基于石英晶体的正弦波振荡器
9.4 石英晶体正弦波振荡电路
9.4 石英晶体正弦波振荡电路
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石英晶体正弦波振荡电路
1. 石英晶体的特性 （1）结构与压电特性
① 结构与符号 ② 压电特性
当外加交变电场的频率与晶片的固有频率相等时产 生共振，称之为压电振荡，相应的频率称为谐振频率。
（2）等效电路与频率特性 ① 等效电路
很高
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当频率为1MHz时，LC并联 回路等效为感性。符合三点式振荡电路的组成原则，即 满足相位条件，有可能振荡。
（2）是电感三点式并联型石英晶体振荡电路。电路 的振荡频率即为石英晶体的固有频率。
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石英晶体正弦波振荡电路
② 石英晶体有两个谐振频率：
非
呈纯阻性
常
接
近
当
时，呈电感性，曲线很陡，利于稳频。
当
时，晶体电抗近似为零，可作为小电阻使用。
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石英晶体正弦波振荡电路
2. 石英晶体振荡电路 （1）并联型石英晶体振荡电路
并联型石英晶体振荡电 路是利用石英晶体作为一个 电感元件来组成 选频网络， 晶体工作在 fs 与 fp 之间。晶 体与C1、C2构成电容三点式 振荡电路。
振荡频率约等于石英晶体的并联谐振频率 fp2）串联型石英晶体振荡电路
串联型石英晶体振荡
电路是利用石英晶体串联
谐振时阻抗最小的特性组
成振荡电路，晶体工作在
fs 处，即电路的谐振频率 为 fs。
电阻Rf 的大小将影响正反馈强弱，若 Rf太大，则 正反馈过小，电路的幅值条件可能不满足；若Rf 太小， 则正反馈过大，可能导致振荡输出波形明显失真。
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正弦波振荡器(LC振荡器和晶体振荡器)实验
正弦波振荡器（LC 振荡器和晶体振荡器）实验一、实验目的1．掌握电容三点式LC 振荡电路和晶体振荡器的基本工作原理，熟悉其各元件的功能； 2．掌握LC 振荡器幅频特性的测量方法；3．熟悉电源电压变化对振荡器振荡幅度和频率的影响；通过实验进一步了解调幅的工作原理。
4．了解静态工作点对晶体振荡器工作的影响，感受晶体振荡器频率稳定度高的特点。
二、实验仪器1.100M 示波器 一台2.高频信号源 一台3.高频电子实验箱 一套三、实验电路原理1.基本原理振荡器是指在没有外加信号作用下的一种自动将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡能量的装置。
正弦波振荡器在电子技术领域中有着广泛的应用。
在信息传输系统的各种发射机中，就是把主振器（振荡器）所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的。
在超外差式的各种接收机中，是由振荡器产生一个本地振荡信号，送入混频器，才能将高频信号变成中频信号。
振荡器的种类很多。
从所采用的分析方法和振荡器的特性来看，可以把振荡器分为反馈式振荡器和负阻式振荡器两大类。
此实验只讨论反馈式振荡器。
根据振荡器所产生的波形，又可以把振荡器分为正弦波振荡器与非正弦波振荡器。
此实验只介绍正弦波振荡器。
常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成，这就是反馈振荡器。
按照选频网络所采用元件的不同，正弦波振荡器可分为LC 振荡器、RC 振荡器和晶体振荡器等类型。
（1）反馈型正弦波自激振荡器基本工作原理以互感反馈振荡器为例，分析反馈型正弦波自激振荡器的基本原理，其原理电路如图2-1所示。
b V bE cE -1L 2L f V bV '+-图 2-1反馈型正弦波自激振荡器原理电路当开关K 接“1”时，信号源b V 加到晶体管输入端，构成一个调谐放大器电路，集电极回路得到了一个放大了的信号F V 。
当开关K 接“2”时，信号源b V 不加入晶体管，输入晶体管是F V 的一部分b V '。
高频电子线路第四版第7章正弦波振荡器
Av
Av 0 1
1
jQL
0
0
arc
tanQ
0
0
图 7.5.4 并联谐振回路的 相频特性
7.6.1 互感耦合振荡器 7.6.2 电感反馈式三端振荡器
(哈特莱振荡器)
7.6.3 电容反馈式三端振荡器 (考毕兹振荡器)
7.6.4 LC三端式振荡器相位平衡条件 的判断准则
放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交 流电能，不同之处在于：放大器需要外加控制信号而 振荡器不需要。因此，如果将放大器的输出正反回输 入端，以提供控制能量转换的信号，就可能形成振荡 器。
被保留，成为等幅振荡输出信号。（从无到有）
然而，一般初始信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不 能形成一定幅度的输出信号。因此，起振阶段要求
起振条件 A(0 ) F (0 ) 1 （由弱到强）
A (0 ) F (0 ) 2nπ
当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。 稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，
如果由LC谐振回路通过互感耦合将输出信号送
回输入回路，所形成的是互感耦合振荡器。
由互感耦合同名端定义可判知，反馈网络形成 正反馈，满足相位平衡条件。如果再满足起振条件， 就符合基本原理。射基(集)同名
三极管，LC谐振回路
变压器
如果正反馈网络由LC谐振回路中的电感分压电路将输出信号
送回输入回路，所形成的是电感反馈式三端振荡器。
而对于基频和3次泛音频率来 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。
图 7.8.5 泛音晶体振荡器 交流等效电路
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。
LC振荡
1、LC并联电路频率特征
如图为一LC并联回路， R为电路总等效电阻。 （1）谐振频率 电路等效电抗
1 j c Z 1 R j L j c ( R j L )
1 1
i ic u
C
iL
L R
通常电路中感抗远大于电 路损耗，即ωL >>R，则
j L j c j c Z 1 1 R jL R j( L ) j c c L C R j( L ( R j L )
24
D
例 3：
+UCC
设 uB
uC
uC1
C B
A
C1
uC1减小时， uC2如何变化？ i + – i
L
设L 、 C1 、 C2 组成的谐振 网络中的电流为i ，则
duC1 duC 2 i C1 C 2 dt dt
uL
C2 –
+
uC1
u C2
uB
正反馈
频率由 L 、 C1 、 C2 组成的谐振网络决定。
二 、LC 正弦波振荡电路
将电容和电感并联起来，在电容上施加 一定电压后可产生零输入响应。这种响应在 电容的电场和电感的磁场中交替转换便可形 成正弦波振荡。
如果将该电路作为选频网络和正反馈， 再加上基本放大电路和稳幅电路就构成LC 正弦波振荡电路。 LC正弦波振荡电路的选频电路由电感 和电容构成，可以产生高频振荡(>1MHz)。
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fP
1 2 L(C//C o )
fs
C 1 Co
由于C<<Co，所以fp≈fs。 当f>fp时，电抗主要决定于Co，石英晶体又呈容性。 因此，石英晶体电抗的频率特性如图所示，只有在 fs < f < fp 的情况下，石英晶体才呈感性；并且C和Co的容 量相差愈悬殊，fs和fp愈接近，石英晶体呈感性的频带 愈狭窄。 1 L 根据品质因数的表达式： Q
石英晶体振荡电路
第6章 波形发生器
图6-18 串联型晶体振荡电路
晶体接在VT1、VT2组成的正反馈电路中。当振荡频率 等于晶体的串联谐振频率fs时，石英谐振器的阻抗最小，且 为纯阻性，因此反馈最强，且相移为0，电路满足自激振荡
条件，振荡频率为fs。
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6.4 石英晶体振荡电路
第6章 波形发生器
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6.4 石英晶体振荡电路
第6章 波形发生器
6 .4.2 石英晶体的基本特性与等效电路
1.石英晶体的压电效应
石英晶体所以能做振荡电路是基于它的压电效应，从 物理学中知道，若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶 体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，又会在 相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。如在极 板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机 械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动 的振幅是比较小的，其振动频率则是很稳定的。但当外加 交变电压的频率与晶片的固有频率(决定于晶片的尺寸)相等 时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振， 因此石英晶体又称石英晶体谐振器。
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6.4 石英晶体振荡电路
6 .4.1 正弦波振荡电路的频率稳定问题
第6章 波形发生器
振荡频率稳定度，是指振荡器在一定时间间隔(例如1 天、1周、1个月等等)和温度下，振荡频率的相对变化量。 此频率相对变化量可用下式表示
Sf
f
f0fLeabharlann f0 f0式中，Sf为振荡频率稳定度，f0为振荡器标称频率， f是经过一定时间间隔后振荡器的实际振荡频率。Sf值 越小，振荡器的振荡频率稳定度就越高。
2
6.4 石英晶体振荡电路
2.石英晶体的符号和 等效电路
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。
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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。