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石英晶体正弦波振荡电路
石英晶体正弦波振荡电路
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
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
当f
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
由于C
当f>fP时, 电抗主要决定于C0, 石英晶体又呈容性。 因此, 石英晶体电抗的频率特性如上图所示, 只有在fs
根据品质因数的表达式
由于C和R的数值都很小, L数值很大, 所以Q值高达104~106。 频率稳定度Δf/f0可达10-6~10-8, 采用稳频措施后可达10-10~10-11。 而LC振荡器的Q值只能达到几百, 频率稳定度只能达到10-5。
二、石英晶体正弦波振荡电路
1.并联型石英晶体正弦波振荡电路
如果用石英晶体取代LC振荡电路中的电感, 就得到并联型石英晶体正弦波振荡电路, 如左下图所示, 电路的振荡频率等于石英晶体的并联谐振频率。
2.串联型石英晶体振荡电路
如右上图所示为串联型石英晶体振荡电路。 电容Cb为旁路电容, 对交流信号可视为短路。 电路的第一级为共基放大电路, 第二级为共集放大电路。 若断开反馈, 给放大电路加输入电压是, 极性上“+”下“-”；则T1管集电极动态电位为“+”, T2管的发射极动态电位也为“+”。 只有在石英晶体呈纯阻性, 即产生串联谐振时, 反馈石英晶体正弦波振荡电路电压才与输入电压同相, 电路才满足正弦波振荡的相位平衡条件。 所以电路的振荡频率为石英晶体的串联谐振频率fS。 调整Rf的阻值, 可使电路满足正弦波振荡的幅值平衡条件。
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