3.3.1石英晶体振荡器-四川信息职业技术学院.ppt

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四川信息职业技术学院·电子工程系 任务3.3 石英晶体振荡器 3.3.1 石英晶体振荡器 3.3.2 寄生振荡和间歇振荡简介 石英晶体振荡器是用石英晶体谐振器来控制振荡频率的一种三点式振荡器。 一般LC振荡器的频率稳定度只能达到10-3~10-4数量级,改进型电容三点式振荡器的频率稳定度也只有10-4 ~10-5 数量级。然而在许多场合,往往要求频率稳定度优于10-5数量级,这时就必须采用石英晶体振荡器 ,它是用石英谐振器作为振荡回路元件的具有高稳定度(可达10-9 ~10-11数量级)的振荡器。 优点:频率稳定度高。适合作标准频率信号源,但其带负载能力差。 §3.3.1 石英晶体振荡器 一. 石英谐振器 石英晶体是一种各向异性的结晶体,其主要成分是二氧化硅,具有稳定的物理化学性能。从一块晶体按一定方位角切割下来的薄片,称为晶片或石英谐振器。在晶片的两面涂上银层作为电极,两电极各自焊出引线固定在管角上,并密封在金属壳中,便构成了石英谐振器。 石英谐振器(即石英晶体滤波器)简称晶体,与陶瓷滤波器一样,它也是利用石英晶体的电压效应而制成的,具有谐振特性。 晶体外形 内部结构 石英谐振器 当石英晶体两面加机械力时,晶片两面将产生电荷,电 荷的多少基本上与机械力所引起的形变成正比,电荷的正 负将取决于所加机械力是张力还是压力而异。由机械形变 引起产生电荷的效应称为正压电压效应,交变电场引起石 英晶体发生机械形变(压缩或伸展)的效应称为反压电效应。 1. 正反压电效应 电路符号 等效电路 2.石英晶体的等效电路 L1、C1、R1分别为石英晶体的模拟动态等效电感、等效电容和损耗电阻,C0为静态电容,它是以石英为介质在两极板间所形成的电容。一般石英谐振器的参数范围约为:R1=10~140Ω;L1=0.01~10H;C1=0.004~0.1PF;C0=2~4PF。 1)高Q值 3.石英谐振器的特点 其Q值很高,可达104~106,这是普通LC电路无法相比的。 说明其选频作用非常好。 有两个谐振频率fq和fp 2) 石英谐振器的两个谐振频率 串联谐振频率 并联谐振频率 且有fq略小于fp (小于几十赫兹到几百赫兹) 3)石英谐振器的电抗特性曲线 当信号频率f fq时,石英晶体相当于一个电容;当f = fq时,石英晶体相当于短路;当fq f fp时,石英晶体相当于一个特殊电感;当f = fp时,石英晶体相当于开路;当f fp时石英晶体又相当于一个电容。 当Lq、Cq、Rq支路发生串联谐振时,电抗为零,则石英谐振器的阻抗为纯电阻Rq,由于Rq很小,可视为短路,说明石英晶体在这种情况下可充当特殊短路元件使用。 当fqffp时,石英谐振器等效电路呈电感性,这个区域很窄, 石英谐振器充当一个等效电感。不过此电感是一个特殊的电感,它仅存在于fq与fp之间,且随频率f的变化而变化。 一般为10-3~10-4数量级. 石英晶体与外电路的耦合是很弱的,这样就削弱了外电路与石英谐振器之间的相互不良影响,从而保证了石英谐振器的高Q值,因此,石英晶体振荡器振荡频率的稳定度和标准性都很高。 4)接入系数很小 石英谐振器作为振荡回路中的电感元件,它能使振荡器的频率稳定度大大提高,其原因在于: 1. 石英晶体的物理化学性能十分稳定,外界因素对其性能影响很小。 2. 石英谐振器的Q值极高,其稳频作用极强。 3. 石英谐振器在fqffp 的相当窄的频率范围内,其感抗从零变到无穷大,因此它相当于一特殊电感,极其陡峭的电抗特性使晶体对频率变化的自动调整灵敏度极高,稳频作用就极强。实际上,由于晶体被当作一个电感元件来使用,则其工作频率被限制在fqffp内,外界因素对振荡频率的影响再大,也不能使它超出这个很窄的频率范围,因此,振荡频率的变化很小,它的频率稳定度就很高 。 稳频原理 4. 石英谐振器的接入系数极小,使振荡器中振荡回路与管子之间的耦合非常弱,于是,外电路中不稳定因素对回路的影响将大大减小,其频率稳定度就很高。 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。 石英晶体振荡器可分为并联型和串联型两类电路。 二、石英晶体振荡电路 1.并联型晶体振荡电路 并联型晶体振荡器是把晶体作为回路电感,与其他回路元件组成三点式振荡器。工作原理和一般三点式LC振荡器相同,只是把其中的一个电

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