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石英晶體振蕩電路原理

石英晶體振蕩電路原理

頻率穩定度是振蕩器非常重要的性能指標之一，為了提高頻率穩定度，針對前面所討論的LC反饋型振蕩器，我們引進了一些改進型的電路，例如本節將介紹的克拉潑電路和西勒電路，但這些電路的穩定度還遠遠達不到10-5的數量級，因此在要求高頻率穩定度的場合，我們采用了石英晶體振蕩器。

8.3.1 頻率穩定度及穩頻措施

1.頻率穩定度

頻率穩定度的定義是：在規定時間內，規定的溫度、濕度、電源電壓等變化范圍內，振蕩頻率的相對變化量。如振蕩器的標稱頻率為f0,實際頻率為f，則絕對誤為△f



根據所規定時間長短不同，頻率穩定度有長期、短期和瞬時之分。長期穩定度一般指一天以上乃至幾個月內振蕩頻率的相對變化量，它主要取決于元器件的老化特性；短期頻率穩定度一般指一天以內振蕩頻率的相對變化量，它主要決定于溫度、電源電壓等外界因素的變化；瞬時頻率穩定度是指秒或毫秒內振蕩頻率的相對變化量，這是一種隨機變化，這些變化均由電路內部噪聲或各種突發性干擾所引起。

通常所講的頻率穩定度一般指短期頻率穩定度。對振蕩器頻率穩定度的要求視振蕩器的用途不同而不同，例如，用于中波廣播電臺發射機的頻率穩定度為10e-5數量級，電視發射機的為10e-7數量級，普通信號發生器的為(10e-3~10e-5)數量級，作為頻率標準的振蕩器則要求達到(10e-8~10e-9)數量級。

2.影響頻率穩定度的因素

由前面分析知道，LC振蕩器振蕩頻率主要取決于諧振回路的參數，也與其他電路元器件參數有關。由于振蕩器使用中，不可避免地會受到各種外界因素的影響，使得這些參數發生變化導致振蕩頻率不穩定。這些外界因素主要有溫度、電源電壓以及負載變化等。

溫度變化會改變諧振回路的電感線圈的電感量和電容器的電容量，也會直接改變晶體管結電容、結電阻等參數，同時溫度和電源電壓的變化會影響晶體管的工作點及工作狀態，也會使晶體管的等效參數發生變化，使諧振回路諧振頻率、品質因素發生變化。

任何與振蕩器相耦合的電路，它們都會吸取振蕩器的振蕩功率，成為振蕩器的負載。如把這些負載阻抗折算到諧振回路之中，成為諧振回路參數的一部分，它們除了降低諧振回路的品質因素外，還會直接影響回路的諧振頻率，所以，當負載變化時，振蕩頻率必然也將跟隨變化。

3.穩頻措施

相應地要解決振蕩頻率不穩定的因素，我們可以采用以下措施。

采用穩壓電源穩定直流工作點，以減小極間電容的變化。

(2) 在負載與振蕩電路間加緩沖級，隔離負載地振蕩級的影響，以提高頻率穩定性。

(3) 對決定振蕩頻率的元件應挑選，保證其精確度和穩定性。



(5) 將電抗元件L、C、晶體管、變容二極管和石英晶體等置于溫糟內，降低它們各電參數的溫度系數。但這樣做成本較高，也可采用溫度互補的電參數元件。例如選用正溫度系數的電感，同時采用負溫度系數的電容等措施。

8.3.2 三點式振蕩電路的改進

1.克拉潑（Clapp）電路

如圖8.8所示，克拉潑電路是在電容三點式振蕩電路的基礎上改進而來的。在原先的三點式振蕩電路中，其振蕩頻率不僅取決于LC回路的參數，還與晶體管結電容和等內部參數有關，而晶體管的參數又隨環境溫度、電源電壓的變化而變化，如何減小其對頻率的影響呢？我們在L支路中串一個可變小電容C3，





2.西勒（Seiler）電路

如圖8.9所示，它也是改進型電容三點式電路。



西勒電路中，由于C3與L并聯，所以C3的大小不影響回路的接入系數，電路的放大倍數基本上不隨C3的調節而變化，因而在振蕩頻率改變時，振蕩幅度能保持穩定。

8.3.3 石英晶體振蕩電路

上面介紹了幾種LC振蕩器，但由于LC元件的標準性差，因而諧振回路的Q值較低，空載Q值一般不超過300，有載Q值就更低，所以盡管采用了各種穩頻措施，LC振蕩器的頻率穩定度依然很差，一般在數量級以內。若把高Q值的石英晶體引入振蕩回路，它的頻率穩定度一般可高達~，甚至更高，這種振蕩器就是石英晶體振蕩器。

石英晶體振蕩電路的形式只有兩種，即并聯型晶體振蕩電路和串聯型晶體振蕩電路。前者石英晶體工作在其串聯諧振頻率fq和并聯諧振fp之間，晶體等效為一個電感作用在振蕩回路中；而后者則工作于串聯諧振頻率fq處，利用阻抗最小的特性，作用在反饋回路中。

1.并聯型晶體振蕩電路

并聯型晶體振蕩電路又稱皮爾斯（Pierce）電路，它的工作原理與三點式振蕩器相同，只是將其中一個電感元件換成石英晶體。如圖8.10所示。圖中CB>>C1、C2，越隔直流通交流的作用。



當石英晶體工作在串聯諧振頻率fq和并聯諧振頻率fp之間，即fq ＜ f ＜ fp時，晶體呈感性。這樣再外接兩個電容就可以構成一個電容三點式振蕩電路。其振蕩頻率為：

可見，振蕩頻率除由晶體等效電感決定外，還與外部電容有關，但當外部電容變化時，對振蕩頻率的影響卻很小，這是因為：振蕩回路是由晶體和C1、C2組成，要滿足相位平衡條件，晶體在回路中一定要呈現感性，因此振蕩頻率就被限制在fq ～ fp之間。同時當石英晶體呈現感性時，由電抗特性曲線中可以看出，其等效電感隨頻率變化極大，這可使它具有自穩頻作用。例如由于某種原因使外部電容減小，而使f0略有增大時，XL（或等效電感L）將迅速增大，以補償電容的減小；反之亦然。從而維持了振蕩頻率的穩定，因此，這種電路的頻率穩定度高。

石英晶體在振蕩器中一般不能當電容元件使用。因為晶體的電抗曲線呈容性的范圍很寬，隨頻率的變化緩慢，所以選頻性能差，穩頻能力低。此外，當晶體片損壞而無電壓效應時，支架電容C0依然存在，晶體諧振器仍呈容性，振蕩器仍能繼續工作，所以無法判斷晶體的好壞。

2.串聯型晶體振蕩電路

串聯型晶體振蕩器是將石英晶振用于正反饋支路中，圖8.11所示。

當石英晶體串聯在反饋回路中，只有振蕩頻率等于晶體的串聯諧振頻率fq時，石英晶體的阻抗最小，且為純電阻性，因此正反饋幅度最強，且相移為零，電路滿足自激振蕩條件，振蕩頻率為fq 。而對于其它頻率，石英晶體的阻抗增大，且不為純電阻性，因此，反饋減弱，且有附加相移，不滿足自激振蕩條件，無法產生振蕩。可見，這種電路的振蕩頻率受晶振控制，具有很高的頻率穩定度。