石英晶體正弦波振蕩電路

石英晶體正弦波振蕩電路

石英晶體諧振器, 簡稱石英晶體, 具有非常穩定的固有頻率。 對于振蕩頻率的穩定性要求高的電路, 應選用石英晶體作選頻網絡。

一、石英晶體的特點

將二氧化硅（SiO2）結晶體按一定的方向切割成很薄的晶片, 再將晶片兩個對應的表面拋光和涂敷銀層, 并作為兩個極引出管腳, 加以封裝, 就構成石英晶體諧振器。 其結構示意圖和符號如右圖所示。

1.壓電效應和壓電振蕩

在石英晶體兩個管腳加交變電場時, 它將會產有利于一定頻率的機械變形, 而這種機械振動又會產生交變電場, 上述物理現象稱為壓電效應。一般情況下, 無論是機械振動的振幅, 還是交變電場的振幅都非常小。 但是, 當交變電場的頻率為某一特定值時, 振幅驟然增大, 產生共振, 稱之為壓電振蕩。 這一特定頻率就是石英晶體的固有頻率, 也稱諧振頻率。

2.石英晶體的等效電路和振蕩頻率

石英晶體的等效電路如下圖（a）所示。 當石英晶體不振動時, 可等效為一個平板電容C0, 稱為靜態電容；其值決定于晶片的幾何尺寸和電極面積, 一般約為幾到幾十皮法。 當晶片產生振動時, 機械振動的慣性等效為電感L, 其值為幾毫亨。 晶片的彈性等效為電容C, 其值僅為0.01到0.1pF, 因此, C

當等效電路中的L、C、R支路產生串聯諧振時, 該支路呈純阻性, 等效電阻為R, 諧振頻率

諧振頻率下整個網絡的電抗等于R并聯C0的容抗, 因R

當f

當f>fs時, L、C、R支路呈感性, 將與C0產生并聯諧振, 石英晶體又呈純阻性, 諧振頻率

由于C

當f>fP時, 電抗主要決定于C0, 石英晶體又呈容性。 因此, 石英晶體電抗的頻率特性如上圖所示, 只有在fs

根據品質因數的表達式

由于C和R的數值都很小, L數值很大, 所以Q值高達104~106。 頻率穩定度Δf/f0可達10-6~10-8, 采用穩頻措施后可達10-10~10-11。 而LC振蕩器的Q值只能達到幾百, 頻率穩定度只能達到10-5。

二、石英晶體正弦波振蕩電路

1.并聯型石英晶體正弦波振蕩電路

如果用石英晶體取代LC振蕩電路中的電感, 就得到并聯型石英晶體正弦波振蕩電路, 如左下圖所示, 電路的振蕩頻率等于石英晶體的并聯諧振頻率。

2.串聯型石英晶體振蕩電路

如右上圖所示為串聯型石英晶體振蕩電路。 電容Cb為旁路電容, 對交流信號可視為短路。 電路的第一級為共基放大電路, 第二級為共集放大電路。 若斷開反饋, 給放大電路加輸入電壓是, 極性上“+”下“-”；則T1管集電極動態電位為“+”, T2管的發射極動態電位也為“+”。 只有在石英晶體呈純阻性, 即產生串聯諧振時, 反饋石英晶體正弦波振蕩電路電壓才與輸入電壓同相, 電路才滿足正弦波振蕩的相位平衡條件。 所以電路的振蕩頻率為石英晶體的串聯諧振頻率fS。 調整Rf的阻值, 可使電路滿足正弦波振蕩的幅值平衡條件。

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