晶體振蕩器電路

石英晶體及其特性
1. 石英晶體諧振器
石英晶體具有正反壓電效應。當晶體幾何尺寸和結構一定時，它本身有一個固有的機械振動頻率。當外加交流電壓的頻率等於晶體的固有頻率時，晶體片的機械振動最大，晶體表面電荷量最多，外電路中的交流電流最強，於是產生了諧振。石英晶振的固有頻率十分穩定，它的溫度係數（溫度變化1℃所引起的固有頻率相對變化量）在10–6以下。石英晶振的振動具有多諧性,有基頻振動和奇次諧波泛音振動。前者稱為基頻晶體，後者稱為泛音晶體。晶體厚度與振動頻率成反比，工作頻率越高，要求晶片越薄。機械強度越差，加工越困難，使用中也易損壞。
2. 石英晶體的阻貳頻率特性

符號 基頻等效電路 完整等效電路
石英晶體諧振器
如上圖：安裝電容C0 約1~10pF
動態電感Lq 約103~102H
動態電容Cq 約10–4~10–1pF
動態電感rq 約幾十~幾百W
由以上參數可以看到
（1）因為

而Lq較大，Cq與rq很小，石英晶振的Q值和特性阻貳r都非常高。Q值可達幾萬到幾百萬。
（2）由於石英晶振的接入係數P= Cq/(C0+ Cq)很小，所以外接元器件參數對石英晶振的影響很小。
由圖(b)可以看到，石英晶振可以等效為一個串聯諧振迴路和一個並聯諧振迴路。
若忽略gq，則晶振兩端呈現純電抗。
串聯諧振頻率 ：


並聯諧振頻率：


晶體振蕩器電路
1. 皮爾斯(Pierce)振蕩電路
(1) 振蕩迴路與晶體管、負載之間的耦合很弱。
(2) 振蕩頻率幾乎由石英晶振的參數決定，而石英晶振本身的參數具有高度的穩定性。



皮爾斯(Pierce)振蕩電路

(3) 由於振蕩頻率f0一般調諧在標稱頻率fN上，位於晶振的感性區間，電抗曲線陡峭，穩頻性能極好。
(4) 由於晶振的Q值和特性阻貳r都很高，所以晶振的諧振電阻也很高，一般可達1010W以上。這樣即使外電路接入係數很小，此諧振電阻等效到晶體管輸出端的阻貳仍很大，使晶體管的電壓增益能滿足振幅起振條件的要求。
2. 密勒(Miller)振蕩電路
右圖是場效應管密勒震蕩電路。石英晶體作為電感元件連接在柵極和源極之間。LC並聯迴路在振蕩頻率點等效為電感，作為另一電感元件連接在漏極和源極之間，極間電容Cgd作為構成電感三點式電路中的電容元件。由於Cgd又稱為密勒電容，故此電路有密勒振蕩電路之稱。
密勒振蕩電路通常不採用晶體管，原因是正向偏置時晶體管發射結電阻太小，雖然晶振與發射結的耦合很弱，但也會在一定程度上降低迴路的標準性和頻率的穩定性，所以採用輸入阻貳高的場效應管。



密勒振蕩電路
3. 泛音晶體振蕩電路
並聯型泛音晶體振蕩電路，假設泛音晶振為五次泛音，標稱頻率為5MHz，基頻為1MHz，則LC1迴路必須調諧在三次和五次泛音頻率之間。
在5MHz頻率上，LC1迴路呈容性，振蕩電路滿足組成法則，而對於基頻和三次泛音頻率來說，LC1迴路呈感性，電路不符合組成法則，不能起振。而在七次及其以上泛音頻率，LC1迴路雖呈現容性，但等效容抗減小，從而使電路的電壓放大倍數減小，環路增益小於1，不滿足振幅起振條件。LC1迴路的電抗特性如(b)圖所示。



a b

4.串聯型晶體振蕩器
串聯型晶體振蕩器是將石英晶振用於正反饋支路中，利用其串聯諧振時等效為短路元件，電路反饋作用最強，滿足振幅起振條件，使振蕩器在晶振串聯諧振頻率fq上起振。



串聯型晶體振蕩電路
這種振蕩器與三點式振蕩器基本類似，只不過在正反饋支路上增加了一個晶振。
例： 圖(a)是一個數字頻率計晶振電路，試分析其工作情況。
解 先畫出V1管高頻交流等效電路，如圖 (b)所示，0.01UF電容較大，作為高頻旁路電路，V2管是射隨器。
由高頻交流等效電路可以看到，V1管的c、e極之間有一個LC迴路，其諧振頻率為

所以在晶振工作頻率5MHz處，此LC迴路等效為一個電容。可見，這是一個皮爾斯振蕩電路，晶振等效為電感，容量為3-10pF的可變電容起微調作用，使振蕩器工作在晶振的標稱頻率5MHz上。



a b
例6-4 已知石英晶體振蕩電路如圖所示，試求：
1) 畫出振蕩器的高頻等效電路，並指出電路的振蕩形式；
2) 若把晶體換為1MHz，該電路能否起振，為什麼？
3) 求振蕩器的振蕩頻率；
4) 指出該電路採用的穩頻措施。



解：
(2) 要想電路起振，ce間必須呈現容性，4.7mH和330pF並聯迴路的諧振頻率為，