晶体管振荡器课程设计

晶体管振荡器课程设计（共5篇）

1.晶体管振荡器课程设计 篇一

石英晶体谐振器, 简称石英晶体, 具有非常稳定的固有频率。 对于振荡频率的稳定性要求高的电路, 应选用石英晶体作选频网络。

一、石英晶体的特点

将二氧化硅（SiO2）结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片, 再将晶片两个对应的表面抛光和涂敷银层, 并作为两个极引出管脚, 加以封装, 就构成石英晶体谐振器。 其结构示意图和符号如右图所示。

1.压电效应和压电振荡

在石英晶体两个管脚加交变电场时, 它将会产有利于一定频率的机械变形, 而这种机械振动又会产生交变电场, 上述物理现象称为压电效应。一般情况下, 无论是机械振动的振幅, 还是交变电场的振幅都非常小。 但是, 当交变电场的频率为某一特定值时, 振幅骤然增大, 产生共振, 称之为压电振荡。 这一特定频率就是石英晶体的固有频率, 也称谐振频率。

2.石英晶体的等效电路和振荡频率

石英晶体的等效电路如下图（a）所示。 当石英晶体不振动时, 可等效为一个平板电容C0, 称为静态电容；其值决定于晶片的几何尺寸和电极面积, 一般约为几到几十皮法。 当晶片产生振动时, 机械振动的惯性等效为电感L, 其值为几毫亨。 晶片的弹性等效为电容C, 其值仅为0.01到0.1pF, 因此, C

当等效电路中的L、C、R支路产生串联谐振时, 该支路呈纯阻性, 等效电阻为R, 谐振频率

谐振频率下整个网络的电抗等于R并联C0的容抗, 因R

当f

当f>fs时, L、C、R支路呈感性, 将与C0产生并联谐振, 石英晶体又呈纯阻性, 谐振频率

由于C

当f>fP时, 电抗主要决定于C0, 石英晶体又呈容性。 因此, 石英晶体电抗的频率特性如上图所示, 只有在fs

根据品质因数的`表达式

由于C和R的数值都很小, L数值很大, 所以Q值高达104~106。 频率稳定度Δf/f0可达10-6~10-8, 采用稳频措施后可达10-10~10-11。 而LC振荡器的Q值只能达到几百, 频率稳定度只能达到10-5。

二、石英晶体正弦波振荡电路

1.并联型石英晶体正弦波振荡电路

如果用石英晶体取代LC振荡电路中的电感, 就得到并联型石英晶体正弦波振荡电路, 如左下图所示, 电路的振荡频率等于石英晶体的并联谐振频率。

2.串联型石英晶体振荡电路

如右上图所示为串联型石英晶体振荡电路。 电容Cb为旁路电容, 对交流信号可视为短路。 电路的第一级为共基放大电路, 第二级为共集放大电路。 若断开反馈, 给放大电路加输入电压是, 极性上“+”下“-”；则T1管集电极动态电位为“+”, T2管的发射极动态电位也为“+”。 只有在石英晶体呈纯阻性, 即产生串联谐振时, 反馈石英晶体正弦波振荡电路电压才与输入电压同相, 电路才满足正弦波振荡的相位平衡条件。 所以电路的振荡频率为石英晶体的串联谐振频率fS。 调整Rf的阻值, 可使电路满足正弦波振荡的幅值平衡条件。

2.晶体管振荡器课程设计 篇二

本文从理论上分析了振动环境对晶体振荡器相位噪声性能的影响,并提出了抗振晶体振荡器的设计方法。通过对100 MHz晶体振荡器进行抗振设计,最终抗振晶体振荡器振动状态下相位噪声的测试结果达到- 147 dBc / Hz @ 1 kHz,并将体积控制在38 mm × 38 mm × 19 mm之内,实现小型化。

1 振动状态下的相位噪声分析

在振动状态下,当振动幅度不大时,可以假设为小信号与晶振信号的调制,晶体振荡器振动状态下的相位噪声可表示为［3］

式中,L为振动状态下的相位噪声; fv为频率偏移量; f0为晶体振荡器在静止状态下的输出频率; Γ为晶体的加速度灵敏度; A为振动台的振动幅度; Γ和 Α 都为向量。

式( 1) 可用于计算正弦振动条件下的相位噪声。 但是,在大多数情况下晶体振荡器受到的振动是随机振动。此时加速度可用其功率谱密度G( f) 表示。 式( 1) 可表示为［3］

当晶体振荡器处在随机振动条件的恶劣环境下时, 对于100 MHz晶体振荡器,如不采用任何抗振方面的设计,晶体振荡器的相位噪声相对于静止状态将会恶化很大。由于一般TO -5 封装SC切型晶体的加速度灵敏度在10－ 10数量级上,所以,通过式( 2) 可以计算出此时晶体振荡器的相位噪声约达到-100 dBc/Hz@1 kHz。相对于静止状态下晶体振荡器的相位噪声将会恶化50 dB以上,整机系统的性能将会受到严重影响,甚至导致系统失锁而无法正常工作。

2 晶体谐振器的选取

根据式( 2) 可得出,晶体振荡器受到振动时它的相位噪声与振动的功率谱密度和晶体谐振器的加速度灵敏度成正比。一方面从结构上对晶体振荡器进行减振,减小晶体振荡器所受到的振动强度,从而减小振动状态下晶体振荡器的相位噪声。另一方面选取加速度灵敏度低的晶体谐振器。晶体谐振器的加速度灵敏度在整体晶体振荡器抗振性能方面占主要因素。晶体选取的好坏将直接影响到晶体振荡器的振动性能。 TO - 5 封装SC切型的晶体谐振器具有应力补偿效应, 加速度灵敏度较低［4］。TO -5 封装SC切晶体则成为抗振晶体振荡器设计的首选。一般情况下其加速度灵敏度在10－ 10/ g量级上［4］。

3 晶体振荡器的抗振设计

晶体振荡器内部采用微型减振器,减振器与晶体振荡器可构成一个被动减振系统,如图1 所示。

根据图1 所示,可将抗振晶体振荡器的动力学模型的传递率表示为［5 －8］

其中,谐振频率 ωn2= k /m,阻尼比D = a /ωn,a = c/2m, γ = ω /ωn。其中c和k分别为减振材料的阻尼系数和刚度,m为晶体振荡器的质量。内部晶体振荡器的质量m = 0. 02 kg,c = 1. 2,k = 1 000 N /m,计算得出减振器的谐振频率约为35 Hz。选取的晶体谐振器加速度灵敏度为3 ×10－ 10/g。通过仿真计算可求出振动状态下晶体振荡器的相位噪声,如图2 所示,预计晶体振荡器振动状态下的相位噪声可达到-150 dBc/Hz@1 kHz。最终装配完之后晶体振荡器的体积为38 mm ×38 mm × 19 mm。

4 测试结果

振动实验的测量系统框图如图3 所示。振动台控制器接收到振动台上加速度传感器的振动信号,经过控制器的信号处理后把控制信号传至功率放大器,使振动台按照预先设置的振动条件进行振动。振动台振动后使用E5052 信号源分析仪测量晶体振荡器的相位噪声,随机振动条件如图4 所示。

图5 和图6 分别为100 MHz晶体振荡器不采用任何抗振设计时,静止状态和振动状态下的相位噪声, 1 kHz处相位噪声的恶化约为50 dB。

通过抗振设计后,晶体振荡器振动状态下3 个方向的相位噪声曲线如图7 ~ 图9 所示,实物照片如图10所示。从这3 个方向的相位噪声曲线图可看出, 其的谐振频率点约为40 Hz,且最差方向的相位噪声可达-147 dBc/Hz@1 kHz,相位噪声恶化<10 dB,相位噪声性能总体改善了40 dB。

5 结束语

3.晶体的常识(晶胞)教学设计 篇三

江苏省如东高级中学 张 霞

教学设想

从教材看，本章首先从人们熟悉的固体出发，把固体分为晶体和非晶体两大类，引出了晶体的特征和晶胞的概念。晶胞是描述晶体结构的基本单元，是研究晶体结构的最基本概念，教科书利用图片、比喻等方式介绍了晶体与晶胞的关系，并通过例子介绍了如何计算晶胞中所含的原子数。

本教案选择《晶胞》作为学生自主学习的课题，试图利用多媒体课件和形象比喻等教学方式，使学生建构起晶胞的概念，通过动手制作晶胞模型并把自己制作的晶胞模型拼凑成晶体模型，体会晶胞与晶体之间的关系；再以课本上的问题设置矛盾，通过学生自学讨论，教师的适当点拨，总结归纳出一个晶胞中平均所含粒子个数的计算方法，在此过程中，提升学生的空间想象能力。

一、教学目标分析

知识与技能

1．了解晶体与晶胞的关系，体会由晶胞“无隙并置”构成晶体的过程。2．通过自学讨论，掌握不同晶胞中平均所含粒子个数的计算方法。

过程与方法

1．运用多种教学媒体，借助形象的比喻，帮助学生建构抽象的空间结构。2．知道研究晶体结构的一般方法。

情感态度和价值观

1、进一步形成求真务实、勤于思考的科学态度；形成敢于质疑、勇于创新的科学精神。

二、教学内容分析

对本节教学内容的处理方法：利用多媒体演示若干晶体和晶胞，组织学生讨论晶体与晶胞的关系，动手制作晶胞模型，引导学生建立以晶胞为基本结构研究晶体的思想，结合课本图3-7铜晶胞，展示实物模型，提出问题：为什么说一个晶胞里只含4个铜原子？学生自学、讨论并归纳出立方晶胞中平均所含粒子个数的计算方法，然后设置问题：如果为三棱柱晶胞或者六棱柱晶胞，又该如何计算？举一反三，巩固了学生对空间结构的理解和计算。最后利用课本学与问与课后习题3，进行训练反思。

三、教学过程设计

[多媒体演示]（1）不同类型的晶体图片：玛瑙、水晶、碘等；（2）同一晶体，不同大小的图片。

[学生活动] 回忆前面所学的晶体的知识，观察图片，并讨论：同一类型的晶体，大小不同，外观是否相同？

[设置问题情境]如果我们把一块金刚石敲碎，就会得到小金刚石，如果小金刚石继续不停的敲碎，最后得到的是什么呢？

[学生讨论、教师点拨]最后可以得到晶体的最基本结构单元。大的晶体可以看成是许多这样的重复单位重叠起来的，或看成是数量巨大的这些最基本单元紧密的堆积起来的。

[多媒体演示]大大小小的金刚石图片。金刚石的外观、空间结构以及晶胞结构图片。

[师生总结]我们把这种描述晶体结构的基本单元叫做晶胞。它是保持晶体规则多面体外形的最小单位。晶体就是由无数个晶胞经过“无隙并置”而成的。

[学生活动]利用提供的纸、小木棍等工具，制作小的立方晶胞（按教师给定的尺寸），并将每8个同学所做的晶胞进行组合，要求尽可能结合紧密。讨论晶胞与晶体的关系，体会晶胞无隙并置构成晶体的过程。

[设置问题情境]图中所示金属铜的一个晶胞，它是一个立方体，含4个铜原子，但是从图中我们看到有14个铜原子，这是怎么回事？为什么说一个晶胞里只含4个铜原子呢？请同学们结合课本内容，先自己寻找出晶胞中所含原子个数的计算方法，然后以前后桌4个人一小组，讨论你们的结论是否正确。

[学生活动]自学、结论、交流。

[学生活动]以一个小组为代表，汇报讨论的结果，其他小组同学来判断是否正确，对不完整的地方进行补充，并归纳出最简洁的计算方法。

[师生总结]（1）所有晶胞都是平行六面体，晶体可以看作是晶胞在三维空间里共面堆积而成。每个晶胞的上、下、左、右、前、后共有六个与之共面的晶胞。（2）处于晶胞顶点的粒子，同时为8个晶胞所共有，每个粒子只有1/8属于晶胞；处于棱上的粒子，同时为4个晶胞所共有，每个粒子只有1/4属于晶胞；处于面上的粒子，同时为两个晶胞所共有，每个粒子只有1/2属于晶胞；处于晶胞内部的粒子，完全属于该晶胞。

[思维拓展]在计算晶胞中所含平均原子数时，我们已经知道如果为立方结构，则有1/8,1/4,1/2和1,若换为六棱柱状呢？三棱柱又如何呢？

[学生活动]结合图片提供的结构，讨论交流得出六棱柱和三棱柱中所含平均原子个数的计算。六棱柱为1/6，1/3，1/2和1，而三棱柱为1/12，1/6，1/2和1。

[训练反思]教材P66学与问：图3-9依次是金属钠、金属锌、碘、金刚石晶胞的示意图，数一数它们分别平均含几个原子。

[巩固练习]教材P67习题3.下图的晶胞中各含有几个原子？

教后反思：

4.放大镜下的晶体教学设计 篇四

1、通过观察常见的固体物质的晶体，知道物质内部都是有一定结构的，晶体是物质存在的一种形式。

2、通过两个实验，观察晶体、制作晶体，并进行食盐记录。

3、通过欣赏各种晶体，激发学生了解和探索晶体世界的兴趣，渗透自然美的教育。教学准备：

每个小组：放大镜、（白糖、食盐，都为粗颗粒的）味精各１包、玻璃片1片、蜡烛1只、火柴

1、试验单、书本。

师：制作的食盐和味精的晶体，浓盐水、滴管、采集的晶体标本 PPT：各种晶体PPT，观察和制作提示 教学流程：

一、观察常见的微小晶体，了解晶体的特征

1、引出研究的问题

师：上节课我们学会用放大镜来观察，我们今天继续用放大镜观察自然界的一种常见的物质，叫晶体。我们生活中常用的白糖、食盐、味精他们都是晶体，谁能够根据自己的观察，画一画这些晶体。

2、实验一：借助放大镜观察晶体 观察提示：

实验器材：放大镜、食盐、白糖、味精

思考：放大镜下的细微颗粒和肉眼看到的颗粒形状一样吗？ 学生观察，教师巡视，了解学情。

学生汇报，先介绍白糖的观察结果：小组长汇报后组员补充，汇报完后，询问其他同学的看法，了解大多数同学的观察情况，得出：白糖的颗粒形状是正方体。依次介绍味精和食盐。

汇报完后请学生概括：谁能来总结性的说说观察的结果？ 师提示：不同晶体颗粒形状怎么样？同种晶体颗粒形状怎么样？ 生回答。

总结：食盐、白糖、味精的颗粒都是有规则几何外形的固体，人们把这样的固体物质叫做晶体。

3、观察其它晶体，概括晶体的共同特征

二、自制晶体 实验二：制作晶体

实验器材：蜡烛、食盐溶液、味精溶液或白糖溶液、玻璃片 实验猜想：我们制作的晶体和未融化前的晶体会一样吗？ 操作提示2：

（1）把玻璃片用木夹子夹住，在离外焰 5厘米以上的位置加热，缓慢移动玻璃片，使受热均匀。

（2）有一半的溶液析出晶体后就不再加热，让水分自然蒸发。（3）请仔细观察结晶的过程，和结出晶体的颗粒形状。师：已经看清楚操作提示的小组来领材料。

2、学生领取玻璃片，制作并观察晶体。学生领取玻璃片，制作并观察晶体

学生反馈，教师帮助不成功的小组寻找原因：是因为加热过度，晶体失水的缘故。

3、学习制作大晶体

师出示自己培养的大晶体，学生观察，阅读课本第9页学习培养的方法。

建议有兴趣的同学课后去培养。

三、回顾课前的问题

5.晶体管振荡器课程设计 篇五

晶体谐振器作为非常重要的稳频器件被广泛应用于振荡线路当中, 其主要作用在于稳定频率。其中, 使用最为普及和常见的是并联型的晶体振荡器, 这种振荡器的晶体用在反馈网络当中, 并和振荡电路中的其它电抗元件共同组成并联谐振回路。这种晶体振荡器频率略高于串联谐振, 电路整体表现出感性特征。当前, 大量集成电路构成的晶体振荡线路在国际上已经非常普及和常见了, 其直接同晶体谐振器组合在一起就可以形成晶体振荡器。并且, 其在低、中精度类型的晶体振荡器线路当中已经普遍使用, 而对于高精度类型的晶体振荡器线路, 其普遍应用的则是三极管晶体线路。

2 晶体振荡器的核心技术指标

作为一种人工创造的非天然频率源, 晶体振荡器必定存在一定的随机误差和系统误差。下面本文会分析几个关键技术指标以明确晶体振荡器的使用价值与精度, 另外, 还有其他几个指标也会直接影响晶体振荡器主要性能, 例如日频率波动指标、开机特性等。

1) 老化率。通常情况下, 晶体振荡器的技术参数会伴随着时间的推移而引发晶体振荡器产生频率漂移的现象。并且在大部分情况下, 上述的老化变动都会是单方向变化的;其中, 日老化率是最常用的老化指标, 另外, 也可以使用年老化率和月老化率这两个指标反映晶体振荡器在其它方面的老化表现。

2) 短期频率的稳定度。所谓短期频率稳定度, 即为振荡器中反映随机误差的一个时域指标。由于晶体振荡器输入和输出信号 (频率、相位等) 的稳定性通常是时间的函数, 因此, 可以使用在一个预先设定的时间间隔指标对这些变动量进行测量, 用得出的结果来反映频率的稳定度。由此可见, 频率稳定度能够直接使用输出信号当中包含噪声拥有的功率谱密度来反映。在实际的测量工作当中, 普遍使用单边带相位的特殊噪声谱来反映频率稳定度。

3) 频率温度特性。通常情况下, 晶体振荡器产生的振荡频率对外界温度的变化非常敏感, 即便应用了恒定温度或其它温度补偿策略, 也必须另外衡量其频率伴随温度的实时变动情况。

3 影响振荡器频率自身稳定度指标的主要因素

在许多重要场合下, 拥有较高稳定度的特殊晶体振荡器不仅可以当作标准频率应用, 还可以用于不少非常重要的大型高科技工程项目中, 例如线性离子阶标准、冷原子空间钟项目等等。在1~100 s的取样时间间隔下, 国外先进的10MHz频率晶体振荡器拥有的频率稳定度能够达到8×10-14的低量级, 并且其老化率指标也能够实现10-12/日的超低量级, 个别特殊振荡器拥有的老化率指标甚至能够实现5×10-13/日的超低量级。部分晶体振荡器公司声称, 在不少场合下, 他们制造的晶体振荡器能够替代标准的铷原子钟频率标准。由于精密科学仪器、电子通讯和邮电的高速发展, 超高稳定度的特殊晶体振荡器的主要性能也在不断提高。基于以上原因, 本文将参考国外最新的晶体振荡器技术资料, 分析影响振荡器诸多核心技术指标的主要因素—晶体谐振器。

国内外的许多技术资料和文献已经全面地分析了晶体谐振器的诸多技术特征, 并且普遍认可的最佳晶体谐振器类型为无电极的单片BVA晶体谐振器。总而言之, 在生产晶体谐振器时必须非常仔细, 在晶体振荡流程当中晶体谐振器通常起着至关重要的作用。晶体振荡器自身的老化会直接影响频率稳定度 (还包括了其短期稳定度) , 要想取得低达级别的短期稳定度指标, 晶体振荡器自身的日老化率必须实现量级。对此, 多数专家的观点是, 必须在被动的状况下测量晶体谐振器自身的老化率, 而在现实状况当中, 人们习惯于将其当作振荡器来进行测量, 由此, 恒温槽炉温产生的漂移现象也会被误解为发生了老化。通常在对日波动指标进行测量时, 出现的大部分不规则的起伏通常就和温度密切相关。另外, 磁场也会直接影响到期频率稳定度。由此, 测量过程必须采取严格的屏蔽措施。这样, 在测量晶体谐振器和振荡器元件的稳定度时, 就可以排除由于磁场因素而造成的诸多不稳定因素。

与此同时, 在频率一幅度的影响方面, 晶体振荡器也存在诸多问题, 并且从高稳定度的层面来看, 频率一幅度的直接影响是难以完忽略的。其原因在于, 通过频率一幅度的直接影响, 幅度产生的噪声会直接转换为频率噪声和相位。因此, 生产出低频幅效应的特殊晶体谐振器也是非常必要的。大量的研究实验显示, 频幅效应会使一个具有1/f AM噪声、-130d Bc/Hz、10MHz级别的SC切BVA晶体产生2.2×10-13的额外闪烁频率噪声;有时候, 频幅效应的直接影响甚至会高于谐振器产生的噪声。所以, 晶体振荡器行业应当推动使用非常低幅度噪声的特殊保持电路, 或是使用非常低频率—振幅效应的特殊晶体谐振器的研究和发展。

最近几年, 国际上已经研究出大量高分辨率的特殊测量仪器, 以便于研究晶体谐振器产生的诸多自身噪声。现在, 可以测出10MHz级别的SC切BVA晶体谐振器会产生比1×10-14量级更小的噪声电平。从本质层面来看, 当晶体表面处于合适的工作条件下时, 其产生的闪烁噪声电平会得到明显改善。由此, 就可以理解拥有较高Q值的部分振荡晶体却能够产生更高的噪声高平的本质原因。与此同时, 由于结构的精简, BVA类型的谐振器可以辅助测量和明确BAW装置内部噪声包含的诸多组成成分。

4 小结

和其他参量的测量相同, 时频测量也是为了确保量值的统一准确, 但是其本身又拥有诸多特点。在当前的全部物理量当中时频测量要求的准确度为最高的, 而诸多不确定因素都会直接制约和阻碍了准确度的保持和获得。这就造成大部分的时频测量工作都以测定和研究频率的诸多变化为主。时频测量人员既要对测量工作当中全部指标的测量结果、测量方法、具体含意等有明确的理解, 还应当掌握应用这些结论数据去估量不同条件下频率测量的准确度。

参考文献

[1]赵声衡.石英晶体振荡器[M].长沙:湖南大学出版社, 1977.

[2]周渭, 朱根富.频率及时问计量[M].西安:陕西省出版社, 1986.

[3]信息产业部电信传输研究所.移动通信券[M].北京:中国标准出版社, 2000.

[4]马凤呜.时问频率计量[M].北京:中国计量出版社, 1990.