石英晶体正弦波振荡电路

第八章 正弦波振荡电路分析振荡产生的机理和条件，讨论正弦波振荡电路的一般结构和分析方法，介绍常见的RC 、LC 和石英晶体正弦波振荡电路的组成和工作原理。

第一节 正弦波振荡电路的基本原理一个放大电路通常在输入端外加信号时才有输出。

如果在它的输入端不外接信号的情况下，在输出端仍有一定频率和幅度的信号输出，这种现象就是放大电路的自激振荡。

自激振荡对于放大电路是有害的，它破坏了放大电路的正常工作状态，需要加以避免和消除。

但在振荡电路中，自激却是有益的。

对于自激振荡的频率和幅度加以选择和控制，就可构成正弦波振荡器。

振荡电路既然不需外接输入信号，那么它的输出信号从何而来？这就是我们要讨论的振荡电路能产生自激振荡的原因和条件。

一、振荡的条件在图6－1中，A是放大电路，F 是反馈网络。

当将开关S 接在端点1上时，就是一般的开环放大电路，其输入信号电压为i U ，输出信号电压为o U 。

如果将输出信号o U 通过反馈网络反馈到输入端，反馈电压为f U ，并设法使f U＝i U ，即两者大小相等，相位相同。

那么，反馈电压f U就可以代替外加输入信号电压i U ，来维持输出o U 。

也就是说将开关S 接在端点2，除去外加信号而接上反馈信号，输出信号仍将保持不变，即不需输入而靠反馈来自动维持输出。

这时，放大器就变为自激振荡器了。

由以上的讨论可知，要维持自激振荡，必须满足f U＝i U ，即反馈信号与输入信号大小相等，相位相同。

由于放大电路的开环电压放大倍数为i o A U U = o f F U U =若i f U U ＝，则F A＝o fi oU U U U ＝1（F A称为环路增益）。

因此，振荡电路维持自激振荡的条件是：F A＝１ 即F A＝１称为幅值平衡条件。

其物理意义为：信号经放大电路和反馈网络构成的闭环回路后，幅值保持不变，既无增加也无衰减。

f a ϕϕ＋＝2n π（n ＝0，1，2……）称为相位平衡条件。

石英晶体振荡电路石英晶体谐振器, 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<<C0。

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, 谐振频率石英晶体基础知识1、石英晶体的应用：a、石英钟 b、温度计 c、压力指示器（频率与应力）d、加速度计2、晶体的自然面及解理面平行于原子面3、石英的机械、电气、化学和温度等综合性能，都满足需要电气通讯领域。

第七章 正弦波振荡电路正弦波振荡电路是用来产生一妃频率和幅度的正弦交流信号的电子电路。

它的频率范用 可以从几赫兹到几百兆赫兹，输岀功率可能从几亳瓦到几十千瓦。

广泛用于各种电子电路中。

在通信、广播系统中，用它来作高频信号源;电子测量仪器中的正弦小信号源，数字系统中的 时钟信号源。

另外，作为髙频加热设备以及医用电疗仪器中的正弦交流能源.正弦波振荡电路是利用正反馈原理构成的反馈振荡电路，本章将在反馈放大电路的基础上，先 分析振荡电路的自激振荡的条件，然后介绍LC 和RC 振荡电路，并简要介绍石英晶体振荡电 路.第一节 振荡电路概述在放大电路中，输入端接有信号源后，输岀端才有信号输岀。

如果一个放大电路当输入 信号为零时，输出端有一泄频率和幅值的信号输出，这种现象称为放大电路的自激振荡.一、振荡电路框图图7-1为正反馈放大器的方框图,在放大器的输入端存在下列关系：Xi=X i+Xf(7-1 )其中Xi 为净输入信号，且正反馈放大器的闭环增益最后得到3) 则A ,这就表明，在图7-1中如果有很小的信号X 、输入,便可以有很大的信号X o =A f输岀•如果使反馈信号与净输入信号相等，即 图7-2自激振荡方框图 那么可以不外加信号上而用反馈信号X,取代输入信号仍能确保信号的输岀，这 时整个电路就成为一个自激振荡电路,自激荡器的方框图就可以绘成如图7—2所示的形式。

AX. Xi—XfAXj X.-AFX r .如果满足条件\hAF\=O,或AF=1(7-2)(7 图7-1正反馈放大电路的方框图二、自激振荡的条件由上述分析可知，当AF= 1自激振荡可维持振荡。

AF= 1即为自激振荡的平衡条件，其中A和F 都是频率的函数，可用复数表示：则AF = \AF\ Q+g即\AF\ = AF = \(7-4)和久+冏=2“兀“= 0,1,2,3…(7—5)式(7—4)称为自激振荡的振幅平衡条件，式(7-5)称为自激振荡的相位平衡条件。

晶体振荡器的基本知识下图是石英晶体谐振器的等效电路。

图中C0是晶体作为电介质的静电容，其数值一般为几个皮法到几十皮法。

Lq、Cq、rq是对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数。

rq是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗。

由图3-1可以看出，晶体振荡器是一串并联的振荡回路，其串联谐振频率fq和并联谐振频率f0分别为f q=1/2πLqCq，f0=f q Co1Cq/图1晶体振荡器的等效电路当W＜Wq或W>Wo时，晶体谐振器显容性；当W在Wq和Wo之间，晶体谐振器等效为一电感，而且为一数值巨大的非线性电感。

由于Lq很大，即使在Wq 处其电抗变化率也很大。

其电抗特性曲线如图所示。

实际应用中晶体工作于Wq~Wo之间的频率，因而呈现感性。

图2晶体的电抗特性曲线设计内容及要求一设计目的及主要任务1设计目的掌握高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力，并在此基础上设计并联变换的晶体正弦波振荡器。

2并联型晶体振荡器图3c-b型并联晶体振荡器电路图4皮尔斯原理电路图5交流等效电路C3用来微调电路的振荡频率，使其工作在石英谐振器的标称频率上，C1、C2、C3串联组成石英晶体谐振器的负载电容C L上，其值为C L=C1C2C3/(C1C2+C2C3+C1C3)C q/(C0+C L)<<1二详细设计步骤1、电路的选择晶体振荡电路中，与一般LC振荡器的振荡原理相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡电路之中，作为一感性元件，与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。

根据实际常用的两种类型，电感三点式和电容三点式。

由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性容性之间有一条极陡峭的感抗曲线，而振荡器又被限定在此频率范围内工作。

该电抗曲线对频率有极大的变化速度，亦即石英晶体在这频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。

所以它具有很高的稳频能力，或者说具有很高的电感补偿能力。

因此选用c-b型皮尔斯电路进行制作。

图6工作电路2、选择晶体管和石英晶体根据设计要求，选择高频管2N3904型晶体管作为振荡管。