Chapter4 正弦波振蕩器 oscillator

4正弦波振蕩器oscillator作用：發(fā)射機(jī)的主振級就是一個高頻振蕩器，產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的等幅高頻信號。接收機(jī)的本振也是高頻振蕩器。技術(shù)指標(biāo)：振蕩頻率、振蕩頻率范圍、振蕩頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度以及頻譜的純度。主要是振蕩頻率和頻率穩(wěn)定度。由于如電子對抗、雷達(dá)、制導(dǎo)、衛(wèi)星跟蹤、宇宙通信的需要及發(fā)展，對頻率穩(wěn)定度的要求愈來愈高。例如：

＊3～30M短波段內(nèi)，有25萬部電臺（全球），若規(guī)定穩(wěn)定度是1.5×10-5,在30M時，允許的偏差僅為450Hz；＊電子手表年差不超過1分鐘，要求頻率穩(wěn)定度小于1.5×10-5；＊實(shí)現(xiàn)火星通信，頻率穩(wěn)定度不劣于10-11

；＊為金星定位，頻率穩(wěn)定度不劣于10-12

。若開關(guān)K接1，輸入Ui，則回路調(diào)諧時產(chǎn)生最大高頻電壓，經(jīng)M耦合產(chǎn)生同頻的；若K接2，則反饋網(wǎng)絡(luò)接通，振蕩便會維持下去。4.1振蕩的基本原理(P144)振蕩器由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成。而實(shí)際的振蕩器是不需要激勵的，因為放大器本身的放大倍數(shù)只要大于1，且有選頻回路，所以電路中，晶體管內(nèi)的熱噪聲等微弱信號經(jīng)不斷反復(fù)而建立起來。振蕩建立起來后，能否無休止的增大下去呢？也不會。因為晶體管的工作狀態(tài)進(jìn)入非線性區(qū)，放大倍數(shù)就會下降，當(dāng)反饋電壓幅度和輸入信號幅度相等時，達(dá)到平衡狀態(tài)。振蕩器頻率：4.2振蕩器平衡條件

反饋電壓放大器的框圖：：反饋系數(shù)。：小信號線性狀態(tài)電壓放大器放大倍數(shù)（無反饋）輸出為：：反饋放大器電壓放大倍數(shù)；4.2振蕩平衡的條件若：意味著，沒有輸入信號，仍有輸出信號。所以稱A0F=1為放大器轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幤鞯臈l件（線性狀態(tài)下）。起振條件：在起振時，欲增幅，要求反饋電壓的幅度大于上次激勵電壓的幅度，且二者的相位相同。即：得：上式是振蕩器的起振條件。開環(huán)增益>1相位相同4.2振蕩平衡的條件這里我們認(rèn)為A0是在線性小信號狀態(tài)，是一個常數(shù)。當(dāng)幅度不斷增大，放大器進(jìn)入非線性狀態(tài)，這時晶體管可以看成是一個非線性器件。為了反映晶體管的這種特性，我們引入一個平均電壓放大倍數(shù)A：而：Ic1=IcM

1()=gcUb(1cos)1()

所以放大倍數(shù)A=gcRb(1cos)1()=A01()

其中,A0=gcRb

為小信號線性電壓放大倍數(shù)。

1()=(1cos)1()為余弦脈沖電流分解系數(shù)

因為<90,所以

1()<1,則A<A0

說明振蕩器起振之后，平均電壓放大倍數(shù)隨振幅增大而減小。起振后，此公式適用。4.2振蕩平衡的條件注意：起振條件A0F>1,A0是線性小信號增益，A0和gm（微變跨導(dǎo)）成正比，gm與輸入信號大小無關(guān)。平衡條件：AF＝1，A是大信號增益，是隨輸入信號變化而變化的。即：得：這是振蕩器的維持條件。開環(huán)增益＝1相位相同維持振蕩，在非線性狀態(tài)下：大小相等，相位相同。由：得：振幅平衡條件：相位平衡條件：構(gòu)成正反饋。4.2振蕩平衡的條件下面舉例分析互感耦合反饋振蕩器：(不考慮yre

的影響：)其中：得到：相位、振幅平衡條件：振幅平衡：相位平衡：可得：由：由圖可知：所以：則由上式可得：4.3振蕩器穩(wěn)定的條件（P151）指振蕩器在外界因素的作用下，原振幅平衡條件被破壞之后，能自動地恢復(fù)原來的振幅平衡狀態(tài)的能力。

我們知道A=f(U0)是單調(diào)下降的，即隨著輸出電壓的增大，增益下降。在Q點(diǎn)處，A=1/F即AF=1，滿足振幅平衡條件。Q點(diǎn)是一個振幅平衡點(diǎn)。(1)幅度穩(wěn)定條件若在外界因素下，振蕩幅度U0上升至Q’處，U0

>U0Q,AF<1。于是振蕩減弱，稱為減幅振蕩，使得回到Q點(diǎn)上。同理，在Q’’處，U0’’

<U0Q,AF>1

,為增幅振蕩，振幅增大，使得:回到Q點(diǎn)上。4.3振蕩器穩(wěn)定的條件所以，從上面的分析看：Q點(diǎn)的斜率應(yīng)滿足：稱為振幅穩(wěn)定條件。在這一點(diǎn)是一個穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。即A～Uo曲線是單調(diào)下降的。否則，雖然也有平衡點(diǎn)，但不穩(wěn)定，如下圖，左圖的B點(diǎn)。4.3振蕩器穩(wěn)定的條件(2)相位穩(wěn)定條件是指振蕩器相位平衡狀態(tài)在外界因素作用下受到破壞時，可以重新建立新的平衡所需要的條件?！摺嘞辔话l(fā)生變化時，導(dǎo)致頻率發(fā)生變化。所以相位穩(wěn)定條件又稱頻率穩(wěn)定條件:

在外界因素作用下，上述相位平衡條件遭到破壞，則產(chǎn)生一個，由此了產(chǎn)生一個，導(dǎo)致頻率發(fā)生變化。4.3振蕩器穩(wěn)定的條件如果振蕩器本身能夠在作用下，再產(chǎn)生一個來抵消上述的，則可穩(wěn)定。這時要求振蕩器本身即一般與無關(guān)，即:∴相位穩(wěn)定的條件是:即要求回路的相頻特性必須具有負(fù)的斜率，而并聯(lián)振蕩回路的相頻特性曲線正好具有這樣的特點(diǎn)。4.3振蕩器穩(wěn)定的條件見圖：是一條直線（因為Y

和F

與無關(guān)）交點(diǎn)Q1

：在Q1點(diǎn)上振蕩器滿足相位平衡條件，相應(yīng)的振蕩頻率為：1如果在外界因素作用下，使YF產(chǎn)生一個正的增量+YF，振蕩器回路便產(chǎn)生一個負(fù)的增量Z，抵消YF的影響。

YF=Y+F可產(chǎn)生變化，但不能自身使其回歸。4.3振蕩器穩(wěn)定的條件即：在Q2上重新平衡，但此時的我們希望越小越好：越小，振蕩頻率就越穩(wěn)定。減小的措施：①盡量減小YF，則在同樣的YF作用下，可以降低；②提高諧振回路的Q值，使的曲線更加陡峭，則在同樣的YF+

YF作用下，降低。振蕩維持了，頻率卻變了；4.3振蕩器穩(wěn)定的條件由振蕩器的相位平衡條件

=Z

+YF

=0可知：若YF

=0，則Z

=0。這時振蕩回路處于諧振狀態(tài)，這時的振蕩頻率就等于振蕩回路固有振蕩頻率。此時：f=f0

實(shí)際振蕩器中，YF總是存在的，只有大小的不同而已。而要使

=0，則必須Z與YF大小相等，方向相反。即：振蕩回路永遠(yuǎn)處于微失諧狀態(tài)，而不是諧振狀態(tài)。但在工程計算中，可以不考慮YF的影響，把振蕩回路當(dāng)作諧振回路，這時f=f04.4反饋型LC振蕩器（又稱三端式振蕩器）

“Three–point”typeoscillators三端式振蕩器從回路抽取得反饋電壓。對交流等效電路而言，由LC回路引出三個端點(diǎn)分別接在晶體管得b、c、e三極上，稱之為三端式振蕩器。4.4.1構(gòu)成三端式振蕩器的原則（相位判據(jù)）如圖：假設(shè)：①不計晶體管的電抗效應(yīng)；②LC回路由純電抗組成，即：為了滿足相位條件，回路引出的三個端點(diǎn)應(yīng)如何與晶體管的三個電極相連接？回路諧振時：（此式可以估算諧振頻率f0

）∴∵放大器倒相180°∴反饋Uf

和U0必須反相，才能滿足相位條件（正反饋）：有上面的兩個式子可以得出結(jié)論:

Xce和Xbe必須同性質(zhì)，才能保證Uf和Uo

反相。（否則F是負(fù)的）

Xcb必須和Xce、Xbe性質(zhì)相反，這是三點(diǎn)式振蕩器的相位判據(jù)。簡單記憶：與e極相連的電抗性質(zhì)相同，另一個電抗性質(zhì)相反。4.4.1構(gòu)成三端式振蕩器的原則（相位判據(jù)）實(shí)際中常用的有兩種三端式振蕩電路：

電感式三端——Hartley

電容式三端——Colpitts4.4.2電感反饋型LC振蕩器（Hartley電感三端式）上面圖3-7等效為圖3-8，由其構(gòu)成知：顯然滿足相位平衡條件。4.4.2電感反饋型LC振蕩器（電感三端式）下面討論振蕩器的振蕩頻率和電壓反饋系數(shù)。①考慮電感間互感影響M0

②不考慮電感間互感影響M

=0

電感三端的特點(diǎn):①易起振，調(diào)整f方便，適合于波段工作；②對諧波的抑制能力差，造成輸出波形不好。因為Uf取自L2

，電感對高次諧波是高阻抗。缺點(diǎn)是：頻率高時，晶體管的輸入輸出電容并聯(lián)在電感量小的電感上，改變回路的特性，會使電路不能起振。所以適合于幾十MHz的振蕩器。L1和L2之間有互感，易起振，改變C可以方便的改變f。4.4.3電容反饋型LC振蕩器（電容三端式）由其構(gòu)成可知滿足相位平衡條件。又稱考畢茲（Colpitts）電路。①振蕩頻率：②電壓反饋系數(shù)：4.4.3電容反饋型LC振蕩器（電容三端式）Colpitts電路特點(diǎn)：①對諧波的抑制能力強(qiáng)，振蕩波形好；——優(yōu)點(diǎn)②調(diào)整工作頻率不方便，適合某一固定頻率?！秉c(diǎn)缺點(diǎn)：改變頻率，用可調(diào)電容，但這樣又使F=C2/C1

變化，一旦調(diào)節(jié)不當(dāng)，F(xiàn)過小，就會停振。為了保證起振，增加反饋系數(shù)F，則要減小C2，則1/(nC2)，對高頻諧波的抑制能力下降。所以F大小要適中。晶體管的輸入、輸出電容與回路電容并聯(lián)。為了減小對f0的影響，可以適當(dāng)增加回路電容值以提高頻率穩(wěn)定度。在振蕩頻率高時，有時可以不用回路電容，直接用晶體管的輸入、輸出電容構(gòu)成振蕩電路，可達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz。4.4.4高穩(wěn)定LC振蕩器普通電容三端式等效電路：若C1

>>Coe和C2

>>Cie則這時圖3-16中，Coe為晶體管輸出電容Cie為晶體管輸出電容。

Cie和Coe溫度特性不穩(wěn)定，使得頻率f0

的穩(wěn)定度變化。可以減弱Cie和Coe對頻率f0的影響。由圖可見：Coe和C1并聯(lián)；

Cie和C2并聯(lián)。則有：4.4.4高穩(wěn)定LC振蕩器但是存在問題：回路電容C1和C2不能無限加大，因為增大C就得減小電感L，造成回路基波的諧振電阻減小:而使回路基波電壓幅度下降，以至于滿足不了振幅平衡條件，嚴(yán)重時會停振。減弱Cie和Coe的影響最有效的辦法是減弱晶體管和振蕩回路之間的耦合，但是也不太容易做到。另一個方法是隔離，就是令f0和Cie及Coe無關(guān)。即兩種改進(jìn)的電容三端振蕩器——clapposcillator和seilerOscillator4.4.4高穩(wěn)定LC振蕩器因為C3

和L串聯(lián)，稱為串聯(lián)電容反饋三點(diǎn)式。用C3

把L和C1、C2

隔開，使反饋系數(shù)由C1、C2決定，振蕩頻率由C3

和L

決定。C3滿足的條件:回路總電容：∴(1)克拉撥振蕩器clapposcillator由于f0和C1、C2

無關(guān)，C1、C2可以增大，提高頻率的穩(wěn)定度;

改變C3，可以改變f0，而不影響反饋系數(shù)F；改變C1、C2可以改變F，而不影響0?？梢?，C3

越小，振蕩器頻率穩(wěn)定度越高，但是C3

太小，則不能滿足振幅起振的條件，所以應(yīng)有一個最小允許值。4.4.4高穩(wěn)定LC振蕩器分析克拉撥振蕩器看一下晶體管c、e兩端的等效電阻RC。電路等效為：折合到ce端：由：得：圖中：再看：可見，調(diào)節(jié)C3

改變頻率時，RC

變化很大，在頻率高端停振。增大C1

時，也是會產(chǎn)生上述問題。所以C1、C3

應(yīng)取恰當(dāng)?shù)闹怠?0MHz工作頻率：C1、C2取數(shù)千pF；低于100kHz時:C1、C2取數(shù)萬pF。由于克拉撥電路波段內(nèi)不均勻，故克拉撥振蕩器的波段覆蓋系數(shù)不大：所以克拉撥電路適合于固定振蕩器。4.4.4高穩(wěn)定LC振蕩器(2)西勒振蕩器seilerOscillator為了克服調(diào)節(jié)C3

改變頻率，影響起振，在L上并聯(lián)電容C4

，且滿足：C4<<C1,C4<<C2回路總電容：可見，改變C4就可以改變頻率ω0

，不需要改變C3。4.4.4高穩(wěn)定LC振蕩器幾種西勒電路的電臺主振級：F較大，f0約幾十MHzF較小，f0約幾十MHz高頻，f0約百M(fèi)Hz4.4.5集成振蕩器由E1648加上少量外圍元件構(gòu)成正弦波振蕩器，其內(nèi)部由差分對電路、偏置電路和放大電路組成。輸出頻率可達(dá)225MHz，輸出峰峰電壓可達(dá)到750mV。Datasheetof1648Datasheetofanotherone4.5振蕩器頻率穩(wěn)定度及穩(wěn)頻方法頻率穩(wěn)定度是振蕩器十分重要的指標(biāo)。通信時，雙方的頻率都十分準(zhǔn)確和穩(wěn)定，聯(lián)絡(luò)時不用呼叫和尋找，開機(jī)就可收發(fā)。否則…4.5.1頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度分為絕對頻率穩(wěn)定度和相對頻率穩(wěn)定度。例：f0

=5MHz,f

=4.99995MHz則f0

表示標(biāo)稱頻率，f表示實(shí)際工作頻率絕對頻率穩(wěn)定度：f=ff0相對頻率穩(wěn)定度：4.5.1頻率穩(wěn)定度因為振蕩頻率式中，負(fù)號的物理意義是回路的電容或電感上升，引起0下降。L：回路總電感，包括元件引線電感等；

C：回路總電容，包括引線、分布電容。外界因素造成L、C產(chǎn)生微小變量L、C，使0相應(yīng)的產(chǎn)生一個變量

，即:所以：4.5.1頻率穩(wěn)定度考慮晶體管內(nèi)部電容影響的電容三端式振蕩器：圖中：Coe:振蕩管輸出電容;

Cie:振蕩管輸入電容;

Cre:振蕩管內(nèi)部反饋電容;為了分析方便，將不穩(wěn)定電容折合到電感L兩端：CD這里注意:電容C從低抽頭向高抽頭折合應(yīng)變小，參見P20或2.2.5節(jié)4.5.1頻率穩(wěn)定度回路總電容的變化量:則:因此，振蕩器的相對頻率穩(wěn)定度為:所以：假設(shè)元件質(zhì)量高，回路L、C的不變化：式中，CD2因此為折合到振蕩器輸入端的總不穩(wěn)定電容變化量。4.5.1頻率穩(wěn)定度例：已知：求：①相對頻率穩(wěn)定度；解：②求：當(dāng)減小到原來的1/10，并保持時，計算此時的：4.5.1頻率穩(wěn)定度解：總回路電容比原來大10倍，回路電感應(yīng)減小10倍，即：4.5.1頻率穩(wěn)定度③采用克拉撥電路，保持：C1=C2,求：C1=?,C2=?解：例3(P168)自己看看吧。4.5.2穩(wěn)頻方法引起振蕩頻率不穩(wěn)定的主要原因是外界因素，包括溫度、電源電壓、大氣壓力、空氣濕度、磁場、電場、負(fù)載阻抗變化等。

上述這些因素對振蕩器的影響有兩點(diǎn)：①改變了回路元件參數(shù)和品質(zhì)因數(shù)；②改變了晶體管的參數(shù)。所以穩(wěn)頻應(yīng)盡可能減小外界因素的變化，提高電路本身抵抗外界因素變化影響的能力。4.5.2穩(wěn)頻方法(1)減小外界因素的變化①機(jī)械振動引起回路元件和引線變形，使電感、電容數(shù)值及分布參數(shù)變化，引起頻率變化。辦法：安裝減震裝置（打固定蠟）；接線牢固；調(diào)諧回路加鎖定裝置；②溫度變化，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)及參數(shù)變化。另外，熱脹冷縮引起回路元件尺寸變化。辦法：恒溫，直流反饋等（熱敏電阻穩(wěn)定裝置）；正、負(fù)溫度系數(shù)的電容進(jìn)行溫度補(bǔ)償。③濕度和大氣壓力的變化對元件數(shù)值和Q值的影響，表現(xiàn)在材料吸潮后膨脹變形，從而改變了絕緣介質(zhì)性能和空氣介電常數(shù)，引起回路元件值和Q值改變。辦法：密封。采用吸潮小的介質(zhì)和絕緣材料。4.5.2穩(wěn)頻方法④電源電壓變化。辦法：穩(wěn)壓，采用穩(wěn)定系數(shù)好的偏置電路，振蕩器單獨(dú)供電。⑤周圍電磁場的影響。辦法：電感變化采用屏蔽措施。⑥負(fù)載變化，Q值變化，頻率變化。辦法：在振蕩器和負(fù)載之間加緩沖器。⑦老化。

辦法：將元件進(jìn)行老化處理，減少使用過程中參量變化。由于，當(dāng)L、C產(chǎn)生L、C

時：4.5.2穩(wěn)頻方法

(2)提高電路抗外界因素影響的能力①提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性負(fù)號表示L和C增加時，0變小。L、C

除了集中參數(shù)的回路電容和回路電感之外，還含有晶體管的極間電容、電路的分布電容及引線電感。具體方法：采用高質(zhì)量的回路元件。目前使用較廣的是在高頻磁上用燒滲銀的方法制成的電感線圈。特點(diǎn)是損耗小，溫度膨脹系數(shù)小，吸水性小。高質(zhì)量電容則采用膨脹系數(shù)小的金屬（如殷鋼）做極片的空氣電容或云母電容器。標(biāo)準(zhǔn)性：振蕩回路在外界因素變化時，保持諧振頻率不變的能力。4.5.2穩(wěn)頻方法在影響回路參數(shù)的各種外界因素中，主要是環(huán)境溫度的變化。定義溫度系數(shù)為：溫度變化1℃時，L和C的相對變化值為溫度系數(shù)L和C

，則：如果L和C變化相反（符號相反），則這就是廣泛采用的溫度補(bǔ)償法。通常L為正，C為負(fù)（陶瓷電容器）。減小分布電容和引線電感。引線盡可能短，連接牢固。減小不穩(wěn)定電容在回路中所占比重，兩種方法：A）降低振蕩頻率，C可取大，降低其它電容的比例，所以在無線電設(shè)備中希望主振頻率低，然后倍頻，提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度；B）滿足起振條件下，減小回路和負(fù)載及有源器件之間的耦合，即部分接入法。例如：克拉撥電路、西勒電路。提高回路的有效Q值，采用先進(jìn)工藝提高Q。4.5.2穩(wěn)頻方法②減小Y及其變化（

YF=

Y+

F）Y是平均正向傳輸導(dǎo)納的相角，它主要是兩個原因產(chǎn)生：載流子在基極渡越時間的影響，二是高次諧波的影響。前者可選用fT高的管子，使Y減小，一般取fT=10f；后者主要是Q值有限，高次諧波在回路上總有壓降，使uC不是理想的正弦波而有畸變。一般電容反饋式的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于電感反饋式。F是回路uC

和反饋uf

間的相角。主要原因是基極電阻不夠大，在振蕩回路中有一定損耗及晶體管Cie、Coe的影響。可以證明：電容耦合式F為正值，F(xiàn)

>0電感耦合式F為負(fù)值，F(xiàn)

<0互感耦合振蕩器F

<0因為Y總是負(fù)值（F

<0），所以電容三端式的|YF|較小，電感三端式|YF|較大。因而在高頻段的振蕩器，幾乎毫無例外的采用電容三端式振蕩器。4.6石英晶體振蕩器（Quartz）CrystalOscillator以上分析知，LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度取決于回路元件參量和Q值。由于L、C元件的偏差及回路Q值一般不超過300，所以LC振蕩器的日頻率穩(wěn)定度為10-2～10-3

，改進(jìn)型克拉撥電路、西勒電路是10-4

。而應(yīng)用中，廣播發(fā)射機(jī)要求日頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1.5×10-5；單邊帶發(fā)射機(jī)的日頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-6，作為頻率標(biāo)準(zhǔn)的振蕩器其頻率穩(wěn)定度高達(dá)10-8~10-9量級甚至更高。LC振蕩器無能為力。石英晶體具有極高的穩(wěn)定性和品質(zhì)因數(shù)（幾萬～幾百萬），可使振蕩器的穩(wěn)定度提高到10-5～10-6

數(shù)量級；若采用恒溫措施，可達(dá)10-7～10-9

數(shù)量級；雙層恒溫可達(dá)10-9～10-11

數(shù)量級。缺點(diǎn)：晶振只工作于點(diǎn)頻，不能大范圍內(nèi)變化頻率。

隨著頻率合成技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)很好解決該問題。4.6.1石英諧振器的性能和等效電路(1)石英晶體的物理性能:

石英晶體的化學(xué)成分是SiO2

，形狀是結(jié)晶的六棱錐體。如圖，右圖是橫截面圖，為說明方便，畫出三種幾何對稱軸。ZZ軸：光軸，連接兩個角錐的頂點(diǎn)，具有光的極化作用；XX軸：電軸，垂直于ZZ軸，連接橫截面的三個對角線；YY軸：機(jī)械軸，垂直于ZZ軸，垂直于六邊形的六個邊。石英晶體振蕩器的石英晶片或石英棒都是按一定的方位從石英晶體中切割出來的。切割的方位不同，所得晶體片或棒的特性各異，主要是頻率、溫度特性、等效電路的參數(shù)不同。按一定的方位切割出來的石英晶片稱**切型。例如廣泛應(yīng)用的有：AT、BT、CT、DT、ET、GT、NT等。應(yīng)用最多的是AT切型（=35），其頻率特性較好，溫度從－55℃～＋85℃，頻率變化較小，不超過(0.2-0.6)×10-6/℃

。4.6.1石英諧振器的性能和等效電路AT切型是三次曲線:其它都是向下的二次曲線（有頂點(diǎn)）。在曲線頂點(diǎn)上，各曲線溫度系數(shù)為0，恒溫就選該點(diǎn)。(2)石英晶體的壓電效應(yīng):正壓電效應(yīng)：在某方向上加上一個壓力，則在垂直方向的表面產(chǎn)生一個電場；逆壓電效應(yīng)：加電場，垂直方向產(chǎn)生應(yīng)變。二者互為因果關(guān)系?？梢钥闯鲆韵氯齻€結(jié)論：①；Qq非常大：Lq大，Cq和rq非常小；4.6.1石英諧振器的性能和等效電路當(dāng)交流電加到晶體兩端，晶體先隨電壓變化產(chǎn)生應(yīng)變，然后機(jī)械振動反過來又在晶片表面產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)晶片的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時，它本身有一個固定的機(jī)械振動頻率。外加電壓的頻率等于晶片固有的機(jī)械振動頻率時，產(chǎn)生諧振。(3)石英諧振器的等效電路及電抗特性:Lq:動態(tài)電感,10-3-10-2H,較大；Cq:動態(tài)電容,10-4-10-1pF

，較??；rq:動態(tài)電阻,1至幾歐,較?。ㄕ駝訒r的摩擦損耗）;C0:靜態(tài)電容，電極、支架、引線電容總和，約幾pF;石英諧振器可等效為串聯(lián)諧振電路②因為Cq<<C0,所以接入系數(shù)很小，因而其它不穩(wěn)參數(shù)的影響較小（指接入并在Lq兩端的）；4.6.1石英諧振器的性能和等效電路③兩個諧振頻率：接入系數(shù)p＝10-4~10-3很小，∴ωp

和ωq相差很少。串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率例：2.5MHz石英晶體，C0=5pF，Cq=2.1×104pF,則接入系數(shù)計算兩個諧振頻率：4.6.1石英諧振器的性能和等效電路電抗特性：不計rq,則電路如右圖：等效電抗：可見，當(dāng)>q時，>p時，jXe<0呈容性；當(dāng)=q時，Ze=0，Lq，Cq支路串聯(lián)諧振；當(dāng)q<<p時，jXe>0呈感性，等效電感為：電感量隨而變化.當(dāng)=p

時，Ze，C0，Lq，Cq并聯(lián)諧振；4.6.1石英諧振器的性能和等效電路由于fq

和fp間隔小，呈感性，電抗曲線陡峭，工作在這段頻率上，有利于穩(wěn)頻（斜率大，穩(wěn)頻）。由于Le

是頻率的函數(shù)，ω

上升，使Le上升，又使ω下降。

容性區(qū)不宜使用。4.6.2石英晶體振蕩器有兩大類：串聯(lián)諧振元件和并聯(lián)諧振元件。(1)并聯(lián)晶體振蕩器和一般LC振蕩器相同，把晶體作為一個感性元件構(gòu)成三端式。

由于密勒電路晶體管be間輸入阻抗小，所以常用輸入阻抗高的場效應(yīng)管。4.6.2石英晶體振蕩器三端式已分析過，下面以皮爾斯電路為例，說明幾個問題。①負(fù)載電容；是并聯(lián)在石英諧振器兩端的外電路電容，是由生產(chǎn)廠商給定的。產(chǎn)品說明書上都標(biāo)有負(fù)載電容的數(shù)值，如JA5小型金屬殼高頻晶體的CL=30pF,低頻晶體的CL=100pF（晶體外電容的規(guī)范）②fq：石英諧振器的串聯(lián)諧振頻率；

fp：石英諧振器的并聯(lián)諧振頻率；

fN

：為考慮負(fù)載電容后，晶體振蕩器的標(biāo)稱頻率。4.6.2石英晶體振蕩器③晶體串聯(lián)微調(diào)電容Ct

：由：∴調(diào)節(jié)Ct，可以調(diào)節(jié)CL

。Ct

減小了晶體管和石英晶體之間的耦合，有利于提高穩(wěn)定度。④C1和C2的選擇:C1和C2

選大些，高次諧波易濾掉，波形好。但從皮爾斯振蕩器的起振條件:可知C1和C2

越大，起振越困難。此外，C1和C2的選取應(yīng)盡量減小CL的影響。CtJTC2C1調(diào)節(jié)Ct可使振蕩頻率等于fN

。雖然晶體的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但溫度變化，有緩慢變化，需要調(diào)節(jié)。一般F≥0.5，對5M晶振：C1和C2

一般取250～500pF;

對2.5M晶振：C1和C2

一般取650～1100pF;4.6.2石英晶體振蕩器皮爾斯電路,忽略晶體管極間參數(shù)及rp的影響，等效如圖(b)。0近似為：因為0非常穩(wěn)定，C0+CL>>Cq

，所以CL的不穩(wěn)定引起的頻率變化很小。當(dāng)然CL應(yīng)選溫度系數(shù)小，性能穩(wěn)定，損耗小的優(yōu)質(zhì)電容，如云母D組（這是穩(wěn)頻因素之一）。⑤穩(wěn)頻原理說明：4.6.2石英晶體振蕩器振蕩器回路和晶體管之間的耦合弱：由圖（c）可見，外電路只與C0耦合，所以晶體管Cb兩端的接入系數(shù)為：因而大大減小了不穩(wěn)定參量對石英諧振器等效參量的影響（這是穩(wěn)頻因素之二）。4.6.2石英晶體振蕩器耦合弱，能否引起諧振呢？其中,從ce看進(jìn)去的諧振阻抗為：為把cb兩端折到ce端的接入系數(shù)為把Lq

端折到cb端的接入系數(shù)而Qp和都很大。例如：BA12型