AN2867
应用笔记
ST微控制器振荡器电路
设计指南
前言
大多数设计者都熟悉基于Pierce(皮尔斯)栅拓扑结构的振荡器，但很少有人真正了解它是如何工
作的，更遑论如何正确的设计。我们经常看到，在振荡器工作不正常之前，多数人是不愿付出
太多精力来关注振荡器的设计的，而此时产品通常已经量产；许多系统或项目因为它们的晶振
无法正常工作而被推迟部署或运行。情况不应该是如此。在设计阶段，以及产品量产前的阶
段，振荡器应该得到适当的关注。设计者应当避免一场恶梦般的情景：发往外地的产品被大批
量地送回来。
本应用指南介绍了Pierce振荡器的基本知识，并提供一些指导作法来帮助用户如何规划一个好的
振荡器设计，如何确定不同的外部器件的具体参数以及如何为振荡器设计一个良好的印刷电路
板。
在本应用指南的结尾处，有一个简易的晶振及外围器件选型指南，其中为STM32推荐了一些晶
振型号(针对HSE及LSE)，可以帮助用户快速上手。
目录ST微控制器振荡器电路设计指南目录
1石英晶振的特性及模型3
2振荡器原理5
3Pierce振荡器6
4Pierce振荡器设计7
4.1反馈电阻R F7
4.2负载电容C L7
4.3振荡器的增益裕量8
4.4驱动级别DL外部电阻R Ext计算8
4.4.1驱动级别DL计算8
4.4.2另一个驱动级别测量方法9
4.4.3外部电阻R Ext计算 10
4.5启动时间10
4.6晶振的牵引度(Pullability) 10 5挑选晶振及外部器件的简易指南 11 6针对STM32?微控制器的一些推荐晶振 12
6.1HSE部分12
6.1.1推荐的8MHz晶振型号 12
6.1.2推荐的8MHz陶瓷振荡器型号 12
6.2LSE部分12 7关于PCB的提示 13 8结论14
1 石英晶振的特性及模型
石英晶体是一种可将电能和机械能相互转化的压电器件，能量转变发生在共振频率点上。它可用如下模型表示：
图1石英晶体模型
C0：等效电路中与串联臂并接的电容(译注：也叫并电容，静电电容，其值一般仅与晶振的尺寸有关)。
L m：(动态等效电感)代表晶振机械振动的惯性。
C m：(动态等效电容)代表晶振的弹性。
R m：(动态等效电阻)代表电路的损耗。
晶振的阻抗可表示为以下方程(假设R m可以忽略不计)：
图2石英晶振的频域电抗特性
其中F s的是当电抗Z=0时的串联谐频率(译注：它是L m、C m和R m支路的谐振频率)，其表达式如下：
F a是当电抗Z趋于无穷大时的并联谐振频率(译注：它是整个等效电路的谐振频率)，使用等式
(1)，其表达式如下：
在F s到F a的区域即通常所谓的：“并联谐振区”(图2中的阴影部分)，在这一区域晶振工作在并联谐振状态(译注：该区域就是晶振的正常工作区域，F a－F s就是晶振的带宽。带宽越窄，晶振品质因素越高，振荡频率越稳定)。在此区域晶振呈电感特性，从而带来了相当于180 °的相移。其频率F P(或者叫F L:负载频率)表达式如下：
从表达式(4)，我们知道可以通过调节负载电容C L来微调振荡器的频率，这就是为什么晶振制造商在其产品说明书中会指定外部负载电容C L值的原因。通过指定外部负载电容C L值，可以使晶振晶体振荡时达到其标称频率。
下表给出了一个例子来说明如何调整外部参数来达到晶振电路的8MHz标称频率：
表1等效电路参数实例
等效元件数值
R m8?
L m 14.7mH
C m 0.027pF
C0 5.57pF
使用表达式(2)、(3)和(4)，我们可以计算出该晶振的F s、F a及F P：
F s = 7988768Hz，F a = 8008102Hz
如果该晶振的C L为10pF，则其振荡频率为：F P = 7995695Hz。
要使其达到准确的标称振荡频率8MHz，C L应该为4.02pF。
AN2867 振荡器原理2 振荡器原理
振荡器由一个放大器和反馈网络组成，反馈网络起到频率选择的作用。图3通过一个框图来说明振荡器的基本原理。
图3振荡器的基本原理
其中：
● A(f)是放大器部分，给这个闭环系统提供能量以保持其振荡。
● B(f)是反馈通道，它决定了振荡器的频率。
为了起振，Barkhausen条件必须得到满足。即闭环增益应大于1，并且总相移为360°。
为了让振荡器工作，要保证|A(f)|.|B(f)| >> 1。这意味着开环增益应远大于1，到达稳定振荡所需的时间取决于这个开环增益。然而，仅满足以上条件是不够解释为什么晶体振荡器可以开始振荡。为了起振，还需要向其提供启动所需的电能。一般来说，上电的能量瞬变以及噪声可以提供所需的能量。应当注意到，这个启动能量应该足够多，从而能够保证通过触发使振荡器在所需的频率工作。
实际上，在这种条件下的放大器是非常不稳定的，任何干扰进入这种正反馈闭环系统都会使其不稳定并引发振荡启动。干扰可能源于上电，器件禁用/使能的操作以及晶振热噪声等...。同时必须注意到，只有在晶振工作频率范围内的噪声才能被放大，这部分相对于噪声的全部能量来说只是一小部分，这也就是为什么晶体振荡器需要相当长的时间才能启动的原因。
3 Pierce振荡器
皮尔斯振荡器有低功耗、低成本及良好的稳定性等特点，因此常见于通常的应用中。
图4皮尔斯振荡器电路
Inv：内部反向器，作用等同于放大器。
Q：石英或陶瓷晶振。
R F：内部反馈电阻(译注：它的存在使反相器工作在线性区, 从而使其获得增益，作用等同于放大器)。
R Ext：外部限流电阻。
C L1和C L2：两个外部负载电容。
Cs：由于PCB布线及连接等寄生效应引起的等效杂散电容(OSC_IN和OSC_OUT管脚上)。
4 Pierce振荡器设计
在这一节中，将介绍Pierce振荡器各种参数的含义及如何确定这些参数的值，从而使用户熟悉Pierce振荡器的设计。
4.1 反馈电阻R F
在大多数情况下，反馈电阻R F是内嵌在振荡器电路内的(至少在ST的MCU中是如此)。它的作用是通过引入反馈使反向器的功能等同于放大器。Vin和Vout之间增加的反馈电阻使放大器在Vout ＝ Vin时产生偏置，迫使反向器工作在线性区域(图5中阴影区)。该放大器放大了晶振的正常工作区域内的在并联谐振区内的噪声(例如晶振的热噪声)(译注：工作在线性区的反向器等同于一个反向放大器)，从而引发晶振起振。在某些情况下，如果在起振后去掉反馈电阻R F，振荡器仍可以继续正常运转。
图5反向器工作示意图
R F的典型值于下表中给出。
表2频率及对应的反馈电阻参考值
频率反馈电阻范围
32.768kHz 10 至 25M?
1MHz 5 至 10M?
10MHz 1 至 5M?
20MHz 470k?至 5M?
4.2 负载电容C L
负载电容C L是指连接到晶振上的终端电容。C L值取决于外部电容器C L1和C L2，刷电路板上的杂散电容(C s)。C L值由由晶振制造商给出。保证振荡频率精度，主要取决于振荡电路的负载电容与给定的电容值相同，保证振荡频率稳定度主要取决于负载电容保持不变。外部电容器C L1和C L2可用来调整CL，使之达到晶振制造商的标定值。
C L的表达式如下：
C L1和C L2计算实例：
例如，如果C L ＝15pF，并假定C s = 5pF，则有：
即：C L1 = C L2 = 20pF
4.3 振荡器的增益裕量
增益裕量是最重要的参数，它决定振荡器是否能够正常起振，其表达式如下：
其中：
● gm是反向器的跨导，其单位是mA/V(对于高频的情况)或者是μA/V(对于低频的情况，例如
32kHz)。
● g mcrit (g m critical)的值取决于晶振本身的参数。
假定C L1 = C L2，并假定晶振的C L将与制造商给定的值相同，则g mcrit表达式如下：
其中ESR是指晶振的等效串联电阻。
根据Eric Vittoz的理论(译注：具体可参考Eric A. Vittoz et al., "High-Performance Crystal
Oscillator Circuits: Theory and Application", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 23, No. 3, pp. 774-782, Jun. 1988)，放大器和两个外部电容的阻抗对晶振的RLC动态等效电路的电抗有补
偿作用。
基于这一理论，反向器跨导(gm)必须满足：gm > gmcrit 。在这种情况下才满足起振的振荡条
件。为保证可靠的起振，增益裕量的最小值一般设为5。
例如，如果设计一个微控制器的振荡器部分，其gm等于25mA/V。如果所选择的石英晶振(来自FOX公司)的参数如下：
频率 = 8MHz，C0 = 7pF，C L = 10pF，ESR = 80 ?
那么该晶体能否与微控制器配合可靠起振？
让我们来计算g mcrit：
如果据此来计算增益裕量，可得：
此增益裕量远大于起振条件即Gain margin>5，晶振将正常起振。
如果不能满足增益裕量起振条件(即增益裕量Gain margin小于5，晶振无法正常起振)，应尝试选择一种ESR较低或/和C L较低的晶振。
4.4 驱动级别DL外部电阻R Ext计算
这两个参数是相互联系的，这也就是为什么在同一节中描述此二者的原因。
4.4.1 驱动级别DL计算
驱动级别描述了晶振的功耗。晶振的功耗必须限制在某一范围内，否则石英晶体可能会由于过度的机械振动而导致不能正常工作。通常由晶振制造商给出驱动级别的最大值，单位是毫瓦。
超过这个值时，晶振就会受到损害。
驱动级别由下述表达式给出：
其中：
● ESR是指晶振的等效串联电阻(其值由晶振制造商给出)：
● IQ是流过晶振电流的均方根有效值，使用示波器可观测到其波形为正弦波。电流值可使用
峰－峰值(IPP)。当使用电流探头时(如图6)，示波器的量程比例可能需要设置为1mA/1mV。
图6使用电流探头检测晶振驱动电流
如先前所描述，当使用限流电位器调整电流值，可使流过晶振的电流不超过I QMAX均方根有效值(假设流过晶振的电流波形为正弦波)。
I QMAX均方根有效值表达式如下：
因此，流过晶振的电流IPP不应超过I QMAX PP(使用峰－峰值表示)，I QMAX PP表达式如下：
这也就是为什么需要外部电阻R Ext的原因(请参考4.4.3节)。当I Q超过I Qmax PP时，R Ext是必需的，并且R Ext要加入到ESR中去参与计算I Qmax。
4.4.2 另一个驱动级别测量方法
驱动级别可以由下式计算得出：
其中I QRMS是交流电流的均方根有效值。
这个电流可以通过使用小电容(<1pF)分布的示波器探头在放大器的输入端，测量电压变化得到。相对于流经C L1的电流，放大器的输入电流可以忽略不计；因此可以假定经过晶振的电流等于流经C L1的电流。这样在这个点上，电压的均方根有效值与电流的均方根有效值有如下关系：
其中：
● F = 晶体的频率
● ，这里V PP是在C L1端测量电压的峰-峰值
● C tot = C L1 + (C S/2) + C probe
其中：
─C L1是放大器输入端的外部负载电容器
─C S是分布电容
─C probe是探头的电容量
这样，驱动级别可以由下式得出：
DL数值必须超过由晶体厂家提供的驱动级别数值。
4.4.3 外部电阻R Ext计算
这个电阻的作用是限制晶振的驱动级别，并且它与C L2组成一个低通滤波器，以确保振荡器的起振点在基频上，而不是在其他高次谐波频率点上(避免3次，5次，7次谐波频率)。如果晶振的功耗超过晶振制造商的给定值，外部电阻R Ext是必需的，用以避免晶振被过分驱动。如果晶振的功耗小于晶振制造商的给定值，就不推荐使用R Ext了，它的值可以是0?。
对R Ext值的预估可以通过考虑由R Ext和C L2的电压分压R Ext/C L2实现(注意到R Ext和C L2构成了一个分压/滤波器，考虑通带宽度应不小于振荡器频率)，则有R Ext的值等于C L2的电抗：
输入：
● 振荡器频率F = 8MHz
● C L2 = 15pF
得到：R Ext = 1326?
优化R Ext值的方法推荐如下：首先根据前面的介绍确定好C L1和C L2的值，其次使用电位器来代替R Ext，R Ext值可预设为C L2的电抗值。然后调整电位器的值直到它满足晶振驱动级别的需要，此时电位器的值即是C L2值。
注意：在计算完R Ext值后要重新计算Gain margin的值(请参考4.3节)以确保R Ext值对起振条件没有影响。例如，R Ext值的值需要加入到ESR中参与g mcrit的计算，同时要保证g m >>g mcrit
注意：如果RExt值太小，晶振上可能会承担太多的功耗。如果RExt值太大，振荡器起振条件将得不到满足从而无法正常工作。
4.5 启动时间
启动时间是指振荡器启动并达到稳定所需的时间。这个时间受外部C L1和C L2电容影响，同时它随着晶振频率的增加而减少。不同种类的晶振对启动时间影响也很大，石英晶振的启动时间比陶瓷晶振的启动时间长得多。起振失败通常和Gain margin有关，过大或过小的C L1和C L2，以及过大的ESR值均可引起Gain margin不能满足起振条件。
频率为MHz级的晶振的启动时间是毫秒级的。
而32kHz的晶振的启动时间一般要1～5秒。
4.6 晶振的牵引度(Pullability)
晶振的牵引度(译注：也叫可调度)是指工作在正常并联谐振区的晶振频率的变化率。这也用于衡量随负载电容变化而导致的频率变化，负载电容的减少会导致频率的增加，反之负载电容的增加会导致频率的减小。晶振的牵引度表达式如下：
挑选晶振及外部器件的简易指南AN2867
5 挑选晶振及外部器件的简易指南
本节给出了一个挑选合适的晶振及外部器件的简易指南，一共可分为3个主要步骤：
第一步：增益裕量(Gainmargin)计算
(请参考4.3节：振荡器的增益裕量)
● 选择一个晶振(参考MCU的数据手册确定晶振的频率)
● 计算晶振的增益裕量(Gain margin)并检查其是否大于5：
如果Gain margin < 5，说明这不是一个合适的晶振，应当再挑选一个低ESR值和/或低C L值的
晶振，重新第一步。
如果Gain margin > 5，进行第二步。
第二步：外部负载电容的计算
(请参考4.2节：负载电容C L)
计算C L1和C L2的值，并检查标定为该计算值的电容是否能在市场上获得。
● 如果能找到容值为计算值的电容，则晶振可以在期望的频率正常起振。然后转到第三步。
● 如果找不到容值为计算值的电容：
─该应用对频率要求很高，你可使用一个可变电容并将其调整到计算值，然后转到第三步。
─如果对频率的要求不是特别苛刻，选择市场上能获得的电容中容值距计算值最近的电容，然后转到第三步。
第三步：驱动级别及外部电阻的计算
(请参考4.4节：驱动级别DL外部电阻R Ext计算)
● 计算驱动级别DL并检查其是否大于DL crystal：
─如果DL < DL crystal，没必要使用外部电阻，祝贺你，你找到了合适的晶振。
─如果DL > DL crystal，你应该计算R Ext使其确保DL< DL crystal并据此重新计算Gain margin。
如果Gain margin> 5，祝贺你，你找到了合适的晶振。
如果Gain margin< 5，你别无选择，再重新挑选另外一个晶振吧。然后重新回到第一步。
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针对STM32?微控制器的一些推荐晶振
6 针对STM32?微控制器的一些推荐晶振
6.1 HSE部分
6.1.1 推荐的8MHz晶振型号
表3EPSON
型号ESR C L C0增益裕量MA-406 或 MA-505 或 MA-506 (8 MHz)80? 10pF 5pF 137.4 表4HOSONIC ELECTRONIC
型号ESR C L C0增益裕量
HC-49S-8 MHz80? 10pF 7pF 107 表5CTS
型号ESR C L C0增益裕量
MP080A45? 20pF 7pF 75.4 表6Fox
型号ESR C L C0增益裕量
FOXSLF/080-2080? 20pF 7pF 43.1 6.1.2 推荐的8MHz陶瓷振荡器型号
下面是为STM32?推荐的CERALOCK? 陶瓷振荡器型号。数据由Murata(村田)提供及验证。
表7建议条件(消费应用)
型号C L
CSTCE8M00G55-R0 内嵌负载电容 C L1 = C L2 = 33pF
表8建议条件(CAN总线应用)
型号C L
CSTCE8M00G15C**-R0 内嵌负载电容 C L1 = C L2 = 33pF
6.2 LSE部分
对于STM32?的LSE部分，推荐使用CL < 7pF的晶振(译注：过大的CL会导致过大的gmcrit，从
而无法保证足够的增益裕量)。
表9Epson-Toycom
型号ESR C L C0增益裕量
C-2-Type 35k? 6pF 2pF 13.5
C-4-Type 55k? 6pF 2pF 8.5 表10JFVNY
型号ESR C L C0增益裕量
C-2-Type 50k? 6pF 2pF 9.3
C-4-Type 50k? 6pF 2pF 9.3 表11KDS
型号ESR C L C0增益裕量
DMX-26S 80k? 6pF 1.25pF 7
SM-26F 80k? 6pF 1.1pF 7.3
AN2867 关于PCB的提示7 关于PCB的提示
1. 外部杂散电容和电感要控制在一个尽可能小的范围内，从而避免晶振进入非正常工作模式或
引起起振不正常等问题。
另外，振荡器电路旁边要避免有高频信号经过。
2. 走线长度越短越好。
3. 接地平面用于信号隔离和减少噪声。例如：在晶振的保护环(译注：(Guard ring)，指器件或
走线外围成一圈用于屏蔽干扰的导线环，一般要求理论上没有电流从该导线环上经过)下直
接敷地有助于将晶振和来自其他PCB层的噪声隔离开来。要注意接地平面要紧临晶振但只限
于晶振下面，而不要将此接地平面敷满整个PCB板(见图7)。
4. 像图7所示来布地线是一个好的作法。这种布线方法将振荡器的输入与输出隔离开来，同时
也将振荡器和临近的电路隔离开来。所有的V SS过孔不是直接连到地平面上(除晶振焊盘之
外)，就是连接到终端在C L1和C L2下方的地线上。
5. 在每一对V DD与V SS端口上连接去藕电容来平滑噪声。
图7推荐的晶振布线电路
注意：仅当晶振上的功耗超过晶振制造商给定的值，R EXT才是必需的。否则，R EXT的值应当是0(请参考4.4节：驱动级别DL外部电阻R Ext计算)。
AN2867 结论8 结论
对于振荡器是否能够起振来说，增益裕量是最重要的参数。在针对具体应用选择合适的晶振时，首先要计算增益裕量。第二个重要的参数是根据晶振制造商提供的数据，来选择外部负载电容，这决定了晶振频率的准确性。第三个重要的参数是外部限流电阻用以限制晶振的驱动级别。对于32kHz的振荡器来说，一般不推荐使用外部限流电阻(译注：因为LSE的常见问题是振荡器驱动能力不足而非晶振被过分驱动)。
考虑到晶振设计牵涉到很多参数，使用那些已经量产过的以及已经被验证过的器件和PCB布局、布线，用户可以有效地避免振荡器的意外动作并节省时间。
一种三极管开关电路设计 三极管除了可以当做交流信号放大器之外，也可以做为开关之用。严格说起来，三极管与一般的机械接 点式开关在动作上并不完全相同，但是它却具有一些机械式开关所没有的特点。图1所示，即为三极管电 子开关的基本电路图。由图可知，负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间，而位居三极管主电流的回路上。 Vcc 输入电压Vin则控制三极管开关的开启（open）与闭合（closed ）动作，当三极管呈开启状态时，负载电流便被阻断，反之，当三极管呈闭合状态时，电流便可以流通。详细的说，当Vin为低电压时，由 于基极没有电流，因此集电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时三极管乃胜作于截止（cut off ）区。 同理，当Vin为高电压时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管乃胜作于饱和区（saturatiON ）。 1三极管开关电路的分析设计 由于对硅三极管而言，其基射极接面之正向偏压值约为0.6伏特，因此欲使三极管截止，Vin必须低 于0.6伏特，以使三极管的基极电流为零。通常在设计时，为了可以更确定三极管必处于截止状态起见，往往使Vin值低于0.3伏特。（838电子资源）当然输入电压愈接近零伏特便愈能保证三极管开关必处于截止状态。欲将电流传送到负载上， 则三极管的集电极与射极必须短路，就像机械开关的闭合动作一样。 欲如此就必须使Vin达到够高的准位，以驱动三极管使其进入饱和工作区工作，三极管呈饱和状态时，集电极电流相当大，几乎使得整个电源电压Vcc均跨在负载电阻上，如此则VcE便接近于0，而使三极管的 集电极和射极几乎呈短路。在理想状况下，根据奥姆定律三极管呈饱和时，其集电极电流应该为： Vcc Ic（tfefi）二—— R LD 因此，基极电流最少应为： 丁Ic(sat) VCC T 二一二閒
模拟电路课程设计心得 体会 内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）
精选范文:《模拟电路》课程设计心得体会(共2篇)本学期我们开设了《模拟电路》与《数字电路》课，这两门学科都属于电子电路范畴，与我们的专业也都有联系，且都是理论方面的指示。正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在本学期暨模电、数电刚学完之际，紧接着来一次电子电路课程设计是很及时、很必要的。这样不仅能加深我们对电子电路的任职，而且还及时、真正的做到了学以致用。这两周的课程设计，先不说其他，就天气而言，确实很艰苦。受副热带高气压影响，江南大部这两周都被高温笼罩着。人在高温下的反应是很迟钝的，简言之，就是很难静坐下来动脑子做事。天气本身炎热，加之机房里又没有电扇、空调，故在上机仿真时，真是艰熬，坐下来才一会会，就全身湿透，但是炎炎烈日挡不住我们求知、探索的欲望。通过我们不懈的努力与切实追求，终于做完了课程设计。在这次课程设计过程中，我也遇到了很多问题。比如在三角波、方波转换成正弦波时，我就弄了很长时间，先是远离不清晰，这直接导致了我无法很顺利地连接电路，然后翻阅了大量书籍，查资料，终于在书中查到了有关章节，并参考，并设计出了三角波、方波转换成正弦波的电路图。但在设计数字频率计时就不是那么一帆风顺了。我同样是查阅资料，虽找到了原理框图，但电路图却始终设计不出来，最后实在没办法，只能用数字是中来代替。在此，我深表遗憾!这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电、数电的理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些!
1石英晶体及其特性 (1) 1.1 石英晶体简介............................................... . ... 1.2石英晶体的阻抗频率特性...................................... 1 ... 2晶体管的部工作原理 (3) 3.晶体振荡器电路的类型及其工作原理 (4) 3.1串联型谐振晶体振荡器........................................ 4…??… 3.2并联谐振型晶体振荡器........................................ 6…??… 3.3泛音晶体振荡器................................................ 8 .. 4 确定工作点和回路参数（以皮尔斯电路为例） (10) 4.1主要技术指标 (10) 4.2确定工作点 (10) 4.3交流参数的确定 (11) 5提高振荡器的频率稳定度........................................... 1 2 6.总结 (13) 参考文献：........................................................ 1.4
Word 文档
1石英晶体及其特性 1.1石英晶体简介 石英是矿物质硅石的一种，化学成分是Sio2,形状是呈角锥形的六棱结晶体，具有各向异性的物理特性。按其自然形状有三个对称轴，电轴X,机械轴丫光轴Z。石英谐振器中的各种晶片，就是按与各轴不同角度，切割成正方形、长方形、圆形、或棒型的薄片，如图1的AT、BT、CT、DT 等切型。不同切型的晶片振动型式不，性能不同 1.2石英晶体的阻抗频率特性 石英谐振器的电路符号和等效电路如图121。C0称为静态电容，即晶体不振动时两极板间的等效电容，与晶片尺寸有关，一般约为几到几十pF。晶体作机械振动时的惯性以Lq、弹性用Cq振动时因磨擦造成的损耗用Rq来等效，它们的数值与晶片切割方位、形状和大小有关, 一般Lq为10 3102H，Cq为10 410 1pF，Rq 在几一几百欧之间。它
实验一 单级阻容耦合放大器设计 一、设计任务书 1．已知条件 电源电压V cc =+12V,信号源U s =10mV,内阻R s =600Ω,负载R L =2k Ω。 2．主要技术指标 输入电阻R i >2k Ω,频率响应20Hz ～500kHz,输出电压U o ≥0.3V,输出电阻R O <5k Ω,电路工作稳定。 3．实验用仪器 双踪示波器一台，信号发生器一台，直流稳压电源一台，万用表一台。 二、电路设计 1．电路形式讨论 由于电压增益A V =U O /U S =30,采用一级放大电路即可，要求电路工作稳定，采用分压式电流负反馈偏置电路，输入电阻比较大和频率响应比较宽，引入一定的串联负反馈，电路如图。 2．具体电路设计 （1）静态工作点选择 I CQ =2mA,V BQ =3V （选择硅管） （2）晶体管的选择 78) (2 =+=L s i V R R R A β取100, U CEO >V CC =12V,I CM >2I CQ =4mA, P CM >I CQ V CC =24mW, f T >1.5βf H =75MHz 选择9014:U CEO >20V,I CM >100mA, P CM >300mW,f T >80MHz,Cb'c<2.5pF （3）元件参数的计算 R E =(V BQ -0.7)/I CQ ≈1.2k Ω I BQ =I CQ /β=20μA 则 Ω== k I V R BQ BQ B 15102，R B2=15k Ω Ω=-= k I V V R BQ BQ CC B 45101，取标称值47k Ω Ω≈++=k mA I mV r EQ be 6.1) (26) 1(300β, 取R F =10Ω.则Ω=++=k R r R F be i 16.2)1('β Ω==k R R R R i B B i 12.2////'21，取A V =40,
晶体振荡器，简称晶振。在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。 晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。 一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。 一般的晶振的负载电容为15p或12.5p ，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。 晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。 谐振振荡器包括石英（或其晶体材料）晶体谐振器，陶瓷谐振器，LC谐振器等。
晶振与谐振振荡器有其共同的交集有源晶体谐振振荡器。 石英晶片所以能做振荡电路（谐振）是基于它的压电效应，从物理学中知道，若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的尺寸）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。其特点是频率稳定度很高。 石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振，而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC来共同作用来工作的。振荡器直接应用于电路中，谐振器工作时一般需要提供3.3V电压来维持工作。振荡器比谐振器多了一个重要技术参数为：谐振电阻（RR），谐振器没有电阻要求。RR 的大小直接影响电路的性能，也是各商家竞争的一个重要参数。 概述 微控制器的时钟源可以分为两类：基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐振槽路；基于相移电路的时钟源，如：RC (电阻、电容)振荡器。硅振荡器通常是完全集成的RC振荡器，为了提高稳定性，包含有时钟源、匹配电阻和电容、温度补偿等。图1给出了两种时钟源。图1给出了两个分立的振荡器电路，其中图1a为皮尔斯振荡器配置，用于机械式谐振器件，如晶振和陶瓷谐振槽路。图1b为简单的RC反馈振荡器。 机械式谐振器与RC振荡器的主要区别 基于晶振与陶瓷谐振槽路(机械式)的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温 度系数。相对而言，RC振荡器能够快速启动，成本也比较低，但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差，会在标称输出频率的5%至50%范围内变化。图1所示的电路能产生可靠的时钟信号，但其性能受环境条件和电路元件选择以及振荡器电路布局的影响。需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。在使用时，陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感，但在过驱动时很容易产生频率漂移(甚至可能损坏)。影响振荡器工作的环境因素有：电磁干扰(EMI)、机械震动与冲击、湿度和温度。这些因素会增大输出频率的变化，增加不稳定性，并且在有些情况下，还会造成振荡器停振。 振荡器模块 上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免。这些模块自带振荡器、提供低阻方波
AN2867 应用笔记 ST微控制器振荡器电路 设计指南 前言 大多数设计者都熟悉基于Pierce(皮尔斯)栅拓扑结构的振荡器，但很少有人真正了解它是如何工 作的，更遑论如何正确的设计。我们经常看到，在振荡器工作不正常之前，多数人是不愿付出 太多精力来关注振荡器的设计的，而此时产品通常已经量产；许多系统或项目因为它们的晶振 无法正常工作而被推迟部署或运行。情况不应该是如此。在设计阶段，以及产品量产前的阶 段，振荡器应该得到适当的关注。设计者应当避免一场恶梦般的情景：发往外地的产品被大批 量地送回来。 本应用指南介绍了Pierce振荡器的基本知识，并提供一些指导作法来帮助用户如何规划一个好的 振荡器设计，如何确定不同的外部器件的具体参数以及如何为振荡器设计一个良好的印刷电路 板。 在本应用指南的结尾处，有一个简易的晶振及外围器件选型指南，其中为STM32推荐了一些晶 振型号(针对HSE及LSE)，可以帮助用户快速上手。
目录ST微控制器振荡器电路设计指南目录 1石英晶振的特性及模型3 2振荡器原理5 3Pierce振荡器6 4Pierce振荡器设计7 4.1反馈电阻R F7 4.2负载电容C L7 4.3振荡器的增益裕量8 4.4驱动级别DL外部电阻R Ext计算8 4.4.1驱动级别DL计算8 4.4.2另一个驱动级别测量方法9 4.4.3外部电阻R Ext计算 10 4.5启动时间10 4.6晶振的牵引度(Pullability) 10 5挑选晶振及外部器件的简易指南 11 6针对STM32?微控制器的一些推荐晶振 12 6.1HSE部分12 6.1.1推荐的8MHz晶振型号 12 6.1.2推荐的8MHz陶瓷振荡器型号 12 6.2LSE部分12 7关于PCB的提示 13 8结论14
晶振的测试电路 利用简单几个元件制作一个可测量10kHz-100MHz晶振的测试电路（电路如图），BG1和所接多频振荡器，经C3、D1、D2进行检波后可在LED上得到下正上负的电压，驱动LED发光。若晶振已坏，LED 不亮。可将此小电路安装在维修用的电源上，留两个插测晶振元件的小孔。 制作中应注意：晶振的两条引出线不能相距过近，否则振荡幅度大大减小导致发光管不亮。 一种简单的晶振检验器 用一般的万用表是不能测出晶振的好坏的，这里提供了一种简单而实用的晶振检验器，它只采用一个N 沟道结型场效应管（FET），两个普通NPN 小功率晶体三极管，一个发光管和一些阻容元件，便可有效的检验任何晶振的好坏。 如图所示，2N3823 结型N 沟道场效应管（可用任何其它型号的同类小功率场效应管，如3DJ6，3DJ7 等）与被测晶体（晶振）等组成一个振荡器，两个两个NPN 三极管2N3904（也可用其它任何型号的小功率NPN 三极管）接成复合检波放大器，驱动发光二极管LED。若被测晶振良好时，振荡器起振，其振荡信号经0.01uF 的电容耦合至检波放大器的输入端，经放大后驱动发光二极管发光。如果被测晶振不好，则晶振不起振，发光二极管就不发光。 本装置可检验任何频率的晶振但其最佳的工作状态是在3---10MHz 范围内。 下图为电路原理图：
下图为印刷板图 简易晶振测试电路 贡献人：时间：2009-12-24 本文介绍一款简单易作的晶振测试装置，原理电路如附图所示。图中，V1及其外围元件（包括被测晶振）共同组成一个电容三点式振荡器。当探头X1、X2两端接入被测晶振时，电路振荡。振荡信号经V2射极跟随级放大后输出，经C4耦合、D1、D2倍压整流后为V3提供偏置电流，V3导通，LED发光。若晶振不良或断路，电路则不能起振，因而LED不发光。该装置结构简单，所用元件极为普遍，而且只要元件质量良好，装配无误，不需调试即可一次成功。探头可利用两个插孔代替。也可以选用带电缆的表笔或测试棒，但引线不宜过长。该测试议可测试频率为450KHz～49MHz的各种晶振，工作电源推荐采用6V叠层电池。
辽宁工业大学 高频电子线路课程设计（论文）题目：石英晶体振荡器电路设计 院（系）：电子与信息工程学院 专业班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 起止时间： 2014.6.16-2014.6.27
课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电子与信息工程学院 教研室： 电子信息工程 注：成绩：平时20% 论文质量50% 答辩30% 以百分制计算 学 号 学生姓名 专业班级 课程设计（论文）题目 石英晶体振荡器电路设计 课 程设计（论文）任务 要求：1．设计一个石英晶体振荡器 2．能够观察输入输出波形。 3．观察振荡频率。 参数：振荡频率10000HZ 左右。 设计要求： 1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。 3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。 4 .组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 指导教师评语及成绩 平时成绩(20%)： 论文成绩(50%)： 答辩成绩(30%)： 总成绩： 学生签字： 年 月 日
目录 第1章绪论 (1) 1.1石英晶体振荡器 (1) 1.2设计要求 (1) 第2章石英晶体振荡器设计电路 (2) 2.1石英晶体振荡器总体设计方案 (2) 2.2具体电路设计 (2) 2.2.1串联型晶体振荡器 (2) 2.2.2并联型晶体振荡器 (4) 2.2.3输出缓冲级设计 (5) 2.3元件参数的计算 (5) 2.4Multisim软件仿真 (6) 2.4.1串联型振荡器输出测试 (6) 2.4.2并联型振荡器输出测试 (7) 第3章课程设计总结 (9) 参考文献 (10) 附录Ⅰ总体电路图 (11) 附录Ⅱ元器件清单 (12)
石英晶体振荡器的基本工作原理及作用 (1)石英晶体振荡器（简称晶振）的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化矽的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑胶封装的。(2)压电效应 若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐 振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。 (3)符号和等效电路石英晶体谐振器的符号和等效电路如图所示。当晶体不振动时，可把它看 成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个pF到几十pF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L來等效。一般L的值为几十mH到几 百mH。晶片的弹性可用电容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振动时因 摩擦而造成的损耗用R來等效，它的數值约为100Ω。由于晶片的等效电感很大，而C很小， R也小，因此回路的品质因數Q很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只 与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定性。
1.在MOS晶体管级设计完成功能为) | (|BE BCD A F 的ＣＭＯＳ静态逻辑门、为了使设计 出的电路具有最小延时提出个MOS晶体管的尺寸比例。 2.分析下图电路功能，并指出其优缺点和可能存在的问题。 图1 3.版图分析题： 图2 参照图2， （a）写出版图对应的逻辑表达式；
（b）画出晶体管级电路图； （c）描述此类电路的特点和主要应用场合。 4.版图分析题： 图3 参照图3， （a）写出版图对应的逻辑表达式 （b）画出晶体管级电路图 5.版图分析题： 图4
参照图4， （a ）写出版图对应的逻辑表达式 （b ）画出晶体管级电路图 6. 逻辑设计题：请分别采用标准CMOS 设计方法、镜像电路设计方法、基于传输门的方法 设计一个两输入的XOR 电路。 7. 分析图5电路工作原理，说明该电路完成什么功能。分析该电路的建立时间、保持时间、 以及clk_q 的时间。 图5 8. 设计两输入CMOS 同或门，要求画出其晶体管电路图。 9. 分析图6，12φφ和为两相时钟，且12φφ超前，分析下面电路工作过程，并说明功能。 1 φ1 2 φ 1 φ2 φN M O S 图6
10. 电路设计题：用CMOS 传输门和反向器设计一个上升沿触发的D 触发器。 11. 使用互补CMOS 电路实现逻辑表达式()()F A B C D B E G =++++，当反相器的 NMOS W/L=2, PMOS W/L=4时输出电阻相同，根据这个确定该网络中各个器件尺寸。 12. 分析下面电路，分析其工作原理，并给出该电路实现的逻辑功能。（给出分析过程） A F B B M2 M3/M4 图2 13 考虑图3， a ． 下面的CMOS 晶体管网络实现什么逻辑功能？反相器的NMOS W/L=2, PMOS W/L=4 时输出电阻相同，根据这个确定该网络中各个器件尺寸。 b ．最初的输入模式是什么，必须采用哪一种输入才能取得最大传输延时？ 考虑在内部节点中的电容的影响。（给出分析过程）
模拟电子技术课程设计任务书 一、课程设计的任务 通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在《模拟电子技术》中所学的理论知识和实验技能，掌握常用模拟电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。 二、课程设计的基本要求 1、掌握电子电路分析和设计的基本方法。包括：根据设计任务和指标初选电路；调查研究和设计计算确定电路方案；选择元件、安装电路、调试改进；分析实验结果、写出设计总结报告。 2、培养一定的自学能力、独立分析问题的能力和解决问题的能力。包括：学会自己分析解决问题的方；对设计中遇到的问题，能通过独立思考、查询工具书和参考文献来寻找解决方案，掌握电路测试的一般规律；能通过观察、判断、实验、再判断的基本方法解决实验中出现的一般故障；能对实验结果独立地进行分析，进而做出恰当的评价。 3、掌握普通电子电路的生产流程及安装、布线、焊接等基本技能。 4、巩固常用电子仪器的正确使用方法，掌握常用电子器件的测试技能。 5、通过严格的科学训练和设计实践，逐步树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风，并逐步建立正确的生产观、经济观和全局观。
三、课程设计任务 课题4 逻辑信号电平测试器的设计 （一）设计目的 1、学习逻辑信号电平测试器的设计方法； 2、掌握其各单元电路的设计与测试方法； 3、进一步熟悉电子线路系统的装调技术。 （二）设计要求和技术指标 在检修数字集成电路组成的设备时，经常需要使用万用表和示波器对电路中的故障部位的高低电平进行测量，以便分析故障原因。使用这些仪器能较准确地测出被测点信号电平的高低和被测信号的周期，但使用者必须一面用眼睛看着万用表的表盘或者示波器的屏幕，一面寻找测试点，因此使用起来很不方便。 本课题所设计的仪器采用声音来表示被测信号的逻辑状态，高电平和低电平分别用不同声调的声音来表示，使用者无须分神去看万用表的表盘或示波器的荧光屏。 1、技术指标： （1）测量范围：低电平<1V，高电平>3V； （2）用1.5KH Z的音响表示被测信号为高电平； （3）用500H Z的音响表示被测信号为低电平；
xxx大学 开放性实验报告 （A类） 项目名称：三极管开关电路设计实验室名称：创新实验室 学生姓名：xxxxxxxx
创新实验项目报告书 实验名称 三极管开关电路设计 日期 xxx 姓名 xxx 专业 xxx 一、实验目的（详细指明输入输出） 1.最大开关频率≥10KHz（不加输出负载）； 2.其输出用以控制继电器的通断（输入信号1Hz）； 3.有效输入控制电压Vin≤0.7V 或Vin≥ 4.3V； 4.设计两种开关电路：高电平饱和导通、低电平饱和导通。 二、实验原理（详细写出理论计算、理论电路分析过程）(不超过1页) 晶体管开关电路可以有两种，分别是共射开关电路，共集电极开关电路。 共射开关电路的NPN 型晶体管电路如下图所示： 当V IN >V ON 时，晶体管基极-发射极导通，有电流流过集电极，又晶体管发射 级接地，晶体管工作在饱和区，流过集电极电流很大，V CE 很小，相当于把集电 极-发射极的一个“开关”闭合了一样，从而形成开关动作； 共集电极开关电路的NPN 型晶体管电路如下图所示： 当V BE >V ON 时，晶体管基极-发射极导通，有电流流过集电极和发射极，此时 将信号从发射极电阻取出，可以得到总比基极电压小0.7V 的电压值，于是，当基极输入标准的TTL 电平的时候，NPN 共集电极开关电路从集电极可以得到0.7V 和5V 的电压。还有一点，由于共集电极晶体管电路输出电压同输入电压同向，可以消除米勒效应的影响，因此共集电极开关电路的开关频率大大优于共射极
开关电路。 综上，我们本次试验选择共集电极开关电路作为实验电路。 三、实验过程（记录实验流程，提炼关键步骤）（尽可能详细） a)确定元件型号，查找相关资料，设计最初的设计原理图。 由于手头上只有8050和8550型晶体管，而此次开关电路设计要求对晶体管并不苛刻，因此直接拿8050和8550作为本次试验所用的晶体管。 原理图如下图所示： b)在仿真软件上进行仿真。 按照原理图搭建仿真电路，仿真结果如下图所示： 仿真结果中，输入5V正弦波给予2.5V偏置以便观察共集开关电路的特性。在仿真结果中可以看到，当输入电压大于4.4V时，管子基极-发射极关断，从射极电阻取出的电压直接为V ——在这里为5V。 CC c)按照电路原理图焊接电路板。
课程设计报告 题目方波、三角波、正弦波信号 发生器设计 课程名称模拟电子技术课程设计 院部名称机电工程学院 专业10自动化 班级10自动化 学生姓名吉钰源 学号1004104001 课程设计地点 C206 课程设计学时 1周 指导教师赵国树 金陵科技学院教务处制成绩
目录 1、绪论 (3) 1.1相关背景知识 (3) 1.2课程设计目的 (3) 1.3课程设计的任务 (3) 1.4课程设计的技术指标 (3) 2、信号发生器的基本原理 (4) 2.1总体设计思路 (4) 2.2原理框图 (4) 3、各组成部分的工作原理 (5) 3.1 正弦波产生电路 (5) 3.1.1正弦波产生电路 (5) 3.1.2正弦波产生电路的工作原理 (6) 3.2 正弦波到方波转换电路 (7) 3.2.1正弦波到方波转换电路图 (7) 3.2.2正弦波到方波转换电路的工作原理 (8) 3.3 方波到三角波转换电路 (9) 3.3.1方波到三角波转换电路图 (9) 3.3.2方波到三角波转换电路的工作原理 (10) 4、电路仿真结果 (11) 4.1正弦波产生电路的仿真结果 (11) 4.2 正弦波到方波转换电路的仿真结果 (11) 4.3方波到三角波转换电路的仿真结果 (13) 5、电路调试结果 (13) 5.1正弦波产生电路的调试结果 (13) 5.2正弦波到方波转换电路的调试结果 (14) 5.3方波到三角波转换电路的调试结果 (14) 6、设计结果分析与总结 (15)
1、绪论 1.1相关背景知识 由于物理学的重大突破，电子技术在20世纪取得了惊人的进步。特别是近50年来，微电子技术和其他高技术的飞速发展，致使农业、工业、科技和国防等领域发生了令人瞩目的变革。与此同时，电子技术也正在改变着人们日常生活。在电子技术中，信号发生器是一种能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途，可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。它是一种不可缺少的通用信号源。 1.2课程设计目的 通过本次课程设计所要达到的目的是：增进自己对模拟集成电路方面所学知识的理解，提高自己在模拟集成电路应用方面的技能，树立严谨的科学作风，培养自身综合运用理论知识解决实际问题的能力。通过电路设计初步掌握工程设计方法，逐步熟悉开展科学实践的程序和方法，为后续课程的学习和今后从事的实际工作提供引导性的背景知识，打下必要的基础。 1.3课程设计的任务 ①设计一个方波、三角波、正弦波函数发生器； ②能同时输出一定频率一定幅度的三种波形：正弦波、方波和三角波； ③用±12V电源供电； 先对课程设计任务进行分析，及根据参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。然后运用仿真软件Multisim对电路进行仿真，观察效果并与课题要求的性能指标作对比。仿真成功后，用实物搭建电路，进行调试，观测示波器输出的波形。 1.4课程设计的技术指标 ①设计、组装、调试信号发生器； ②输出波形：正弦波、方波、三角波； ③频率范围在10Hz~10000Hz范围内可调； ④比较器用LM339,运算放大器用LM324，双向稳压管用两个稳压管代替。
1.课程设计的目的 (3) 2.课程设计的内容 (3) 3.课程设计原理 (3) 4.课程设计的步骤或计算 (5) 5.课程设计的结果与结论 (11) 6.参考文献 (16)
一、设计的目的 设计一个晶振频率为20MHz，输出信号幅度≥5V（峰-峰值），可调的晶体振荡器 二、设计的内容 本次课程设计要求振荡器的输出频率为20Mhz，属于高频范围。所以选择LC振荡器作为参考对象，再考虑输出频率和振幅的稳定性，最终选择了克拉泼振荡器。通过ORCAD 的设计与仿真，Protel绘制PCB版图，得到了与理论值比较相近的结果，这表明电路的原理设计是比较成功的，本次课程设计也是比较成功的。 三、设计原理 1．振荡器的概述 在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有在没有激励信号的情况下产生周期性振荡信号的电子线路，这种电子线路就是振荡器。 振荡器是一种能量转换器，它不需要外部激励就能自动地将直流电源共给的功率转换为制定频率和振幅的交流信号功率输出。振荡器一般由晶体管等有源器件和某种具有选频能力的无源网络组成。 振荡器的种类很多，根据工作原理可分为反馈型振荡器和负阻型振荡器，根据所产生的波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器；根据选频网络可分为LC振荡器﹑晶体振荡器﹑RC振荡器等。 2．振荡器的振荡条件 反馈型振荡器的原理框图如下：
图1.1 反馈型振荡器的原理框图 如图1，放大器的电压放大倍数为K(s)，反馈网络的电压反馈系数为F(s)，则闭环电压放大倍数Ku(s)的表达式为[1]： K u (s)= ) () (s Us s Uo ( 1—1) 由 K(s)= ) () (s Ui s Uo (1—2) F(s)=) ()(s Uo s i U ' (1—3) U i(s)=U s (s)+)(s i U ' (1—4) 得 K u (s)= )()(1)(s F s K s K -=) (1) (s T s K - (1—5) 其中T(s)=K(s)F(s)= ) () (s Ui s i U ' (1—6) 称为反馈系统的环路增益。用s=j ω带入就得到稳态下的传输系数和环路增益。由式(1—5)可知，若在某一频率ω=ω1上T(j ω)，Ku （j ω）将趋近于无穷大，这表明即使没有外加信号，也可以维持振荡输出。因此自激振荡的条件就是环路增益为1，即 T(j ω)=K(j ω)F((j ω)=1 (1—7) 通常称为振荡器的平衡条件。 由式(1—6)还可知|T(j ω)|>1，|)(ωj i U '|>|Ui (j ω)|,形成增幅振荡。 |T(j ω)|<1, |)(ωj i U '|<|Ui (j ω)|,形成减幅振荡。 综上，正弦波振荡器的平衡条件为： T(j ω)=K(j ω)F((j ω)=1 也可表示为|T(j ω)|=KF=1 (1—8a)
在该应用手册中，我们将讨论我们推荐给您的晶振电路设计方案，并解释电路中的各个元器件的具体作用，并且在元器件数值的选择上提供指导。最后，就消除晶振不稳定和起振问题，我们还 将给出一些建议措施。 图1所示为晶振等效电路。R 为ESR(串联等效阻抗)。L 和C 分别是晶振等效电感和等效电容。C P 是晶振的伴生电容，其极性取决于晶振的极性。图2所示为晶振的电抗频谱线。当晶振在串联谐振状态下工作时，线路表现为纯阻性，感抗等于容抗(XL = XC)。串联谐振频率由下式给出 LC f S π21= 当晶振工作在并联谐振模式时，晶振表现为感性。该模式的工作频率由晶振的负载决定。对于并联谐振状态的晶振，晶振制造商应该指定负载电容C L 。在这种模式下，振动频率由下式给出 P L P L C C C C L fa += π21 图 1. 晶振等效电路. 图 2. 晶振的电抗频谱线.
在并联谐振模式下，电抗线中fs 到fa 的斜线区域内，通过调整晶振的负载，如图2，晶振都可以振荡起来。MX-COM 所有的晶振电路都推荐使用并联谐振模式的晶振。 图3所示为推荐的晶振振荡电路图。这样的组成可以使晶振处于并联谐振模式。反相器在芯片内体现为一个AB 型放大器，它将输入的电量相移大约180° 后输出；并且由晶振，R1，C1和C2组成的π型网络产生另外180°的相移。所以整个环路的相移为360°。这满足了保持振荡的一个条件。其它的条件，比如正确起振和保持振荡，则要求闭环增益应≥1。 反相器附近的电阻Rf 产生负反馈，它将反相器设定在中间补偿区附近，使反相器工作在高增益线性区域。电阻值很高，范围通常在500K ? ~2M ?内。MXCOM 的有些芯片内置有电阻，对于具体的芯片，请参考其外部元器件选用说明书。 对晶振来讲，C1和C2组成负载电容。和晶振来匹配最好的电容(C L )，晶振厂家都有说明。C1和C2的计算式为 S L C C C C C C ++?=2 121 这里C S 是PCB 的漂移电容（stray capacitance ），用于计算目的时，典型值为5pf 。现在C1和C2选择出来满足上面等式。通常选择的C1和C2是大致相等的。C1和/或C2的数值较大，这提高了频率的稳定性，但减小了环路增益，可能引发起振问题。 R1是驱动限流电阻，主要功能是限制反相器输出，这样晶振不会被过驱动（over driven ）。R1、C1组构成分压电路，这些元器件的数值是以这样的方式进行计算的：反相器的输出接近rail-to-rail 值，输入到晶振的信号是rail-to-rail 的60%，通常实际是令R1的电阻值和的C1容抗值相等，即R1 ≈ XC1。这使晶振只取得反相器输出信号的一半。要一直保证晶振消耗的功率在厂商说明书规定范围内。过驱动会损坏晶振。请参考晶振厂商的建议。 理想情况下，反相器提供180°相移。但是，反相器的内在延迟会产生额外相移，而这个额外相移与内在延迟成比例。为保证环路全相移为n360°，π 型网络应根据反相器的延迟情况，提供小于180°的相移。R1的调整可以满足这一点。使用固定大小的C1和C2，闭环增益和相位可随R1变化。如果上述两个条件均得到了满足，在一些应用中，R1可以忽略掉。 图 3. 晶振电路
晶体管电路设计精讲第十一贴 学习内容： 1、分析几个常见电路 2、共发射极应用电路书中2.4小节 透过现象看本质 在前几贴，我们对一个常见的共射极放大器进行了详细的设计分析，同时也对一些基本知识做了些介绍。同时，我们知道，常见的放大器种类有很多，同样是共射极的接法，根据偏置和反馈情况的不同，也有很多变化。今天，我们就以书中的例子做为主要内容，进行一下学习。 我们看第一个电路： 对这个电路，书中称它为“使用NPN晶体管与负电源的放大电路”，大家可以将这个电路与前面的电路做一下对比，看看在结构上有什么区别。 1、电源反过来了，电路的参考地放在了上面，电源变成了-15V 2、耦合电容的极性反过来了 3、发射极电阻上并联了一个10uF的电容。 基本上就这三点了，下面，我们逐步的分析下这三个变化对电路有什么影响。 第一点，电源使用的是负电源。我们来想一下，这样的供电情况下，电路的高电位在什么地方？很明显，供电是-15V，比0要小，而电路中的“地”是0电位的，那么电路中的电位高端仍然与以前一样是在上面。三极管的电流流向仍然是从集电极流向发射极，与以前一样。 甚至我们可以人为的将本电路的参考点“地”定为-15V端，那么这个图中
原先的“地”电位与现在相比就变成了+15V，变得和以前的图一样了。 当然，实际上我们不提倡这样做，因为，电路中的其它元件如“耦合电容”，仍然是以上面为“地”做出的设计，这样会引起不必要的混乱。所以我们仍然希望大家能够习惯于在0电平以下来分析电路。 第二点，耦合电容的方向问题。谈到这个问题也许有人会问：“为什么啊？不是刚刚才说过吗，这个电路的电位仍然是上高下低，和以前一前，电容为什么要反过来啊？”。 能提出这个问题的朋友，说明真的动脑子想了。我们从电路左边也就是输入回路分析，这个放大器如果已经做成成品了，那么它的信号输入端是怎样的呢？ 在给这个放大器接输入信号时，是按照红色的接法：一根线接“输入”，一根线接地。还是按照蓝色的的接法：一根线接“输入”，另一根线接-15V电源？ 看到这里，大家明白了吧，当然是按照红色的接法。也许又有人会问：“信号电压不是应该加在三极管的BE结上吗？这样接BE结没有信号了还怎么放大啊？”。输入信号真的没有加到三极管的BE结么？注意看红色框的那两个电容，还记得它们的名字么？“退耦电容”，以前我们讲过，这两个电容将电源两端做了“交流短路”，也就是说对于输入信号来说，接到“地”和接到-15V端对于交流来说是等效的。 这时肯定又会有人问：“既然是等效的，那么我把输入信号按蓝色的方法接不行么？”。在这里我的解释是，对于这一个独立的放大器来说，可以！它能够正常工作。下面要说但是了，但是，我们在实际应用中，这个放大器是要和许多其它的电路组合起来应用的。比如说另外一个人也设计了一个和这个电路一样的放大器，而他很守规矩的把“地”做为输入输出的公共端，当他的电路和你的电路输出和你的电路输入连起来，而且共用同一个电源时，就象下图中红色的接法，会发生什么事儿呢？
三极管常用电路 1.三极管偏置电路_固定偏置电路 如上图为三极管常用电路中的固定偏置电路:Rb的作用是用来控制晶体管的基极电路Ib,Ib称为偏流,Rb称为偏流电阻或偏置电阻.改变Rb的值,就可以改变Ib的大小.图中Rb 固定,称为固定偏置电阻. 这种电路简单,使用元件少,但是由于晶体管的热稳定性差,尽管偏置电阻Rb固定,当温度升高时,晶体管的Iceo急剧增加,使Ie也增加,导致晶体管工作点发生变化.所以只有在温度变化不大,温度稳定性不高的场合才用固定偏置电路 2.三极管偏置电路_电压负反馈偏置电路 如上图为三极管常用电路中的电压负反馈偏置电路:晶体管的基极偏置电阻接于集电极. 这个电路好象与固定偏置电路在形式上没有多大差别,然而正是这一点,恰恰起到了自动补偿工作点漂移的效果.从图中可见,当温度升高时,Ic增大,那么Ic上的压降也要增大,使得Uce下降,通过Rb,必然Ib也随之减小,Ib的减小导致Ic的减小,从而稳定了Ic,保证了
Uce基本不变. 这个过程,称为负反馈过程,这个电路就是电压负反馈偏置电路. 2.三极管偏置电路_分压式电流负反馈偏置电路 如上图为三极管常用电路中的分压式电流负反馈偏置电路:这个电路通过发射极回路串入电阻Re和基极回路由电阻R1,R2的分压关系固定基极电位以稳定工作点,称为分压式电流负反馈偏置电路.下面分析工作点稳定过程. 当温度升高,Iceo增大使Ic增加.Ie也随之增加.这时发射极电阻Re上的压降Ue=Ie*Re 也随之升高.由于基极电位Ub是固定的,晶体管发射结Ube=Ub-Ue,所以Ube必然减小,从而使Ib减小,Ic和Ie也就减小了. 这个过程与电压负反馈类似,都能起到稳定工作点的目的.但是,这个电路的反馈是Ue=Ie*Re,取决于输出电流,与输出电压无关,所以称电流负反馈. 在这个电路中,上,下基极偏置电阻R1,R2的阻值适当小些,使基极电位Ub主要由它们的分压值决定.发射极上的反馈电阻Re越大,负反馈越深,稳定性越好.不过Re太大,在电源电压不变的情况下,会使Uce下降,影响放大,所以Re要选得适当. 如果输入交流信号,也会在Re上引起压降,降低了放大器的放大倍数,为了避免这一点,Re 两端并联了一个电容Ce,起交流旁路作用. 这种电路稳定性好,所以应用很广泛. 一、采用仪表放大器还是差分放大器 尽管仪表放大器和差分放大器有很多共性，但设计过程的第一步应当是选择使用何种类型的放大器。
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)所示的为振荡电路的特性，将T的L先调整至最小，使谐振电路呈电感性。然后，再调整铁芯，使L增大，在谐振电路成为电容性时，会马上使振荡停止。接着，将调整点调至振荡停止点的稍微前方处即可。