3.5 晶体振荡器
3.5.1 石英晶体振荡器的频率稳定度用石英晶体作为滤波元件，能使振荡器的频率稳定度大大提高，具体表现为（见第一章）：
1、石英晶体谐振器具有很高的标准性。石英晶体的串联谐振频率
qf
主要取决于晶片的尺寸，石英晶体的物理性能和化学性能都十分稳定，它的尺寸受外界条件如温度、湿度等影响很小，因而其等效电路的
qL
、
qC
值很稳定，使得
qf
很稳定。
3.5.1
3、石英晶体谐振器具有非常高的 Q 值。因为
1 qq
qq
LQ
rC?
Q 值可达几万到几百万，维持振荡频率稳定不变的能力极强。
一般为 3410 ~ 10 量级，这大大减弱了有源器件的极间电容等参数和外电路中不稳定因素对石英晶体的影响，
使石英晶体振荡器的频率振荡基本不受外界不稳定因素的影响。
3.5.1
2、石英晶体谐振器与有源器件的接入系数
0
1()q
q
Cn
CC
石英晶体的等效电路,
体两端呈纯电抗，其电抗特性曲线如图 3.5.2中两条实线所示。
3.5.1
，则晶
qr
若忽略图 3.5.1是石英晶振的符号和等效电路
（动画）
其中,串联谐振频率：
1
2q qq
f
LC?
并联谐振频率：
000
00
1
1
2
qq
Pq
q
q
qq
fC
ff
CC C C
L
CCCC
3.5.1
石英晶体产品的标称频率为,Nf
是指石英晶体两端并接 一电容
LC
其中
0
1(1 )
2
q
Nq
L
Cff
CC
通常值为 30pF （高频晶体）。
图 3.5.3 石英晶体产品的标称频率
3.5.1
3.5.2 晶体振荡电路晶体振荡器分为
串 联 型 晶 体 振 荡 器,将 石 英 晶 体 作 为 一 个 短 路 元 件 串 接在 正 反 馈 支 路 上,工 作 在 它 的 串 联 谐 振 频 率 上 。
并 联 型 晶 体 振 荡 器,将 石 英 晶 体 作 为 等 效 电 感 元 件 用 在三 点 式 电 路 中,工 作 在 感 应 区 。
3.5.2
（ c）（ ce型）石英晶体接在晶体管 ce极之间 ; 这种电路不常用。
一、并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器的工作原理和三点式振荡器相同，
只是将其中一个电感元件换成石英晶体。如下图所示。
（ a） 皮尔斯晶振（ cb型）：晶体接在晶体管 cb之间。
（ b）米勒晶振（ be型）：晶体接在晶体管 be极之间。
（ 2）电路特点：
A,振荡回路与晶体管、
负载之间的耦合很弱。晶体管ｃ、ｂ端,ｃ、ｅ端和ｅ、ｂ端的接入系数分别是：
0
,qcb
qL
Cn
C C C
12
12
L
CCC
CC 3.5.2
1、皮尔斯晶振
（ 1）原理电路图 3.5.4 皮尔斯晶体振荡器电路
（ａ）实际电路
（ｂ）高频交流通路
（动画）
2
12
c e c b
Cnn
CC
2
12
e b c b
Cnn
CC
以上三个接入系数一般均小于 3410 ~ 10,所以外电路中的不稳定参数对振荡回路影响很小，提高了回路的标准性。
B、振荡频率几乎由石英晶体的参数决定：
0
1 qo s c q
L
C
ff
CC
而石英晶体本身的参数具有高度的稳定性。
在实用时，一般需加入微调电容，用以微调回路的谐振频率，保证电路工作在晶体外壳上所注明的标称频率 。
3.5.2
D、石英晶体的 Q值和特性阻抗都很高，所以晶体 的谐振电阻很大，一般可达 1010?
以上。这样即使外电路 接入系数很小,此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很大，使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。
q
q
L
C
C、由于振荡频率
oscf
一般调谐在标称频率 上，Nf
位于晶体的感性区内,电抗曲线陡峭，稳频性能极好。
图 3.5.5所示为一实用振荡电路，其中的 C4
用于削弱 的影响，
LC
以隔离外部电路与石英谐振器的耦合。此外，
若串联电容 C为变容二极管，还可构成电压控制型晶体振荡器。
图 3.5.5 采用微调电容的晶体振荡电路
3.5.2
例 3.5.1 图例
3.5.7（ａ）是一个数字频率计晶振电路,试分析其工作情况。
等效电路,如图例 3.5.5（ｂ）
2T
管作射随器。 图 3.5.7 例 3.5.1图（ａ）数字频率计晶振电路 （ｂ）高频交流等效电路
3.5.2
解,先画出
1T
管高频交流电容较大，0.01μF所示，
作为高频旁路电路，
由高频交流等效电路可以看到，
1T
管的 c,e极之间有一个 ＬＣ 回路,
其谐振频率为：
zf 0.410330107.42 1 1260?
所以在晶振工作频率５ z 处，此 ＬＣ 回路等效为一个电容。可见，这是一个皮尔斯振荡电路，晶体等效为电感，容量为 3 pF ~10 pF 的可变电容起微调作用，使振荡器工作在晶振的标称频率上５ z 。
3.5.2
3.5.2
图 3.5.8密勒振荡电路
(a) 晶体管密勒振荡电路
(b) 场效应管密勒振荡电路
２、密勒晶振电路图 3.5.8(a)为密勒（ Miler）振荡器。由于晶体与晶体管的低输入阻抗并联，降低了有载品质因数
，故密勒振荡器的频率稳定
eQ
度 较低。实际上，密勒振荡电路通常不采用晶体管，而是采用输入阻抗高的场效应管来提高回路的标准性和频率的稳定性，如图 3.5.8(b)所示。
3、泛音晶振电路在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡电路。
1LC
回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。
3.5.2
假设泛音晶振为五次泛音,标称频率为５ MHz，基频为１ MHz，则图 3.5.9 泛音晶振电路成法则，不能起振。 而在七次及其以上泛音频率，
1LC
减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环路增益小于 1，不满足振幅起振条件。
对于基 频和三次泛音频率来说，
1LC
回路呈感性，电路不符合组性,振荡电路满足组成法则。
1LC
回路呈容在５ MHz频率上，
回路虽呈现容性，但等效容抗二、串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器是将石英晶体用于正反馈支路中，
利用其串联谐振时等效为短路元件的特性，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，
使振荡器在晶体串联谐振频率
sf
上起振。
3.5.2
图 3.5.8 串联型单管晶体振荡器电路
3.5.1 石英晶体振荡器的频率稳定度用石英晶体作为滤波元件，能使振荡器的频率稳定度大大提高，具体表现为（见第一章）：
1、石英晶体谐振器具有很高的标准性。石英晶体的串联谐振频率
qf
主要取决于晶片的尺寸，石英晶体的物理性能和化学性能都十分稳定，它的尺寸受外界条件如温度、湿度等影响很小，因而其等效电路的
qL
、
qC
值很稳定，使得
qf
很稳定。
3.5.1
3、石英晶体谐振器具有非常高的 Q 值。因为
1 qq
LQ
rC?
Q 值可达几万到几百万，维持振荡频率稳定不变的能力极强。
一般为 3410 ~ 10 量级，这大大减弱了有源器件的极间电容等参数和外电路中不稳定因素对石英晶体的影响，
使石英晶体振荡器的频率振荡基本不受外界不稳定因素的影响。
3.5.1
2、石英晶体谐振器与有源器件的接入系数
0
1()q
q
Cn
CC
石英晶体的等效电路,
体两端呈纯电抗，其电抗特性曲线如图 3.5.2中两条实线所示。
3.5.1
，则晶
qr
若忽略图 3.5.1是石英晶振的符号和等效电路
（动画）
其中,串联谐振频率：
1
2q qq
f
LC?
并联谐振频率：
000
00
1
1
2
Pq
q
q
fC
ff
CC C C
L
CCCC
3.5.1
石英晶体产品的标称频率为,Nf
是指石英晶体两端并接 一电容
LC
其中
0
1(1 )
2
q
Nq
L
Cff
CC
通常值为 30pF （高频晶体）。
图 3.5.3 石英晶体产品的标称频率
3.5.1
3.5.2 晶体振荡电路晶体振荡器分为
串 联 型 晶 体 振 荡 器,将 石 英 晶 体 作 为 一 个 短 路 元 件 串 接在 正 反 馈 支 路 上,工 作 在 它 的 串 联 谐 振 频 率 上 。
并 联 型 晶 体 振 荡 器,将 石 英 晶 体 作 为 等 效 电 感 元 件 用 在三 点 式 电 路 中,工 作 在 感 应 区 。
3.5.2
（ c）（ ce型）石英晶体接在晶体管 ce极之间 ; 这种电路不常用。
一、并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器的工作原理和三点式振荡器相同，
只是将其中一个电感元件换成石英晶体。如下图所示。
（ a） 皮尔斯晶振（ cb型）：晶体接在晶体管 cb之间。
（ b）米勒晶振（ be型）：晶体接在晶体管 be极之间。
（ 2）电路特点：
A,振荡回路与晶体管、
负载之间的耦合很弱。晶体管ｃ、ｂ端,ｃ、ｅ端和ｅ、ｂ端的接入系数分别是：
0
,qcb
qL
Cn
C C C
12
12
L
CCC
CC 3.5.2
1、皮尔斯晶振
（ 1）原理电路图 3.5.4 皮尔斯晶体振荡器电路
（ａ）实际电路
（ｂ）高频交流通路
（动画）
2
12
c e c b
Cnn
CC
2
12
e b c b
Cnn
CC
以上三个接入系数一般均小于 3410 ~ 10,所以外电路中的不稳定参数对振荡回路影响很小，提高了回路的标准性。
B、振荡频率几乎由石英晶体的参数决定：
0
1 qo s c q
L
C
ff
CC
而石英晶体本身的参数具有高度的稳定性。
在实用时，一般需加入微调电容，用以微调回路的谐振频率，保证电路工作在晶体外壳上所注明的标称频率 。
3.5.2
D、石英晶体的 Q值和特性阻抗都很高，所以晶体 的谐振电阻很大，一般可达 1010?
以上。这样即使外电路 接入系数很小,此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很大，使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。
q
q
L
C
C、由于振荡频率
oscf
一般调谐在标称频率 上，Nf
位于晶体的感性区内,电抗曲线陡峭，稳频性能极好。
图 3.5.5所示为一实用振荡电路，其中的 C4
用于削弱 的影响，
LC
以隔离外部电路与石英谐振器的耦合。此外，
若串联电容 C为变容二极管，还可构成电压控制型晶体振荡器。
图 3.5.5 采用微调电容的晶体振荡电路
3.5.2
例 3.5.1 图例
3.5.7（ａ）是一个数字频率计晶振电路,试分析其工作情况。
等效电路,如图例 3.5.5（ｂ）
2T
管作射随器。 图 3.5.7 例 3.5.1图（ａ）数字频率计晶振电路 （ｂ）高频交流等效电路
3.5.2
解,先画出
1T
管高频交流电容较大，0.01μF所示，
作为高频旁路电路，
由高频交流等效电路可以看到，
1T
管的 c,e极之间有一个 ＬＣ 回路,
其谐振频率为：
zf 0.410330107.42 1 1260?
所以在晶振工作频率５ z 处，此 ＬＣ 回路等效为一个电容。可见，这是一个皮尔斯振荡电路，晶体等效为电感，容量为 3 pF ~10 pF 的可变电容起微调作用，使振荡器工作在晶振的标称频率上５ z 。
3.5.2
3.5.2
图 3.5.8密勒振荡电路
(a) 晶体管密勒振荡电路
(b) 场效应管密勒振荡电路
２、密勒晶振电路图 3.5.8(a)为密勒（ Miler）振荡器。由于晶体与晶体管的低输入阻抗并联，降低了有载品质因数
，故密勒振荡器的频率稳定
eQ
度 较低。实际上，密勒振荡电路通常不采用晶体管，而是采用输入阻抗高的场效应管来提高回路的标准性和频率的稳定性，如图 3.5.8(b)所示。
3、泛音晶振电路在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡电路。
1LC
回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。
3.5.2
假设泛音晶振为五次泛音,标称频率为５ MHz，基频为１ MHz，则图 3.5.9 泛音晶振电路成法则，不能起振。 而在七次及其以上泛音频率，
1LC
减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环路增益小于 1，不满足振幅起振条件。
对于基 频和三次泛音频率来说，
1LC
回路呈感性，电路不符合组性,振荡电路满足组成法则。
1LC
回路呈容在５ MHz频率上，
回路虽呈现容性，但等效容抗二、串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器是将石英晶体用于正反馈支路中，
利用其串联谐振时等效为短路元件的特性，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，
使振荡器在晶体串联谐振频率
sf
上起振。
3.5.2
图 3.5.8 串联型单管晶体振荡器电路
