石英晶体构成的正弦波振荡电路.doc

石英晶体谐振器,简称石英晶体,具有非常稳定的固有频率。对于振荡频率的稳定性要求高的电路,应选用石英晶体作选频网络。一、石英晶体的特点将二氧化硅（SiO2）结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片,再将晶片两个对应的表面抛光和涂敷银层,并作为两个极引出管脚,加以封装,就构成石英晶体谐振器。其结构示意图和符号如右图所示。
1.压电效应和压电振荡在石英晶体两个管脚加交变电场时,它将会产有利于一定频率的机械变形,而这种机械振动又会产生交变电场,上述物理现象称为压电效应。一般情况下,无论是机械振动的振幅,还是交变电场的振幅都非常小。但是,当交变电场的频率为某一特定值时,振幅骤然增大,产生共振,称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率,也称谐振频率。2.石英晶体的等效电路和振荡频率石英晶体的等效电路如下图（a）所示。当石英晶体不振动时,可等效为一个平板电容C0,称为静态电容；其值决定于晶片的几何尺寸和电极面积,一般约为几到几十皮法。当晶片产生振动时,机械振动的惯性等效为电感L,其值为几毫亨。晶片的弹性等效为电容C,其值仅为0.01到0.1pF,因此,C<0。晶片的磨擦损耗等效为电阻R,其值约为100Ω,理想情况下R=0。当等效电路中的L、C、R支路产生串联谐振时,该支路呈纯阻性,等效电阻为R,谐振频率
谐振频率下整个网络的电抗等于R并联C0的容抗,因R<<ω0C0,故可近似认为石英晶体也呈纯阻性,等效电阻为R。当f<fs时,C0和C电抗较大,起主导作用,石英晶体呈容性。当f>fs时,L、C、R支路呈感性,将与C0产生并联谐振,石英晶体又呈纯阻性,谐振频率由于C<0,所以fP≈fS。当f>fP时,电抗主要决定于C0,石英晶体又呈容性。因此,石英晶体电抗的频率特性如上图所示,只有在fs<f<fP的情况下,石英晶体才呈现感性；并且C0和C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。根据品质因数的表达式由于C和R的数值都很小,L数值很大,所以Q值高达104~106。频率稳定度Δf/f0可达10-6~10-8,采用稳频措施后可达10-10~10-11。而LC振荡器的Q值只能达到几百,频率稳定度只能达到10-5。二、石英晶体正弦波振荡电路1.并联型石英晶体正弦波振荡电路如果用石英晶体取代LC振荡电路中的电感,就得到并联型石英晶体正弦波振荡电路,如左下图所示,电路的振荡频率等于石英晶体的并联谐振频率。
2.串联型石英晶体振荡电路如右上图所示为串联型石英晶体振荡电路。电容Cb为旁路电容,对交流信号可视为短路。电路的第一级为共基放大电路,第二级为共集放大电路。若断开反馈,给放大电路加输入电压是,极性上“+”下“-”；则T1管集电极动态电位为“+”,T2管的发射极动态电位也为“+”。只有在石英晶体呈纯阻性,即产生串联谐振时,反馈电压才与输入电压同相,电路才满足正弦波振荡的相位平衡条件。所以电路的振荡频率为石英晶体的串联谐振频率fS。调整Rf的阻值,可使电路满足正弦波振荡的幅值平衡条件。

哈特莱振荡电路与考毕兹振荡电路等LC型振荡电路，其振荡率是由电路中的线圈与电容所决定的。此一线圈与电容器并非只是指电路图上所表示的组件数值，尚包含有晶体管的电极间容量印刷电路铜箔图样内所包含的L，C成分。因此，由于温度、电源等变化所引起的L，C值变化，也会使振荡频率发生变化。而晶体振荡电路为利用压电元件的固有振动数，因此，较不易受电路中的杂散L，C成分的影响，可以得到频率稳定度很好的振荡电路。晶体……压电元件为了提高振荡频率的稳定度，可以使用晶体或陶瓷(Cer-amic)振荡子等压电元件。此除了可以应用于高频率振荡电路以外，尚可以使用于钟表与计数器等基准时间产生电路。压电元件为利用机械振动与电气振动间的相互转换的作用，而且其固有振动数是由几何尺寸所决定的。图25所示的为晶体的电气特性。(由于使用振荡器，可以使频率更为稳定。振荡领域为在串联谐振点fs与并联谐振点fp之间。)图(a)所示的为其等效电路，图(b)所示的为其电抗(Reaetance)特性。fs为串联谐振频率点fp为并联谐振频率点，其谐振频率分别如下：，将晶体与陶瓷振荡器此较，陶瓷振荡器的电感性范围fs～fp为晶体的数十倍。因此，陶瓷振荡器的频率稳定度比晶体差一些。使用皮尔斯振荡电路利用晶体振荡电路所构成的振荡电路称为皮尔斯振荡电路。此一皮尔斯振荡电路为利用晶体的电感性电抗。将此一电感性(L性)部分当做线圈，可以应用在哈特莱电路或考毕兹电路。图26的电路称为皮尔斯B-E电路。其原型为图(b)的哈特莱振荡电路。哈特莱振荡电路的电容器为利用晶体管的集极-基极间电容量Cab。
此一谐振电路的工作原理为振荡频率与f谐振频率fo成为fo>f关系时，此一谐振电路呈现电感性(L)，相当裁于线圈。图(c)所