石英晶体振荡电路原理

石英晶体振荡电路原理

频率稳定度是振荡器非常重要的性能指标之一，为了提高频率稳定度，针对前面所讨论的LC反馈型振荡器，我们引进了一些改进型的电路，例如本节将介绍的克拉泼电路和西勒电路，但这些电路的稳定度还远远达不到10-5的数量级，因此在要求高频率稳定度的场合，我们采用了石英晶体振荡器。

8.3.1 频率稳定度及稳频措施

1.频率稳定度

频率稳定度的定义是：在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，振荡频率的相对变化量。如振荡器的标称频率为f0,实际频率为f，则绝对误为△f



根据所规定时间长短不同，频率稳定度有长期、短期和瞬时之分。长期稳定度一般指一天以上乃至几个月内振荡频率的相对变化量，它主要取决于元器件的老化特性；短期频率稳定度一般指一天以内振荡频率的相对变化量，它主要决定于温度、电源电压等外界因素的变化；瞬时频率稳定度是指秒或毫秒内振荡频率的相对变化量，这是一种随机变化，这些变化均由电路内部噪声或各种突发性干扰所引起。

通常所讲的频率稳定度一般指短期频率稳定度。对振荡器频率稳定度的要求视振荡器的用途不同而不同，例如，用于中波广播电台发射机的频率稳定度为10e-5数量级，电视发射机的为10e-7数量级，普通信号发生器的为(10e-3~10e-5)数量级，作为频率标准的振荡器则要求达到(10e-8~10e-9)数量级。

2.影响频率稳定度的因素

由前面分析知道，LC振荡器振荡频率主要取决于谐振回路的参数，也与其他电路元器件参数有关。由于振荡器使用中，不可避免地会受到各种外界因素的影响，使得这些参数发生变化导致振荡频率不稳定。这些外界因素主要有温度、电源电压以及负载变化等。

温度变化会改变谐振回路的电感线圈的电感量和电容器的电容量，也会直接改变晶体管结电容、结电阻等参数，同时温度和电源电压的变化会影响晶体管的工作点及工作状态，也会使晶体管的等效参数发生变化，使谐振回路谐振频率、品质因素发生变化。

任何与振荡器相耦合的电路，它们都会吸取振荡器的振荡功率，成为振荡器的负载。如把这些负载阻抗折算到谐振回路之中，成为谐振回路参数的一部分，它们除了降低谐振回路的品质因素外，还会直接影响回路的谐振频率，所以，当负载变化时，振荡频率必然也将跟随变化。

3.稳频措施

相应地要解决振荡频率不稳定的因素，我们可以采用以下措施。

采用稳压电源稳定直流工作点，以减小极间电容的变化。

(2) 在负载与振荡电路间加缓冲级，隔离负载地振荡级的影响，以提高频率稳定性。

(3) 对决定振荡频率的元件应挑选，保证其精确度和稳定性。



(5) 将电抗元件L、C、晶体管、变容二极管和石英晶体等置于温糟内，降低它们各电参数的温度系数。但这样做成本较高，也可采用温度互补的电参数元件。例如选用正温度系数的电感，同时采用负温度系数的电容等措施。

8.3.2 三点式振荡电路的改进

1.克拉泼（Clapp）电路

如图8.8所示，克拉泼电路是在电容三点式振荡电路的基础上改进而来的。在原先的三点式振荡电路中，其振荡频率不仅取决于LC回路的参数，还与晶体管结电容和等内部参数有关，而晶体管的参数又随环境温度、电源电压的变化而变化，如何减小其对频率的影响呢？我们在L支路中串一个可变小电容C3，





2.西勒（Seiler）电路

如图8.9所示，它也是改进型电容三点式电路。



西勒电路中，由于C3与L并联，所以C3的大小不影响回路的接入系数，电路的放大倍数基本上不随C3的调节而变化，因而在振荡频率改变时，振荡幅度能保持稳定。

8.3.3 石英晶体振荡电路

上面介绍了几种LC振荡器，但由于LC元件的标准性差，因而谐振回路的Q值较低，空载Q值一般不超过300，有载Q值就更低，所以尽管采用了各种稳频措施，LC振荡器的频率稳定度依然很差，一般在数量级以内。若把高Q值的石英晶体引入振荡回路，它的频率稳定度一般可高达~，甚至更高，这种振荡器就是石英晶体振荡器。

石英晶体振荡电路的形式只有两种，即并联型晶体振荡电路和串联型晶体振荡电路。前者石英晶体工作在其串联谐振频率fq和并联谐振fp之间，晶体等效为一个电感作用在振荡回路中；而后者则工作于串联谐振频率fq处，利用阻抗最小的特性，作用在反馈回路中。

1.并联型晶体振荡电路

并联型晶体振荡电路又称皮尔斯（Pierce）电路，它的工作原理与三点式振荡器相同，只是将其中一个电感元件换成石英晶体。如图8.10所示。图中CB>>C1、C2，越隔直流通交流的作用。



当石英晶体工作在串联谐振频率fq和并联谐振频率fp之间，即fq ＜ f ＜ fp时，晶体呈感性。这样再外接两个电容就可以构成一个电容三点式振荡电路。其振荡频率为：

可见，振荡频率除由晶体等效电感决定外，还与外部电容有关，但当外部电容变化时，对振荡频率的影响却很小，这是因为：振荡回路是由晶体和C1、C2组成，要满足相位平衡条件，晶体在回路中一定要呈现感性，因此振荡频率就被限制在fq ～ fp之间。同时当石英晶体呈现感性时，由电抗特性曲线中可以看出，其等效电感随频率变化极大，这可使它具有自稳频作用。例如由于某种原因使外部电容减小，而使f0略有增大时，XL（或等效电感L）将迅速增大，以补偿电容的减小；反之亦然。从而维持了振荡频率的稳定，因此，这种电路的频率稳定度高。

石英晶体在振荡器中一般不能当电容元件使用。因为晶体的电抗曲线呈容性的范围很宽，随频率的变化缓慢，所以选频性能差，稳频能力低。此外，当晶体片损坏而无电压效应时，支架电容C0依然存在，晶体谐振器仍呈容性，振荡器仍能继续工作，所以无法判断晶体的好坏。

2.串联型晶体振荡电路

串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反馈支路中，图8.11所示。

当石英晶体串联在反馈回路中，只有振荡频率等于晶体的串联谐振频率fq时，石英晶体的阻抗最小，且为纯电阻性，因此正反馈幅度最强，且相移为零，电路满足自激振荡条件，振荡频率为fq 。而对于其它频率，石英晶体的阻抗增大，且不为纯电阻性，因此，反馈减弱，且有附加相移，不满足自激振荡条件，无法产生振荡。可见，这种电路的振荡频率受晶振控制，具有很高的频率稳定度。