高频电子线路 正弦波振荡器

1、第七章第七章 正弦波振荡器正弦波振荡器 7.1 概述概述 本章讨论的是自激式振荡器，它是在无需外加激励信号本章讨论的是自激式振荡器，它是在无需外加激励信号 的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和 一定幅度的交变能量电路。一定幅度的交变能量电路。 振荡器的分类：振荡器的分类： 按波形分：正弦波振荡器和非正弦波振荡器按波形分：正弦波振荡器和非正弦波振荡器 按工作方式：负阻型振荡器和反馈型振荡器按工作方式：负阻型振荡器和反馈型振荡器 按选频网络所采用的原件分：按选频网络所采用的原件分： LC振荡器、振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型

2、振荡器和晶体振荡器等类型 音 频 放 大 高 频 振 荡倍 频高 频 放 大调 制 缓 冲 传 输 线 话 筒声 音 （ 直 流 电 源 未 画 ） 高频放大 fs fs 本地振荡 fo 混频 fofs=fi fi 低频放大 检波 中频放大 F F 高频电路高频电路 高功放高功放 振荡器在通信系统中的位置振荡器在通信系统中的位置 本章主要讨论本章主要讨论 反馈型正弦波振荡器的基本工作原理反馈型正弦波振荡器的基本工作原理 ; ; 平衡、起振、稳定的条件；平衡、起振、稳定的条件； 电路的组成、结构和判断准则；电路的组成、结构和判断准则； 电路特点、性能指标等。电路特点、性能指标等。 振荡器的主要应

3、用：振荡器的主要应用： 无线电发射机中的载波信号源无线电发射机中的载波信号源 超外差接收机中的本机振荡超外差接收机中的本机振荡 电子测量仪器中的正弦波信号源电子测量仪器中的正弦波信号源 数字系统中的时钟信号数字系统中的时钟信号 7.2 反馈型振荡器基本工作原理反馈型振荡器基本工作原理 实际中的反馈振荡器是由反馈实际中的反馈振荡器是由反馈 放大器演变而来，如右图。放大器演变而来，如右图。 + vf vo L C + + vi K 1 2 Rb2 Re Ce +VCC M + 自激振荡建立的物理过程自激振荡建立的物理过程 若开关若开关K拨向拨向“1”时，该电时，该电 路则为调谐放大器，当输入信号路

4、则为调谐放大器，当输入信号 为正弦波时，放大器输出负载互为正弦波时，放大器输出负载互 感耦合变压器感耦合变压器L2上的电压为上的电压为vo(vf) ， 调整互感调整互感M及同名端以及回路参及同名端以及回路参 数，可以使数，可以使 vi = vo 。 此时，若将开关此时，若将开关K快速拨向快速拨向“2”点，则集电极电路和基点，则集电极电路和基 极电路都维持开关极电路都维持开关K接到接到“1”点时的状态，即始终维持着与点时的状态，即始终维持着与vi 相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。 在电源开关闭合的瞬间，电流的跳变在集电极

5、在电源开关闭合的瞬间，电流的跳变在集电极LC振荡电振荡电 路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端产生正弦波路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端产生正弦波 电压电压vo，并通过互感耦合变压器反馈到基级回路，这就是激，并通过互感耦合变压器反馈到基级回路，这就是激 励信号。励信号。 由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定的幅由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定的幅 度。因此振荡的幅度不会无限增大。度。因此振荡的幅度不会无限增大。 起始振荡信号十分微弱，但是由于不断地对它进行放起始振荡信号十分微弱，但是由于不断地对它进行放 大大选频选频反馈反馈再放大等多次循环，于是一个与振荡回

6、路再放大等多次循环，于是一个与振荡回路 固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。 振荡器通常工作在丙类，因此它的工作状态是非线性的，振荡器通常工作在丙类，因此它的工作状态是非线性的， 严格的分析应该用非线性理论，但这是很困难的。在本章将严格的分析应该用非线性理论，但这是很困难的。在本章将 振荡器用甲类线性放大来进行分析。振荡器用甲类线性放大来进行分析。 反馈型自激振荡器的电路构成必须由三部分组成：反馈型自激振荡器的电路构成必须由三部分组成： 1) 包含两个包含两个(或两个以上或两个以上)储能元件的振荡回路。储能元件的振荡回路。 2) 可以补充由振

7、荡回路电阻产生损耗的能量来源。可以补充由振荡回路电阻产生损耗的能量来源。 3) 使能量在正确的时间内补充到电路中的控制设备。使能量在正确的时间内补充到电路中的控制设备。 振荡器的起振条件振荡器的起振条件 A F + vi + vo 基本反馈环基本反馈环 FA1 A A o o f 0VV V A f i o o 如右图：如右图： 若在某种情况下若在某种情况下1- =0时，此时即使没时，此时即使没 有输入信号有输入信号(vi=0)时，放大器仍有输出时，放大器仍有输出 电压放大器变为振荡器。电压放大器变为振荡器。 FAo 要维持一定振幅的振荡，反馈系数要维持一定振幅的振荡，反馈系数F F应设计得大

8、一应设计得大一 些。一般取些。一般取 8 1 2 1 这样就可以使得在这样就可以使得在 1时的情况下起振。时的情况下起振。 FAo 由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是： 1 2(0,1,) o AF A F nn FAo 1 其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度vf要一次要一次 比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。 放大器增益放大器增益A与输出电压幅度与输出电压幅度Vo之之 间的关系叫间的关系叫振荡特性振荡特性，F与与Vo之间的关之间的关

9、系叫系叫反馈特性反馈特性。起振的幅度条件可用右。起振的幅度条件可用右 上图表示。上图表示。 A0 Q VomQ 反馈特性 振荡特性 Vom F 1 起振条件与平衡条件起振条件与平衡条件 图解图解( (软激励起振软激励起振) ) 在实际设计中，如果设计不当，振在实际设计中，如果设计不当，振 荡特性可能不是单调下降的，而如右下荡特性可能不是单调下降的，而如右下 图所示。其静态工作点太低，图所示。其静态工作点太低，ICQ太小，太小， 因而因而A0太小，以至不满足太小，以至不满足 。 这种振荡器电路一般不能自行起振，这种振荡器电路一般不能自行起振， 而必须给以一个较大幅度的初始激励，使而必须给以一个较

10、大幅度的初始激励，使 动态点越过不稳定平衡点动态点越过不稳定平衡点B才能起振，这叫才能起振，这叫 硬激励起振，设计电路要力加避免。硬激励起振，设计电路要力加避免。 Vom A0 F 1 F 1 A B Q 硬激励起振特性硬激励起振特性 F 1 A0 振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件 所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡必所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡必 须满足的幅度与相位关系。须满足的幅度与相位关系。 振荡器的平衡条件为振荡器的平衡条件为 FA 1() 2(0,1,) () AF AF nn 振振幅幅平平衡衡 相相位位平平衡衡 =1 在平衡条件下，反馈到放大管的输入信

11、号正好等于放大管在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大管 维持及所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压的平维持及所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压的平 衡，使振荡器得以维持。衡，使振荡器得以维持。 振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件 形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数随形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数随 振幅的变化特性具有负的斜率，即振幅的变化特性具有负的斜率，即 omQom om VVV A 0 2) 相位平衡的稳定条件相位平衡的稳定条件 1) 振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件 相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能

12、相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能 重新建立起相位平衡点的条件；若能建立则仍能保持其稳定重新建立起相位平衡点的条件；若能建立则仍能保持其稳定 的振荡。的振荡。 相位稳定条件应为相位稳定条件应为 0 0 )( FZY 或或 增强增强 衰减衰减 7.3 反馈型反馈型LC振荡器线路振荡器线路 LC振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡器、振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡器、 电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器三种类型。电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器三种类型。 一、互感耦合振荡器一、互感耦合振荡器 互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈互感耦合振荡器是依靠

13、线圈之间的互感耦合实现正反馈 的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，可用瞬时极性法进的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，可用瞬时极性法进 行判断，选择合适的耦合量行判断，选择合适的耦合量M，使之满足振幅起振条件很重使之满足振幅起振条件很重 要。要。 互感耦合振荡器有三种形式：互感耦合振荡器有三种形式：调基电路调基电路、调集电路调集电路和和调调 发电路发电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发 射极电路来区分的。射极电路来区分的。 本部分内容重点介绍不同型式的反馈型本部分内容重点介绍不同型式的反馈型LC振荡器，以振荡器，以 三点式振荡器作为重

14、点。三点式振荡器作为重点。 由于基极和发射极由于基极和发射极 之间的输入阻抗比较低，之间的输入阻抗比较低， 为了避免过多地影响回为了避免过多地影响回 路的路的Q值，故在调基和值，故在调基和 调发这两个电路中，晶调发这两个电路中，晶 体管与振荡回路作部分体管与振荡回路作部分 耦合。耦合。 调基电路振荡频率调基电路振荡频率 在较宽的范围改变时，在较宽的范围改变时， 振幅比较平稳。振幅比较平稳。 VCC Rb1 Rb2 Cb Ce M C L1 L2 Re L (a) 调基电路调基电路 调基电路调基电路 调集电路在高频输出方调集电路在高频输出方 面比其它两种电路稳定，面比其它两种电路稳定， 而且幅度

15、较大，谐波成而且幅度较大，谐波成 分较小。分较小。 v1 R b1 R b2 R e C b C e V CC C M （b）调集电路调集电路 由于基极和发射极由于基极和发射极 之间的输入阻抗比较低，之间的输入阻抗比较低， 为了避免过多地影响回为了避免过多地影响回 路的路的Q值，故在调基和调值，故在调基和调 发这两个电路中，晶体发这两个电路中，晶体 管与振荡回路作部分耦管与振荡回路作部分耦 合。合。 VCC Rb1 Rb2 Ro Cb Ce M C L2 L1 （c）调发电路调发电路 互感耦合振荡器在调整反馈互感耦合振荡器在调整反馈(改变改变M)时，基本上不影响时，基本上不影响 振荡频率。但由

16、于分布电容的存在，在频率较高时，难于做振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做 出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过高，一出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过高，一 般应用于中、短波波段。般应用于中、短波波段。 根据根据h参数等效电路分析可知互感耦合振荡器的振荡频率参数等效电路分析可知互感耦合振荡器的振荡频率 1111 1 22 b o ib h fr LChLC 起振条件：起振条件： ibb h rCLh M hfb 其中其中r为为L中的损耗电阻，中的损耗电阻， M与与hf越大，越容易起振。越大，越容易起振。 bobibfbrb hhhhh 二、三端式二、三端

17、式LC振荡器振荡器 三端式三端式LC振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在 几几MHz到几百到几百MHz的范围，频率稳定度也比变压器耦合振的范围，频率稳定度也比变压器耦合振 荡电路高一些，约为荡电路高一些，约为103104量级，采取一些稳频措施后，量级，采取一些稳频措施后， 还可以再提高一点。还可以再提高一点。 三端式三端式LC振荡器有多种形式，主要有：振荡器有多种形式，主要有： 电感三端式，又称电感三端式，又称哈特莱振荡器哈特莱振荡器(Hartley)； 电容三端式，又称电容三端式，又称考毕兹振荡器考毕兹振荡器(Coplitts)； 串联型改进电容三端式

18、，又称串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器克拉泼振荡器(Clapp)； 并联型改进电容三端式，又称并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器西勒振荡器(Selier)。 LC三端式振荡器组成法则三端式振荡器组成法则( (相位平衡条件的判断准则相位平衡条件的判断准则) ) v1 Rb1 Rb2 Cb VCC C L L1 L2 Ce Re (a) (a) 共发电感反馈三端式振荡器电路共发电感反馈三端式振荡器电路 v 1 C N 1 N 2 L 1 L 2 + + + v i v f (b) 等效电路等效电路 电感三端式振荡电路电感三端式振荡电路 由由h参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件

19、参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件 ML ML R h RF h 2 1 p ie p ie pfe ie Rh h hfe 电感反馈三端电路的振荡频率为电感反馈三端电路的振荡频率为 0 2 1212 1111 22 (2)() oe ie f hLC C LLMLLM h 电感反馈三端式振荡器电感反馈三端式振荡器( (哈特莱电路哈特莱电路) ) 2 1 LM F LM 哈特莱电路的优点：哈特莱电路的优点： 1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；之间有互感，反馈较强，容易起振； 电路的缺点：电路的缺点： 1、振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，振荡波形不好，因为反馈

20、电压是在电感上获得， 而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的 反馈较强，使波形失真大；反馈较强，使波形失真大； 2、电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这 是因为频率太高，是因为频率太高，L L太小且分布参数的影响太太小且分布参数的影响太 大。大。 2、振荡频率调节方便，只要调整电容、振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。的大小即可。 3、而且、而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。的改变基本上不影响电路的反馈系数。 电容反馈三端振荡器电容反馈三端振荡器( (考毕兹电路考毕兹电路) ) v1 C

21、b Re Ce VCC L Rc Cc C1 C2 v1 C1 C2 + + + L vi vf 电容三端式振荡电路电容三端式振荡电路 （a） （b） 可推导电容反馈三端电路的起振条件可推导电容反馈三端电路的起振条件 1 2 p ie C C R h pfe ie Rh h hfe 电容反馈三端电路的振荡频率电容反馈三端电路的振荡频率 21ie oe 21 21 0 CCh h CLC CC 2 1 f 111 222 o i CCCC F CCCC 考毕兹电路的优点：考毕兹电路的优点： 1）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。 2）电路的频率稳定度较高，

22、适当加大回路的电容量，就可）电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可 以减小不稳定因素对振荡频率的影响。以减小不稳定因素对振荡频率的影响。 3）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振 荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作 频率可做到几十频率可做到几十MHz到几百到几百MHz的甚高频波段范围。的甚高频波段范围。 电路的缺点：电路的缺点： 调调C1或或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。那来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。那 么在波段工作时就会使输出幅度不稳定。但只

23、要在么在波段工作时就会使输出幅度不稳定。但只要在L两端两端 并上一个可变电容器，并令并上一个可变电容器，并令C1与与C2为固定电容，则在调整为固定电容，则在调整 频率时，基本上不会影响反馈系数。频率时，基本上不会影响反馈系数。 串联型改进电容三端式振荡器串联型改进电容三端式振荡器( (克拉泼电路克拉泼电路) ) Cb Re VCC Rs C3 C1 C2 L Rb2 Rb1 A B RL C1 L A B Cce Cbe C2 Re b Ccb c eRL Reo C3 （a a）克拉泼电路的实用用电路克拉泼电路的实用用电路（b b）高频等效电路）高频等效电路 因为因为C3远远小于远远小于C1

24、或或C2，所以三电容串联后的等效电容所以三电容串联后的等效电容 3 2 3 1 3 3 313221 321 C C C C C 1 C CCCCCC CCC C 3 0 LC 1 LC 1 振荡角频率振荡角频率 故克拉泼电路的振荡频率几乎与故克拉泼电路的振荡频率几乎与C1、C2无关。无关。 (1)由于由于Cce、 、Cbe的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。 的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。 (2)调整调整C1 C2的值可以改变反馈系数的值可以改变反馈系数,但对谐振频率的影响很小。但对谐振频率的影响很小。 经过实验可知，放大倍数与频率的立方成反比，故随着经过实验可知，放大倍数

25、与频率的立方成反比，故随着 放大频率的升高振荡的幅度明显下降，上限频率受到限制。放大频率的升高振荡的幅度明显下降，上限频率受到限制。 故故: : (3)调整值调整值C3可以改变系统的谐振频率可以改变系统的谐振频率,对反馈系数无影响。对反馈系数无影响。 (1) 克拉泼电路的波段覆盖的范围窄。克拉泼电路的波段覆盖的范围窄。 (2) 工作波段内输出波形随着频率的变化大。工作波段内输出波形随着频率的变化大。 克拉泼电路的特点克拉泼电路的特点: : 并联型改进电容三端式振荡器并联型改进电容三端式振荡器(西勒西勒(Seiler)电路电路) Cb Re VCC Rs C1 C2 L Rb2 Rb1 C3 C

26、4 C2L C1 C4 C3 (a)(a)实际电路实际电路(b)(b)高频等效电路高频等效电路 其回路等效电容其回路等效电容 434 323121 321 CCC CCCCCC CCC C 振荡频率振荡频率 )CC(L2 1 LC2 1 f 43 0 其特点：其特点： (1) 波段覆盖率宽。波段覆盖率宽。 (2) 工作波段内工作波段内,输出波形随频率变化小。输出波形随频率变化小。 LC三端式振荡器组成法则三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则相位平衡条件的判断准则) Xbe + b Xce Xcb vi vf + vo c e 三端式振荡器的原理电路三端式振荡器的原理电路 三端式三端式L

27、C振荡器是一种反馈式振荡器是一种反馈式 LC振荡器。振荡器。 当回路元件的电阻很小，可以当回路元件的电阻很小，可以 忽略其影响，同时也忽略三极忽略其影响，同时也忽略三极 管的输入阻抗与输出阻抗的影管的输入阻抗与输出阻抗的影 响，则电路要振荡必须满足条响，则电路要振荡必须满足条 件：件： xbe+xce+xcb=0 电路特点简言之就是电路特点简言之就是“ce，be同抗件，同抗件，cb反抗件反抗件”。以此准。以此准 则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。也可用则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。也可用 于分析复杂电路与寄生振荡现象。于分析复杂电路与寄生振荡现象。 1 2 7.4 振荡

28、器的频率稳定问题振荡器的频率稳定问题 频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要 求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化 最小。最小。 振荡器的频率稳定度则是指在一定时间间隔内，由于各振荡器的频率稳定度则是指在一定时间间隔内，由于各 种因素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度。种因素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度。 绝对准确度绝对准确度 0 fff 相对准确度相对准确度 0 0 0 f ff f f 短期频率稳定度短期频率稳定度: :一天内，频率的相对变

29、化最大值。一天内，频率的相对变化最大值。 外界因素所引起的频率变化大都属于这一类。通外界因素所引起的频率变化大都属于这一类。通 常称为频率漂移。用来评测测量仪器和通讯设备常称为频率漂移。用来评测测量仪器和通讯设备 中的主振器的频率稳定指标。中的主振器的频率稳定指标。 长期频率稳定度：长期频率稳定度：一天以上以至几个月。评价天一天以上以至几个月。评价天 文台或高精度频率标准和计时设备。文台或高精度频率标准和计时设备。 瞬间频率稳定度：瞬间频率稳定度：秒或毫秒内随即频率变化。称秒或毫秒内随即频率变化。称 为振荡器的相位抖动或相位噪声。为振荡器的相位抖动或相位噪声。 短期频率稳定度短期频率稳定度主要

30、与温度变化、电源电压主要与温度变化、电源电压 变化和电路参数不稳定性等因素有关。变化和电路参数不稳定性等因素有关。长期频率长期频率 稳定度稳定度主要取决于有源器件和电路元件及石英晶主要取决于有源器件和电路元件及石英晶 体和老化特性，与频率的瞬间变化无关。而体和老化特性，与频率的瞬间变化无关。而瞬间瞬间 频率稳定度频率稳定度主要是由于频率源内部噪声而引起的主要是由于频率源内部噪声而引起的 频率起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。频率起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。 一、影响频率稳定度的因素一、影响频率稳定度的因素 1. 振荡回路参数对频率的影响振荡回路参数对频率的影响 因为振荡频率因

31、为振荡频率 LC 1 0 其相对频率变化量为其相对频率变化量为 ) C C L L ( 2 1 0 0 2. 回路品质因素回路品质因素Q值对频率的影响值对频率的影响 如右图，如右图，Q值越高，则相同的相角变化值越高，则相同的相角变化 引起频率偏移越小。引起频率偏移越小。 Z YF o o2 YF YF YF o2 o2 ZYF Q2 Q1Q1Q2 1 o1 o1 3. 有源器件的参数对频率的影响有源器件的参数对频率的影响 振荡管为有源器件，若它的工作状态振荡管为有源器件，若它的工作状态(电源电压或周电源电压或周 围温度等围温度等)有所改变，则由式有所改变，则由式 如果晶体管参数如果晶体管参数

32、h与与hi将发生变化，即引起振荡频将发生变化，即引起振荡频 率的改变。率的改变。 1111 1 22 o i h fr LChLC 另外，另外， 当外界因素当外界因素(如电源电压、温度、湿度等如电源电压、温度、湿度等)变化变化 时，这些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的变化。时，这些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的变化。 二、振荡器稳定频率的方法二、振荡器稳定频率的方法 1. 减小外因变化，根除减小外因变化，根除“病因病因” 1) 减小温度的变化，可将振荡器放在恒温槽内；另使振减小温度的变化，可将振荡器放在恒温槽内；另使振 荡器远离热源，如采用正、负温度系数不同的荡器远离热源，如采用

33、正、负温度系数不同的L、C， 抵消抵消 L、 C。 2) 减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡 器采取单独供电。器采取单独供电。 3) 减小湿度和大气压力的影响，通常将振荡器密封起来。减小湿度和大气压力的影响，通常将振荡器密封起来。 4) 减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。 5) 消除机械振动的影响消除机械振动的影响 通常可加橡皮垫圈作减振器。通常可加橡皮垫圈作减振器。 6) 减小负载的影响，在振荡器和下级电路之间加缓冲减小负载的影响，在振荡器和下级电路之间加缓冲 器，提高回路器，提高

34、回路Q值；本级输出与下一级采取松耦合；值；本级输出与下一级采取松耦合； 采取克拉泼或西勒电路，减弱晶体管与振荡回路之间耦采取克拉泼或西勒电路，减弱晶体管与振荡回路之间耦 合，使折算到回路内的有源器件参数减小，提高回路标合，使折算到回路内的有源器件参数减小，提高回路标 准性，提高频率稳定度。准性，提高频率稳定度。 2. 提高回路的标准性提高回路的标准性 所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持其所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持其 固有谐振频率不变的能力。固有谐振频率不变的能力。 要提高回路标准性即要减小要提高回路标准性即要减小 L L和和 C C，因此可采取优质材因此可采

35、取优质材 料的电感和电容。料的电感和电容。 3. 减小相角减小相角 YF及其变化量及其变化量YF 为使振荡器的频率稳定度高，则要求为使振荡器的频率稳定度高，则要求 YF的数值小，且的数值小，且 变化量小。变化量小。 可使振荡器的工作频率比振荡管的的特性频率低很多，可使振荡器的工作频率比振荡管的的特性频率低很多， 即即f(3-10)fmax ; ; 值大的容易起振；值大的容易起振； 从稳频角度出发要求要晶体管额定功率不能太小。从稳频角度出发要求要晶体管额定功率不能太小。 3.3.直流馈电线路的选择；直流馈电线路的选择； 为保证起振振幅条件，起始工作点应在线性放大区，为保证起振振幅条件，起始工作点

36、应在线性放大区， 从稳频出发，稳定状态应在截止区，不应在饱和区，否则易从稳频出发，稳定状态应在截止区，不应在饱和区，否则易 降低品质因数降低品质因数Q Q 。 4.4.振荡回路元件的选择；振荡回路元件的选择； 从稳频出发，从稳频出发，L L、C C应尽可能大，但应尽可能大，但C C大不利于波段工大不利于波段工 作，作，L L大分布电容大，大分布电容大，L L小小Q Q值小，一般值小，一般C C取几十几百皮法，取几十几百皮法， L L取取0.10.1几十微亨。几十微亨。 7.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 一、石英晶体及其特性一、石英晶体及其特性 石英晶体具有正反压电效应。当晶体几何尺石英晶体

37、具有正反压电效应。当晶体几何尺 寸和结构一定时，它本身有一个固有的机械振动寸和结构一定时，它本身有一个固有的机械振动 频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频 率时，晶体片的机械振动最大，晶体表面电荷量率时，晶体片的机械振动最大，晶体表面电荷量 最多，外电路中的交流电流最强，于是产生了谐最多，外电路中的交流电流最强，于是产生了谐 振。振。 1. 1. 石英晶体谐振器石英晶体谐振器 石英晶振的固有频率十分稳定，它的温度系数（温度变石英晶振的固有频率十分稳定，它的温度系数（温度变 化化1所引起的固有频率相对变化量）在所引起的固有频率相对变化量）在106以

38、下。以下。 石英晶振的振动具有多谐性石英晶振的振动具有多谐性,有基频振动和奇次谐波泛有基频振动和奇次谐波泛 音振动。前者称为基频晶体，后者称为泛音晶体。音振动。前者称为基频晶体，后者称为泛音晶体。 晶体厚度与振动频率成反比，工作频率越高，要求晶晶体厚度与振动频率成反比，工作频率越高，要求晶 片越薄。机械强度越差，加工越困难，使用中也易损坏。片越薄。机械强度越差，加工越困难，使用中也易损坏。 2. 2. 石英晶体的阻抗频率特性石英晶体的阻抗频率特性 C0 (a) (b) Cq Lq rq C0Cq1 Lq1 rq1 Cq3 Lq3 rq3 Cq5 Lq5 rq5 Cqk Lqk rqk (c)

39、符号符号 基频等效电路基频等效电路 完整等效电路完整等效电路 石英晶体谐振器石英晶体谐振器 如上图：如上图： 安装电容安装电容C0 约约110pF 动态电感动态电感Lq 约约103102H 动态电容动态电容Cq 约约104101pF 动态电阻动态电阻rq 约几十约几十几百几百 由以上参数可以看到由以上参数可以看到 石英晶振的石英晶振的Q值和特性阻抗值和特性阻抗 都非常高。都非常高。Q值可达几万到几值可达几万到几 百万。百万。 （2） 由于石英晶振的接入系数由于石英晶振的接入系数P= Cq/(C0+ Cq)很小，所以外很小，所以外 接元器件参数对石英晶振的影响很小。接元器件参数对石英晶振的影响很

40、小。 因为因为 qq q q q rC L r Q 11 而而Lq较大，较大，Cq与与rq很小很小（1） 上图上图(b)可以看到，石英晶振可以等效为一个串联谐振可以看到，石英晶振可以等效为一个串联谐振 回路和一个并联谐振回路。回路和一个并联谐振回路。 若忽略若忽略rq，则晶振两端呈现纯电抗。则晶振两端呈现纯电抗。 串联谐振频率串联谐振频率 qq q CL2 1 f 并联谐振频率并联谐振频率 0 q q q0 0 q q0 q0 q p C C 1f CC C f CC CC L2 1 f 二、晶体振荡器电路二、晶体振荡器电路 1. 皮尔斯皮尔斯(Pierce)振荡电路振荡电路 Co Lq C1

41、 C2 rq b c e Cq a Lq rq Cq a CoCL c b Cb Re VCC C1 C2 Rb2 Rb1 Lc 皮尔斯皮尔斯(Pierce)振荡电路振荡电路 (1) 振荡回路与晶体振荡回路与晶体 管、负载之间的耦管、负载之间的耦 合很弱。合很弱。 (2) 振荡频率几乎由石英晶振荡频率几乎由石英晶 振的参数决定，而石英振的参数决定，而石英 晶振本身的参数具有高晶振本身的参数具有高 度的稳定性。度的稳定性。 (3) 由于振荡频率由于振荡频率f0一般调谐在标称频率一般调谐在标称频率fN上，位于晶振的上，位于晶振的 感性区间，电抗曲线陡峭，稳频性能极好。感性区间，电抗曲线陡峭，稳频性

42、能极好。 (4) 由于晶振的由于晶振的Q值和特性阻抗值和特性阻抗 都很高，所以晶振都很高，所以晶振 的谐振电阻也很高，一般可达的谐振电阻也很高，一般可达1010 以上。这样以上。这样 即使外电路接入系数很小，此谐振电阻等效到即使外电路接入系数很小，此谐振电阻等效到 晶体管输出端的阻抗仍很大，使晶体管的电压晶体管输出端的阻抗仍很大，使晶体管的电压 增益能满足振幅起振条件的要求。增益能满足振幅起振条件的要求。 2. 密勒密勒(Miller)振荡电路振荡电路 300p 61122H 0.022.2k VDD Cgd 10M1MHz 密勒振荡电路密勒振荡电路 右图是场效应管密勒振荡电路。石右图是场效应

43、管密勒振荡电路。石 英晶体作为电感元件连接在栅极和源英晶体作为电感元件连接在栅极和源 极之间。极之间。LC并联回路在振荡频率点等并联回路在振荡频率点等 效为电感，作为另一电感元件连接在效为电感，作为另一电感元件连接在 漏极和源极之间，极间电容漏极和源极之间，极间电容Cgd作为作为 构成电感三点式电路中的电容元件。构成电感三点式电路中的电容元件。 由于由于Cgd又称为密勒电容，故此电路又称为密勒电容，故此电路 有密勒振荡电路之称。有密勒振荡电路之称。 密勒振荡电路通常不采用晶体管，原因是正向偏置时晶密勒振荡电路通常不采用晶体管，原因是正向偏置时晶 体管发射结电阻太小，虽然晶振与发射结的耦合很弱，

44、但也体管发射结电阻太小，虽然晶振与发射结的耦合很弱，但也 会在一定程度上降低回路的标准性和频率的稳定性，所以采会在一定程度上降低回路的标准性和频率的稳定性，所以采 用输入阻抗高的场效应管。用输入阻抗高的场效应管。 石英晶体的基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶石英晶体的基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶 片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工 作时，可以在晶体振荡器后面加倍频器。另一个办法就是令晶作时，可以在晶体振荡器后面加倍频器。另一个办法就是令晶 体工作于它的泛音频率上，构成泛音晶体振荡器。体工作于它的泛音频率

45、上，构成泛音晶体振荡器。 所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波。所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波。它与电气谐波的它与电气谐波的 主要区别是主要区别是：电气谐波与基波是整数倍关系，且谐波与基波同：电气谐波与基波是整数倍关系，且谐波与基波同 时并存；泛音则与基频不成整数倍关系，只是在基频奇数倍附时并存；泛音则与基频不成整数倍关系，只是在基频奇数倍附 近，且两者不能同时存在。由于晶体片实际上是一个具有分布近，且两者不能同时存在。由于晶体片实际上是一个具有分布 参数的三维系统，它的固有频率从理论上来说有无限多个。参数的三维系统，它的固有频率从理论上来说有无限多个。 3. 泛音晶体振荡电路泛音晶体振荡电

46、路 图图 7.8.5 泛音晶体振荡器泛音晶体振荡器 交流等效电路交流等效电路 若泛音晶体的标称泛音次数为若泛音晶体的标称泛音次数为5，相应的标称频率为，相应的标称频率为 5MHz，则，则LC谐振回路应调谐在谐振回路应调谐在35次泛音频率之间，如次泛音频率之间，如 3.5MHz。在。在5MHz, LC谐振回路呈容性，满足相位平衡条件。谐振回路呈容性，满足相位平衡条件。 而对于基频和而对于基频和3次泛音频率来次泛音频率来 说说，回路呈感性，振荡器不满足相回路呈感性，振荡器不满足相 位平衡条件，不能产生振荡。而对位平衡条件，不能产生振荡。而对 于于7次及其以上的泛音频率，回路呈次及其以上的泛音频率，回路呈 容性，但其电容量过大，负载阻抗容性，但其电容量过大，负载阻抗 过小，以致电压增益下降太多，不过小，以致电压增益下降太多，不 能起振。能起振。 4.串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器 Cb Re VCC R C1 C2 L C3 1600p 680 C 20k 2