《高頻電子線路》課件2第3章

3.1反饋式振蕩器的基本工作原理3.2

LC正弦振蕩器

3.3振蕩器的頻率穩(wěn)定度3.4石英晶體振蕩器3.5集成電路振蕩器3.6正弦波振蕩器的仿真3.7習(xí)題內(nèi)容提要：

·反饋式振蕩器

·LC正弦波振蕩器

·石英晶體振蕩器

·頻率穩(wěn)定度正弦波振蕩器是一種不需要外加激勵(lì)，就能將直流電能自動(dòng)轉(zhuǎn)換成交流電能的電路。這種不需要外加激勵(lì)，就可以將直流電能自動(dòng)轉(zhuǎn)換為一定頻率、一定幅度的交流信號(hào)輸出的現(xiàn)象稱為自激振蕩。正弦波振蕩器有著非常廣泛的用途，它是無線電發(fā)送、接收設(shè)備的重要組成部分。

例如，在廣播、電視和通信設(shè)備的發(fā)射機(jī)中，正弦波振蕩器被用來產(chǎn)生載波信號(hào)；在超外差接收機(jī)中，正弦波振蕩器被用來產(chǎn)生本地振蕩信號(hào)；在各種電子測量儀器(如信號(hào)發(fā)生器、頻率計(jì))中作為信號(hào)源，在數(shù)字系統(tǒng)中作為時(shí)鐘源等。正弦波振蕩器按工作原理可分成兩大類：一類是反饋式振蕩器；另一類是負(fù)阻式振蕩器，負(fù)阻式振蕩器主要工作在微波頻段。本章主要討論反饋式振蕩器。3.1反饋式振蕩器的基本工作原理

3.1.1反饋式振蕩器的組成反饋式振蕩器是指從振蕩器輸出端取出部分或全部信號(hào)通過反饋網(wǎng)絡(luò)返回到振蕩器的輸入端，作為輸入信號(hào)，而不必外加激勵(lì)信號(hào)就能產(chǎn)生一定幅度和頻率的正弦輸出的振蕩器。圖3-1所示為反饋式振蕩器的原理框圖。圖3-1反饋式振蕩器的原理框圖由圖3-1可見，反饋式振蕩器主要由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)兩大部分組成。其中放大器通常是以選頻網(wǎng)絡(luò)作負(fù)載，振蕩器的振蕩頻率主要由選頻網(wǎng)絡(luò)決定；反饋網(wǎng)絡(luò)一般是由無源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)，將放大器輸出信號(hào)的部分或全部返回到輸入端。在實(shí)際的振蕩電路中，為了使振蕩器產(chǎn)生的正弦波幅度穩(wěn)定，還應(yīng)有穩(wěn)幅電路，所以，實(shí)際的反饋式振蕩器電路應(yīng)由以下四部分組成：

(1)放大電路。放大電路是能量轉(zhuǎn)換裝置，將直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量輸出。

(2)選頻網(wǎng)絡(luò)。選頻網(wǎng)絡(luò)用于決定振蕩器的振蕩頻率，同時(shí)起濾波作用。

(3)反饋網(wǎng)絡(luò)。反饋網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)正反饋。

(4)穩(wěn)幅電路。穩(wěn)幅電路用于穩(wěn)定振蕩器輸出信號(hào)的幅度。圖3-2所示為一典型的反饋式振蕩器電路，其中三極管V構(gòu)成共射極放大器；變壓器初級(jí)電感L與電容C組成選頻網(wǎng)絡(luò)，決定了振蕩器的振蕩頻率；反饋網(wǎng)絡(luò)由變壓器的次級(jí)電感Lf實(shí)現(xiàn)；圖中未畫出穩(wěn)幅電路，可通過在放大電路中加負(fù)反饋來穩(wěn)幅。注意圖中同名端的標(biāo)定，同名端標(biāo)錯(cuò)了，反饋?zhàn)兂闪素?fù)反饋，振蕩器就無法振蕩了。圖3-2反饋式振蕩器的典型電路3.1.2反饋式振蕩器的起振條件與平衡條件

1.起振條件正弦波振蕩器是一種將直流電能自動(dòng)轉(zhuǎn)換成所需交流電能的電路。它與放大器的區(qū)別在于這種轉(zhuǎn)換不需外加信號(hào)的控制。那么振蕩器是如何在沒有外加輸入信號(hào)的條件下，輸出信號(hào)從無到有的呢？振蕩電路在剛接通直流電源的瞬間，電路中存在著各種電擾動(dòng)信號(hào)，這些電擾動(dòng)具有很寬的頻譜，它們經(jīng)過振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)選頻后，電擾動(dòng)中只有與振蕩器選頻網(wǎng)絡(luò)的固有諧振頻率相同的成分在諧振回路兩端產(chǎn)生較大的正弦電壓，此正弦電壓經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)作用到振蕩器的輸入端，作為放大器最初的激勵(lì)信號(hào)，再經(jīng)過放大、選頻、反饋，再次作用到放大器的輸入端。在經(jīng)過“放大→選頻→反饋”的多次循環(huán)后，輸出信號(hào)從無到有，越來越大，振蕩器便振蕩起來，這個(gè)過程被稱為振蕩器的起振過程。能使振蕩器起振的條件稱起振條件。那么，振蕩器起振需要滿足什么條件呢？由圖3-1可見，要使振蕩器的輸出電壓越來越大，則輸入電壓就必須不斷增大，而反饋電壓就是下一個(gè)時(shí)刻的輸入電壓，因此振蕩器的起振條件應(yīng)為反饋電壓大于輸入電壓，即下一個(gè)時(shí)刻的輸入電壓大于此時(shí)的輸入電壓：＞。

由于式中:為放大器的電壓放大倍數(shù)；為反饋網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸系數(shù)。則起振條件可表示為＞1，即振幅起振條件為相位起振條件為

式中：為放大器放大信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的附加相移；為反饋網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的相移。應(yīng)當(dāng)指出，電路只有同時(shí)滿足振幅起振條件和相位起振條件時(shí)才能起振。由起振條件可知，只有電路的反饋為正反饋，且反饋量足夠大時(shí)，振蕩器才能起振。2．平衡條件在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要的是幅度穩(wěn)定的正弦信號(hào)，振蕩器經(jīng)過“放大→選擇→反饋”不斷循環(huán)，振蕩器的輸出信號(hào)幅度不會(huì)無休止增大，這是由于三極管的非線性會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生限幅，最后使振蕩器的輸出信號(hào)幅度穩(wěn)定。由圖3-1可見，振蕩器要達(dá)到平衡，即輸出電壓不再變化，就要求輸入電壓不再變化，即

由式(3-1)可知，平衡條件可表示為即振幅平衡條件為相位平衡條件為圖3-3所示為利用Multisim2001仿真軟件對(duì)振蕩器的起振和平衡過程進(jìn)行的仿真?？梢悦黠@看出，起振時(shí)，振蕩器的振幅迅速增大，使晶體管工作狀態(tài)由放大區(qū)進(jìn)入到截止區(qū)和飽和區(qū)，導(dǎo)致放大器的增益A下降，直至?xí)r，振蕩器的幅度不再增大，達(dá)到平衡。圖3-3振蕩器的起振和平衡過程

3.1.3反饋式振蕩器的穩(wěn)定條件

上面討論的振蕩器的平衡條件只能說明振蕩器能達(dá)到平衡，而不能說明這個(gè)平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。平衡狀態(tài)只是建立振蕩的必要條件，而非充分條件。已建立的振蕩能否維持，還必須看已建立的平衡是否穩(wěn)定。什么樣的平衡是穩(wěn)定的平衡呢？振蕩器的穩(wěn)定平衡是指在外因(如溫度的變化、電源電壓的波動(dòng)或者外界電磁場的干擾等)的作用下，振蕩器偏離原平衡點(diǎn)，在原平衡點(diǎn)附近重新建立新的平衡狀態(tài)，一旦外因消失，它就能自動(dòng)恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。圖3-4所示的處于不同位置的兩個(gè)處于平衡狀態(tài)的小球就能夠說明穩(wěn)定平衡與不穩(wěn)定平衡的區(qū)別。圖3-4(a)中的小球，只要外力使它偏離了平衡位置B，小球不可能再回到原狀態(tài)，所以它是不穩(wěn)定的平衡；而圖3-4(b)中的小球，外力使它偏離了平衡位置B，一旦外力消失，小球可以自動(dòng)地回到原來的平衡狀態(tài)，所以它是穩(wěn)定的平衡。圖3-4穩(wěn)定平衡與不穩(wěn)定平衡振蕩器的穩(wěn)定條件也包括振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。

1.振幅穩(wěn)定條件振幅穩(wěn)定條件可用圖解法來進(jìn)行分析。如圖3-5所示，圖中畫出了振蕩器的振蕩特性和反饋特性。所謂振蕩特性是指放大器的輸出電壓Ｕo與輸入電壓Ｕi的關(guān)系曲線；反饋特性是指反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓Ｕf與放大器的輸出電壓Ｕo的關(guān)系曲線。圖3-5中的反饋特性為一條直線，因?yàn)榉答伨W(wǎng)絡(luò)一般由線性元件組成，所以反饋系數(shù)為一常數(shù)。振蕩特性曲線各點(diǎn)上所對(duì)應(yīng)的輸出電壓Ｕo與輸入電壓值Ｕi之比為放大器的放大倍數(shù)A。Ｕi較小時(shí)，放大器工作在線性區(qū)，振蕩特性基本上是線性的；Ｕi較大時(shí)，放大器進(jìn)入飽和區(qū)，A漸漸減小，振蕩特性變化緩慢。圖3-5振蕩器的振蕩特性和反饋特性

由圖3-5可見，振蕩特性和反饋特性交于A點(diǎn)。在A點(diǎn)，反饋電壓等于輸入電壓，此時(shí)振蕩器處于平衡狀態(tài)。當(dāng)振蕩器接通直流電源后，由于電路中存在著各種電擾動(dòng)信號(hào)(干擾信號(hào))，因此在放大器的輸入端產(chǎn)生Uia，經(jīng)放大后產(chǎn)生Uoa，再經(jīng)反饋產(chǎn)生Ufa(即新的輸入U(xiǎn)ic)；這樣一直循環(huán)下去，且每次循環(huán)反饋電壓Uf總是大于原輸入電壓Ui，即滿足起振條件，振蕩器起振。隨著放大、反饋的不斷循環(huán)，Uo不斷增大，直到A點(diǎn)，，振蕩器進(jìn)入了平衡狀態(tài)。在平衡點(diǎn)A處，當(dāng)Ui

減小，由平衡點(diǎn)處的UiA減小到圖3-5中的Uid時(shí)，經(jīng)放大后產(chǎn)生的輸出電壓為圖3-5中的Uoc，Uoc經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的反饋電壓(即新的輸入電壓)為圖3-5中的Ufd，顯然Ufd＞Uid，振蕩器自己向平衡點(diǎn)靠近，最后會(huì)回到平衡點(diǎn)A。同理，當(dāng)Ui增大，由平衡點(diǎn)處的UiA增大到圖3-5中的時(shí)，經(jīng)放大后產(chǎn)生的輸出電壓為圖3-5中的，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的反饋電壓(即新的輸入電壓)為圖3-5中的顯然振蕩器自己向平衡點(diǎn)靠近，最后會(huì)回到平衡點(diǎn)A?？梢?，平衡點(diǎn)A是穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。通過以上分析可知，在平衡點(diǎn)A附近，隨著輸入電壓的增大，放大器的電壓放大倍數(shù)反而減小，即滿足：式(3-6)即為振幅穩(wěn)定條件。(3-6)

2.相位穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件是指相位平衡遭到破壞后，電路本身能重新建立起相位平衡的條件。可以證明，要使振蕩電路具有相位穩(wěn)定條件，振蕩電路必須能夠在振蕩頻率發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)新的、與頻率變化引起的相位變化方向相反的相位變化，用以抵消由外因引起的相位變化。所以振蕩器相位穩(wěn)定的條件是，相位對(duì)頻率的變化率為負(fù)值，即(3-7)的值越大，說明相位穩(wěn)定性越好。對(duì)于反饋式正弦波振蕩器，相位穩(wěn)定條件一般、都能滿足。思考與練習(xí)

1.反饋式振蕩器由哪幾部分組成？各部分的功能是什么？

2.振蕩器的起振條件是什么？試用語言來描述其起振條件。

3.振蕩器與諧振放大器有什么區(qū)別？

4.振蕩器的平衡條件和穩(wěn)定條件各是什么？你是如何理解平衡條件和起振條件的。3.2LC正弦振蕩器

3.2.1三點(diǎn)式正弦振蕩器的組成原則三點(diǎn)式振蕩器是指選頻網(wǎng)絡(luò)LC回路的三個(gè)端點(diǎn)分別與晶體管的三個(gè)電極連接。如圖3-6所示，X1、X2、X3

三個(gè)電抗元件兩兩之間的端點(diǎn)分別連接到了三極管的三個(gè)電極b、c、e，故稱為三點(diǎn)式振蕩器。X1、X2、X3三個(gè)電抗元件構(gòu)成諧振回路，同時(shí)也構(gòu)成了反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋電壓取自電抗元件X1兩端。圖3-6三點(diǎn)式振蕩電路的基本形式設(shè)回路諧振時(shí)的電流為則，。放大器輸出電壓與輸入電壓反相，只要X1、X2的電抗性質(zhì)相同，就保證反饋電壓與輸入電壓同相，即滿足相位條件。另外，選頻網(wǎng)絡(luò)諧振時(shí)，X1+X2+X3＝0，也就是X3與X1(或X2)電抗性質(zhì)相反。綜上所述，三點(diǎn)式振蕩器的組成原則是：與晶體管發(fā)射極相連接的電抗X1、X2性質(zhì)相同；而不與晶體管發(fā)射極相連接的電抗X3的性質(zhì)與X1、X2相反。

根據(jù)三點(diǎn)組成原則，三點(diǎn)式振蕩器當(dāng)與晶體管發(fā)射極相連接的電抗X1、X2性質(zhì)同為容性時(shí)，為電容三點(diǎn)式振蕩器；X1、X2性質(zhì)同為感性時(shí)，為電感三點(diǎn)式振蕩器。只要振蕩器滿足三點(diǎn)組成原則，就一定滿足相位條件。但滿足三點(diǎn)組成原則，并不代表振蕩器能起振，只能說振蕩器可能起振。

3.2.2電容三點(diǎn)式振蕩器電容三點(diǎn)式振蕩器又稱考畢茲(Colpitts)振蕩器，圖3-7(a)為電容三點(diǎn)式振蕩器原理電路。圖中，RB1、RB2、RC和RE為直流偏置電阻，為振蕩器提供合適的直流工作點(diǎn)；CE為發(fā)射極高頻旁路電容，對(duì)交流相當(dāng)于短路；CB為隔直通交電容，對(duì)直流相當(dāng)于開路，對(duì)交流相當(dāng)于短路；三極管V為放大管，L、C1、C2構(gòu)成選頻及反饋網(wǎng)絡(luò)。圖3-7(b)為電容三點(diǎn)式振蕩器的交流通路(為了簡化分析，未考慮電阻對(duì)交流信號(hào)的影響)，與三極管發(fā)射極相連接的電抗X1、X2同為電容，故為電容三點(diǎn)式振蕩器，反饋電壓取自C1。圖3-7電容三點(diǎn)式振蕩器

振蕩器的振蕩頻率近似等于諧振回路的固有諧振頻率f0，即

式中，為諧振回路的總電容。反饋系數(shù)為

式中，負(fù)號(hào)表示與反相。因?yàn)殡娙萑c(diǎn)式振蕩器的反饋信號(hào)取自C1，而C1對(duì)高次諧波的阻抗小，所以反饋信號(hào)中高次諧波分量小，故電容三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形好，且工作頻率高。但電容三點(diǎn)式振蕩器不易調(diào)整，盡管調(diào)節(jié)C1、C2的值可方便地改變振蕩頻率，但同時(shí)也改變了反饋系數(shù)，即改變了起振條件，容易引起振蕩器停振。三點(diǎn)式振蕩器的電路結(jié)構(gòu)決定了它能夠滿足相位條件，在應(yīng)用中可調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)及反饋系數(shù)使振蕩器滿足振幅起振條件。3.2.3電感三點(diǎn)式振蕩器電感三點(diǎn)式振蕩器又稱哈特萊(Hartley)振蕩器，圖3-8(a)所示為電感三點(diǎn)式振蕩器原理電路。圖中，RB1、RB2、RC和RE為直流偏置電阻，為振蕩器提供合適的直流工作點(diǎn)；CE為發(fā)射極高頻旁路電容；CB為隔直電容，將三極管基極和集電極的直流電位隔開，對(duì)交流呈現(xiàn)短路；三極管V組成共射極放大電路；C、L1、L2構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)及反饋網(wǎng)絡(luò)。圖3-8(b)是它的交流通路，與三極管發(fā)射極相連接的電抗X1、X2同為電感，故為電感三點(diǎn)式振蕩器，反饋電壓取自L1。圖3-8電感三點(diǎn)式振蕩器電感三點(diǎn)式振蕩器的振蕩頻率近似等于諧振回路的固有諧振頻率f0，即

式中，M為兩部分電感之間的互感系數(shù)。反饋系數(shù)為

式中，負(fù)號(hào)表示與反相。(3-10)(3-11)電感三點(diǎn)式振蕩器的缺點(diǎn)是由于反饋信號(hào)取自L1，它對(duì)高次諧波呈高阻抗，不能抑制高次諧波，高次諧波會(huì)被反饋到輸入端，經(jīng)放大后輸出，故電感三點(diǎn)式振蕩器的輸出波形較差；優(yōu)點(diǎn)是電感L1、L2兩者之間有很好的耦合，所以容易起振。3.2.4改進(jìn)型振蕩器

LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度一般在10－3數(shù)量級(jí)，往往達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用對(duì)頻率穩(wěn)定度的要求，為了提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，可采用改進(jìn)型三點(diǎn)式振蕩器。改進(jìn)型振蕩器是在電容三點(diǎn)式振蕩器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，可分為串聯(lián)改進(jìn)型振蕩器和并聯(lián)改進(jìn)型振蕩器。1.串聯(lián)改進(jìn)型振蕩器串聯(lián)改進(jìn)型振蕩器又稱克拉波(Clapp)振蕩器，是在考比茲振蕩器選頻網(wǎng)絡(luò)的電感支路串聯(lián)了一個(gè)小容量的可調(diào)電容C3，通常C3取值應(yīng)滿足C3＜＜C1，且C3＜＜C2?？死ㄕ袷幤髟黼娐啡鐖D3-9(a)所示。圖3-9(b)為其交流通路。根據(jù)三點(diǎn)式振蕩器的組成原則很容易知道，電感L和小電容C3串聯(lián)支路的總電抗性質(zhì)應(yīng)呈感性。圖3-9克拉波振蕩器選頻網(wǎng)絡(luò)的總電容CΣ為

其振蕩頻率f0為

反饋系數(shù)為(3-12)由此可見,串聯(lián)改進(jìn)型振蕩器的振蕩頻率主要由電感L和電容C3決定,通過調(diào)整C3來改變振蕩頻率時(shí),反饋系數(shù)不受影響。但值得注意的是：小電容C3的接入,減小了三極管和選頻網(wǎng)絡(luò)之間的接入系數(shù),減小了三極管的極間分布電容對(duì)選頻網(wǎng)絡(luò)的影響,提高了振蕩器的頻率穩(wěn)定度。但C3取值過小,會(huì)使選頻網(wǎng)絡(luò)與放大器之間的接入系數(shù)過小,且使振蕩器的輸出電壓過小而導(dǎo)致反饋電壓過小,則振蕩器因無法滿足振幅起振條件而停振。

2.并聯(lián)改進(jìn)型振蕩器并聯(lián)改進(jìn)型振蕩器又稱西勒(Seiler)振蕩器，是在克拉波振蕩器選頻網(wǎng)絡(luò)的電感支路再并聯(lián)一個(gè)小容量的可調(diào)電容C4(一般與C3同數(shù)量級(jí))，用來調(diào)整振蕩頻率。C3采用固定電容，且滿足C3＜＜C1，C3＜＜C2。西勒振蕩器原理電路如圖3-10(a)所示,圖3-10(b)所示為其交流通路。圖3-10西勒振蕩器

回路的總電容C為C≈C3+C4

振蕩頻率f0為反饋系數(shù)為(3-13)與克拉波振蕩器相比，西勒振蕩器不僅頻率穩(wěn)定度高，輸出幅度穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)方便，而且振蕩頻率范圍寬，振蕩頻率高，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種三點(diǎn)式振蕩電路。思考與練習(xí)

1.三點(diǎn)式振蕩器的組成原則是什么？

2.電容三點(diǎn)式和電感三點(diǎn)式振蕩器各自的特點(diǎn)是什么？

3.西勒振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是什么？

4.試畫出電容三點(diǎn)式振蕩器的交流通路和電感三點(diǎn)式振蕩器的交流通路。

5.圖3-7中，電容CB如果短路，對(duì)振蕩器有什么影響？CB如果開路，對(duì)振蕩器又有什么影響?

6.圖3-8中，電容CB如果短路，對(duì)振蕩器有什么影響？CB如果開路，對(duì)振蕩器又有什么影響?如果CE斷開，可能產(chǎn)生什么結(jié)果？3.3振蕩器的頻率穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度是振蕩器極其重要的技術(shù)指標(biāo)。通信設(shè)備、電子測量儀器等電子、設(shè)備的工作是否穩(wěn)定，與設(shè)備中振蕩器的頻率穩(wěn)定度有關(guān)，因此提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度有極其重要的意義。

3.3.1頻率穩(wěn)定度的概念評(píng)價(jià)振蕩器頻率參數(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)有準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度兩個(gè)概念。頻率準(zhǔn)確度是指振蕩器的實(shí)際工作頻率f與標(biāo)稱頻率f0之間的偏差，通常分為絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度和相對(duì)頻率準(zhǔn)確度兩種。絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度為

相對(duì)頻率準(zhǔn)確度為

振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)頻率準(zhǔn)確度的變化，實(shí)際上是指頻率的“不穩(wěn)定度”，但習(xí)慣上叫它“穩(wěn)定度”。它是衡量通信系統(tǒng)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。(3-14)(3-15)

3.3.2頻率穩(wěn)定度的表示方法根據(jù)所指定的時(shí)間間隔不同，頻率穩(wěn)定度可分為長期頻率穩(wěn)定度、短期頻率穩(wěn)定度和瞬間頻率穩(wěn)定度三種。長期頻率穩(wěn)定度一般是指一天以上乃至幾個(gè)月的相對(duì)頻率變化的最大值，是用來評(píng)價(jià)天文臺(tái)或計(jì)量單位的高精度頻率標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)時(shí)設(shè)備的穩(wěn)定指標(biāo)。短期頻率穩(wěn)定度一般是指一天以內(nèi)的相對(duì)頻率變化的最大值，一般多用來評(píng)價(jià)測量儀器和通信設(shè)備中振蕩器的頻率穩(wěn)定度。瞬間頻率穩(wěn)定度是指秒或毫秒內(nèi)的隨機(jī)頻率變化，即頻率的瞬間無規(guī)則變化，通常稱為振蕩器的相位抖動(dòng)或相位噪聲。頻率穩(wěn)定度的定量表示方法通常用建立在大量測量基礎(chǔ)上的統(tǒng)計(jì)值來表征。經(jīng)常采用的表征頻率穩(wěn)定度的方法之一是方均根值法，它是在指定的時(shí)間間隔內(nèi)，用測得各頻率準(zhǔn)確度與其平均值的偏差的方均根值來表示的，即式中：n為測量次數(shù)；為第i次(1≤i≤n)所測得的相對(duì)頻率穩(wěn)定度；為n個(gè)測量數(shù)據(jù)的平均值。(3-16)頻率穩(wěn)定度的單位為ppm(partpermillion，百萬分之一，即10－6)，如廣播電臺(tái)的日頻率穩(wěn)定度一般要求不劣于10－6，即±1ppm。對(duì)振蕩器頻率穩(wěn)定度的要求視用途而異，一般短波、超短波發(fā)射機(jī)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度為10－4～10－5

數(shù)量級(jí)；電視信號(hào)發(fā)射機(jī)為10－7

數(shù)量級(jí)；衛(wèi)星通信發(fā)射機(jī)為10－9～10－11數(shù)量級(jí)；普通信號(hào)發(fā)生器為10－4～10－5

數(shù)量級(jí)；高精度信號(hào)發(fā)生器為10－7～10－9數(shù)量級(jí)；用于國家時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的頻率源，要求在10－12數(shù)量級(jí)。思考與練習(xí)

1.什么是頻率穩(wěn)定度？什么是長期、短期和瞬間頻率穩(wěn)定度？

2.怎樣表示頻率穩(wěn)定度？3.4石英晶體振蕩器LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度大約為10－2～10－3數(shù)量級(jí)，如果要求的頻率穩(wěn)定度更高，就必須采用高穩(wěn)定度振蕩器，如石英晶體振蕩器的穩(wěn)定度可達(dá)10－9

～10－10數(shù)量級(jí)。3.4.1石英晶體的特性

將二氧化硅(SiO2)結(jié)晶體按一定的方向切割成很薄的晶片，再將晶片兩個(gè)對(duì)應(yīng)的表面拋光，涂敷銀層，并做兩個(gè)電極引腳，加以封裝，就構(gòu)成了石英晶體諧振器。其結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)如圖3-11所示。圖3-11石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)

石英晶體的等效電路如圖3-12所示。圖中，Co稱為靜態(tài)電容，其值取決于晶片的幾何尺寸和電極面積，一般約為幾皮法到幾十皮法。石英晶體是靠壓電效應(yīng)工作的，關(guān)于壓電效應(yīng)，在第1章已講解。將石英晶體機(jī)械振動(dòng)的慣性等效為電感Lq，其值為幾毫亨。晶片的彈性等效為電容Cq，其值僅0.01～0.1pF，因此，Cq＜＜Co。晶片的摩擦損耗等效為電阻Rq，其值約為100W。圖3-12石英晶體等效電路當(dāng)加在晶體兩端的信號(hào)頻率很低時(shí)，圖3-12中兩條支路的容抗都很大，電路總的等效阻抗為容性，隨著信號(hào)頻率的增加，容抗減小，當(dāng)Cq的容抗等于Lq的感抗時(shí)，Lq、Cq支路發(fā)生串聯(lián)諧振，此時(shí)的諧振頻率稱為晶體的串聯(lián)諧振頻率，用fs表示，其值為(3-17)隨著頻率繼續(xù)升高，Lq、Cq支路呈感性，當(dāng)串聯(lián)總感抗剛好等于Co的容抗時(shí)，電路再次發(fā)生諧振，此時(shí)的諧振頻率稱為晶體的并聯(lián)諧振頻率，用fp表示，其值為(3-18)當(dāng)頻率繼續(xù)升高時(shí)，總的電抗呈容性。根據(jù)以上分析可得石英晶體的頻率—電抗特性曲線，如圖3-13所示。由式(3-17)和式(3-18)可知，fs和fp幾乎相等。圖3-13石英晶體頻率—電抗特性曲線3.4.2石英晶體振蕩器的類型由石英晶體構(gòu)成的振蕩器稱為石英晶體振蕩器。根據(jù)石英晶體在振蕩器中的連接方式不同，將其分為并聯(lián)型石英晶體振蕩器和串聯(lián)型石英晶體振蕩器。

1.并聯(lián)型石英晶體振蕩器并聯(lián)型石英晶體振蕩器的工作原理和一般三點(diǎn)式LC振蕩器相同，只是把其中的一個(gè)電感元件用晶體置換，并與回路其它元件一起按照三點(diǎn)組成原則組成振蕩器。圖3-14為一并聯(lián)型石英晶體振蕩器，圖3-14(a)為其原理電路，圖3-14(b)為其交流通路?？梢钥闯觯⒕w在電路中等效成一個(gè)電感，此電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)西勒電路。其中C3用來微調(diào)振蕩頻率，同時(shí)減小石英晶體與晶體管之間的耦合。石英晶體振蕩器的振蕩頻率f0為

又知一般Cq(Co+C3)，故有f0≈fs?？梢?，該振蕩器的頻率近似等于晶體的串聯(lián)諧振頻率fs，與其它參數(shù)關(guān)系不大，因此并聯(lián)型石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度很高。(3-19)圖3-14并聯(lián)型石英晶體振蕩器

2.串聯(lián)型石英晶體振蕩器

圖3-15(a)所示是串聯(lián)型石英晶體振蕩器原理電路，圖3-15(b)為它的交流通路。圖3-15串聯(lián)型石英晶體振蕩器由圖3-15可見，該電路與電容三點(diǎn)式振蕩器十分相似，只是反饋信號(hào)要經(jīng)過石英晶體后才送到三極管的輸入端，電路的工作頻率只有等于晶體的串聯(lián)諧振頻率fs時(shí)，才能滿足相位條件，且正反饋?zhàn)顝?qiáng)烈?？梢姡袷幤鞯恼袷庮l率以及振蕩頻率的穩(wěn)定度完全取決于石英晶體，振蕩器的頻率穩(wěn)定度大大提高了。3.4.3泛音晶體振蕩器石英晶體的工作頻率與其幾何尺寸有關(guān)，其工作頻率越高，要求晶片越薄。頻率太高時(shí)，晶片的厚度太薄，使得加工困難，而且振蕩過程中容易振碎。因此在要求更高的工作頻率時(shí)，一種方法是通過倍頻器提高頻率，另一種常用的方法是讓晶體工作在它的泛音頻率上，構(gòu)成泛音晶體振蕩器。所謂泛音指石英晶片振蕩的機(jī)械波。石英晶體在外加電壓的作用下，除了產(chǎn)生基頻的機(jī)械振動(dòng)外，還有許多近似為基波頻率奇數(shù)倍的機(jī)械波，通常被稱為泛音。它與電氣諧波的區(qū)別在于電氣諧波是基波的整數(shù)倍，且諧波和基波同時(shí)并存；而泛音則與基波不成整數(shù)倍關(guān)系，只是在基波奇數(shù)倍附近，且它與基波不能同時(shí)存在。泛音晶體是一種特制的晶體，如果要求工作頻率高于6MHz，大都采用泛音晶體振蕩器。思考與練習(xí)

1.什么是壓電效應(yīng)？

2.為什么石英晶體的頻率穩(wěn)定度高？

3.若Lq＝9H，Cq＝4×10-2pF，Co＝3pF，Rq＝100Ω，C3＝3pF，試求出圖3-14的振蕩器頻率。

4.圖3-14(a)中，晶體的作用是什么？

5.圖3-15(a)中，晶體的作用是什么？3.5集成電路振蕩器

3.5.1集成振蕩器E1648

1.E1648的引腳分布及引腳功能

E1648由振蕩電路、放大電路和偏置電路組成，其引腳分布如圖3-16所示。E1648各引腳的功能如下所述。

·引腳1：外加LC并聯(lián)諧振電路，該電路應(yīng)調(diào)諧在振蕩器的振蕩頻率f0上。此LC并聯(lián)諧振電路為高頻功率放大器的選擇性負(fù)載。

·引腳2、4、6、9、11、13：空引腳。

·引腳3：E1648的輸出端。

·引腳5：接0.1μF的電容。

·引腳7、8：接地端。

·引腳10、12：外接LC并聯(lián)電路，此處的LC值決定了振蕩器的振蕩頻率。

·引腳14：接+15V電源電壓圖3-16

E1648引腳分布圖

2.E1648正弦波振蕩器

E1648正弦波振蕩器電路如圖3-17所示。其振蕩頻率為

式中，Ci為10、12引腳之間的輸入電容。引腳1外接的LC電路頻率應(yīng)調(diào)諧在f0。E1648正弦波振蕩器的最高頻率可達(dá)225MHz。圖3-17

E1648正弦波振蕩器3.5.2

F733組成的高頻正弦波振蕩器

1.F733的引腳分布

F733分10引腳封裝和14引腳封裝，如圖3-18所示。圖3-18

F733引腳封裝

F733組成的正弦波振蕩器如圖3-19所示。圖中，LC網(wǎng)絡(luò)決定了振蕩器的振蕩頻率，其振蕩頻率可高達(dá)120MHz。圖3-19

F733組成的正弦波振蕩器思考與練習(xí)查找其它集成電路振蕩器的相關(guān)資料及典型的振蕩器電路。3.6正弦波振蕩器的仿真電容三點(diǎn)式振蕩器仿真電路如圖3-20所示，其振蕩波形如圖3-21所示。圖3-20電容三點(diǎn)式振蕩器仿真電路圖3-21電容三點(diǎn)式振蕩器的振蕩波形1.振蕩器起振過程仿真用瞬態(tài)分析法分析振蕩器的起振過程，仿真參數(shù)設(shè)置如下：起始時(shí)間為0，終止時(shí)間為5μs，仿真結(jié)果如圖3-22所示?？梢郧宄乜吹秸袷幤鞯钠鹫襁^程。圖3-22起振過程2.靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)振蕩器的影響按照表3-1改變靜態(tài)工作點(diǎn)，測圖3-20中節(jié)點(diǎn)7與地之間的輸出電壓，將測試結(jié)果記錄在表3-1中，并分析靜態(tài)工作點(diǎn)的變化對(duì)振蕩器的影響。表3-1靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)振蕩器影響的仿真2.反饋系數(shù)對(duì)振蕩器的影響按照表3-2改變反饋系數(shù)大小，測圖3-20中節(jié)點(diǎn)7與地之間的輸出電壓，將測試結(jié)果記錄在表3-2中，并分析反饋系數(shù)變化對(duì)振蕩器的影響。表3-2反饋系數(shù)對(duì)振蕩器的影響3.7習(xí)題

3.1判斷正誤

(1)任何振蕩器的幅度穩(wěn)定都是基于晶體管本身的非線性特性。(錯(cuò))

(2)電容三點(diǎn)式振蕩器適用于工作頻率高的電路，但輸出諧波成分將比電感三點(diǎn)式振蕩器大。(錯(cuò))

(3)對(duì)LC正弦波振蕩器，反饋系數(shù)越大，必然越易起振。(錯(cuò))

(4)克拉波振蕩電路比考畢茲振蕩電路的頻率穩(wěn)定度高，是因?yàn)榭死ㄕ袷庪娐返恼袷幓芈分薪尤肓艘粋€(gè)小電容C3，從而能減小晶體管輸入、輸出電容對(duì)振蕩回路的影響。(正確)

(5)西勒振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是波段范圍較寬。(正確)

(6)振蕩器具有較穩(wěn)定振蕩的原因是振蕩系統(tǒng)中具有選頻網(wǎng)絡(luò)。(錯(cuò))

(7)對(duì)于正弦波振蕩器，只要不滿足相位平衡條件，即使放大電路的放大倍數(shù)很大，也不可能產(chǎn)生正弦波振蕩。(正確)

(8)在正弦波振蕩電路中，只允許存在正反饋，不允許引入負(fù)反饋，而在以放大輸入信號(hào)為目的的放大電路中，只允許引入負(fù)反饋，不允許引入正反饋。(錯(cuò))

(9)電容三點(diǎn)式振蕩電路輸出的諧波成分比電感三點(diǎn)式的大，因此波形較差。(錯(cuò))

(10)晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度之所以比LC振蕩器高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，是由晶體本身參數(shù)穩(wěn)定決定的。(正確)

3.2電路如題3.2圖所示，L1＝40μH，L2＝15μH，C＝470pF，M＝10μH。

(1)畫出其交流通路，并用相位條件判斷該電路能否振蕩。

(2)電路若能振蕩指出電路類型，并計(jì)算出振蕩器的振蕩頻率f0。(電感三點(diǎn)式振蕩器，0.85MHz)

(3)試說明圖中電感L3的作用。(對(duì)直流短路，對(duì)高頻開路)題3.2圖3.3根據(jù)題3.3圖所示電路，判斷振蕩器是否滿足相位條件。(滿足，不滿足，不滿足，滿足，不滿足，不滿足)題3.3圖

3.4試畫出題3.4圖所示的各電路的交流通路，并用振蕩器的相位條件，判