁场的影响、负载不稳定等。 (1)机械振动：回路线圈、电容应具有较高的机械强度， 底板和屏蔽罩必须结实。元器件焊接牢固。加防震措施和调
到满足，则
,
5.6.9
当α 变化时，ω 也相应变化，只要相位平衡条件重新得
, 0
对式5.6.9全微分