任务3石英晶体振荡器.docVIP

任务3-3　石英晶体振荡器 3-3-1资讯准备 任务描述 1．； ．理解． 1．什么是石英晶体振荡器？有何特点，主要应用于什么地方？ 阅读资料 上网： 查阅图书 询问相关工作人员 2．石英谐振器的等效电路是什么，电抗特性如何？ 3．石英谐振器有哪几个谐振频率，二者有何关系？ 4．石英晶体振荡器有哪些类型？电路结构、工作原理、主要特性是什么？ 导学材料 石英晶体振荡器是用石英谐振器来控制振荡频率的一种三点式振荡器，其频率稳定度随采用的石英谐振器以及电路形式、稳频措施的不同而不同，一般在10-4～10-11范围 一、石英谐振器 石英晶体的化学成份是二氧化硅(SiO2)，外形呈六角形锥体。石英晶体的导电性与晶体的晶格方向有关，按一定方位把石英晶体切成具有一定几何形状的石英片，两面敷上银层，焊出引线，装在支架上，再用外壳封装，就制成了石英谐振器，其电路符号如图3-3-1(a)所示。 若给石英谐振器两极外加一个交变电压信号，将会使石英晶体发生机械形变(压缩或伸展)，这种效应就是反压电效应。实验证明，外加不同频率的交变信号时，晶片的机械形变的大小也不相同。石英晶片和其它物体一样存在着固有振动频率，当外加信号的频率与晶片的固有振动频率相等时，将产生谐振现象，此时晶片的机械形变最大，机械振动最强，表面产生的电荷量最大，外电路中的电流也最大。 谐振频率由晶片机械振动的固有频率(又称基频)决定，而固有频率与晶片的几何尺寸有关，一般晶片越薄频率越高。但晶片越薄，机械强度越差，加工也越困难。目前，石英晶片的基频频率最高可达20MHz。此外，还有一种泛音晶体，它工作在机械振动的谐波频率上，但这种谐波与电信号谐波不同，它不是正好等于基频的整数倍，而是在整数倍的附近。泛音晶体必须配合适当电路才能工作在指定的频率上。 当石英晶体发生谐振时，在外电路上可以产生很大的电流，这种情况与电路的谐振非常相似。因此，通常采用图3-3-1(b)所示电路来模拟石英谐振器的特性。图中，L1、C1、R1分别为石英谐振器的等效电感、等效电容和损耗电阻；C0为静态电容，它是以石英为介质在两极板间所形成的电容。一般石英谐振器的参数范围约为：R1=10~140Ω；L1=0.01~10H；C1=0.004~0.1pF；C0=2~4pF。 图3-3-1(b)中，L1、C1、R1组成的串联支路的Q值为 (3-3-1) 由于参数L1很大，而C1又很小，因此谐振器的Q值很高，可达104～106，显然这是普通LC电路无法比拟的。 两个谐振频率fq和fp 谐振频率之一是由L1、C1和R1组成的串联支路所决定的串联谐振频率fq，它是石英晶片的自然谐振频率，其大小为 (3-3-2) 谐振频率之二是由石英晶片和静态电容C0组成的并联电路所决定的并联谐振频率fp，其大小为 (3-3-3) 因为C1C0，故式(3-3-3)可近似为 (3-3-4) 显然，fp fq，并且有 (3-3-5) 二者的差值随不同的石英谐振器而不同，一般为几十Hz~几百Hz。 石英谐振器的电抗特性如图3-3-2所示。当L1、C1、R1支路发生串联谐振时，电抗为零，则AB间的阻抗为纯电阻R1。由于R1很小，可视为短路，说明石英晶体在这种情况下可充当特殊短路元件使用。当晶体发生并联谐振时，AB两端间的阻抗为无穷大。当ffp或ffq时，等效电路呈容性，晶体充当一个等效电容；当fqffp时，等效电路呈电感性，这个区域很窄，石英谐振器充当一个等效电感。不过此电感是一个特殊的电感，它仅存在于fq与fp之间，且随频率f的变化而变化。用石英谐振器构成振荡器时，外电路一般接图3-3-1(b)的AB端(即C0两端)，因此对晶体(等效电感)的接入系数p是很小的，一般为10-3～10-4数量级，其表达式为 (3-3-6) 由于接入系数小，所以石英晶体与外电路的耦合是很弱的，这样就削弱了外电路与石英谐振器之间的相互不良影响，从而保证了石英谐振器的高Q值，因此，石英晶体振荡器振荡频率的稳定度和标准性都很高。 图3-3-2　石英谐振器的电抗特性 二、石英晶体振荡器 以石英谐振器为选频回路而构成的振荡器，称为石英晶体振荡器。由图3-3-2的电抗特性可知，石英谐振器在电路中可有三种用法：一是充当等效电感，晶体工作在接近于并联谐振频率fp的狭窄的感性区域内，这类振荡器称为并联谐振型石英晶体振荡器；二是充当短路元件，并将它串接在反馈支路内，用以控制反馈系数，它工作在串联谐振频率fq上，称为串联谐振型石英晶体振荡器；三是充当等效电容，使用较少。 1并联型石英晶体振荡