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(wěn)定的固有頻率。 對于振蕩頻率的穩(wěn)定性要求高的電路, 應選用石英晶體作選頻網(wǎng)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(chǎn)有利于一定頻率的機械變形, 而這種機械振動又會產(chǎn)生交變電場, 上述物理現(xiàn)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(chǎn)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(tài)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(chǎn)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?shù)刃щ娐分械腖、C、R支路產(chǎn)生串聯(lián)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(wǎng)絡的電抗等于R并聯(lián)C0的容抗, 因R

當f

當f>fs時, L、C、R支路呈感性, 將與C0產(chǎn)生并聯(lián)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(jù)品質因數(shù)的表達式

由于C和R的數(shù)值都很小, L數(shù)值很大, 所以Q值高達104~106。 頻率穩(wěn)定度Δf/f0可達10-6~10-8, 采用穩(wěn)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(wěn)定度只能達到10-5。

二、石英晶體正弦波振蕩電路

1.并聯(lián)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(lián)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(lián)諧振頻率。

2.串聯(lián)型石英晶體振蕩電路

如右上圖所示為串聯(lián)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(tài)電位為“+”, T2管的發(fā)射極動態(tài)電位也為“+”。 只有在石英晶體呈純阻性, 即產(chǎn)生串聯(lián)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(lián)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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