石英晶體振蕩電路

1、9.7.4 石英晶體振蕩電路1.正弦波振蕩器的頻率穩(wěn)定問(wèn)題 n頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度一般用一段時(shí)間內(nèi)頻率的相對(duì)變頻率穩(wěn)定度一般用一段時(shí)間內(nèi)頻率的相對(duì)變化量來(lái)表示。化量來(lái)表示。n影響振蕩頻率的主要因素影響振蕩頻率的主要因素 影響振蕩頻率的主要因素主要影響振蕩頻率的主要因素主要是是LCLC并聯(lián)回路的參數(shù)并聯(lián)回路的參數(shù)L L、C C和和R R對(duì)品質(zhì)因數(shù)對(duì)品質(zhì)因數(shù)Q Q的影響，的影響，Q Q值越高，值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。 LC LC振蕩電路的振蕩電路的Q Q為數(shù)百，石英晶體振蕩電路的為數(shù)百，石英晶體振蕩電路的Q Q為為10104 4 10106 6n提高

2、頻率穩(wěn)定度的措施提高頻率穩(wěn)定度的措施 提高頻率穩(wěn)定度的措施是盡量減提高頻率穩(wěn)定度的措施是盡量減小小R R并加大并加大L/CL/C值。在要求頻率穩(wěn)定度很高的場(chǎng)合，采用石值。在要求頻率穩(wěn)定度很高的場(chǎng)合，采用石英晶體振蕩器。英晶體振蕩器。2. 石英晶體的基本特性 石英晶體的物理特性石英晶體的物理特性 石英晶體是一種各向異性的結(jié)晶體，石英晶體是一種各向異性的結(jié)晶體，主要成分是二氧化硅。主要成分是二氧化硅。 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng) 若在晶片的兩個(gè)極板間若在晶片的兩個(gè)極板間加一電場(chǎng)加一電場(chǎng)，會(huì)使晶體會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在極板間；反之，若在極板間施加機(jī)械力施加機(jī)械力，又會(huì)

3、在相應(yīng)的方向上又會(huì)在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。 石英晶體的壓電諧振石英晶體的壓電諧振 當(dāng)晶片兩極當(dāng)晶片兩極加上交變電壓加上交變電壓時(shí)，晶片時(shí)，晶片就會(huì)就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振蕩產(chǎn)生機(jī)械變形振蕩，同時(shí)晶片的，同時(shí)晶片的機(jī)械振蕩又會(huì)產(chǎn)生交機(jī)械振蕩又會(huì)產(chǎn)生交流電場(chǎng)流電場(chǎng)。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于晶片的固有頻率（。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于晶片的固有頻率（與與晶片尺寸有關(guān)晶片尺寸有關(guān)）時(shí)時(shí)，機(jī)械振蕩幅度最大。，機(jī)械振蕩幅度最大。OfXfsfp容容性性容容性性感性感性3. 石英晶體的等效電路 C Co o為靜電電容，約為靜電電容，約1010-12-12F F1010-11-11F F。 L L模擬晶體的慣性

4、，約模擬晶體的慣性，約1010-3-310102 2H H。 C C模擬晶體的彈性，約模擬晶體的彈性，約1010-14-141010-13-13F F。 R R等效摩擦損耗，約幾百等效摩擦損耗，約幾百 。 回路的回路的Q Q很大，可達(dá)很大，可達(dá)10104 410106 6。LCfs 21 ooopCCLCCCCCLf 12121 4. 石英晶體振蕩器 石英晶體振蕩器有并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振石英晶體振蕩器有并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩器兩類。蕩器兩類。 并聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體以并聯(lián)諧振的形式出并聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體以并聯(lián)諧振的形式出現(xiàn)，起電感作用。現(xiàn)，起電感作用。 串聯(lián)型

5、晶體振蕩器中，石英晶體以串聯(lián)諧振的形式出串聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體以串聯(lián)諧振的形式出現(xiàn)，起電阻作用?，F(xiàn)，起電阻作用。振蕩頻率振蕩頻率CCCCCCLf 000)(212121CCCCC 其中其中CCC0 由由于于s021fLCf 一、并聯(lián)型石英晶體振蕩電路當(dāng)振蕩頻率等于當(dāng)振蕩頻率等于f fS S時(shí)，晶體阻抗最小，且為純電阻，時(shí)，晶體阻抗最小，且為純電阻，此時(shí)正反饋?zhàn)顝?qiáng)，相移為零，電路滿足自激振蕩條件。此時(shí)正反饋?zhàn)顝?qiáng)，相移為零，電路滿足自激振蕩條件。振蕩頻率振蕩頻率s0ff 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R R可改變反饋的強(qiáng)弱，以獲得良好的正弦波。可改變反饋的強(qiáng)弱，以獲得良好的正弦波。二、串聯(lián)型石英晶體振蕩電路9.8

6、 非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路 非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路有方波產(chǎn)生電路、三角波產(chǎn)非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路有方波產(chǎn)生電路、三角波產(chǎn)生電路、鋸齒波產(chǎn)生電路等。生電路、鋸齒波產(chǎn)生電路等。9.8.1 電壓比較器n電壓比較器是一種用來(lái)比較電壓比較器是一種用來(lái)比較輸入信號(hào)輸入信號(hào)vi和參考電壓和參考電壓VREF的電路。的電路。CCOCCVvV 運(yùn)算放大器工作在非線性狀態(tài)下。運(yùn)算放大器工作在非線性狀態(tài)下。n特點(diǎn)：開(kāi)環(huán)，特點(diǎn)：開(kāi)環(huán)，虛短虛短不成立不成立 增益增益A0大于大于1051. 單門限電壓比較器n當(dāng)當(dāng)v vIDID= =v vi i-V-VREFREF0 0時(shí)，運(yùn)放處于負(fù)飽和狀態(tài)，時(shí)，運(yùn)放處于負(fù)飽和狀態(tài)，v vo o=V=V

7、OLOL；n當(dāng)當(dāng)v vIDID= =v vi i-V-VREFREF0 0時(shí)，運(yùn)放轉(zhuǎn)入正飽和狀態(tài)，時(shí)，運(yùn)放轉(zhuǎn)入正飽和狀態(tài)，v vo o=V=VO O；n兩個(gè)二極管是為了避免集成運(yùn)放內(nèi)部管子進(jìn)入深飽和兩個(gè)二極管是為了避免集成運(yùn)放內(nèi)部管子進(jìn)入深飽和區(qū)來(lái)提高響應(yīng)速度。區(qū)來(lái)提高響應(yīng)速度。門限電壓門限電壓 輸入為正負(fù)對(duì)稱的正弦輸入為正負(fù)對(duì)稱的正弦波時(shí)，輸出為方波。波時(shí)，輸出為方波。電壓傳輸特性電壓傳輸特性（1）過(guò)零比較器電壓傳輸特性電壓傳輸特性（2）門限電壓不為零的比較器9.8.1 9.8.1 已知已知R Rb b=51K=51K ，R Rc c=5.1K=5.1K ， =50=50，V VCESCES

8、00，I ICEO CEO 00，試求：試求：(1)(1)當(dāng)當(dāng)v vI I=1V=1V時(shí)，時(shí)，v vO O=?=?(2)(2)當(dāng)當(dāng)v vI I=3V=3V時(shí)，時(shí)，v vO O=? =? (3)(3)當(dāng)當(dāng)v vI I=5sin=5sin t(t(V)V)時(shí)，試畫出時(shí)，試畫出v vI I、v vO2O2和和v vO O的波形。的波形。解：解：(1)(1)當(dāng)當(dāng)v vI I=1V=1V時(shí)，時(shí)，v vO O=0V=0V(2)(2)當(dāng)當(dāng)v vI I=3V=3V時(shí)，時(shí)，v vO O=6V =6V (3)(3)當(dāng)當(dāng)v vI I=5sin=5sin t(t(V)V)時(shí)時(shí)v vO O單門限比較器的抗干擾能力單門限

9、比較器的抗干擾能力應(yīng)為高電平應(yīng)為高電平錯(cuò)誤電平錯(cuò)誤電平2. 遲滯比較器)( OLOPI低電平低電平時(shí)，時(shí)，Vvvv )( OHOPI高電平高電平時(shí)，時(shí)，Vvvv 212211212RRVRRRVRVVVRRRVVvOHREFREFREFOHTOHO 則則設(shè)設(shè) 212211212RRVRRRVRVVVRRRVVvOLREFREFREFOLTOLO 則則當(dāng)當(dāng)上門限電壓上門限電壓下門限電壓下門限電壓回差電壓回差電壓21OLOH2TTT)(RRVVRVVV 傳輸特性212211RRVRRRVRVVvOHREFTOHO ，212211RRVRRRVRVVvOLREFTOLO ，+VOHvIvO - -V

10、OLOVT+ +VT- -通過(guò)上述幾種電壓比較器的分析，可得出如下結(jié)論：通過(guò)上述幾種電壓比較器的分析，可得出如下結(jié)論：（1）用于電壓比較器的運(yùn)放，通常工作在開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)）用于電壓比較器的運(yùn)放，通常工作在開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)和非線性區(qū)，其輸出電壓只有高電平和非線性區(qū)，其輸出電壓只有高電平VOH和低電和低電VOL兩種情況。兩種情況。（2）一般用電壓傳輸特性來(lái)描述輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)）一般用電壓傳輸特性來(lái)描述輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系。關(guān)系。（3）電壓傳輸特性的關(guān)鍵要素）電壓傳輸特性的關(guān)鍵要素 輸出電壓的高電平輸出電壓的高電平VOH和低電平和低電平VOL 門限電壓門限電壓 輸出電壓的跳變方向輸

11、出電壓的跳變方向令令vPvN所求出的所求出的vI就是門限電壓就是門限電壓vI等于門限電壓時(shí)輸出電壓發(fā)生跳變等于門限電壓時(shí)輸出電壓發(fā)生跳變跳變方向取決于是同相輸入方式還是反相輸入方式跳變方向取決于是同相輸入方式還是反相輸入方式9.8.6 9.8.6 已知已知V VZ Z= = 6V6V，(1)(1)試畫出該電路的電壓傳輸特性；試畫出該電路的電壓傳輸特性；(2)(2)畫出幅值為畫出幅值為6 6V V正弦信號(hào)電壓正弦信號(hào)電壓v vi i所對(duì)應(yīng)的輸出電壓波形。所對(duì)應(yīng)的輸出電壓波形。31RRRF322 3vVvoZo 9V23Vv0v9V23Vv0vZooZoo 時(shí)時(shí)時(shí)時(shí)3V39V-V3V39VVTT

12、解：解：3. 集成電壓比較器n集成電壓比較器比集成運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益低、失集成電壓比較器比集成運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益低、失調(diào)電壓大、共模抑制比小，因而它的靈敏度往往不如調(diào)電壓大、共模抑制比小，因而它的靈敏度往往不如用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的比較器高，但由于集成電壓用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的比較器高，但由于集成電壓比較器通常工作在兩種狀態(tài)之一，因此不需要頻率補(bǔ)比較器通常工作在兩種狀態(tài)之一，因此不需要頻率補(bǔ)償電容，也就不存在像集成運(yùn)算放大器那樣因加入補(bǔ)償電容，也就不存在像集成運(yùn)算放大器那樣因加入補(bǔ)償電容引起轉(zhuǎn)換速率受限。償電容引起轉(zhuǎn)換速率受限。n根據(jù)輸出方式不同，集成電壓比較器可分為普通、集根據(jù)輸出方式不

13、同，集成電壓比較器可分為普通、集電極開(kāi)路輸出或互補(bǔ)輸出三種情況。電極開(kāi)路輸出或互補(bǔ)輸出三種情況。9.8.2 方波產(chǎn)生電路一、電路組成穩(wěn)壓管雙穩(wěn)壓管雙向限幅向限幅設(shè)設(shè)t=t=0 0時(shí)，時(shí)，v vC C=0=0，v vO O=+=+V VZ ZZVRRRv211 則則tOvCOvOZV ZV t當(dāng)當(dāng)v v- -= =v vC C= =v v+ +時(shí)，時(shí)，t1t2ZVRRRv211 則則當(dāng)當(dāng)v v- -= =v vC C= =v v+ +時(shí)，輸出時(shí)，輸出又一次跳變，又一次跳變，v vO O=+=+V VZ Z輸出跳變，輸出跳變，v vO O= =- -V VZ Z二、工作原理ZVRRR211 ZVR

14、RR211 tOvCZVRRR211 ZVRRR211 OvOZV ZV tt1t2三、振蕩周期 )(ve)(v)(v) t (vCtCCC 0ZCVRRR)(v2110 ZCV)(v RC )21ln(221RRRCT 改變充放電回路的時(shí)間常數(shù)及滯回比較器的電阻，即可改變充放電回路的時(shí)間常數(shù)及滯回比較器的電阻，即可改變振蕩周期。改變振蕩周期。9.8.3 三角波產(chǎn)生電路一、電路組成積分電路積分電路同相輸入遲同相輸入遲滯比較器滯比較器OvO1ZV ZV tOvOomV omV t當(dāng)當(dāng)v v+ += =v v- -=0=0時(shí)，滯回比較器時(shí)，滯回比較器的輸出發(fā)生跳變。的輸出發(fā)生跳變。二、工作原理o212o1211vRRRvRRRv OvO1ZV ZV tOvOomV omV t三、輸出幅度和振蕩周期當(dāng)當(dāng)v v+ += =v v- -=0=0時(shí)，時(shí)，v vO1 O1 跳變跳變?yōu)闉? -V VZ Z，v vO O達(dá)到最大值達(dá)到最大值V Vomom。三角波的輸出幅度三角波的輸出幅度ZomVRRV21 振蕩周期振蕩周期241Zom444RCRRUCURT 9.8.3 鋸齒波產(chǎn)生電路一、電路組成充放電時(shí)間充放