[信息与通信]通信电子电路于洪珍第四章 第6～9节.ppt

4.6 石英晶体谐振器 近代科学技术的发展对正弦波振荡器的稳定度 要求愈来愈高。例如，作为频率标准的振荡器的频 率稳定度要求达到 以上，而对于LC振荡器，尽 管采用各种稳频措施，但理论分析和实践都表明， 其频率稳定度一般只能达到 ，究其原因主要是 回路的Q 值不能做得很高（约200以下）。石英晶体 振荡器就是以石英晶体谐振器取代LC振荡器中构成 谐振回路的电感、电容元件所组成的正弦波振荡 器，它的频率稳定度可达 数量级。 石英晶体振荡器之所以具有极高的频率稳定度，其关键是采用了石英晶体这种具有高Q 值的谐振元件。 由石英谐振器（石英晶体振子）构成的振荡电路通常叫“晶振电路”。晶体振荡器电路的种类很多，但从晶体在电路中的作用来看分两类： 一类是工作在晶体并联谐振频率附近，晶体等效为电感的情况，叫做“并联晶振电路”。 另一类是工作在晶体串联谐振频率附近，晶体近于短路的情况，叫做“串联晶振电路”。 一、石英晶体的压电效应及等效电路 1. 等效电路和符号 2.石英谐振器的特点 等效电感Lq非常大，而Cq和rq都非常小，所 以石英谐振器的Q 值非常高（ ），可 以达几万到几百万，因此石英晶体谐振器的振荡 频率稳定度非常高。 3. 等效参数 一般常用石英谐振器的等效参数大致是： Cq大约0.005 ~ 0.1pF ；C0大约2pF ~ 5pF ； rq大约1欧姆到几十欧姆； Q大约105；Lq大约100H（频率约100 kHz）；1H （频率约1MHz）；10mH（频率约10MHz）。 Lq的数值取决于晶片的厚度，低频晶体较厚，质 量较大，动态电感Lq 较大，而高频晶体较薄，质量 较小，所以Lq较小。 二、石英晶体的阻抗特性 从等效电路可看出，石英谐振器有两个谐振频率，串联谐振频率和并联谐振频率。 1.串联谐振频率 fs 在等效电路中，Lq、Cq组成串联谐振回路，串联谐振频率为 2. 并联谐振频率 fp 如果将C0 也考虑进去，则Lq、Cq与C0 组成并联谐振回路，并联谐振频率为 由于 ，所以fp 和fs 相隔很近， 由式（4-38）有 3. 电抗—频率曲线（rq =0） 不计动态电阻 rq 时的等效阻抗 由上式看出： 当 时，Lq 、Cq支路产生串联谐振，Z =0 ； 当 时，产生并联谐振， 或 时， ，电抗呈容性； 时， ，电抗呈感性。 由于 与 两谐振频率与之差很小，所以呈感 性的阻抗曲线非常陡峭。实用中，石英谐振器工 作在频率范围窄的电感区（可以把它看成一个电 感），只是在电感区，电抗曲线才有非常大的斜 率（这对稳定频率很有利），电容区是不宜使用 的。 4.考虑 rq 的晶体等效阻抗特性 这时，晶体的等效阻抗 Z 表达式为 三、石英谐振器的频率温度特性 虽然石英谐振器等效回路具有高Q 的优点，但是，如果它的电参数不稳定，仍然不能保证频率稳定度的提高。这还要看温度变化时，它的频率是否稳定。 在一定的温度范围之内，石英晶体的各电参量具有较小的温度系数。具体情况与晶片切割类型有关。 四、石英谐振器频率稳定度高的原因 1.它的频率温度系数小，用恒温设备后，更可保证频率稳定。 2.石英谐振器的Q值非常高，在谐振频率fp或 fs 附近，相位特性变化率很高（相频特性的斜率很大），这有利于稳频。 3.石英谐振器的 ，使振荡频率基本上由Cq和 Lq 决定，外电路对振荡频率的影响很小。 4.7 石英晶体振荡器电路 由石英谐振器（石英晶体振子）构成的振荡电路通常叫“晶振电路”。 并联晶振电路——工作在晶体并联谐振频率附近，晶体等效为电感； 串联晶振电路——工作在晶体串联谐振频率附近，晶体近于短路。 一、并联晶振电路 1. 电路 电路由晶体与外接电容器或线圈构成并联谐振回路，按三点线路的连接原则组成振荡器，晶体等效为? 理论上可以构成三种类型基本电路，但在实际应用中常用的是图所示的电路，称“皮尔斯”电路。这种电路不需外接线圈，而且频率稳定度较高。 2．振荡频率 f0的确定 这里，晶体等效为电感，晶体与外接电容（包括 4.5／20pF与 20pF