第 3 章 正弦波振荡器
3.4.1 石英谐振器的电特性
3.4.2 晶体振荡电路
3.4 晶体振荡器
3.4 晶体振荡器
频稳度 晶体振荡器：超过 10 -5 LC 振荡器,10 -3 ~ 10 -5
晶体振荡器,采用石英谐振器控制和稳定振荡频率的
振荡器 。
3.4.1 石英谐振器的电特性
1,石英晶体的性能与等效电路
(1)结构
利用石英晶体 (Quartz-Crystal)的压电效应制成的一种
谐振器件 。
(a) (b) (c)
图 3-4-1 石英谐振器的内部结构
(2)性能
① 晶片有一固有振动频率, 与切割方位, 形状, 大小
有关, 且十分稳定 。
将其接到振荡器的闭合环路中, 利用其 固有频率, 能有
效地控制和稳定 振荡频率 。
② 压电效应：机械与电的相互转换效应。
正压电效应：外加力，产生电荷现象
逆压电效应：外加电压，产生机械振动现象。
③ 振动特性：具有多谐性, 除基频 (Fundamental
Frequency)振动外还有奇次谐波的泛音 (Overtones)振动 。
(3)等效电路
C0：静态电容和支架引线分布电容之和；
Lq1,Cq1,rq1：晶体基频等效电路；
Lq3,Cq3,rq3：晶体三次泛音等效电路 ? ? ?
(Lq 很大,Qq 很大,Cq 很小且数值极其稳定 )
当外加交变电压与石英晶片的机械振动发生共振时, 石
英晶片两极上的交变电荷量即通过的交变电流量最大, 因而
具有串联谐振特性 。
2,电抗特性
可证：忽略 rq 时，晶体两端呈现纯电抗，其值近似为
2p
2s
0
crcr
)(1
)(1
1
jj)(j
?
?
?
?
?
?
-
-
-??
C
XZ
0q
0q
q
p
qq
s
1
,
1
CC
CC
L
CL
?
?? ??
图 3-4-3 晶体的阻抗曲线
讨论,
① 在 ?s ~ ?p 之间为正值, 呈 感性 ；
其他频段内为负值, 呈 容性 。
② 在 ?s 上 Xcr = 0, 为 串联谐振 ；
在 ?p 上 Xcr ? ?,为 并联谐振 。
又
0
q
s
0q
0q
q
qq
qq
0q
0q
q
p
1
11
C
C
CC
CC
L
CL
CL
CC
CC
L
??
?
?
?
? ??
应用
??????? xx
2
111 则 )
2
11(
0
q
sp C
C
?? ??
或
0
q
s
sP
2
1
C
C
?-
?
??
因为 C0 >> Cq,所以 ?p 很靠近 ?s, 例如 5 MHz 的
晶振体
fp – fs ? 6.5 kHz
小结,
晶振体两个谐振频率,fs,fp ；且 fs < fp
① 工作于 fs ~ fp 之间为高 Q 电感，并联谐振。
② 工作于 fs 附近为串联谐振，对 fs，相当于短路。
晶振体只能工作于上述两种方式，否则频稳度下降。
3.4.2 晶体振荡电路
一、并联型晶体振荡电路 晶体振荡器
1,电路 [皮尔斯 (Pirece)晶体振荡电路 ]
(a)实际电路 (b)交流通路
图 3-4-1 皮尔斯振荡电路
RB1,RB2 和 RE,
分压偏置电路,
LC,高频扼流圈,
CB,旁路电容,
CC,耦合电容 。
2,原理
由等效电路，它与 Clapp 电路 十分相似 (Cq 类似于 C3 )。
3,频率准确度微调
实际频率 与 标称频率 往往有偏差, 若要求准确度高,
必须设 频率微调 。
4,提高频稳度的措施
图 3-4-6 采用微调电容的晶体振荡电路
(1)恒温槽
将晶体或振荡器置于恒温
槽内, 槽内温度控制在晶体拐
点温度 (在该温度范围内, 晶
振温度系数为 0)附近 。 频稳度
可达 10-10 数量级 。
(2)变容管的温度补偿电路
① 电路
T1 —— Pirece 晶体振荡电路
② 原理
温度控制电路中, 热敏元件使 Vi 反映了温度的变化,
作用到变容二极管, 使其电容改变, 补偿因温度引起振荡
频率的变化 。
T↑→ Rt1↓→ vCj↑→ Cj↓→ fs↑
fs↓
5,泛音振动 —— 基波和低次泛音的抑制
(1)电路
将 Pirece 电路中 C1 用 LC1 谐振回路取代。
(2)原理
假设取五次泛音晶体, 标称频率 5
MHz,为了抑制基波和三次泛音的寄生振
荡, LC1 应调谐在三次和五次泛音之间,
例如 3.5 MHz。
图 3-4-8
在 5 MHz 频率上, LC1 呈容性, 满足
电容三点式；
对基频, 三次泛音, LC1 呈感性, 组
成法则 不满足；
对高于七次以上泛音, 虽 LC1 呈 容性,
但分压比 n 过小, 不满足 起振条件 。
二、串联型晶体振荡电路
1,电路 1
当 f = fs 时, 晶体串联谐振, 等效为短路元件, T1、
T2管和外接晶体构成正反馈放大器, 满足 相位平衡条件, 且
反馈最强, 满足 起振条件 。
图 3-4-9 XK76 集成晶体振荡的内部电路
谐振频率 —— fs
f ? fs 时, 晶体呈高阻抗, 反馈显著减弱, 不能满足振
幅和相位起振条件, 所以这种振荡器的振荡频率受晶体串
联谐振频率的控制, 具有很高的频稳度 。
2,电路 2
晶体串联谐振频率，等效为短路元件，电路符合 三点式
组成法则,为电容三点式电路。
偏离串联谐振频率，晶体阻抗迅
速增大，电路不能振荡。
振荡频率取决于 晶体的串联谐振
频率 。
为提高频稳度，可将 L,C1,C2、
C3 回路调谐在串谐频率附近。
3.4.1 石英谐振器的电特性
3.4.2 晶体振荡电路
3.4 晶体振荡器
3.4 晶体振荡器
频稳度 晶体振荡器：超过 10 -5 LC 振荡器,10 -3 ~ 10 -5
晶体振荡器,采用石英谐振器控制和稳定振荡频率的
振荡器 。
3.4.1 石英谐振器的电特性
1,石英晶体的性能与等效电路
(1)结构
利用石英晶体 (Quartz-Crystal)的压电效应制成的一种
谐振器件 。
(a) (b) (c)
图 3-4-1 石英谐振器的内部结构
(2)性能
① 晶片有一固有振动频率, 与切割方位, 形状, 大小
有关, 且十分稳定 。
将其接到振荡器的闭合环路中, 利用其 固有频率, 能有
效地控制和稳定 振荡频率 。
② 压电效应：机械与电的相互转换效应。
正压电效应：外加力，产生电荷现象
逆压电效应：外加电压，产生机械振动现象。
③ 振动特性：具有多谐性, 除基频 (Fundamental
Frequency)振动外还有奇次谐波的泛音 (Overtones)振动 。
(3)等效电路
C0：静态电容和支架引线分布电容之和；
Lq1,Cq1,rq1：晶体基频等效电路；
Lq3,Cq3,rq3：晶体三次泛音等效电路 ? ? ?
(Lq 很大,Qq 很大,Cq 很小且数值极其稳定 )
当外加交变电压与石英晶片的机械振动发生共振时, 石
英晶片两极上的交变电荷量即通过的交变电流量最大, 因而
具有串联谐振特性 。
2,电抗特性
可证：忽略 rq 时，晶体两端呈现纯电抗，其值近似为
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图 3-4-3 晶体的阻抗曲线
讨论,
① 在 ?s ~ ?p 之间为正值, 呈 感性 ；
其他频段内为负值, 呈 容性 。
② 在 ?s 上 Xcr = 0, 为 串联谐振 ；
在 ?p 上 Xcr ? ?,为 并联谐振 。
又
0
q
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0q
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11
C
C
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应用
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2
111 则 )
2
11(
0
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或
0
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2
1
C
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因为 C0 >> Cq,所以 ?p 很靠近 ?s, 例如 5 MHz 的
晶振体
fp – fs ? 6.5 kHz
小结,
晶振体两个谐振频率,fs,fp ；且 fs < fp
① 工作于 fs ~ fp 之间为高 Q 电感，并联谐振。
② 工作于 fs 附近为串联谐振，对 fs，相当于短路。
晶振体只能工作于上述两种方式，否则频稳度下降。
3.4.2 晶体振荡电路
一、并联型晶体振荡电路 晶体振荡器
1,电路 [皮尔斯 (Pirece)晶体振荡电路 ]
(a)实际电路 (b)交流通路
图 3-4-1 皮尔斯振荡电路
RB1,RB2 和 RE,
分压偏置电路,
LC,高频扼流圈,
CB,旁路电容,
CC,耦合电容 。
2,原理
由等效电路，它与 Clapp 电路 十分相似 (Cq 类似于 C3 )。
3,频率准确度微调
实际频率 与 标称频率 往往有偏差, 若要求准确度高,
必须设 频率微调 。
4,提高频稳度的措施
图 3-4-6 采用微调电容的晶体振荡电路
(1)恒温槽
将晶体或振荡器置于恒温
槽内, 槽内温度控制在晶体拐
点温度 (在该温度范围内, 晶
振温度系数为 0)附近 。 频稳度
可达 10-10 数量级 。
(2)变容管的温度补偿电路
① 电路
T1 —— Pirece 晶体振荡电路
② 原理
温度控制电路中, 热敏元件使 Vi 反映了温度的变化,
作用到变容二极管, 使其电容改变, 补偿因温度引起振荡
频率的变化 。
T↑→ Rt1↓→ vCj↑→ Cj↓→ fs↑
fs↓
5,泛音振动 —— 基波和低次泛音的抑制
(1)电路
将 Pirece 电路中 C1 用 LC1 谐振回路取代。
(2)原理
假设取五次泛音晶体, 标称频率 5
MHz,为了抑制基波和三次泛音的寄生振
荡, LC1 应调谐在三次和五次泛音之间,
例如 3.5 MHz。
图 3-4-8
在 5 MHz 频率上, LC1 呈容性, 满足
电容三点式；
对基频, 三次泛音, LC1 呈感性, 组
成法则 不满足；
对高于七次以上泛音, 虽 LC1 呈 容性,
但分压比 n 过小, 不满足 起振条件 。
二、串联型晶体振荡电路
1,电路 1
当 f = fs 时, 晶体串联谐振, 等效为短路元件, T1、
T2管和外接晶体构成正反馈放大器, 满足 相位平衡条件, 且
反馈最强, 满足 起振条件 。
图 3-4-9 XK76 集成晶体振荡的内部电路
谐振频率 —— fs
f ? fs 时, 晶体呈高阻抗, 反馈显著减弱, 不能满足振
幅和相位起振条件, 所以这种振荡器的振荡频率受晶体串
联谐振频率的控制, 具有很高的频稳度 。
2,电路 2
晶体串联谐振频率，等效为短路元件，电路符合 三点式
组成法则,为电容三点式电路。
偏离串联谐振频率，晶体阻抗迅
速增大，电路不能振荡。
振荡频率取决于 晶体的串联谐振
频率 。
为提高频稳度，可将 L,C1,C2、
C3 回路调谐在串谐频率附近。
