《高頻電子線路簡明教程》課件4

第四章正弦波振蕩器第一節(jié)反饋振蕩器的原理第二節(jié)LC振蕩器第三節(jié)振蕩器的頻率穩(wěn)定度第四節(jié)石英晶體振蕩器第五節(jié)壓控振蕩器思考題與練習題

第一節(jié)反饋振蕩器的原理

我們知道，電容和電感都是儲能元件，電容存儲電能，電感存儲磁場能。如圖4-1（ａ）所示的LC回路中，電容C上的初始電荷不為零，即電容C存儲電能時，在電容兩端并接上電感L后，電容C放電，電感存儲磁場能；當電容放電完后，電感進行放電，電容反向充電；電感放電結束后，電容又將放電。如此反復，在LC回路中電容中的電能與電感中的磁場能相互轉換，在LC回路兩端形成了振蕩波形。如果電容與電感是無耗的，沒有能量損耗，這種振蕩將永遠進行下去，如圖4-1（b）所示。上述過程就是無阻尼自由電磁振蕩。圖4-1

LC回路及振蕩波形考慮電感的損耗，LC回路的等效電路如圖4-2（a）所示。由于損耗的存在，LC在電磁轉換過程中將消耗一定的能量，形成減幅振蕩，振蕩的幅度越來越小，即無阻尼自由電磁振蕩就變成了阻尼振蕩，波形如圖4-2（b）所示。為了保持輸出幅度不變，可以采用負阻器件抵消諧振電阻的影響或利用正反饋來補充能量，由此分別構成了負阻型振蕩器和反饋型振蕩器。圖4-2考慮損耗后的LC等效電路及振蕩波形

圖4-3負阻型振蕩器原理圖具有負阻特性的電子器件可以分為兩類，它們的伏安特性分別如圖4-4（a）和圖4-4（b）所示。圖4-4（a）中曲線形狀呈“Ｎ”形，圖4-4（b）中曲線形狀呈“Ｓ”形，但都有一個共同的特點：圖中的犃犅段間的斜率是負的，即器件在該區(qū)間工作時，呈現(xiàn)負阻特性。不同點在于：圖4-4（a）呈現(xiàn)的負阻區(qū)間是電壓為UP～U0

之間，需要電壓進行控制，因此稱為電壓控制型負阻器件；圖4-4（b）呈現(xiàn)的負阻區(qū)間是在電流為由IP

~IV

之間，需要電流控制，因此稱為電流控制型負阻器件。圖4-4負阻器件的伏安特性電壓控制型負阻器件常見器件是隧道二極管，符號如圖4-5（a）所示。隧道二極管和普通二極管一樣，是由一個PN結組成。PN結有兩大特點：結的厚度??；P區(qū)和N

區(qū)的雜質濃度都很大。隧道二極管具有頻率高、對輸入響應快、能在高溫條件下工作的特點，并且可靠性高、耗散功率小、噪音也低，因此獲得了廣泛的應用。圖4-5兩種常見負阻型器件符號電流控制型負阻器件常見器件是單結晶體管，符號見圖4-5（b）。單結晶體管是一個三端器件，但其工作原理和晶體三極管完全不同。器件的輸入端也叫發(fā)射極，在輸入電壓到達某一值時輸入端的阻值迅速下降，呈現(xiàn)負阻特性。單結晶體管也叫雙基極二極管，是由一塊輕摻雜的N

型硅棒的一邊和一小片重摻雜的P型材料相連而成。P型發(fā)射極和Ｎ型硅棒間形成一個PN

結，在等效電路中用一個二極管表示。

隧道二極管以及單結晶體管構成的負阻型振蕩器分別如圖4-6（a）、圖4-6（b）所示。圖4-6兩種常見負阻型器件構成的振蕩器電路二、反饋型振蕩器原理

反饋型振蕩器的原理框圖如圖4-7所示。由圖可見，反饋型振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡組成的一個閉合環(huán)路。放大器通常以某種選頻網(wǎng)絡（如振蕩回路）作負載，是一種調諧放大器，反饋網(wǎng)絡一般是由無源器件組成的線性網(wǎng)絡。為了能產(chǎn)生自激振蕩，必須有正反饋，即反饋到輸入端的信號和放大器輸入端的信號相位相同。圖4-7反饋型振蕩器原理框圖

對于圖4-7，設放大器的電壓放大倍數(shù)為K(s)，反饋網(wǎng)絡的電壓反饋系數(shù)為F(s)，閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為Ku(s)，則：

由圖4-7有(4-1)(4-2)(4-3)(4-4)因此：

其中：

稱為反饋系統(tǒng)的環(huán)路增益。用s=jω代入，就得到穩(wěn)態(tài)下的傳輸系數(shù)和環(huán)路增益。若在某一頻率ω=ω1上T(jω1)等于１，Ku(j

ω)將趨于無窮大。這表明即使沒有外加信號，也可以維持振蕩輸出。因此自激振蕩的條件就是環(huán)路增益為１，即

通常又稱為振蕩器的平衡條件。

由式（4-6）還可知：

１．平衡條件

振蕩器的平衡條件即為

也可以表示為(4-7)(4-8)(4-9)

(4-10)(4-11)(4-12)(4-13)

這樣，振蕩條件可寫為

即振幅平衡條件和相位平衡條件分別可寫為

２．振蕩器的起振條件

在振蕩開始時由于激勵信號較弱，輸出電壓的振幅較小，經(jīng)過不斷放大、反饋循環(huán)后，輸出幅度應該逐漸增大，否則輸出信號幅度過小，沒有任何價值。為了使振蕩過程中輸出幅度不斷增加，應使反饋回來的信號比輸入到放大器的信號大，即振蕩開始時為增幅振蕩：

也可寫為

式（4-20）和（4-21）分別稱為起振的振幅條件和相位條件，其中起振的相位條件即為正反饋條件。

(4-19)(4-20)(4-21)

振蕩器初始激勵來源于振蕩器在接通電源時存在的電沖擊及各種熱噪聲等。例如：在加電時晶體管電流由零突然增加，突變的電流包含有很寬的頻譜分量，在它們通過負載回路時，由諧振回路的性質可知：只有頻率等于回路諧振頻率的分量才可以產(chǎn)生輸出電壓，而其他頻率成分不會產(chǎn)生壓降，因此負載回路上只有頻率為回路諧振頻率的成分產(chǎn)生壓降。該壓降通過反饋網(wǎng)絡產(chǎn)生出較大的正反饋電壓，反饋電壓又加到放大器的輸入端，再進行放大、反饋。不斷地循環(huán)下去，諧振負載上得到頻率等于回路諧振頻率的輸出信號。

振蕩器工作時怎樣由|T(jw)|>1過渡到|T(jw)|=1的呢？因為放大器進行小信號放大時必須工作在晶體管的線性放大區(qū)，即起振時放大器工作在線性區(qū)，此時放大器的輸出隨輸入信號的增加而線性增加；隨著輸入信號振幅的增加，放大器逐漸由放大區(qū)進入截止區(qū)或飽和區(qū)，因此進入非線性狀態(tài)，此時的輸出信號幅度增加有限，即增益將隨輸入信號的增加而下降。所以，振蕩器工作到一定階段，環(huán)路增益將下降。當|T(jw)|=1時，振蕩器到達平衡狀態(tài)，進行等幅振蕩。需要說明的是，電路的起振過程是非常短暫的，可以認為只要電路設計合理，滿足起振條件，振蕩器一通上電后，輸出端就有穩(wěn)定幅度的輸出信號。

３．穩(wěn)定條件

振蕩器在工作的過程中不可避免地要受到外界各種因素的影響，如溫度改變、電源電壓的波動等等，這些變化將使放大器放大倍數(shù)和反饋系數(shù)改變，因而破壞了原來的平衡狀態(tài)，對振蕩器的正常工作將會產(chǎn)生影響，因此需要考慮振蕩器的穩(wěn)定性。如果外界條件改變，通過放大和反饋的不斷循環(huán)，振蕩器能在原平衡點附近建立起新的平衡狀態(tài)，而且當外界因素消失后，振蕩器能自動回到原平衡狀態(tài)，則原平衡點是穩(wěn)定的；否則，原平衡點為不穩(wěn)定的。振蕩器越穩(wěn)定，受外界的影響越小，即外界條件改變時，振蕩器偏離原來的平衡點越小。振蕩器的穩(wěn)定條件分為振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。

要使振幅穩(wěn)定，必須滿足：若不穩(wěn)定因素使振幅增大時，環(huán)路增益的模值犜應減小，形成減幅振蕩，從而阻止振幅增大，否則，若振幅增大，犜也增大，則振幅將持續(xù)增大，振蕩器不穩(wěn)定；而當不穩(wěn)定因素使振幅減小時，犜應增大，形成增幅振蕩。因此，振幅穩(wěn)定條件為：在平衡點處環(huán)路增益隨輸入信號的增加而減小。由于反饋網(wǎng)絡為線性網(wǎng)絡，即反饋系數(shù)犉的大小不隨輸入信號改變，故振幅穩(wěn)定條件簡化為：在平衡點處，放大器的放大倍數(shù)隨輸入信號的增加而減小。由于放大器的非線性，只要電路設計合理，放大器的放大倍數(shù)隨輸入信號的變化即如圖4-8所示，也就是說振幅穩(wěn)定條件很容易滿足。圖4-8放大器放大倍數(shù)與輸入信號關系

互感耦合反饋振蕩器的正反饋是由互感耦合振蕩回路

中的同名端來保證的。圖4-9互感耦合振蕩器

例4-1將圖4-10（a）所示的互感耦合振蕩器交流通路改畫為實際線路，并注明互感的同名端。圖4-10

例4-1圖解采用瞬時極性的方法判斷同名端。設基極加正信號（如圖4-10（b）所示），則集電極輸出為負信號，而要形成正反饋，要求犔犆回路下面為正、上面為負，因此同名端就可以標識出來了，如圖4-10（b）中所示。

根據(jù)振蕩器起振的相位條件判斷出互感的同名端后，再根據(jù)起振時的振幅條件設計偏置電路，即起振時三極管應偏置在線性放大區(qū)。設計的振蕩器實際電路如圖4-10（c）所示。

需要說明的是，起振時三極管偏置在線性放大區(qū)只是振蕩器振幅起振的必要條件，是否一定起振，則需要滿足|T(jw)|

>1。為了簡化分析，本章中只要起振時三極管偏置在線性放大區(qū)，即認為滿足了起振的振幅條件。

互感耦合振蕩器中，根據(jù)決定頻率的諧振回路連接方式，可以分為集電極調諧型、發(fā)射極調諧型及基極調諧型。圖4-9示出的是集電極調諧型，本例題示出的是發(fā)射極調諧型。調集振蕩器在高頻輸出方面比其他兩種電路穩(wěn)定，而且幅度較大，諧波成分較??；調基振蕩器工作頻率在較寬的范圍改變時，振幅比較平衡?；ジ旭詈险袷幤麟娐泛唵?，易起振，工作頻率范圍寬，但由于分布電容的存在以及變壓器的使用，工作頻率及頻率穩(wěn)定性不高，一般用于中、短波波段。

第二節(jié)LC振蕩器

一、振蕩器的組成原則

LC振蕩器除上節(jié)介紹的互感耦合反饋型振蕩器外，還有很多其他類型的振蕩器，它們大多是由基本電路引出的。基本電路就是通常所說的三端式（又稱三點式）振蕩器，即LC回路的三個端點與晶體管的三個電極分別連接而成的電路，如圖4-11所示。由圖可見，除晶體管外還有三個電抗元件X1、X2、X3，它們構成了決定振蕩頻率的并聯(lián)諧振回路，同時也構成了正反饋所需的反饋網(wǎng)絡，為此，三者必須滿足一定的關系。圖4-11三端式振蕩器的組成

因此X1、X2應為同性質的電抗元件。

綜上所述，從相位平衡條件判斷圖4-11所示的三端式振蕩器能否振蕩的原則如下：

（1）X1和X2

的電抗性質相同；

（2）X3與X1、X2

的電抗性質相反。

為便于記憶，可以將此原則具體化：與晶體管發(fā)射極相連的兩個電抗元件必須是同性質的，而不與發(fā)射極相連的另一電抗與它們的性質相反，簡單可記為“射同它異”?？紤]到場效應管與晶體管電極對應關系，只要將上述原則中的發(fā)射極改為源極即可適用于場效應管振蕩器，即“源同它異”。

三端式振蕩器有兩種基本電路，如圖4-12所示。圖4-12（a）中X1

和X2為容性，X3為感性，也滿足三端式振蕩器的組成原則，但反饋網(wǎng)絡是由電容元件完成的，稱為電容反饋振蕩器，也稱為考畢茲（Colpitts）振蕩器；圖4-12（b）中X1和X2為感性，X3為容性，滿足三端式振蕩器的組成原則，反饋網(wǎng)絡是由電感元件完成的，稱為電感反饋振蕩器，也稱為哈特萊（Hartley）振蕩器。圖4-12兩種基本的三端式振蕩器

例4-2

圖4-13是一三回路振蕩器的等效電路，設有下列四種情況：

(1)L1C1>L2C2>L3C3;

(2)

L1C1<L2C2<L3C3;

(3)

L1C1=L2C2>L3C3;

(4)

L1C1<L2C2=L3C3。

試分析上述四種情況是否都能振蕩。振蕩頻率f1與回路諧振頻率有何關系？屬于何種類型的振蕩器？圖4-13

例4-2圖解要使得電路可能振蕩，根據(jù)三端式振蕩器的組成原則有：L1、C1回路與L2、C2回路在振蕩時呈現(xiàn)的電抗性質相同，L3、C3回路與它們的電抗性質不同。又由于三個回路都是并聯(lián)諧振回路，根據(jù)并聯(lián)諧振回路的相頻特性，該電路要能夠振蕩，三個回路的諧振頻率必須滿足fo3>max(fo1、fo2)或fo3<min(fo1

、fo2)，所以：

（１）fo1

<fo2<fo3，故電路可能振蕩，可能振蕩的頻率f1為

fo2<f1<fo3，屬于電容反饋的振蕩器；

（２）fo1

>fo2>fo3，故電路可能振蕩，可能振蕩的頻率f1為fo2>f1>fo3，屬于電感反饋的振蕩器；（３）fo1

=fo2<fo3，故電路可能振蕩，可能振蕩的頻率f1為

fo1

=fo2<f1<fo3，屬于電容反饋的振蕩器；

（４）fo1

>fo2=fo3，故電路不可能振蕩。

本例題說明了三極管三個電極之間連接的可能不是一個簡單的元件，而是一個復雜的電路。此時需要先看該電路呈現(xiàn)的是感性還是容性元件的性質，再看是否滿足“射同它異”的組成原則。

例4-3改正圖4-14所示的振蕩器線路。圖4-14

例4-3圖解檢查振蕩器線路是否正確一般步驟如下。

（１）檢查交流通路是否正確及是否存在正反饋。正反饋的判斷對互感耦合電路應檢查同名端，對三端式電路檢查是否滿足“射同它異”或“源同它異”的組成原則。

（２）檢查直流通路是否正確。需要進一步注意的是，為了滿足起振的振幅條件，起振時應使放大器工作在線性放大區(qū)，即對于三極管電路，直流通路應使得Ｅ結正偏、Ｃ結反偏；對于場效應管電路，如果是結型場效應管或耗盡型場效應管，應使Ugs在０至Up之間，如果是增強型場效應管，則應使Ugs大于門限電壓，而選擇Uds時Ｎ溝道的場效應管應大于０，Ｐ溝道的場效應管應小于０。圖4-14（a）為三端式振蕩器，檢查交流通路時發(fā)現(xiàn)基極懸空，而發(fā)射極由于旁路電容Ce存在，使其短路接地，回路電容C1被短路掉，故去掉旁路電容Ce，在基極增加一旁路電容，這樣才滿足三端式組成原則；直流通路正確。改正后的電路如圖4-15（a）所示。

圖4-14（b）為場效應管三端式電路。檢查交流通路時發(fā)現(xiàn)源極接的是電容、電感，柵極接的是兩個電感，不滿足“源同它異”的組成原則，如果將電感L2改為電容，則交流通路正確；檢查直流通路發(fā)現(xiàn)，柵極無直流偏置，故應加直流偏置電路，所加的直流偏置電路應保證起振時工作在線性放大狀態(tài)。改正后的電路如圖4-15（b）所示。圖4-15

例4-3正確線路圖二、電容反饋振蕩器

圖4-16（a）是一電容反饋振蕩器的實際電路，圖4-16（b）是其交流等效電路。由圖4-16（b）可看出該電路滿足振蕩器的相位條件，且反饋是由電容產(chǎn)生的，因此稱為電容反饋振蕩器。圖4-16（a）中，電阻R1、R2、Re

起直流偏置作用，在開始振蕩前這些電阻決定了靜態(tài)工作點，當振蕩產(chǎn)生以后，由于晶體管的非線性及工作到截止狀態(tài)，基極、發(fā)射極電流發(fā)生變化，這些電阻又起自偏壓作用，從而限制和穩(wěn)定了振蕩的幅度大小；Ce為旁路電容，Cb為隔直電容，保證起振時具有合適的靜態(tài)工作點及交流通路。圖中的扼流圈LC可以防止集電極交流電流從電源入地，LC的交流電阻很大，可以視為開路，但直流電阻很小，可為集電極提供直流通路。圖4-16電容反饋振蕩器電路振蕩器的振蕩頻率ω1

一般近似為回路的諧振頻率ω0，即

式中，C為回路的總電容：

工程上一般不考慮三極管參數(shù)的影響，采用下式估計反饋系數(shù)F(jw)的大小：(4-25)(4-26)(4-27)三、電感反饋振蕩器

圖4-17是一電感反饋振蕩器的實際電路和交流等效電路。由圖可見它是依靠電感產(chǎn)生反饋電壓的，因而稱為電感反饋振蕩器。通常電感繞在同一帶磁芯的骨架上，它們之間存在有互感，用M表示。同電容反饋振蕩器的分析一樣，振蕩器的振蕩頻率工程上一般用回路的諧振頻率近似表示：

式中：L為回路的總電感，由圖4-17有(4-28)(4-29)工程上，反饋系數(shù)的大小估算為(4-30)圖4-17電感反饋振蕩器電路在討論了電容反饋的振蕩器和電感反饋的振蕩器后，對它們的特點比較如下：

（１）兩種線路都簡單，容易起振。

（２）振蕩器在穩(wěn)定振蕩時，晶體管工作在非線性狀態(tài)，在回路上除有基波電壓外還存在少量諧波電壓（諧波電壓的大小與回路的Q值有關）。對于電容反饋振蕩器，由于反饋是由電容產(chǎn)生的，高次諧波在電容上產(chǎn)生的反饋壓降較小，而對于電感反饋振蕩器，反饋是由電感產(chǎn)生的，高次諧波在電感上產(chǎn)生的反饋壓降較大，因此電容反饋振蕩器的輸出波形比電感反饋振蕩器的輸出波形要好。（３）由于晶體管存在極間電容，對于電感反饋振蕩器，極間電容與電感并聯(lián)，在頻率高時極間電容影響大，有可能使電抗的性質改變，故電感反饋振蕩器的工作頻率不能過高；對于電容反饋振蕩器，其極間電容與電容并聯(lián)，不存在電抗性質改變的問題，故工作頻率可以較高。（４）改變電容能夠調整振蕩器的工作頻率。電容反饋振蕩器在改變頻率時，反饋系數(shù)也將改變，影響了振蕩器的振幅起振條件，故電容反饋振蕩器一般工作在固定頻率；電感反饋振蕩器改變頻率時，并不影響反饋系數(shù)，故可以在較寬的頻帶內工作。

綜上所述，由于電容反饋振蕩器具有工作頻率高、波形好等優(yōu)點，在許多場合得到了應用。

圖4-18克拉潑振蕩器電路由圖4-18可知，回路的總電容為

可見，回路的總電容C將主要由C3決定，而極間電容與C1、C2并聯(lián)，所以極間電容對總電容的影響就很??；并且C1、C2只是回路的一部分，晶體管以部分接入的形式與回路連接，減弱了晶體管與回路之間的耦合。C1、C2的取值越大，接入系數(shù)p越小，耦合越弱。因此，克拉潑振蕩器的頻率穩(wěn)定度得到了提高。但C1、C2不能過大，假設電感兩端的電阻為R0（即回路的諧振電阻），則由圖4-18可知，等效到晶體管ce兩端的負載電阻RL

為(4-31)

由此可見，C1過大，負載電阻RL很小，放大器增益就較低，環(huán)路增益也就較小，有可能使振蕩器不滿足振幅平衡條件而停振。

振蕩器的振蕩頻率為

反饋系數(shù)的大小為(4-32)(4-33)(4-34)克拉潑振蕩器主要用于固定頻率或波段范圍較窄的場合。這是因為克拉潑振蕩器頻率的改變是通過調整C3來實現(xiàn)的。根據(jù)式（4-32）可知，C3的改變，負載電阻RL將隨之改變，放大器的增益也將變化，調頻率時有可能因環(huán)路增益不足而停振。另外，由于負載電阻RL的變化，振蕩器輸出幅度也將變化，導致波段范圍內輸出振幅變化較大?？死瓭娬袷幤鞯念l率覆蓋系數(shù)（最高工作頻率與最低工作頻率之比）一般只有1.2~1.3。

圖4-19西勒振蕩器電路由圖4-19可知，回路的總電容為

振蕩器的振蕩頻率為

反饋系數(shù)的大小為

(4-35)(4-36)(4-37)

圖4-20

例4-4圖

五、場效應管振蕩器

原則上說，上述各種晶體三極管振蕩器線路都可以用場效應管構成，分析方法與晶體三極管振蕩器也類似，在此不再詳細分析，僅舉幾個電路說明場效應管振蕩器，如圖4-21

所示。

圖4-21(a)是一柵極調諧型場效應管振蕩器線路，它是由結型場效應管構成的互感耦合場效應管振蕩器，圖上兩線圈的極性關系保證了此振蕩器的正反饋；圖4-21(b)是電感反饋場效應管振蕩器線路；圖4-21(c)是電容反饋場效應管振蕩器線路。

圖4-21由場效應管構成的振蕩器電路六、單片集成振蕩器舉例

１．E1648

單片集成振蕩器E1648為ECL中規(guī)模集成電路，其內部原理圖如圖4-22所示。E1648可以產(chǎn)生正弦波輸出，也可以產(chǎn)生方波輸出。

E1648輸出正弦電壓時的典型參數(shù)為：最高振蕩頻率225MHz，電源電壓5V，功耗150mV，振蕩回路輸出峰峰值電壓500mV。

E1648單片集成振蕩器的振蕩頻率是由10腳和12腳之間的外接振蕩電路的L、C

值決定，并與兩腳之間的輸入電容Ci有關，其表達式為

改變外接回路元件參數(shù)，可以改變E1648單片集成振蕩器的工作頻率。

在５腳外加一正電壓時，可以獲得方波輸出。

（4-38）圖4-22

E1648內部原理圖及構成的振蕩器

２．M101

M101是美國MF電子公司生產(chǎn)的一種用于晶體振蕩器的IC芯片。使用基頻晶體能輸出頻率為6`~36MHz的方波信號；使用泛音晶體可輸出20~50MHz的方波信號。M101的結構及引腳分布如圖4-23所示。

圖4-23

M101結構示意圖圖4-23中，1、2腳之間接晶體，如果采用泛音晶體時，需要并接3.3ｋΩ的電阻。根據(jù)6腳的不同接入形式，輸出頻率與晶體標稱頻率分別呈現(xiàn)1分頻、2分頻、4分頻關系。

圖4-24示出了M101的實際應用電路。圖4-24(a)中C1、C2

用于頻率的微調，比如要產(chǎn)生頻率為f0的信號，而實際輸出大于f0時，可以增大C1、C2使輸出頻率降低到f0；反之，實際輸出小于f0

時，可以減少C1、C2使輸出頻率增大到f0。圖4-24(b)為M101的另一種應用，即可以完成放大整形，任何輸入大于0.5Vpp（Vpp為輸入峰峰值）的正弦波信號，均可放大整形為方波。當然，此時也可結合分頻選擇和三態(tài)控制輸出。

圖4-24

M101應用舉例第三節(jié)振蕩器的頻率穩(wěn)定度

一、頻率穩(wěn)定度的意義和表征

振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指由于外界條件的變化引起振蕩器的實際工作頻率偏離標稱頻率的程度，是振蕩器的一個重要的指標。振蕩器一般是作為某種信號源使用的（作為高頻加熱之類應用的除外），振蕩頻率的不穩(wěn)定將有可能使設備和系統(tǒng)的性能惡化。如在通信中所用的振蕩器，頻率的不穩(wěn)定將有可能使所接收的信號部分甚至完全收不到，另外還有可能干擾原來正常工作的鄰近頻道的信號。再如在數(shù)字設備中用到的定時器都是以振蕩器為信號源的，頻率的不穩(wěn)定會造成定時的不穩(wěn)等。

頻率穩(wěn)定度在數(shù)量上通常用頻率偏差來表示。頻率偏差是指振蕩器的實際頻率和指定頻率之間的偏差。它可分為絕對偏差和相對偏差。設f1為實際工作頻率，f0為標稱頻率，則絕對偏差為

相對偏差為

(4-39)(4-40)在上述偏差中，除了置定和測量不準引起的原因外（這一般稱為頻率準確度），人們最關心的是頻率隨時間變化而產(chǎn)生的偏差，通常稱為頻率穩(wěn)定度（實際上應稱為頻率不穩(wěn)定度）。頻率穩(wěn)定度通常定義為在一定時間間隔內振蕩器頻率的相對變化，用Δf/

f1

|時間間隔表示，這個數(shù)值越小，頻率穩(wěn)定度越高。按照時間間隔長短不同，常將頻率穩(wěn)定度分為以下幾種：

（１）長期穩(wěn)定度：一般指一天以上以至幾個月的時間間隔內頻率的相對變化。通常是由振蕩器中元器件老化而引起的。（２）短期穩(wěn)定度：一般指一天以內，以小時、分鐘或秒計的時間間隔內頻率的相對變化。產(chǎn)生這種頻率不穩(wěn)定的因素有溫度、電源電壓等。

（３）瞬時穩(wěn)定度：一般指秒或毫秒時間間隔內頻率的相對變化。這種頻率變化一般都具有隨機性質。這種頻率不穩(wěn)定有時也被看作振蕩信號附有相位噪聲。引起這類頻率不穩(wěn)定的主要因素是振蕩器內部的噪聲。衡量時常用統(tǒng)計規(guī)律表示。

一般所說的頻率穩(wěn)定度主要是指短期穩(wěn)定度，而且由于引起頻率不穩(wěn)的因素很多，一般籠統(tǒng)地說振蕩器的頻率穩(wěn)定度多大，是指在各種外界條件下頻率變化的最大值。

用陶瓷介質電容，可變電容宜采用極片和轉軸為線脹系數(shù)小的金屬材料（如鐵鑷合金）制作的電容。還可以用負溫度系數(shù)的電容補償正溫度系數(shù)的電感的變化。在對頻率穩(wěn)定度要求較高的振蕩器中，為減少溫度對振蕩頻率的影響，可以將振蕩器放在恒溫槽內。

２．減少晶體管的影響

在上節(jié)分析反饋型振蕩器原理時已提到，極間電容將影響頻率穩(wěn)定度，在設計電路時應盡可能減少晶體管和回路之間的耦合。另外，應選擇fT較高的晶體管。fT越高，高頻性能越好，可以保證在工作頻率范圍內均有較高的跨導，電路易于起振；而且fT越高，晶體管內部相移越小。一般可選擇fT＞（3~10）f1max，f1max為振蕩器最高工作頻率。

３．提高回路的品質因數(shù)

要使相位穩(wěn)定，回路的相頻特性應具有負的斜率，斜率越大，相位越穩(wěn)定。根據(jù)LC回路的特性，回路的Q值越大，回路的相頻特性斜率就越大，即回路的Q值越大，相位越穩(wěn)定。從相位與頻率的關系可得，此時的頻率也越穩(wěn)定。

前面介紹的電容、電感反饋的振蕩器，其頻率穩(wěn)定度一般為10-3量級，兩種改進型的電容反饋振蕩器（克拉潑振蕩器和西勒振蕩器）由于降低了晶體管和回路之間的耦合，頻率穩(wěn)定度可以達到10-4量級。對于LC振蕩器，即使采用一定的穩(wěn)頻措施，其頻率穩(wěn)定度也不會太高，這是由于受到回路標準性的限制。要進一步提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度就要采用其他的電路和方法。

４．減少電源、負載等的影響

電源電壓的波動，會使晶體管的工作點和電流發(fā)生變化，從而改變晶體管的參數(shù)，降低頻率穩(wěn)定度。為了減小其影響，對振蕩器電源應采取必要的穩(wěn)壓措施。

負載電阻并聯(lián)在回路的兩端會降低回路的品質因數(shù)，從而使振蕩器的頻率穩(wěn)定度下降。為了減小其影響，應減小負載對回路的耦合，可以采用在負載與回路之間加射極跟隨器等措施。

另外，為提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，在制作電路時應將振蕩電路安置在遠離熱源的位置，以減小溫度對振蕩器的影響；為防止回路參數(shù)受寄生電容及周圍電磁場的影響，可以將振蕩器屏蔽起來，以提高穩(wěn)定度。

第四節(jié)石英晶體振蕩器

一、石英晶體諧振器

１．物理特性石英晶體諧振器由天然或人工生成的石英晶體切片而成。石英晶體是SiO2

的結晶體，在自然界中以六角錐體出現(xiàn)。它有三個對稱軸：z軸（光軸）、x

軸（電軸）、y

軸（機械軸）。各種晶片就是按與各軸不同角度切割而成。圖4-25就是石英晶體形狀和各種切型的位置圖。AT切型是最常用的切型。不同切型的晶片，其振動模式和溫度特性不同。在晶片的兩面制作金屬電極，并與底座的插腳相連，最后以金屬殼封裝或玻璃殼封裝（真空封裝），便成為晶體諧振器，如圖4-26所示。

圖4-25石英晶體的形狀及各種切型的位置圖4-26石英晶體諧振器石英晶體所以能成為電的諧振器，是利用了它所特有的壓電效應。所謂壓電效應，就是當晶體受外力作用而變形（如伸縮、切變、扭曲等）時，就在它對應的表面產(chǎn)生正、負電荷，呈現(xiàn)出電壓。這稱為正壓電效應。當在晶體兩面加以電壓時，晶體又會發(fā)生機械形變，這稱為反壓電效應。因此若在晶體兩端加交變電壓時，晶體就會發(fā)生周期性的振動，同時由于電荷的周期變化，又會有交流電流流過晶體。由于晶體是有彈性的固體，對于某一種振動方式，有一個機械的諧振頻率（固有諧振頻率）。當外加電信號頻率在此自然頻率附近時，就會發(fā)生諧振現(xiàn)象。它既表現(xiàn)為晶片的機械共振，又在電路上表現(xiàn)出電諧振。這時有很大的電流流過晶體，產(chǎn)生電能和機械能的轉換。晶片的諧振頻率與晶片的材料、幾何形狀、尺寸及振動方式（取決于切片方式）有關，而且十分穩(wěn)定，其溫度系數(shù)（溫度變化1°時引起的固有諧振頻率相對變化量）均在10-6或更高數(shù)量級上。溫度系數(shù)與振動方式有關，某些切型的石英片（如GT和AT型），其溫度系數(shù)在很寬范圍內都趨近于零。而其他切型的石英片，只在某一特定溫度附近的小范圍內才趨近于零，通常將這個特定的溫度稱為拐點溫度。若將晶體置于恒溫槽內，槽內溫度就應控制在此拐點溫度上，由此構成的恒溫晶體振蕩器具有很高的頻率穩(wěn)定度。

用于高頻的晶體切片，其諧振時的電波長λ

0

常與晶片厚度成正比，諧振頻率與厚度成反比。正如平常觀察到的某些機械振動那樣（比如琴弦的振動），對于一定形狀和尺寸的某一晶體，它既可以在某一基頻上諧振（此時沿某一方向分布1／2個機械波長），也可以在高次諧波（諧頻或泛音）上諧振（此時沿同一方向分布3／2、5／2、7／2個機械波長）。通常把利用晶片基頻（音）共振的諧振器稱為基頻（音）諧振器，頻率通常用××kHz表示。把利用晶片諧頻共振的諧振器稱為泛音諧振器，頻率通常用××MHz表示。由于機械強度和加工的限制，目前，基音諧振頻率最高只能達到25MHz左右，泛音諧振頻率可達250MHz以上。通常能利用的是3、5、7之類的奇次泛音。同一尺寸晶片，泛音工作時的頻率比基頻工作時要高3、5、7倍。應該指出，由于是機械諧振時的諧頻，它們的電諧振頻率之間并不是準確的3、5、7次的整數(shù)關系。

２．等效電路及阻抗特性

圖4-27是晶體諧振器的等效電路。圖4-27（a）是考慮基頻及各次泛音的等效電路，由于各諧波頻率相隔較遠，互相影響很小。對于某一具體應用（如工作于基頻或工作于泛音），只需考慮此頻率附近的電路特性，因此可以用圖4-27（b）來等效。圖中C0是晶體作為電介質的靜電容，其數(shù)值一般為1~100pF；Lq、Cq、rq

是對應于機械共振經(jīng)壓電轉換而呈現(xiàn)的電參數(shù)；rq是機械摩擦和空氣阻尼引起的損耗。

圖4-27晶體諧振器的等效電路由圖4-27（b）可看出，晶體諧振器是一串并聯(lián)的振蕩回路，其串聯(lián)諧振頻率fq和并聯(lián)諧振頻率f0分別為

與通常的諧振回路比較，晶體的參數(shù)Lq和Cq與一般線圈電感L

、電容元件C有很大不同。例如，國產(chǎn)B451MHz中等精度晶體的等效參數(shù)如下：

(4-41)(4-42)

圖4-28晶體諧振器的電抗曲線晶體諧振器與一般振蕩回路比較，有以下幾個明顯的特點：

（１）晶體的諧振頻率fq和f0非常穩(wěn)定。這是因為Lq、Cq、C0的大小由晶體尺寸決定，由于晶體的物理特性，它們受外界因素（如溫度、震動）等影響小。

（２）有非常高的品質因數(shù)。一般很容易得到數(shù)值上萬的Q值，而普通的線圈和回路Q值只能為幾十到一二百。

（３）接入系數(shù)非常小，一般為10-3數(shù)量級，甚至更小。

（４）晶體在工作頻率附近阻抗變化率大，有很高的并聯(lián)諧振阻抗。

所有這些特點決定了晶體諧振器的頻率穩(wěn)定度比一般振蕩回路要高。因此，利用石英晶體制成的振蕩器，其頻率穩(wěn)定度也高于一般的LC振蕩器。

二、晶體振蕩器電路

１．并聯(lián)型晶體振蕩器

圖4-29示出了一種典型的晶體振蕩器電路。當振蕩器的振蕩頻率在晶體的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率之間時，晶體呈感性。該電路滿足三端式振蕩器的組成原則，而且該電路與電容反饋振蕩器對應，通常稱為皮爾斯（Pierce）振蕩器。C3起到微調振蕩器頻率的作用，同時也起到減小晶體管和晶體之間的耦合作用。C1、C2既是回路的一部分，也是反饋電路。

圖4-29皮爾斯振蕩器

(4-44)(4-45)了一個標準的負載電容CL，可以將振蕩頻率調整到晶體標稱頻率上。在幾兆赫至幾十兆赫范圍，一般CL規(guī)定為30pF。

反饋系數(shù)F

的大小為

圖4-30是并聯(lián)型晶體振蕩器的實際線路，其適宜的工作頻率范圍為0.85~15MHz。

(4-46)圖4-30并聯(lián)型晶體振蕩器的實際線路圖4-31示出了另一種并聯(lián)型晶體振蕩器電路。該電路晶體接在基極和發(fā)射極之間，只要晶體呈現(xiàn)感性，該電路即滿足三端式振蕩器的組成原則，且電路類似于電感反饋振蕩器，又稱為密勒（Miler）振蕩器。由于晶體與晶體管的低輸入阻抗并聯(lián)，降低了有載品質因數(shù)QL，故密勒振蕩器的頻率穩(wěn)定度較低。

圖4-31密勒振蕩器由于皮爾斯振蕩器的頻率穩(wěn)定度比密勒振蕩器高，故實際應用的晶體振蕩器大多為皮爾斯振蕩器，在頻率較高時可以采用泛音晶體構成。圖4-32給出了一種應用泛音晶體構成的皮爾斯振蕩器電路，圖中L

和C1

構成的并聯(lián)諧振回路是用以破壞基頻和低次泛音的相位條件，使振蕩器工作在設定的泛音頻率上。如電路需要工作在５次泛音頻率上，應使L和C1構成的并聯(lián)回路的諧振頻率低于５次泛音頻率，但高于所要抑制的３次泛音頻率。這樣對低于工作頻率的低泛音頻率來說，L、C1并聯(lián)回路呈現(xiàn)一感性，不能滿足三端式振蕩器的組成原則，電路不能振蕩，但工作在所需的５次泛音上時，L、C1并聯(lián)回路就呈現(xiàn)容性，

滿足三端式的組成原則，電路可以工作。需要注意的是，并聯(lián)型晶體振蕩器電路工作的泛音不能太高，一般為３、５、７次，高次泛音振蕩時，由于接入系數(shù)的降低，等效到晶體管輸出端的負載電阻將下降，使放大器增益減小，振蕩器停振。圖4-32泛音晶體皮爾斯振蕩器圖4-33是一場效應管晶體并聯(lián)型振蕩器線路，晶體等效成一感抗，構成一等效的電容反饋振蕩器。

圖4-33場效應管晶體并聯(lián)型振蕩器線路

２．串聯(lián)型晶體振蕩器

在串聯(lián)型晶體振蕩器中，晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點間，通常在反饋電路中。圖4-34示出了一串聯(lián)型晶體振蕩器的實際線路和等效電路。由圖可見，如果將晶體短路，該電路即為一電容反饋的振蕩器。電路的工作原理為：當回路的諧振頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率時，晶體的阻抗最小，近似為一短路線，電路滿足相位條件和振幅條件，故能正常工作；當回路的諧振頻率距串聯(lián)諧振頻率較遠時，晶體的阻抗增大，使反饋減弱，電路不滿足振幅條件，不能工作。串聯(lián)型晶體振蕩器的工作頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率，不需要外加負載電容CL。通常這種晶體標明其負載電容為無窮大。在實際制作中，若fq有小的誤差，則可以通過回路調諧來微調。

圖4-34一種串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器能適應高次泛音工作，這是由于晶體只起到控制頻率的作用，對回路沒有影響，只要電路能正常工作，輸出幅度就不受晶體控制。

３．使用注意事項

（１）石英晶體諧振器的標稱頻率都是在出廠前，在石英晶體諧振器上并接一定負載電容的條件下測定的，實際使用時也必須外加負載電容，并經(jīng)微調后才能獲得標稱頻率。為了保持晶振的高穩(wěn)定性，負載電容應采用精度較高的微調電容。

（２）石英晶體諧振器的激勵電平應在規(guī)定范圍內。過高的激勵功率會使石英晶體諧振器內部溫度升高，使石英晶片的老化效應和頻率漂移增大，嚴重時還會使晶片因機械振動過大而損壞。

（３）在并聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體起等效電感的作用，若作為容抗，則在石英晶片失效時，石英諧振器的支架電容還存在，線路仍可能滿足振蕩條件而振蕩，石英晶體諧振器失去了穩(wěn)頻作用。

（４）石英晶體振蕩器中一塊晶體只能穩(wěn)定一個頻率。當要求在波段中得到可選擇的許多頻率時，就要采取別的電路措施，如頻率合成器，它是用一塊晶體得到許多穩(wěn)定頻率。頻率合成器的有關內容將在第八章介紹。

例4-5一晶體振蕩器的實際電路如圖4-35（a）所示。

（１）畫出該電路的交流等效電路，說明屬于何種類型的晶體振蕩器，晶體在電路中的作用是什么？

（２）該電路的工作頻率是多少？

（３）若將5MHz的晶體換成2MHz的晶體，該電路是否能正常工作，為什么？

圖4-35

例4-5圖解（１）圖4-35（a）的交流等效電路如圖4-35（b）所示。由圖可見，晶體是回路的一部分，起等效電感的作用。該電路為并聯(lián)型晶體振蕩器，但振蕩器要能正常工作，必須使4.7μＨ的電感L與330pF的電容C1構成的回路呈現(xiàn)容性。由電感L與電容C1構成回路的諧振頻率為

而晶體的標稱頻率為５ＭＨｚ，電感L與電容C1

構成的回路在5MHz時呈現(xiàn)容性，振蕩器在5MHz工作。由此可見，這是一個并聯(lián)型泛音晶振電路。

（２）晶體振蕩器的工作頻率即為回路的標稱頻率，即5MHz。

（３）如果晶體換成2MHz，則2MHz時電感L

與電容C1構成的回路呈現(xiàn)感性，不滿足三端式振蕩器的組成原則，故電路不能正常工作。

三、高穩(wěn)定晶體振蕩器

前面介紹的并聯(lián)、串聯(lián)型晶體振蕩器，是沒有采取溫度補償措施的晶體振蕩器，在整個溫度范圍內，晶振的頻率穩(wěn)定度取決于其內部所用晶體的性能，頻率穩(wěn)定度在

10-5量級，一般用于普通場所作為本振源或中間信號，是晶振中最廉價的產(chǎn)品。若要得到更高穩(wěn)定度的信號，需要在一般晶體振蕩器的基礎上采取專門措施來制作。

影響晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度的因素仍然是溫度、電源電壓和負載變化，其中最主要的還是溫度的影響。

為減小溫度變化對晶體頻率及振蕩頻率的影響，一個辦法就是采用溫度系數(shù)低的晶體晶片。目前在幾兆赫至幾十兆赫廣泛采用AT

切片，其具有的溫度特性如圖4-36所示。由圖可見，在-20℃～70℃的正常工作溫度范圍內，相對頻率變化小于5×10-6；并且在50℃～55℃溫度范圍內有接近于零的溫度系數(shù)（在此處有一拐點，約在52℃處）。另一個有效的辦法就是保持晶體及有關電路在恒定溫度環(huán)境中工作，即采用恒溫裝置，恒溫溫度最好在晶片的拐點溫度處，溫度控制得越精確，穩(wěn)定度越高。圖4-36

AT切片的頻率溫度特性圖4-37是一種恒溫晶體振蕩器的組成框圖。它由兩大部分組成：晶體振蕩器和恒溫控制電路。圖中虛框內表示一恒溫槽，它是一絕熱的小容器，晶體安放在此槽內。恒溫的原理為：槽內的感溫電阻（如溫敏電阻）作為電橋的一臂，當溫度等于所需某一溫度（拐點溫度）時，電橋輸出直流電壓經(jīng)放大后，對加熱電阻絲加熱，以維持平衡溫度；當環(huán)境溫度變化，從而使槽溫偏離原來溫度時，通過感溫電阻的變化改變加熱電阻的電流，從而減少槽溫的變化。圖中的自動增益控制（AGC）起到振幅穩(wěn)定的作用。同時，由于振蕩器振幅穩(wěn)定，晶體的激勵電平不變，也使得晶體的頻率穩(wěn)定。目前，恒溫控制的晶體振蕩器已制成標準部件供用戶使用。恒溫晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度可達10-7~10-9，主要用作頻率源或標準信號。

圖4-37恒溫晶體振蕩器的組成恒溫控制的晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度雖高，但存在著電路復雜、體積大、重量重等缺點，應用上受到一定限制。在頻率穩(wěn)定度要求不十分高而又希望電路簡單、體積小、耗電省的場合，常采用溫度補償晶體振蕩器，如圖4-38所示。圖中RT為溫敏電阻，當環(huán)境溫度改變時，由于晶體的頻率隨溫度變化，振蕩器頻率也隨溫度變化，但溫度改變時，溫敏電阻改變，加在變容管上的偏置電壓改變，從而使變容管電容變化，以補償晶體頻率的變化，因此整個振蕩器頻率隨溫度變化很小，從而得到較高的頻率穩(wěn)定度。需要說明的是，要在整個工作溫度范圍內實現(xiàn)溫度補償，其補償電路是很復雜的。溫度補償晶體振蕩器的頻率穩(wěn)

定度可達10-6~10-7，由于其良好的開機特性、優(yōu)越的性能價格比及功耗低、體積小、環(huán)境適應性較強等多方面優(yōu)點，溫度補償晶體振蕩器獲得了廣泛應用。圖4-38溫度補償晶振的原理線路第五節(jié)壓控振蕩器

在LC振蕩器決定振蕩頻率的LC回路中，使用電壓控制電容器（變容管）可以在一定的頻率范圍內構成電調諧振蕩器。這種包含有壓控元件作為頻率控制器件的振蕩器就稱為壓控振蕩器。它廣泛應用于頻率調制器、鎖相環(huán)路，以及無線電發(fā)射機和接收機中。

在壓控振蕩器中，振蕩頻率應只隨加在變容管上的控制電壓變化，但實際電路中，振蕩電壓也加在變容管兩端，這使得振蕩頻率在一定程度上也隨振蕩幅度而變化，這是不希望的。為了減小振蕩頻率隨振蕩幅度的變化，應盡量減小振蕩器的輸出振蕩電壓幅度，并使變容管工作在較大的固定直流偏壓（如大于１Ｖ）上。圖4-39示出了一壓控振蕩器線路。它的基本電路是一個柵極電