通信電子線路高如云第3章 正弦波振蕩器

1、第3章 正弦波振蕩器第第3章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器3.1 反饋式振蕩的基本原理反饋式振蕩的基本原理3.2 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器3.3 RC正弦振蕩器正弦振蕩器3.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度 3.5 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器3.6 負(fù)阻型負(fù)阻型LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器3.7 振蕩器中的寄生振蕩和間歇振蕩振蕩器中的寄生振蕩和間歇振蕩第3章 正弦波振蕩器3.1 反饋式振蕩的基本原理反饋式振蕩的基本原理 圖3.1示出的是一個(gè)反饋式放大器的框圖。它由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成，圖中， 是放大器輸出電壓復(fù)振幅， 是放大器輸入電壓復(fù)振幅， 是反饋網(wǎng)絡(luò)輸出反饋電壓復(fù)振幅， 是外加

2、電壓復(fù)振幅，放大器的增益 為oUiUfUiUAAojiUAAeU(3.11) 第3章 正弦波振蕩器圖3.1 反饋放大器 AFUoUiUiUf第3章 正弦波振蕩器 A為 超前 相角。反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù) 為oUiUFFfjoUFF eU(3.12) F為 超前 相角。 圖中， fUoU1ofiUAAUAF(3.13) iifoUUUFU由此可得閉環(huán)的放大器增益 為 fA第3章 正弦波振蕩器 3.1.1 平衡條件平衡條件 根據(jù)式(3.13)可見，振蕩條件是 ，這是振蕩的必要條件。它是一個(gè)復(fù)數(shù)方程，因此可以寫成兩個(gè)方程，一個(gè)是振幅方程式，稱為振幅平衡條件，可表示為1AF 1A F (3.14a) 另一

3、個(gè)是相位方程式，稱其為相位平衡條件，可表示為 2,0,1,2,AFnn(3.14b) 第3章 正弦波振蕩器 1.振幅平衡條件 振幅平衡條件AF=1中，A=Uo/Ui，即Uo=AUi，根據(jù)第2章所學(xué)知識(shí)可知，Uo與Ui的關(guān)系由放大特性曲線決定，如圖3.2所示。反饋系數(shù)F=Uf/Uo，由于反饋網(wǎng)絡(luò)常由恒參數(shù)線性網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，所以，Uo、Uf的關(guān)系曲線為一直線，如圖3.3所示。這組曲線稱為反饋特性曲線。 根據(jù)A、F表示式，振幅平衡條件又可寫成1ffoioiUUUAFUUU即 fiUU第3章 正弦波振蕩器圖3.2 放大特性曲線Uo0Ui9090第3章 正弦波振蕩器 這就是說，振幅平衡條件是反饋電壓的幅值等

4、于放大器輸入電壓幅值。由此將圖3.2、圖3.3畫在一個(gè)坐標(biāo)上，凡是滿足Uf=Ui的點(diǎn)即為滿足振幅平衡條件的平衡點(diǎn)，對應(yīng)這些點(diǎn)的輸出電壓Uo值，就是振蕩器產(chǎn)生的電壓幅值，如圖3.4所示。 第3章 正弦波振蕩器圖3.3 Uo與Uf的關(guān)系曲線 UfFUo0第3章 正弦波振蕩器圖3.4 振蕩器產(chǎn)生的電壓幅值 UoABC0UicUi UfUi, Uf第3章 正弦波振蕩器 2.相位平衡條件相位平衡條件 根據(jù)相位平衡條件A+F=2n，說明反饋電壓 與輸入電壓 同相，即正反饋，正反饋是通過振蕩器電路來保證的。A是 超前 的相位，當(dāng)放大器是一個(gè)非線性工作的晶體管放大器時(shí)，輸出電壓為fUiUiUoU1cLoUIZ

5、(3.15) 是集電極電流基波分量， 是集電極負(fù)載阻抗，則1cILZ1YZAcLjjjmLiiUIZAgeZeA eUU(3.16) 第3章 正弦波振蕩器 其中A=Y+Z,Y是晶體管集電極電流基波分量 超前輸入電壓 的相角，Z是負(fù)載的相角，即 超前 的相角。因此相位平衡條件又可寫為0AFYZF1cIiUoU1cI(3.17) 若令Y+F=E，則 ZE (3.18) 第3章 正弦波振蕩器 相位是頻率的函數(shù)，在晶體管的特征頻率fT遠(yuǎn)大于振蕩器工作頻率時(shí)，可近似認(rèn)為Y與頻率無關(guān)，且數(shù)值很小。反饋網(wǎng)絡(luò)的相移F通常在窄帶范圍內(nèi)也可認(rèn)為與頻率無關(guān)。負(fù)載的相角Z與負(fù)載的形式有關(guān)，圖3.5LC并聯(lián)振蕩回路負(fù)載

6、相角與頻率的關(guān)系若采用LC并聯(lián)振蕩回路，它的相角與頻率的關(guān)系如圖3.5中曲線所示。 第3章 正弦波振蕩器 將E隨頻率變化的曲線同時(shí)畫在一個(gè)坐標(biāo)中，兩條曲線的相交點(diǎn)即滿足相位平衡條件的平衡點(diǎn)，如圖3.5所示，A點(diǎn)即為相位平衡點(diǎn)，對應(yīng)的角頻率g即為振蕩器的工作頻率，所以，相位平衡條件決定了振蕩器的工作頻率。為了保證振蕩器的工作頻率是惟一的，滿足相位平衡條件的平衡點(diǎn)只能有一個(gè)。第3章 正弦波振蕩器圖3.5 LC并聯(lián)振蕩回路負(fù)載相角與頻率的關(guān)系 EAg0Z第3章 正弦波振蕩器 3.1.2 穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件 由于振蕩電路中存在各種干擾，如溫度變化、電壓波動(dòng)、噪聲、外界干擾等，這些干擾會(huì)破壞振蕩的平衡條件

7、，因此，為使振蕩器的平衡狀態(tài)能夠存在，只有使它成為穩(wěn)定的平衡具有返回原先平衡狀態(tài)能力的平衡。鑒于此，除了平衡條件外還必須有穩(wěn)定條件。穩(wěn)定條件同樣分成振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。第3章 正弦波振蕩器 1. 振幅穩(wěn)定條件振幅穩(wěn)定條件 從圖3.6可以看出，當(dāng)90時(shí)，放大特性與反饋特性有兩個(gè)交點(diǎn)O、A。當(dāng)電源接通瞬間， =0,Ui=0，由于外界電磁感應(yīng)在放大器輸入端感應(yīng)一個(gè)Ui電壓，在此電壓作用下，放大器輸出Uo1電壓，經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋電壓為Uf1，由于Uf1Ui，振蕩器就會(huì)脫離開原點(diǎn)而振蕩起來。 oU第3章 正弦波振蕩器 圖3.6 90時(shí)的放大特性與反饋特性 UoUoAUo3Uo2Uo10(O)U

8、iUf1Uf2Uf3Ui, UfA第3章 正弦波振蕩器 由上面對平衡點(diǎn)穩(wěn)定性的分析可知，在滿足振幅穩(wěn)定的平衡點(diǎn)P上，都具有放大特性斜率小于反饋特性斜率的特點(diǎn)。即11ooppiffoppiofiUUUUUUUUUU第3章 正弦波振蕩器 由于Uf=AFUi，在平衡點(diǎn)P上AF|P=1,則10PiPiPiiPPiiFAAFU AU FUUFAAFUU當(dāng)F=常數(shù)時(shí)，振幅穩(wěn)定條件為 0iAU第3章 正弦波振蕩器 根據(jù)此條件可知，要使振幅穩(wěn)定，在穩(wěn)定平衡點(diǎn)上，放大器的增益應(yīng)隨輸入電壓的增大而減小。當(dāng)輸出電壓Uo增加時(shí)，反饋電壓Uf增加，由于Uf=Ui,Ui增加，A減小，使Uo減小，恢復(fù)為正常值，達(dá)到穩(wěn)幅。要

9、使放大器增益A隨Ui變化，放大器一定要工作在非線性狀態(tài)。所以說振幅穩(wěn)定是由放大器的非線性工作保證的，振蕩器必然是非線性電子線路。稱這種振幅穩(wěn)定方式叫內(nèi)穩(wěn)幅方式。當(dāng)A=常數(shù)時(shí)，振幅穩(wěn)定條件為0piFU第3章 正弦波振蕩器 根據(jù)這個(gè)條件可知，要使振幅穩(wěn)定，在穩(wěn)定平衡點(diǎn)上，反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)應(yīng)隨電壓的增大而減小。當(dāng)Ui增加時(shí)，A=常數(shù)，Uo增加，F(xiàn)減小，Uf減小，由于Uf=Ui，Ui減小，使之恢復(fù)到正常值，達(dá)到振幅穩(wěn)定。反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)F隨電壓Ui變化，反饋網(wǎng)絡(luò)只能是非線性網(wǎng)絡(luò)或時(shí)變網(wǎng)絡(luò)。稱這種振幅穩(wěn)定方式叫外穩(wěn)幅方式。 第3章 正弦波振蕩器 2. 相位穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件 根據(jù)相位平衡條件可知，

10、在相位平衡點(diǎn)上 與 同相。相位平衡就可重新恢復(fù)，以實(shí)現(xiàn)相位的穩(wěn)定。這一過程可用如下流程關(guān)系表示： fUiU第3章 正弦波振蕩器 由此可得相位穩(wěn)定條件為 ()0YFZPPPP (3.112) 在窄帶情況下，均可認(rèn)為則相位穩(wěn)定條件為 0,0FY0ZP(3.113) 第3章 正弦波振蕩器 3.1.3 起振條件起振條件 電源剛一接通的瞬間，振蕩器起始振蕩，起始振蕩的條件應(yīng)為1()2fiA FUUn(3.114a) (3.114b) 式(3.114a)為振幅起振條件，式(3.114b)為相位起振條件。由于UfUi，所以在極其微小的電磁感應(yīng)激勵(lì)下，通過選頻網(wǎng)絡(luò)就可取出工作頻率的電壓形成增幅振蕩，直至在穩(wěn)定

11、平衡點(diǎn)工作。 第3章 正弦波振蕩器 根據(jù)振蕩器的振蕩條件，可歸納如下：根據(jù)振蕩器的振蕩條件，可歸納如下：(請請記住記住!) (1)振幅平衡條件是反饋電壓幅值等于輸入電壓幅值。根據(jù)振幅平衡條件，可以確定振蕩幅度的大小并研究振幅的穩(wěn)定。 (2)相位平衡條件是反饋電壓與輸入電壓同相，即正反饋。根據(jù)相位平衡條件可以確定振蕩器的工作頻率和頻率的穩(wěn)定。 (3)振蕩幅度的穩(wěn)定是由器件非線性保證的，所以振蕩器是非線性電路。第3章 正弦波振蕩器 (4)振蕩頻率的穩(wěn)定是由相頻特性斜率為負(fù)的網(wǎng)絡(luò)來保證的。 (5)振蕩器的組成必須包含有放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)，它們必須能夠完成選頻、穩(wěn)頻、穩(wěn)幅的功能。 (6)利用自偏置保證振

12、蕩器能自行起振，并使放大器由甲類工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換成丙類工作狀態(tài)。第3章 正弦波振蕩器 另外，根據(jù)振蕩條件，振蕩器應(yīng)包括放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)。放大器采用的有源器件， 可以是晶體三極管、場效應(yīng)管、差分放大器、運(yùn)算放大器等。選頻網(wǎng)絡(luò)可以是LC并聯(lián)諧振回路，也可以是RC選頻網(wǎng)絡(luò)，還可以是晶體濾波器等。反饋網(wǎng)絡(luò)可以是RC移相網(wǎng)絡(luò)，也可以是電容分壓網(wǎng)絡(luò)、電感分壓網(wǎng)絡(luò)、變壓器耦合反饋網(wǎng)絡(luò)或電阻分壓網(wǎng)絡(luò)等。由此可見，振蕩器電路形式不勝枚舉，本章將對LC振蕩器、晶體振蕩器、RC振蕩器的電路組成、工作原理分別予以介紹。第3章 正弦波振蕩器3.2 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 3.2.1 LC正弦波振蕩器電路構(gòu)成

13、的原則正弦波振蕩器電路構(gòu)成的原則 凡采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋式振蕩器稱為LC正弦波振蕩器。LC振蕩電路的形式很多，按反饋網(wǎng)絡(luò)的形式來分，有變壓器耦合反饋式及電感或電容反饋式振蕩電路兩種。第3章 正弦波振蕩器 1.變壓器耦合振蕩器變壓器耦合振蕩器 射基射基(集集)同名同名 源柵源柵(漏漏)同名同名 變壓器耦合反饋振蕩器采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)，并利用變壓器耦合電路作為反饋網(wǎng)絡(luò)。 按照同樣的分析方法可知，圖3.7(b)、3.7(c)所示的振蕩器電路中，變壓器初、次級(jí)繞組應(yīng)對地具有相同的同名端，才能滿足相位平衡條件?？梢?，變壓器耦合振蕩器的相位平衡條件是依靠變壓器的初、次級(jí)繞組具有合適

14、的同名端來保證的。第3章 正弦波振蕩器圖3.7 變壓器耦合振蕩器 TrUfUoUi(a)(b)TrUfUoUiTrUfUoUi(c)第3章 正弦波振蕩器 2. 三點(diǎn)式振蕩器三點(diǎn)式振蕩器 晶體管有三個(gè)電極c,b,e，由三個(gè)電抗元件x1、x2、x3構(gòu)成的選頻網(wǎng)絡(luò)也有三個(gè)引出端，把它們對應(yīng)連接起來構(gòu)成反饋式正弦振蕩器電路，如圖3.8(a)所示。這種振蕩器稱為三點(diǎn)式振蕩器。x1,x2、x3三個(gè)電抗元件應(yīng)如何選取才能滿足相位平衡條件呢?在晶體管特征頻率fT遠(yuǎn)大于振蕩器工作頻率fg和窄帶工作頻率的條件下， 第3章 正弦波振蕩器 可認(rèn)為E0，根據(jù)相位平衡條件E=-Z，則Z0。因此由x1、x2、x3構(gòu)成的回路

15、可認(rèn)為是諧振工作。諧振工作的條件是回路的電抗之和等于零，即x1+x2+x3=0。晶體三極管三個(gè)電極之間交流電壓間的關(guān)系如圖3.8(a)所示。第3章 正弦波振蕩器 圖3.8 三點(diǎn)式振蕩器組成 x3x2x1cbeLC2cbeC1L2CcbeL1(a)(b)(c)第3章 正弦波振蕩器圖3.9 多回路三點(diǎn)式振蕩器組成 (a)C1C2C3LRGgds(b)L2C3C2C1L1(02)(01)(c)L2L3C2C1L1(01)(02)第3章 正弦波振蕩器 3.2.2 三點(diǎn)式振蕩器電路分析三點(diǎn)式振蕩器電路分析 1. 電容三點(diǎn)式振蕩器電路分析電容三點(diǎn)式振蕩器電路分析 圖3.10(a)示出某振蕩器電路。下面從4

16、個(gè)方面對該振蕩器的性能加以分析。 第3章 正弦波振蕩器圖3.10 電容三點(diǎn)式振蕩器(a)電路圖；(b)交流通路(a)RLC1C2CC1000 pFRE700 RB22 kCB0.033 FRB1*L1.3 H0.033 FEC(15 V)2000 pF第3章 正弦波振蕩器圖3.10 電容三點(diǎn)式振蕩器(a)電路圖；(b)交流通路(b)REUiUoLRe0C1C2UfRL第3章 正弦波振蕩器 1)畫出該振蕩器的交流等效電路，判斷其電路類型 圖中RB1、RB2、RE為直流偏置電阻。CB是基極偏置的濾波電容，CC是集電極耦合電容，它們對交流應(yīng)當(dāng)?shù)刃Ф搪?。直流電源EC對于交流等效短路接地。RB1、RB2

17、被交流短路。由此可畫出該電路的交流等效電路，如圖3.10(b)所示。 第3章 正弦波振蕩器 2) 求該振蕩器的工作角頻率g 在工程設(shè)計(jì)的近似條件下，可認(rèn)為振蕩器的工作頻率g等于由L、C1、C2組成的回路的諧振頻率0。所以該振蕩器的工作頻率 012121gC CLCC(3.21) 第3章 正弦波振蕩器 3 )求反饋系數(shù)F 共基組態(tài)放大器從射極和基極之間輸入，集電極和基極之間輸出。輸出電壓 經(jīng)由電容組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，從C2兩端取得反饋電壓 ，把它加到放大器的輸入端(晶體管的射極)，構(gòu)成正反饋。放大器的輸入電阻ri是放大器負(fù)載的一部分，放大器輸入端的電容Cbe與C2并聯(lián)。所以反饋網(wǎng)絡(luò)是由C1和C2+C

18、be分壓構(gòu)成。在忽略與反饋網(wǎng)絡(luò)各端點(diǎn)相并聯(lián)的電阻影響的條件下，反饋系數(shù)可近似為fUoU112b eCFCCC(3.22a) 第3章 正弦波振蕩器 當(dāng)CbeC2時(shí) 112CFCC(3.22b) 4)起振條件分析 在直流電源剛剛接通的瞬間，振蕩器應(yīng)滿足起振條件。由于起始振蕩振幅很小，所以振蕩器處于線性小信號(hào)狀態(tài)下工作，通角=180。隨振蕩幅度的增加，振蕩逐步進(jìn)入到非線性大信號(hào)狀態(tài)下工作，通角1達(dá)到AF=1，達(dá)到平衡?？梢酝ㄟ^起振條件的研究，找到影響振蕩器起振的各種因素，從而指導(dǎo)正確進(jìn)行振蕩器的設(shè)計(jì)、裝配和調(diào)試。由于起振的一刻是線性小信號(hào)狀態(tài)工作，所以晶體管可以用微變等效電路去等效，如圖3.11所示

19、。 第3章 正弦波振蕩器圖3.11 圖3.10所示電路起振時(shí)交流等效電路(a)晶體管等效電路；(b)振蕩器等效電路eUbereCbe gmUbebc(a)第3章 正弦波振蕩器圖3.11 圖3.10所示電路起振時(shí)交流等效電路(a)晶體管等效電路；(b)振蕩器等效電路ereCbe gmUibUbe(Ui)UoRLLreC1C2RECbe Ufce(b)第3章 正弦波振蕩器 根據(jù)圖3.11可以看出RL、Re0并接在c、b兩端，輸入電阻ri=REre處于e、b兩端。如何把ri折合到c,b之間呢?通常用能量守恒的方法。也就是說ri在e,b之間消耗的功率應(yīng)等于把ri折合到c、b之間的等效電阻Ri所消耗的功

20、率，即2222222,/ebcbiEeiicboiiiiebiUUrRrrRUUrRrrUUF (3.23)第3章 正弦波振蕩器 所以，RL應(yīng)等于RL、Reo、Ri三者的并聯(lián)，即 /1LLeoimLRRRRg R F(3.24) (3.25) 在負(fù)載和反饋系數(shù)已知的條件下，可以導(dǎo)出滿足起振條件要求的晶體管跨導(dǎo)gm的范圍。第3章 正弦波振蕩器111111111(1)(1)(1)mLLeoimmLeoEeLeomLeoEFgR FR FR FrFFgg FR FR FRrR FR FFgR FFR FFRF(3.26) 第3章 正弦波振蕩器 由式(3.26)可確定滿足起振條件的晶體管跨導(dǎo)范圍。晶體

21、管的靜態(tài)工作點(diǎn)電流IEQ越大，gm越大(re越小)，振蕩器越容易起振；RL越大、Reo越大、RE越大越容易起振；而F應(yīng)有一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)值，太小不容易起振，太大也不容易起振。 在晶體管跨導(dǎo)和負(fù)載已知的條件下，同樣可以導(dǎo)出滿足起振條件的反饋系數(shù)范圍。2111mLmLmeom iFFg Rg Rg Rg r(3.27) 第3章 正弦波振蕩器 當(dāng)F1時(shí)，隨F的增加，F(xiàn)2/gmri項(xiàng)的影響會(huì)越來越大，以致使不等式211m imLmeoFFg rg Rg R第3章 正弦波振蕩器 在晶體管跨導(dǎo)和反饋系數(shù)已知的條件下，同樣可導(dǎo)出滿足起振條件的負(fù)載電阻RL的范圍。11()LmreiRFF gR Fr(3.29a)

22、 在RiRL，ReoRL條件下，RLRL，則1LmRFg(3.29b) 第3章 正弦波振蕩器 2. 電感三點(diǎn)式振蕩器電路分析電感三點(diǎn)式振蕩器電路分析 圖3.12(a)所示振蕩器電路中，電阻RB1、RB2、RE為基極直流偏置電阻；CB、CC1、CC2、CE分別為耦合電容和旁路、濾波電容，它們對交流均可認(rèn)為短路；LC為集電極直流饋電扼流圈，對交流可認(rèn)為開路；L1、L2、C為振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)；電感L1、L2構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋電壓 取自L2兩端。由此可畫出該電路的交流等效電路，如圖3.12(b)所示。由圖可見，該振蕩器是電感回授三點(diǎn)式振蕩器，放大器為共射組態(tài)電路。fU第3章 正弦波振蕩器圖3.12 電

23、感回授三點(diǎn)式振蕩器及其等效電路(a)L1CC1RERB2CBRB1LC ECCEL2CCC2RLUiUf第3章 正弦波振蕩器圖3.12 電感回授三點(diǎn)式振蕩器及其等效電路RBRLcL1L2Cbe(b)(c)RBRLcL1L2CerbebUiUfgmUi第3章 正弦波振蕩器 在fTfg條件下，晶體管極間電容的影響可忽略不計(jì)。振蕩器的工作頻率121()gLL C(3.210) L1的匝數(shù)為N1，L2的匝數(shù)為N2，在L1、L2相互獨(dú)立，不存在互感的條件下，在忽略晶體管極間電容和并聯(lián)電阻影響的條件下，反饋系數(shù)2211LNFLN(3.211)第3章 正弦波振蕩器 起振瞬間振蕩器的等效電路如圖3.12(c)

24、所示。放大器的增益A=gmRL。負(fù)載電阻RL應(yīng)等于外負(fù)載電阻RL、回路無載諧振阻抗Reo和放大器的輸入電阻Ri折合到c、e兩端的等效輸入電阻Ri三者的并聯(lián)。 /LLeoiRRRR(3.212) 其中，Ri=(RBrbe)/F2，RB=RB1RB2，rbe=rbb+(1+)re，則起振條件gmRLF1可以寫成11mLeoBbeFFgFRFRRr(3.213) 第3章 正弦波振蕩器 電容三點(diǎn)式與電感三點(diǎn)式振蕩器電路各有特點(diǎn)。電容回授三點(diǎn)式振蕩器電路由于輸出端和反饋支路都是電容，對于高次諧波，容抗小，所以濾除高次諧波的能力強(qiáng)；高次諧波的反饋電壓小，振蕩器的波形質(zhì)量好。對于電容三點(diǎn)式電路，晶體管極間電

25、容Cbe、Cce均與回路電容C2、C1并聯(lián)，因此極間電容均可并入回路電容中一起考慮。 第3章 正弦波振蕩器 電感回授三點(diǎn)式振蕩器由于放大器輸出和反饋電壓都取自于電感，電感對高次諧波呈現(xiàn)的阻抗大，所以諧波的反饋電壓大，波形失真也大。此外，晶體管極間電容Cbe、Cce分別與L2、L1并聯(lián)。當(dāng)工作頻率較高時(shí)，極間電容的影響不能忽略，晶體管c、e兩極之間外接的是由L1和Cce組成的并聯(lián)回路，b、e兩極之間外接的是由L2、Cbe并聯(lián)組成的回路，振蕩器成為多回路電路，如圖3.9(c)所示。 第3章 正弦波振蕩器 3.2.3 其他其他LC振蕩器電路振蕩器電路 1.克拉撥振蕩器和席勒振蕩器克拉撥振蕩器和席勒振

26、蕩器 晶體管極間的寄生參量，如極間電容、極間電阻等都與電壓、溫度、環(huán)境等因素有關(guān)，因此晶體管寄生參量的影響必然使振蕩器的穩(wěn)定性下降。為了減小晶體管寄生參量的影響，提出了克拉撥振蕩器和席勒振蕩器。其出發(fā)點(diǎn)就是減小晶體管各端極之間的接入系數(shù)P。圖3.13(a)所示為克拉撥振蕩器電路，圖3.13(b)是它的交流等效電路。第3章 正弦波振蕩器 克拉撥振蕩器與電容回授三點(diǎn)式電路的主要區(qū)別是在電感支路內(nèi)串入了一個(gè)小電容C3，且C3C1、 C3C3)。選頻回路的諧振頻率043411()L CCLC(3.218) 振蕩器工作頻率g0，它的改變可通過調(diào)整C4實(shí)現(xiàn)。C4改變，而C3不變，接入系數(shù)也不變，從而振蕩器

27、的工作頻率范圍展寬，穩(wěn)定性也得以提高。 第3章 正弦波振蕩器圖3.14 席勒振蕩器及交流等效電路 (a)原理圖；(b)交流等效電路RLC1C2RELVC4C3(a)(b)RLC1C2RERB2CBRB1 ECRCLVC4C3第3章 正弦波振蕩器 2. LC差分振蕩器 圖3.15(a)示出的是用差分放大器構(gòu)成的LC振蕩器電路，圖3.15(b)是該振蕩器的交流等效電路。圖3.15 差分振蕩器及交流等效電路 (a)原理圖；(b)交流等效電路CCC2LRLRBV1V2UiCC1UfC1C2UoL ECCBRBV3IoRE EE(a)第3章 正弦波振蕩器圖3.15 差分振蕩器及交流等效電路 (a)原理圖

28、；(b)交流等效電路(b)CLRLV1V2UiUfC1C2Uo第3章 正弦波振蕩器 通過耦合電容CC2輸出，外負(fù)載為RL。V1集電極外接的LC回路作為輸出帶通濾波器，不參與振蕩器的工作，所以外負(fù)載不影響振蕩器的工作，從而提高了振蕩器的穩(wěn)定性。該振蕩器的工作頻率12121gC CLCC(3.219)反饋系數(shù) 212CFCC(3.220) 第3章 正弦波振蕩器 根據(jù)起振條件AF1，可求得滿足起振條件的恒流源Io的數(shù)值范圍4ToFUIR F(3.221) 差分振蕩器與單個(gè)晶體管的振蕩器相比，有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，差分放大器具有“共模抑制、差模放大”的特點(diǎn)，所以差分振蕩器輸出的質(zhì)量相比之下要高。差分放大兩

29、個(gè)管子分別處于放大和截止?fàn)顟B(tài)交替工作。 第3章 正弦波振蕩器 3.單片集成LC振蕩器 單片集成LC高頻振蕩器E1648內(nèi)部電路如圖3.16(a)所示，振蕩電路部分如圖3.16(b)所示，器件外部連接電路如圖3.16(c)所示。 集成電路具有外接元件少、穩(wěn)定性高、可靠性好、調(diào)整使用方便等優(yōu)點(diǎn)。由于目前集成技術(shù)的限制，最高工作頻率還低于分立元件電路，電壓和功率也難以做到分立元件的水平。但是，盡管這樣，集成電路依然是微電子技術(shù)的發(fā)展方向，其性能將會(huì)不斷得到提高。第3章 正弦波振蕩器 E1648內(nèi)部電路由三個(gè)部分組成。第一部分是電源部分，由晶體管V10V14組成直流電源饋給電路。第二部分是差分振蕩器部

30、分，由V7、V8、V9晶體管和12、10腳外接的LC并聯(lián)回路構(gòu)成，V9是恒流源電路。第三部分是輸出部分，由V4、V5構(gòu)成共射共基組態(tài)放大器，對V8集電極輸出電壓進(jìn)行放大；再經(jīng)V3、V2組成的差分放大器放大；最后經(jīng)射隨器V1隔離，由腳輸出。 第3章 正弦波振蕩器 圖中V6是直流負(fù)反饋電路，腳外接濾波電容 CB；當(dāng)V8輸出電壓幅度增加時(shí)，V5射極電壓增加，V6集電極直流電壓減小，從而使差分振蕩器恒流源Io減小，跨導(dǎo)gm減小，限制了V8輸出電壓的增加，提高了振幅的穩(wěn)定性。該電路的工作頻率1()giL CC第3章 正弦波振蕩器 圖3.16 E1648單片集成振蕩器 (a)內(nèi)部電路；(b)振蕩電路部分；

31、(c)外接電路V14VD2V13V12V8V7IoV9VD1V6V5V4V11V10LCCB輸出V3V2V1EC1214(a)第3章 正弦波振蕩器 圖3.16 E1648單片集成振蕩器 (a)內(nèi)部電路；(b)振蕩電路部分；(c)外接電路 EB ECLCV8V7Io輸出1413121110981234567E1648LC0.1 F5 V9 V1 k0.1 FUo1(b)(c)第3章 正弦波振蕩器3.3 RC正弦振蕩器正弦振蕩器 3.3.1 RC移相振蕩器移相振蕩器 RC移相振蕩器是利用RC網(wǎng)絡(luò)作為移相網(wǎng)絡(luò)，使之滿足相位平衡條件，達(dá)到 。最簡單的RC移相網(wǎng)絡(luò)可以用電阻和電容串聯(lián)構(gòu)成，如圖3.17所

32、示。 圖3.17(a)所示是超前移相網(wǎng)絡(luò)。其頻率響應(yīng) fiUU()11j CRjH jj CRj(3.31) 第3章 正弦波振蕩器圖3.17 RC串聯(lián)移相網(wǎng)絡(luò) ICRUoUiICRUoUi(a)(b)第3章 正弦波振蕩器 其中，時(shí)常數(shù)=RC。幅頻特性 22( )1( )arctan2H 相頻特性 (3.32) (3.33) 如圖3.18所示。由圖可見，該電路可實(shí)現(xiàn)090之間的相移，不同頻率對應(yīng)不同的相移值。對應(yīng)截止頻率 的相移(C)=45。 1C第3章 正弦波振蕩器 圖3.17(b)所示是滯后相移網(wǎng)絡(luò)。其頻率響應(yīng)11()11( )arctan( )arctanH jj CRjH (3.34)(

33、3.35)(3.36) 幅頻特性 相頻特性 如圖3.19所示。由圖可見，該電路可實(shí)現(xiàn)090之間的相移，截止頻率 對應(yīng)的相移(C)=-45。1C第3章 正弦波振蕩器圖3.18 RC串聯(lián)超前網(wǎng)絡(luò)頻率特性 10.70C1450C90H()()第3章 正弦波振蕩器圖3.19 RC串聯(lián)滯后網(wǎng)絡(luò)頻率特性 10.70C145090H()()C1第3章 正弦波振蕩器圖3.20 RC相移振蕩器及交流等效電路RB2RB1RCREVUiUoCERRCCCUf ECRBrbeIbRCRRCCCIb(a)(b)(c)RBrbeIbRCRCI1RCCRCI2I3Ib第3章 正弦波振蕩器 忽略晶體管極間電容和輸出電阻的影響

34、，放大器的輸入電阻Ri=RBrbe，RB=RB1RB2；設(shè)計(jì)使RBrbe，且rberbe，滿足相位平衡條件，必須使 3bII3222222511(3)64)iiiRRRRRRRRRCj CC(3.37) (3.37)式成立，必須虛部為零，即2221640igRRRC(3.38)第3章 正弦波振蕩器 由此式求得該振蕩器的工作頻率2222211(64)(64)giiRRRR CR CR(3.39)當(dāng)RiR時(shí)16gRC(3.310)將g代入(3.37)式，可求得振幅平衡條件2229234iiRRRR(3.311) 當(dāng)RiR時(shí)2 9(3.312) 所以該振蕩器的起振條件為29(3.313) 第3章 正

35、弦波振蕩器 將圖3.20中晶體管放大器換成運(yùn)算放大器，如圖3.21所示。取R1=R，同樣可以導(dǎo)出該電路的工作頻率16gRC振幅平衡條件 129fRR(3.315) 起振條件 129fRR(3.316) 第3章 正弦波振蕩器圖3.21 反相輸入運(yùn)放構(gòu)成的 RR1RfCCCRRUfUiUo第3章 正弦波振蕩器 RC移相網(wǎng)絡(luò)種類很多，放大器種類也很多，所以RC移相振蕩器電路形式很多。圖3.22示出的是一種用RC有源移相器構(gòu)成的振蕩器電路。該電路的平衡條件是2431()11Rj CRRj CR(3.317) 第3章 正弦波振蕩器圖3.22 RC有源移相正交振蕩器RCR1R1A3R4R3A1A2uo1R

36、2R2RCuo2第3章 正弦波振蕩器 由此可導(dǎo)出工作頻率4311gRCRR起振條件 (3.318) (3.319) uo1為正弦波輸出時(shí)，uo2為余弦波輸出，彼此互為正交關(guān)系，所以又稱該電路為正交信號(hào)產(chǎn)生器。雖然RC移相振蕩器電路很多，但都可以采用上述的方法求得其工作頻率和起振條件。第3章 正弦波振蕩器 3.3.2 RC選頻振蕩器選頻振蕩器 用電阻、電容構(gòu)成的選頻網(wǎng)絡(luò)很多，如RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、RC雙T網(wǎng)絡(luò)等。目前應(yīng)用最為廣泛的是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如圖3.23(a)所示。其頻率特性21()13()1()19()H jjCRCRH jCRCR(3.320) (3.321) 幅頻特性 第3章 正弦波振蕩

37、器 如圖3.23(b)所示。由圖可見，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性，與LC并聯(lián)回路的頻率特性相似。在諧振頻率0=1/(RC)處，H(0)=1/3，(0)=0。當(dāng)0時(shí)，隨的增加，H()減小并趨于零，()趨于-90。 相頻特性 11( )arctan()3CRCR (3.322) 第3章 正弦波振蕩器 其帶寬B30，品質(zhì)因數(shù)Q1/3。由此可見，這種電路與LC諧振電路相比，品質(zhì)因數(shù)很低，帶寬很寬，選頻特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LC選頻網(wǎng)絡(luò)。這是RC網(wǎng)絡(luò)共有的特點(diǎn)，所以利用利用RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩器波形質(zhì)量差。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩器波形質(zhì)量差。 第3章 正弦波振蕩器圖3.23 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及頻率特性 UoRCCRUf(a)

38、01RC13H(0(9090(b)(c)第3章 正弦波振蕩器 圖3.24(a)所示是利用同相輸入運(yùn)算放大器構(gòu)成的RC選頻振蕩器。其工作頻率1gRC(3.323) 同相運(yùn)算放大器的增益A=1+Rf/R1，反饋系數(shù)F=1/3，根據(jù)起振條件AF1，可求得該振蕩器的起振條件是12fRR(3.324) 第3章 正弦波振蕩器 由于RC串/并聯(lián)支路與Rf、R1構(gòu)成了電橋的4個(gè)臂，運(yùn)算放大器接在橋的中點(diǎn)上，如圖3.24(b)所示，因此把這種振蕩器又稱為文氏橋振蕩器。電橋的一個(gè)重要特點(diǎn)是橋路中點(diǎn)的電位差反映了橋路的平衡程度，這種不平衡經(jīng)過放大器放大，再反饋至輸入端，加以調(diào)整，從而提高了穩(wěn)幅能力，改善了波形。所以

39、這種電路較之RC移相振蕩器質(zhì)量好，得到了廣泛的應(yīng)用。 第3章 正弦波振蕩器圖3.24 文氏橋振蕩器 ARCCRUfUoRftUitR1ARCRfR1RC(a)(b)第3章 正弦波振蕩器 文氏橋振蕩器電路形式很多。圖3.25示出了一種用兩級(jí)共射組態(tài)放大器級(jí)聯(lián)和RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的文氏橋振蕩器電路。圖3.26示出了一種用場效應(yīng)管做負(fù)反饋穩(wěn)幅電路的文氏橋振蕩器電路。設(shè)計(jì)使場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，代替圖3.24所示電路中的電阻R1。運(yùn)算放大器的輸出經(jīng)耦合電容C1加在二極管電路上。 第3章 正弦波振蕩器圖3.25 RC橋式振蕩器 6.2 kt3 k4.7 kRFRE12.7 k20 F100 k33

40、k4.7 k1.3 k12 V50 F3.9 k50 F100 F100 k68 k5.6 k0.033 F30 F0.033 F5.6 kZ1UfUiUo第3章 正弦波振蕩器 VD、C2、R2、R3和電位器W2構(gòu)成整流濾波電路，取得一個(gè)負(fù)極性的直流電壓，加在場效應(yīng)管的柵極和源極之間，為uGS。uGS的絕對值|uGS|正比于振蕩器輸出電壓的幅值Uom。當(dāng)Uom增大時(shí)，|uGS|增大，場效應(yīng)管等效的電阻即漏源電阻Rds增大，從而使放大器負(fù)反饋增加，輸出電壓Uom減小，從而實(shí)現(xiàn)振幅的穩(wěn)定。第3章 正弦波振蕩器 圖3.26 閉環(huán)電平穩(wěn)幅的文氏橋振蕩器 AW1RRCW2R3R2R1C2C1輸出C15

41、VVD第3章 正弦波振蕩器3.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度 3.4.1 振蕩器頻率的技術(shù)參量振蕩器頻率的技術(shù)參量 絕對靜止的、固定的事物在宇宙中是不存在的。一個(gè)頻率等于1kHz，振幅等于5V的正弦波振蕩電壓u=5sin2103t在實(shí)際生活中是不存在的。實(shí)際生活中存在的是 u=Um+(t)sin0t+(t)第3章 正弦波振蕩器 式中，Um是電壓振幅的數(shù)學(xué)期望值，即統(tǒng)計(jì)平均值，(t)是振幅抖動(dòng)值，0是角頻率的統(tǒng)計(jì)平均值，(t)是相位抖動(dòng)值。相位的微分等于角頻率。所以該信號(hào)的角頻率00( )( )dttdt ( )dtdt 式中，Um是電壓振幅的數(shù)學(xué)期望值，即統(tǒng)計(jì)平均值，(t)是振幅抖動(dòng)

42、值，0是角頻率的統(tǒng)計(jì)平均值，(t)是相位抖動(dòng)值。相位的微分等于角頻率。所以該信號(hào)的角頻率第3章 正弦波振蕩器 1. 頻率的精確度頻率的精確度 頻率的精確度是指頻率的統(tǒng)計(jì)平均值與理論設(shè)計(jì)值接近的程度，通常用相對誤差表示。如統(tǒng)計(jì)平均值(即測量值)為0，理論設(shè)計(jì)值為i，則頻率的精確度定義為 0iii第3章 正弦波振蕩器 2. 頻率的再現(xiàn)性頻率的再現(xiàn)性 所謂頻率的再現(xiàn)性所謂頻率的再現(xiàn)性就是指按照同一個(gè)原理、同一設(shè)計(jì)圖紙、元件參數(shù)都在預(yù)定值范圍內(nèi)時(shí)，制做出的振蕩器頻率的相近程度。對同一臺(tái)振蕩器的頻率再現(xiàn)性是指它的重調(diào)性、開機(jī)重復(fù)性、不同地點(diǎn)不同環(huán)境的重現(xiàn)性；對相同型號(hào)多臺(tái)振蕩器之間也要有頻率再現(xiàn)性，即可

43、復(fù)制性、相互符合度等。這是大生產(chǎn)所必須的，也是工程設(shè)計(jì)人員必須考慮的，否則沒有現(xiàn)實(shí)意義。 第3章 正弦波振蕩器 3.頻率的穩(wěn)定性頻率的穩(wěn)定性 頻率的穩(wěn)定性是用頻率的不穩(wěn)定度定義的，用頻率的相對變化 定義其頻率的穩(wěn)定程度。 越小，頻率穩(wěn)定性越好， 即 頻率穩(wěn)定性好。通常把頻率的相對變化 叫頻率穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度的完整描述應(yīng)當(dāng)引入時(shí)間的概念。 640010100比0第3章 正弦波振蕩器 3.4.2 頻率穩(wěn)定度的表示方法頻率穩(wěn)定度的表示方法 各種振蕩器都具有其共性，但每種振蕩器又有其個(gè)性，個(gè)性是共性的具體體現(xiàn)。對振蕩器頻率穩(wěn)定度的研究也是如此。首先以LC正弦振蕩器為例。 1. LC正弦振蕩器頻率穩(wěn)定

44、度的分析正弦振蕩器頻率穩(wěn)定度的分析 根據(jù)相位平衡條件Y+F+Z=E+Z=0，有Z=-E。LC正弦振蕩器選頻網(wǎng)絡(luò)為LC并聯(lián)回路，窄帶條件下LC并聯(lián)諧振回路的阻抗 0()12eRZ jj Q(3.41) 第3章 正弦波振蕩器 式中，Re為有載諧振阻抗，Qe為有載品質(zhì)因數(shù)，0是回路諧振頻率， 是相對失諧。根據(jù)相位平衡條件Z=-E，振蕩器的工作頻率為g，則它的模 20()1(2)eeRZ jQ(3.42) 它的相角 0( )arctan2ZeQ (3.43)000000tantan22gZEeeQQ 第3章 正弦波振蕩器振蕩器的工作頻率 000022021(1tan)211tan22cosgEgggg

45、geEeEgEeEgeEQQQQQ工作頻率的變化量 工作頻率的相對變化量 (3.44) (3.45) 第3章 正弦波振蕩器 由式(3.45)可以看出，要提高頻率穩(wěn)定度必須減小選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率的相對變化、提高回路的品質(zhì)因素、減小失諧的相角E、減小Qe和E。 圖3.27 回路標(biāo)準(zhǔn)性對頻率穩(wěn)定度影響 Zg00gg0Eg0第3章 正弦波振蕩器 圖3.28示出了E變化對工作頻率的影響。從圖看出E越小，E的變化對工作頻率的影響越小。 圖3.29示出Qe變化對工作頻率的影響。由圖可見，Qe越高，E變化引起的工作頻率變化越小。Qe若為無窮大，無論E如何變化，g始終等于0，即00gg 可見，振蕩器工作頻率的穩(wěn)

46、定度完全由回路的標(biāo)準(zhǔn)性決定。 第3章 正弦波振蕩器圖3.28 E對頻率穩(wěn)定度的影響 Z0gEEgEEgg第3章 正弦波振蕩器 圖3.29 Qe對頻率穩(wěn)定度的影響Qe90QeZQ2 Q1g2EE090g1g2g1Qeg0第3章 正弦波振蕩器 2. 頻率穩(wěn)定度的表示式 正確的度量振蕩器頻率穩(wěn)定度的高低有兩種方法。一是時(shí)域的描述方法，二是頻域的描述方法。 1) 頻率穩(wěn)定度的時(shí)域表示 相位抖動(dòng)是隨機(jī)過程，頻率抖動(dòng)也是隨機(jī)過程。隨機(jī)過程時(shí)域的數(shù)學(xué)表征有數(shù)學(xué)期望、方差、相關(guān)函數(shù)等。頻率穩(wěn)定度最常用的時(shí)域表征是均方差。目前應(yīng)用最廣泛的是艾侖方差。艾侖方差的定義式為221111(, , )()1NNynnnn

47、N TyyNN(3.46)具體可用圖3.30說明艾侖方差的意義。 第3章 正弦波振蕩器 測量就越復(fù)雜，測量時(shí)間越長。工程技術(shù)應(yīng)用最多的是=T，N=2的艾侖方差2212()(2, , )2yyyT T(3.47) 圖3.30 艾侖方差頻率穩(wěn)定度取樣方式 TTTt4TTTTTNT一組NT二組NT三組t1t2t3y1y2y3tNt1t2t3y1y2tNt1yNN次測量N次測量yN第3章 正弦波振蕩器 2) 頻率穩(wěn)定度的頻域表示 振蕩器頻率穩(wěn)定度高低的頻域表示是用振蕩器輸出信號(hào)的頻譜純度表示的。單一頻率的振蕩器理想情況下的頻譜是一根譜線。實(shí)際上由于相位噪聲引起的頻率抖動(dòng)，使振蕩器的輸出頻譜不可能是單根

48、譜線，在主譜線兩側(cè)存在很多邊帶頻譜。邊帶頻譜分量越多、幅度越大，振蕩器輸出頻譜純度越差，頻率穩(wěn)定度越低。 第3章 正弦波振蕩器 所以邊帶頻譜分量的多少和大小就反映了振蕩器頻率穩(wěn)定的質(zhì)量。目前廣泛應(yīng)用的是相位噪聲功率譜密度S(f)和頻率噪聲功率譜密度Sf(f)。它們之間的關(guān)系是2( )( )fSff Sf(3.48) S(f)或Sf(f)越小，振蕩器的頻譜越純，頻率穩(wěn)定度越高。第3章 正弦波振蕩器 3.4.3 振蕩器頻率穩(wěn)定原理和穩(wěn)頻方法振蕩器頻率穩(wěn)定原理和穩(wěn)頻方法 1. 振蕩器的頻率穩(wěn)定原理振蕩器的頻率穩(wěn)定原理 已知相位平衡條件=Y+F+Z=0決定了振蕩器的工作頻率g，相位是頻率g和環(huán)境因素的

49、函數(shù)。當(dāng)頻率變化或環(huán)境因素變化時(shí)，只要振蕩器仍然工作，相位平衡條件就繼續(xù)成立。所以(, )(, )(, )(, )0(,)()(, )(, )0(, )(,)(, )0(, )0gYgFgZgggggggggggg 第3章 正弦波振蕩器 根據(jù)式(3.49)可以看出，減小頻率的變化，首先是減小環(huán)境因素的變化，即減??；第二是減小環(huán)境因素變化引起的相位變化，即減小 ；第三是提高頻率變化引起的相位變化，即提高 。所以(3.4-9)式被稱為穩(wěn)頻原理的基本表示式。 則工作頻率的變化 gg(3.49) g第3章 正弦波振蕩器 2. 穩(wěn)頻方法穩(wěn)頻方法 1)減小環(huán)境因素變化的方法減小環(huán)境因素變化的方法(即減小即

50、減小) 影響振蕩器工作的環(huán)境因素主要有溫度、電源電壓、濕度、氣壓、振動(dòng)、沖擊、外負(fù)載等等。減小溫度變化采用恒溫。減小電源電壓變化采用高精度的穩(wěn)壓源。減小濕度、氣壓變化采用密封。減小振動(dòng)沖擊采用減震。減小負(fù)載影響采用隔離等等。第3章 正弦波振蕩器 2)減小環(huán)境因素變化引起的相角變化減小環(huán)境因素變化引起的相角變化 (即減小 最重要的是提高選頻網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)性，即減小 。如LC并聯(lián)諧振回路 0001LC001122CLCL (3.410) 所以提高標(biāo)準(zhǔn)性就是提高回路元件數(shù)值的穩(wěn)定性。如采用低溫度系數(shù)高穩(wěn)定的元件、利用正負(fù)溫度系數(shù)的元件互相補(bǔ)償、選用克拉撥或席勒電路減小晶體管寄生參量的影響等。 第3章 正

51、弦波振蕩器 3) 提高頻率變化引起的相位變化提高頻率變化引起的相位變化 ( 即提高 gg越大，g越小。所以把 g叫穩(wěn)頻能力。 02tanZeZgQ YFZgggg三項(xiàng)中起決定作用的是 ，其他兩項(xiàng)相比之下影響很小。對于LC并聯(lián)諧振回路 Zg(3.411) 第3章 正弦波振蕩器3.5 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 3.5.1 石英諧振器的物理特性和電特性 1. 石英諧振器的物理特性石英諧振器的物理特性 石英晶體是SiO2的天然晶體。它的形狀是六棱柱錐體，如圖3.31(a)所示。它的橫斷面是正六邊形。第3章 正弦波振蕩器圖3.31 晶體的形狀及橫斷面 (a)晶體外形；(b)橫斷面ZXXZ(a)(b)

52、YYXXYXY第3章 正弦波振蕩器 六棱柱錐體的對頂角的連線叫Z軸，由于光線沿此軸方向通過晶體會(huì)產(chǎn)生偏振，所以又叫做光軸。正六邊形對頂點(diǎn)的連線叫X軸，對邊的法線叫Y軸。因?yàn)槭⒕w沿X軸或Y軸方向存在壓電效應(yīng)，所以又把X軸叫電軸，Y軸叫機(jī)械軸。 注意，這里所指的軸不是一根或幾根直線，而是指這個(gè)方向的平行線，在同一方向上，晶體的性質(zhì)相同。石英振蕩器中所用的石英晶體片是從六棱柱錐體中切割出來的一小片。 第3章 正弦波振蕩器 根據(jù)性能要求切割的晶體片與X軸、Y軸、Z軸的夾角都有嚴(yán)格的要求，不同的夾角，晶體片的性能不同。把晶體片兩側(cè)面鍍上銀層，做成兩個(gè)極板，再焊上電極的引線，用盒子封裝起來，引出電極的

53、引線，就構(gòu)成了石英諧振器。市場賣的石英晶體就是指這種石英諧振器，如圖3.32所示。 第3章 正弦波振蕩器圖3.32 石英諧振器的結(jié)構(gòu) 管座電極石英片第3章 正弦波振蕩器 通常說石英晶體就是指石英諧振器，它的物理特性講述如下。 1) 具有正反壓電效應(yīng)具有正反壓電效應(yīng) 正壓電效應(yīng)是指在晶體片兩個(gè)側(cè)面上施加壓力施加壓力時(shí)，晶體片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形產(chǎn)生機(jī)械變形，與此同時(shí)，在它的表面上還會(huì)產(chǎn)生異性電荷產(chǎn)生異性電荷，異性電荷量Q的多少正比于機(jī)械變形x，即1QK x(3.51) 第3章 正弦波振蕩器 K1為比例常數(shù)。當(dāng)施加張力時(shí)，表面電荷極性相反。正壓電效應(yīng)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。 反壓電效應(yīng)反壓電效應(yīng)是指在晶體

54、片兩個(gè)表面上施加電壓施加電壓E，晶體會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形機(jī)械變形，如延伸。當(dāng)電壓的極性相反時(shí)，晶體就會(huì)收縮。機(jī)械變形量x正比于電壓E，即2xK E(3.52) K2是比例常數(shù)。反壓電效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能反壓電效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。第3章 正弦波振蕩器 2) 具有非常穩(wěn)定的物理特性和化學(xué)特性具有非常穩(wěn)定的物理特性和化學(xué)特性 石英晶體的物理特性和化學(xué)特性極其穩(wěn)定，所以它的機(jī)械尺寸和材料性能非常穩(wěn)定。也就是說，石英諧振器的標(biāo)準(zhǔn)性非常高。機(jī)械振動(dòng)頻率的穩(wěn)定性非常好，受外界因素的影響非常小，因此電振動(dòng)頻率的穩(wěn)定性也非常好。第3章 正弦波振蕩器 3) 具有各向異性具有各向異性 石英晶體的性能各個(gè)方向不同。Z

55、軸方向有光的偏振，X、Y軸方向具有壓電效應(yīng)，不同切割方式的石英晶體片的性能也不同。如溫度性能，AT切割方式，即與Z軸夾角3521、與X軸夾角0切割出的石英晶體片，它的相對頻率變化量 與溫度T是三次方關(guān)系。在5055范圍內(nèi)， 。 ff0ff第3章 正弦波振蕩器 4) 具有多模性具有多模性 石英晶體的振動(dòng)模式很多，有縱壓電效應(yīng)、橫壓電效應(yīng)；機(jī)械變形有伸縮、切變、彎曲等。每種振動(dòng)模式的諧振頻率不同，不僅有基音基音，還有泛音泛音，所以石英諧振器是一個(gè)頻率極其豐富的諧振系統(tǒng)。晶體振蕩器都是利用晶體的基音或奇次泛音(3、5、7次泛音)，而不用偶次泛音，因?yàn)橹挥谢艉推娲畏阂舨拍苡行У娜〕鼍w表面上的電壓。

56、晶體的諧振頻率與尺寸成反比。頻率越高，晶體片越薄，強(qiáng)度越低。但晶體片太薄了就會(huì)振碎，因此限制了晶體工作頻率的提高。 第3章 正弦波振蕩器 2. 石英諧振器的電特性 任何機(jī)械系統(tǒng)都可用電系統(tǒng)模擬，任何電的系統(tǒng)也可以用機(jī)械系統(tǒng)模擬。根據(jù)機(jī)電相似原理：機(jī)械力與電壓相似、速度與電流相似、位移與電荷相似、質(zhì)量與電感相似、彈性與電容相似、阻尼與電阻相似。石英諧振器可以用電感、電容、電阻組成的串并聯(lián)諧振回路等效。石英晶體的符號(hào)符號(hào)如圖3.33(a)所示。圖3.33(b)中，C0是石英諧振器兩個(gè)極板間的電容，叫支支架電容架電容，通常在幾個(gè)p量級(jí)。 第3章 正弦波振蕩器 石英晶體片等效為Lq、Cq、rq串聯(lián)的諧

57、振電路。Lq是石英晶體片等效的電感，通常在亨利的量級(jí)。Cq是等效電容，通常在10-3pF量級(jí)。rq是等效電阻，通常在百歐左右。由于石英具有多諧性，每次泛音都對應(yīng)一個(gè)串聯(lián)諧振電路?；舻刃長q1、Cq1、rq1的串聯(lián)諧振支路，該支路的諧振頻率等于基音頻率。3次泛音等效為Lq3、Cq3、rq3的串聯(lián)諧振支路，該支路的諧振頻率等于3次泛音頻率，如此等等。等于工作頻率的串聯(lián)諧振支路諧振，串聯(lián)阻抗等于rq，近似于短路，其他支路失諧，可近似于開路。所以對于工作頻率，石英諧振器都用圖3.33(c)所示的電路等效。第3章 正弦波振蕩器圖3.33 石英晶體的等效電路和電抗特性(a)晶體符號(hào)；(b)基音和泛音等

58、效電路；(c)某一頻率等效電路；(d)電抗特性(a)(b)晶體C0Cq1rq1Lq1Cq3rq3Lq3第3章 正弦波振蕩器圖3.33 石英晶體的等效電路和電抗特性(a)晶體符號(hào)；(b)基音和泛音等效電路；(c)某一頻率等效電路；(d)電抗特性(c)(d )C0CqrqLq3Z(j)Xe0sp第3章 正弦波振蕩器 由于rq很小，當(dāng)忽略它的影響時(shí)，等效電路兩端的電抗220202011()1111()1sqqepqqjLCj CjXj CjLCj C(3.53)式中 1sqqL C(3.54)稱為晶體的串聯(lián)諧振角頻率。 001pqqqC CLCC(3.55)第3章 正弦波振蕩器 3.5.2 石英晶體

59、振蕩器電路 石英晶體振蕩器電路有兩種。一種是并聯(lián)型石英晶體振蕩器，另一種是串聯(lián)型石英晶體振蕩器。 1. 并聯(lián)型石英晶體振蕩器并聯(lián)型石英晶體振蕩器 并聯(lián)型石英晶體振蕩器是把石英晶體當(dāng)做電感元件使用。振蕩器的工作頻率g與晶體的串、并聯(lián)諧振角頻率s、p之間一定滿足sgp的關(guān)系，如圖3.34所示。 第3章 正弦波振蕩器圖3.34 并聯(lián)型石英晶體振蕩器(a)原理電路; (b)交流等效電路(a)RLC1RERB2CBRB1LCECCCC2第3章 正弦波振蕩器圖3.34 并聯(lián)型石英晶體振蕩器(a)原理電路; (b)交流等效電路(b)RELqrqRLCqC0C1C2晶體Le第3章 正弦波振蕩器 根據(jù)三點(diǎn)式電路“射同基反”的構(gòu)成原則，晶體應(yīng)呈現(xiàn)感性。石英諧振器和電容C1、C2組成選頻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)晶體諧振器呈現(xiàn)的感抗L等于C1、C2串聯(lián)的容抗 時(shí)，可確定振蕩器的工作頻率g，如圖3.35所示。C1、C2變化，工作頻率g就會(huì)發(fā)生