高頻電子線路完整章節(jié)課件_07(4_3)

1、1 1第四章第四章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器主講教師主講教師: :付麗華付麗華2015-16(1)2015-16(1)2 2上節(jié)回顧上節(jié)回顧24.1.24.1.2平衡條件與起振條件平衡條件與起振條件 4.2 LC4.2 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 4.2.1 LC4.2.1 LC正弦波振蕩器原理正弦波振蕩器原理 4.2.24.2.2三點(diǎn)式正弦波振蕩器三點(diǎn)式正弦波振蕩器 u振蕩器的穩(wěn)定條振蕩器的穩(wěn)定條件件 u頻率準(zhǔn)確度與穩(wěn)頻率準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度定度 u組成與分類組成與分類 u變壓器反饋正弦波振蕩器變壓器反饋正弦波振蕩器u組成原理與基本原則組成原理與基本原則 u電感三點(diǎn)式振蕩器電感三點(diǎn)式振蕩器 u電

2、容三點(diǎn)式振蕩器電容三點(diǎn)式振蕩器 u改進(jìn)型電容三點(diǎn)是振蕩器改進(jìn)型電容三點(diǎn)是振蕩器3本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容4.3 4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 u 石英晶體及其特性石英晶體及其特性 u 串聯(lián)與并聯(lián)諧振頻率串聯(lián)與并聯(lián)諧振頻率u 串聯(lián)型石英晶體振蕩器串聯(lián)型石英晶體振蕩器 u 并聯(lián)型石英晶體振蕩器并聯(lián)型石英晶體振蕩器4.4 4.4 壓控振蕩器壓控振蕩器4 44.3 4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器什么是石英晶體振蕩器什么是石英晶體振蕩器u石英石英晶體振蕩器，石英諧振器簡稱為晶振，它是晶體振蕩器，石英諧振器簡稱為晶振，它是利用具有利用具有壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)的石英晶體片制成的。的石英晶體片制成的。u這種

3、石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時(shí)會這種石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時(shí)會產(chǎn)生產(chǎn)生機(jī)械振動機(jī)械振動，當(dāng)交變電場的頻率與石英晶體的，當(dāng)交變電場的頻率與石英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動便變得很強(qiáng)烈，這就是晶固有頻率相同時(shí)，振動便變得很強(qiáng)烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。體諧振特性的反應(yīng)。u利用這種特性，就可以用石英諧振器取代利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC(LC(線線圈和圈和電容電容) )諧振回路、濾波器等。由于石英諧振諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于家用電器和通信設(shè)備中。高等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用

4、于家用電器和通信設(shè)備中。u石英諧振器因具有石英諧振器因具有極高極高的頻率穩(wěn)定性，故主要用的頻率穩(wěn)定性，故主要用在要求頻率十分穩(wěn)定的振蕩電路中作諧振元件在要求頻率十分穩(wěn)定的振蕩電路中作諧振元件 5u晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機(jī)電器件，是用電損晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機(jī)電器件，是用電損耗很小的石英晶體經(jīng)精密切割磨削并鍍上電極焊上引線耗很小的石英晶體經(jīng)精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。重要的特點(diǎn)，其振蕩頻率與他們的做成。重要的特點(diǎn)，其振蕩頻率與他們的形狀，材料，形狀，材料，切割方向切割方向等密切相關(guān)。等密切相關(guān)。u由于石英晶體化學(xué)性能非常穩(wěn)定，由于石英晶體化學(xué)性能非常穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)熱膨

5、脹系數(shù)常小，其常小，其振蕩頻率也非常穩(wěn)定，由于控制幾何尺寸可以做到很精振蕩頻率也非常穩(wěn)定，由于控制幾何尺寸可以做到很精密，因此，其諧振頻率也很準(zhǔn)確。密，因此，其諧振頻率也很準(zhǔn)確。u根據(jù)石英晶體的機(jī)電效應(yīng)，可以把它等效為一個電磁振根據(jù)石英晶體的機(jī)電效應(yīng)，可以把它等效為一個電磁振蕩回路，即諧振回路。機(jī)電效應(yīng)是蕩回路，即諧振回路。機(jī)電效應(yīng)是機(jī)機(jī)- -電電- -機(jī)機(jī)- -電電.的不的不斷轉(zhuǎn)換，由電感和電容組成的諧振回路是電場斷轉(zhuǎn)換，由電感和電容組成的諧振回路是電場- -磁場的磁場的不斷轉(zhuǎn)換。不斷轉(zhuǎn)換。u在電路中的應(yīng)用實(shí)際上是把它當(dāng)作一個在電路中的應(yīng)用實(shí)際上是把它當(dāng)作一個高高Q Q值的電磁諧值的電磁諧振

6、回路振回路。由于石英晶體的損耗非常小，即。由于石英晶體的損耗非常小，即Q Q值非常高值非常高，做振蕩器用時(shí)，可以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的振蕩，作濾波器用做振蕩器用時(shí)，可以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的振蕩，作濾波器用，可以獲得非常穩(wěn)定和陡削的帶通或帶阻曲線。，可以獲得非常穩(wěn)定和陡削的帶通或帶阻曲線。 4.3 4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器4.3 4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器674.3 4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器1 1、石英晶體及其特性、石英晶體及其特性結(jié)構(gòu)及外形結(jié)構(gòu)及外形84.3 4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器1 1、石英晶體及其特性、石英晶體及其特性(2) (2) 符號及等效電路符號及等

7、效電路u含泛音頻率的等效電路含泛音頻率的等效電路u基頻等效電路基頻等效電路 等效電路等效電路94.3 4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 C C0 0: :靜態(tài)電容，晶片作為靜態(tài)電容，晶片作為介質(zhì)，鍍銀電極和支架介質(zhì)，鍍銀電極和支架引線作為板極，構(gòu)成電引線作為板極，構(gòu)成電容；容；P P級；級； Lq:Lq:振蕩時(shí)的動態(tài)電感；振蕩時(shí)的動態(tài)電感；很大很大mHmH級；級； Cq:Cq:振蕩時(shí)的動態(tài)電容，振蕩時(shí)的動態(tài)電容，很小，百分之一級；很小，百分之一級； Rq:Rq:振蕩時(shí)的摩擦損耗，振蕩時(shí)的摩擦損耗，歐姆級；歐姆級；104.3 4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器(3) (3) 晶體特點(diǎn)晶體特

8、點(diǎn) u振蕩頻率穩(wěn)定振蕩頻率穩(wěn)定u振動的多諧性振動的多諧性u并聯(lián)負(fù)載電容并聯(lián)負(fù)載電容u激勵功率激勵功率11根據(jù)輸入信號的頻率不同，石英晶體具有串聯(lián)根據(jù)輸入信號的頻率不同，石英晶體具有串聯(lián)諧振特性和并聯(lián)諧振特性：諧振特性和并聯(lián)諧振特性：4.3 4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器qqs21CLf2 2、串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)諧振頻率、串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)諧振頻率等效為串聯(lián)諧振時(shí)的串聯(lián)諧振頻率等效為串聯(lián)諧振時(shí)的串聯(lián)諧振頻率u并聯(lián)，ff0，容性12根據(jù)輸入信號的頻率不同，石英晶體具有串聯(lián)根據(jù)輸入信號的頻率不同，石英晶體具有串聯(lián)諧振特性和并聯(lián)諧振特性：諧振特性和并聯(lián)諧振特性：4.3 4.3 石英晶體振蕩器石英

9、晶體振蕩器q0q0qp21CCCCLf2 2、串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)諧振頻率、串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)諧振頻率等效為并聯(lián)諧振時(shí)的并聯(lián)諧振頻率等效為并聯(lián)諧振時(shí)的并聯(lián)諧振頻率0qs1CCfu并聯(lián)，ff0，容性13晶體的電抗頻率特性曲線晶體的電抗頻率特性曲線結(jié)論結(jié)論4.3 4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器u因?yàn)楦行詤^(qū)狹窄，電抗性因?yàn)楦行詤^(qū)狹窄，電抗性曲線陡峭；曲線陡峭；u對頻率的變化具有極靈敏對頻率的變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力。的補(bǔ)償能力。結(jié)論結(jié)論u所以石英諧振器就工作所以石英諧振器就工作在這一頻率狹窄的電感在這一頻率狹窄的電感區(qū)內(nèi)，具有很強(qiáng)的穩(wěn)頻區(qū)內(nèi)，具有很強(qiáng)的穩(wěn)頻作用。作用。u在振蕩器石英晶體諧振在振蕩

10、器石英晶體諧振器常作為一個電感元件器常作為一個電感元件使用。使用。14144.3 4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器【典型電路舉例典型電路舉例】：3 3、串聯(lián)型石英晶體振蕩器、串聯(lián)型石英晶體振蕩器【基本原理基本原理】：u晶體所在的正反饋支路發(fā)生串聯(lián)諧振，使正反晶體所在的正反饋支路發(fā)生串聯(lián)諧振，使正反饋?zhàn)顝?qiáng)而滿足振蕩。饋?zhàn)顝?qiáng)而滿足振蕩。晶體和負(fù)載電容發(fā)生串聯(lián)諧振晶體和負(fù)載電容發(fā)生串聯(lián)諧振晶體工作于本身串聯(lián)晶體工作于本身串聯(lián)諧振點(diǎn)上諧振點(diǎn)上15154 4、并聯(lián)型晶體振蕩器、并聯(lián)型晶體振蕩器4.3 4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器【基本原理基本原理】：u晶體一般工作在晶體一般工作在 f fs

11、s和和 f fp p之間，在電路中等效一之間，在電路中等效一特殊電感。特殊電感。164 4、并聯(lián)型晶體振蕩器、并聯(lián)型晶體振蕩器4.3 4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器幾種電路形式（交流等效）：幾種電路形式（交流等效）：皮爾斯皮爾斯( (Pierce)Pierce)電路電路密勒密勒( (Miller)Miller)電路電路17174.3 4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器【分析分析】：設(shè)晶體的基頻為設(shè)晶體的基頻為1 1MHMHZ Z，為了獲得為了獲得五次五次(5(5MHMHZ Z) )泛音振蕩泛音振蕩, , LCLC諧振頻諧振頻率在率在3 35MH5MHZ Z之間。對于五次泛音之間。對于五

12、次泛音頻率，頻率，LCLC呈容性，電路滿足振蕩呈容性，電路滿足振蕩條件，可以振蕩。而對于基頻和條件，可以振蕩。而對于基頻和三次泛音，三次泛音，LCLC呈感性，電路不符呈感性，電路不符合三點(diǎn)式組成原則，不能振蕩。合三點(diǎn)式組成原則，不能振蕩。5 5、泛音晶體振蕩器、泛音晶體振蕩器【基本原理基本原理】：u利用晶體的泛音振動（泛音晶體）來實(shí)現(xiàn)。有利用晶體的泛音振動（泛音晶體）來實(shí)現(xiàn)。有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。【舉例舉例】：一種并聯(lián)型泛音晶體振蕩器一種并聯(lián)型泛音晶體振蕩器184.4 4.4 壓控振蕩器壓控振蕩器1 1、概述、概述【問題問題 】什么是壓控振蕩器什么是壓控振蕩器 ？ 【壓控振

13、蕩器的主要功能及用途壓控振蕩器的主要功能及用途】： u在許多高頻電路中在許多高頻電路中, ,要求振蕩器的頻率是可以要求振蕩器的頻率是可以改變的改變的, ,當(dāng)振蕩頻率可以隨外加控制電壓的變化當(dāng)振蕩頻率可以隨外加控制電壓的變化而變化的振蕩器，稱為壓控振蕩器（而變化的振蕩器，稱為壓控振蕩器（ Voltage Voltage Controlled Oscillator,Controlled Oscillator,簡稱簡稱VCO)VCO)。u實(shí)現(xiàn)電壓實(shí)現(xiàn)電壓 頻率的變換，頻率的變換，u它在頻率調(diào)制、鎖相技術(shù)、電調(diào)諧等許它在頻率調(diào)制、鎖相技術(shù)、電調(diào)諧等許多方面有著廣泛的應(yīng)用。多方面有著廣泛的應(yīng)用。194.

14、4 4.4 壓控振蕩器壓控振蕩器【壓控振蕩器的主要指標(biāo)壓控振蕩器的主要指標(biāo)】(1) (1) 頻率范圍頻率范圍uVCOVCO受控可變的最高頻率受控可變的最高頻率max與最低頻率與最低頻率min之差之差則頻率覆蓋系數(shù)為可變的最高頻率與最低頻之則頻率覆蓋系數(shù)為可變的最高頻率與最低頻之比，即比，即ffKminmax204.4 4.4 壓控振蕩器壓控振蕩器（2 2）線性度）線性度u理想的理想的VCOVCO特性應(yīng)該是線性的，如圖所示。即特性應(yīng)該是線性的，如圖所示。即 = = f f 0 0+ + A AO Ou uc cuU Uc c為控制電壓為控制電壓uA A0 0壓控靈敏度壓控靈敏度u0 0是控制電壓

15、為零時(shí)是控制電壓為零時(shí) VCO VCO 的固有振蕩頻率的固有振蕩頻率u線性度表示了實(shí)際壓控特線性度表示了實(shí)際壓控特性相對于理想情況的偏離。性相對于理想情況的偏離。214.4 4.4 壓控振蕩器壓控振蕩器（3 3）壓控靈敏度）壓控靈敏度A A0 0u也稱為也稱為VCOVCO的增益，它表示單位控制電壓所產(chǎn)生的增益，它表示單位控制電壓所產(chǎn)生的頻率變化量，單位是的頻率變化量，單位是Hz/VHz/V。它是鎖相環(huán)路中的。它是鎖相環(huán)路中的一個重要參數(shù)。一個重要參數(shù)?！緲?gòu)成構(gòu)成VCOVCO的一般方法的一般方法】u壓控振蕩器的構(gòu)成方法一般有壓控振蕩器的構(gòu)成方法一般有兩兩種：種：帶有諧振回路（如帶有諧振回路（如

16、LC LC 諧振回路）的振蕩器，諧振回路）的振蕩器，用控制電壓來改變回路中電抗元件值的方法用控制電壓來改變回路中電抗元件值的方法實(shí)現(xiàn)振蕩頻率控制；實(shí)現(xiàn)振蕩頻率控制；張弛振蕩器，也稱多諧振蕩器。張弛振蕩器，也稱多諧振蕩器。2222F反饋式正弦波振蕩器主要由放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)反饋式正弦波振蕩器主要由放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)組成。有、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)組成。有LCLC、RCRC和晶體振和晶體振蕩器。蕩器。F振蕩器必須滿足振蕩的平衡條件和起振條件及振蕩器必須滿足振蕩的平衡條件和起振條件及平衡穩(wěn)定條件。平衡穩(wěn)定條件。 F LC LC振蕩器分為變壓器反饋式、電容三點(diǎn)式和電振蕩器分為變壓器反饋式、電容三點(diǎn)式和電感三點(diǎn)式。常見的有克拉潑振蕩器和西勒振蕩器感三點(diǎn)式。常見的有克拉潑振蕩器和西勒振蕩器等。等。F 石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定性高。石英晶體振蕩石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定性高。石英晶體振蕩器有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。器有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。F 壓控壓控振蕩器，簡稱振蕩器，簡稱VCOVCO。是振蕩頻率隨外加控。是振蕩頻率隨外加控制電壓變化而