东华大学高频电子电路通信电子电路课件5-5

1、5.5 晶体振荡器普通的LC振荡器的频率稳定度为，采取一些措施和改进，可达到，但很难突破。然而在通信设备，电子测量仪器仪表，电子对抗等应用中，对频率稳定度的要求往往优于，前面介绍的振荡器都无法达到要求，而石英晶体振荡器很容易满足该要求。石英晶体振荡器定义采用石英晶体谐振器控制和稳定振荡频率的振荡器。石英晶体振荡器之所以具有极高的频率稳定度，关键是采用了石英晶体这种具有极高值的谐振元件。石英晶体谐振器具有极高的品质因素和稳定的参数，利用石英谐振器代替一般的LC谐振系统，它的频率稳定度很容易做到。石英晶体振荡器的频率稳定度取决于：a) 所采用石英晶体谐振器的精度；b) 石英晶体谐振器外部电路的形式

2、；c) 稳频措施。石英晶体振荡器的频率稳定度一般在范围之间。采用低精度石英晶体，稳定度可达到数量级；采用中等精度石英晶体，稳定度可达到数量级；如采用单层恒温控制系统和中等精度晶体，稳定度可以达到 数量级；如采用双层恒温控制系统和高精度晶体，稳定度可以达到 数量级。 下面首先了解石英晶体谐振器的基本特性。 5.5.1 石英晶体谐振器石英晶体谐振器是利用石英晶体(Quartz-Crystal)的压电效应制成的一种谐振器件。石英晶体谐振器的内部结构如图5 35所示。(a)晶体外形；(b)横断面图5 34 晶体的形状及横断面图5 35 石英谐振器的内部结构1石英晶体的等效电路石英片的振动具有多谐性，除

3、基频(Fundamental Frequency)振动外，还有奇次谐波的泛音(Overtones)振动。对于一个石英谐振器，既可以利用其基频振动，也可以利用其泛音振动。利用基音振动实现对频率控制的晶体称为基音晶体，其余称为泛音晶体。采用AT切割石英片的基频频率在20MHz附近时，石英片的厚度仅有0041mm，频率再高，石英片的厚度更薄，不足以提供必要的强度。 晶片越薄，频率越高、强度越差，加工越难，所以一般基频<30MHz。如果要求更高的工作频率时，一般均是泛音晶体。它工作在机械振动的谐波上，其工作频率可达150MHz.泛音晶体一般利用3次和5次的泛音振动，而很少使用7次以上的泛音振动。

4、泛音次数太高，晶体的性能也将显著下降。泛音晶体的特点：(1)泛音不会正好等于基波的整数倍；（在整数倍附近，必须配合合适的电路，才能工作在指定频率上。）(2)因偶次谐波时晶片两面电荷同性，无法用，所以泛音只存在于奇次谐波附近。图5 36给出石英谐振器的等效电路。石英具有多谐性，每次泛音都对应一个串联谐振电路：若工作在基频，只有C0 、 Lq1 、 Cq1 、 rq1支路有效，其余开路。若工作在三次泛音，只有C0 、 Lq3 、 Cq3 、 rq3支路有效，其余开路，如此等等。当工作频率等于某串联谐振支路谐振频率时，串联阻抗等于，近似于短路，其他支路失谐，可近似于开路。注意了解石英谐振器各元件值的

5、数量级是石英晶体的动态电感，表征晶体的质量，值很大，10m 几10H；是动态电容，表征晶体的弹性，值很小，通常在0.0050.1pF；是动态电阻，表征晶体振动时分子间互相摩擦而引起的能量损耗，阻抗很小，通常在几十欧左右- 100W；为静态电容和支架、引线等分布电容之和，通常为2 5pF。2 石英晶体的参数温度系数：温度变化1引起固有振动频率的相对变化量。拐点温度：与温度系数最小值相对应的温度。若需要将晶体置于恒温槽内，槽内温度就应控制在这个拐点温度上。负载电容：对晶体而言的总外部电容。晶体必须在规定的负载电容下工作，才能保证标称频率的准确性和稳定性。3 石英晶体谐振器的特点石英晶体振荡器的频率

6、稳定度非常高，主要是因为用于稳频的石英晶体谐振器具有如下特点。）石英晶体的物理性能和化学性能都十分稳定。因此，其等效谐振电路中的元件参数都非常稳定。）石英晶体谐振器具有非常高的品质因素， 值可达几万到几百万（量级），维持振荡频率稳定不变的能力极强。）石英晶体谐振器与晶体管之间的耦合很弱，即，晶体管对谐振回路的接入系数很小。 外电路对石英谐振器的接入系数很小，对改善振荡器的频率稳定度有什么益处？外电路对石英谐振器的接入系数很小意味着石英谐振器与外电路的耦合非常弱，外电路中不稳定参量对石英谐振器的影响很小，使石英晶体振荡器的振荡频率基本不受外界不稳定因素的影响。因此，由石英谐振器构成的石英晶体振荡

7、器具有极高的频率稳定度。）石英晶体谐振器的二个谐振频率a ) 当支路发生串联谐振时，其串联谐振频率 b) 当频率大于时，支路呈现感性，与发生并联谐振，其并联谐振频率 谐振时，满足一般，=(0.002-0.003)，因此非常接近。例如，5MHz晶振C）石英晶体谐振器的标称频率在实际振荡电路中，晶体两端往往并接有外部电容，如图5 38所示。图5 38 石英晶体谐振器的标称频率在这种情况下，晶体等效电路中的并接电容为，相应的晶体的频率为 （5.5.3）标在晶体外壳上的振荡频率（即晶体的标称频率）就是并接时石英晶振的振荡频率。考虑后晶体谐振器的电抗频率曲线如图5 39中虚线所示。负载电容的值标识于生产

8、厂家的产品说明书中。通常高频晶体，低频晶体；对于串联型晶体振荡器的石英谐振器，的值标识为，即无需外接负载电容。 4 石英晶体谐振器的电抗特性由图5 36可知，忽略时，晶体两端呈现的阻抗为纯电抗，其值近似为 (5.5.4)式中为串联谐振频率，为并联谐振频率。由式(5.5.4)可画出石英谐振器的电抗特性曲线如图5 39中两条实线所示。比较（5.5.2）和（5.5.3）可知介于和之间，显然，晶体的负载电容越大，就越靠近。说明： 可分析得出。由图5 39可看出石英谐振器的电抗特性具有如下特点i)当时，等效电抗呈现容性。该部分电抗特性曲线平坦，频率稳定度差，通常不采用。ii)当时，支路串联谐振，近似于短

9、路。iii)当时，石英晶体谐振器的等效电抗呈现感性，石英谐振器具有极强的电抗补偿能力。从图5 39可知，当时，石英谐振器等效为一数值随频率变化的非线性电感，当时，电感从0变到无穷大，在极其狭窄的之间，存在着一条极其陡峭的感抗曲线，由于该感抗曲线对频率具有极大的变化速率。因此对频率的变化具有极灵敏的补偿作用，是晶体振荡电路频率稳定度非常高的原因之一。若外部因素使谐振频率增大, 则根据晶振电抗特性, 必然使等效电感增大, 但由于振荡频率与的平方根成反比, 所以又促使谐振频率下降, 趋近于原来的值。iv)当时，产生并联谐振，v)当时，呈现的容性起主要作用， 。该频段电抗特性曲线平坦，频率稳定性差，通

10、常不工作于该区段。5. 5.2 晶体振荡器电路根据晶体在振荡电路中的作用不同，晶体振荡器可分为并联型和串联型两种电路。石英晶体在这两种电路中作用不同：一种是石英晶体等效为电感元件，与回路其它电抗元件一起按照三点式振荡器的构成原则组成三点式振荡器。这类振荡器称为并联型晶体振荡器。并联型晶体振荡器电路中，晶体必须作为感性元件，振荡频率在之间，靠近。另一种是石英晶体作为短路元件，串联在正反馈支路上，用以控制反馈的强弱，它工作在石英晶体的串联谐振频率上，称为串联型晶体振荡器。1并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器中，石英晶体等效为感抗元件，用于代替三点式电路中的某个电感。并联型晶体振荡器有两种形式。如图5

11、 40所示。图（a）中，石英晶体接在晶体管的极之间构成的电容三点式振荡器，称皮尔斯（Peerce）振荡器；图（b）中，石英晶体接在晶体管的极之间构成的电容三点式振荡器，称密勒（Miller）振荡器。）皮尔斯电路中的石英晶体接在晶体管之间，无需再外接线圈，且频率稳定度高，得到广泛应用，图5 41给出皮尔斯晶体振荡器实用电路。（）实际电路构成分压式自偏压偏置电路。为高频扼流圈，为旁路电容，为耦合电容。图（b）给出高频交流通路其中虚线框内为石英晶体谐振器的等效电路。和两个电容串接后，晶体的负载电容。如果其值等于晶体规定的值，那么振荡电路的振荡频率就是晶体的标称频率。实际上，在一些振荡频率准确度要求很

12、高的场合，振荡电路中必须设置频率微调元件，图5 42给出一个电路实例。图中为微调电容，用于改变并接在晶体上的负载电容，从而微调振荡器的振荡频率，达到要求的标称频率。下面将分析几个与其工作特性相关的问题。1） 为什么要加微调电容？由于外接负载电容规定的值晶体振荡器的石英晶体谐振器的标称频率。通过在电路中接入微调电容，使晶体的外接电容达到规定的，以确保晶体振荡器的。通常（why）；其次，虽然晶体的物理、化学性能稳定，但是温度的变化仍会改变它的参数，还有晶体老化等原因，都会导致振荡频率的缓慢变化，需要通过微调负载电容对振荡频率进行校正。2）改变微调电容，晶体振荡器频率的变化范围。图5 42（b）给出

13、谐振回路等效电路，图中可变电容由、并联构成。忽略晶体的损耗，得图5 43所示谐振回路等效电路。该振荡回路中的总电容由、串联，再与并联，最后与串联构成。所以有 (5.5.5)其中，为并接在晶体两端总的外部电容，称为晶体的负载电容。晶体的负载电容中包括与、并接的晶体管极间电容，而极间电容是极易随温度变化的不稳定参数。 成为不稳定量，导致晶体振荡器频率的不稳定。改进方法：接入微调电容，且满足，。只要选择温度系数较小的电容构成，就可改善的稳定性，使其等于规定的负载电容值。将式(5.5.5)简化为谐振回路总电容 晶体振荡器的频率 (5.5.6)下面分析石英晶体振荡器的振荡频率变化范围 （a） 当，代入式

14、 (5.5.6) 得（分析图5 43可得） (5.5.7)（b），代入式 (5.5.6) 得（分析图5 43可得） (5.5.8) 结论：改变微调电容可使晶体振荡器的频率产生微小变化。取，得到晶体振荡器频率的最小值；取，得到晶体振荡器频率的最大值。 无论怎样调节，总有，也就是说振荡频率总是介于晶体串联谐振频率与并联谐振频率之间。由于只有在并联谐振频率附近时，晶体的电抗频率特性曲线较陡，斜率大，晶体才有很强的电抗补偿能力，使晶体具有很高的频率稳定度。因此，的取值应较小。3)谐振回路与晶体管之间的耦合很弱，那么能否满足振幅的起振条件呢？(这部分内容了解即可)以Pierce电路为例。因为，是与数量级

15、相同的小电容，分析接入系数时可将并入 的接入使晶体管的接入系数减小，即减弱了晶体管与石英晶体之间的耦合，有利于提高频率稳定度），得图5 44（c）所示的等效电路。 （a）等效交流通路 （b）等效谐振回路 （c）求接入系数的简化谐振回路图5 44 Pierce电路等效交流通路由第二章的学习我们知道，石英晶体谐振器的品质因素为 (5.5.9)石英晶体谐振器的特性阻抗，石英晶体的并联谐振电阻 (5.5.10)由图5 44（c）的端看进去的谐振阻抗为 (5.5.11)式中，为振荡管端对回路端的接入系数； 为外电路对石英晶体谐振回的接入系数；其中例：BA12型精密石英谐振器，其参数，。假定振荡管输出端对

16、谐振回路的接入系数，求与振荡管相耦合的等效阻抗。 结论：由于石英晶体的非常之大， 高达以上，尽管回路的接入系数只有万分之一，折合到晶体管输出端的等效阻抗仍很大，完全可以保证晶体管增益满足振幅起振条件。 ）密勒振荡器问题：振荡器的振荡频率和回路的固有谐振频率应满足怎样的关系，该电路才能产生振荡？根据相位平衡条件的判断准则, 回路必须等效为感性。如何保证回路等效为感性？必须牢记这张图，必考！可变电容作为集电极回路的调谐电容，必须使回路的固有谐振频率满足 ，以确保谐振回路呈现感性。由于石英晶体谐振器连接在晶体管的、极之间，正向偏置时，发射结电阻很小，并接在石英晶体谐振器二端对其值影响很大，从而影响振

17、荡器的频率稳定度。 鉴于此，密勒振荡器通常不采用双极型晶体管，而是用输入阻抗很高的场效应管。图5 46给出场效应管密勒振荡器。通常由极间电容构成，这样构成电感三点式振荡器。又称为密勒电容。）并联型泛音晶体振荡器基音晶体的标称频率与晶体的厚度近似成反比关系。目前广泛采用的AT切割型石英谐振器，当固有机械振荡频率（基频）为1.615时，晶片厚度为1mm；当固有机械振荡频率基频15时，晶片厚度为为0.08mm；谐振频率越高，晶体越薄，强力的机械振动会导致晶片的损坏，而且晶片越薄，加工越困难。采用泛音谐振模式, 提高晶振电路的频率采用泛音谐振模式的振荡电路，通常工作在晶体的3次7次谐波频率上，泛音次数

18、太高，晶体的性能也会显著下降。泛音，是指石英晶片振动的机械谐波。它与电气谐波的主要区别在于：电气谐波与基频是整数倍的关系，且谐波和基波同时存在；而泛音是在基频奇数倍附近，泛音晶体只有奇次泛音晶体，而无偶次泛音晶体，且基音和奇次泛音不能共存。泛音晶体的使用，可使几十兆赫基频的晶片产生上百兆赫的稳定振荡。结论：基音和低次泛音若满足振荡条件更易于起振。应采取什么措施有效地抑制基音和低次泛音的寄生振荡，保证晶体振荡器电路能准确地工作于所需要的奇次泛音上？1） 高次谐波的抑制正确的调节环路增益，使其在需要的谐波频率上略大于1，满足振幅起振条件，而在更高次的谐波频率上都小于1，不满足振幅起振条件。这样可以

19、有效地抑制不需要的高次谐波。2） 抑制基波振荡可采用图5 47（a）给出的实际电路，图5 47（b）给出泛音晶体振荡器的等效交流电路，采取的措施：在三点式振荡电路中，用选频回路来代替某支路的电抗元件，使这一支路在基音和低次泛音上呈现的电抗特性不满足三点式振荡器的组成法则，不能起振，而在所需要的谐波频率上呈现电抗特性恰好满足组成法则，符合起振条件而产生振荡。泛音晶体振荡电路与基音振荡电路的不同：1）用电感和电容组成的并联谐振回路代替了基音晶体振荡器中的电容。2）这个谐振回路的固有谐振频率必须设计在该电路所需要的n次谐波和（n-2）次谐波之间。结果：对所需的其次泛音回路呈现容性，振荡电路满足三点式

20、组成法则“射同基反”；比如要产生5次泛音，而对于基频和三次泛音频率来说，回路呈现感性，振荡电路不符合三点式组成法则，不能起振；7次及其以上泛音频率上，回路虽然呈现容性，满足“射同基反”的相位平衡条件，但对失谐严重，从而使电压的放大倍数减小，环路增益，不满足振幅起振条件，不能产生振荡。举例：假设泛音晶振为5次泛音，标称频率为5，基频为1，则回路必须调谐在泛音之间。这样在5频率上，回路呈现容性，振荡电路满足三点式组成法则“射同基反”，能够起振，而在高次泛音，因谐振回路失谐严重，不满足振幅起振条件，不能产生振荡。图中谐振回路的固有谐振频率为，且满足 。 对呈现感性，对呈现容性。 2、串联型晶体振荡器

21、定义：串联型晶体振荡器是将石英晶体串接于正反馈支路中，利用其串联谐振时等效为短路元件的特性，使反馈电压信号最强，满足振幅起振条件，振荡器在晶体串联谐振频率上起振。图5 49串联型晶体振荡器的实际电路串联型晶体振荡器高频等效交流电路将石英晶体短路，它就是一个电容三点式振荡器。1）当振荡器的工作频率时，晶体以很小的电阻接通正反馈通路产生振荡；2）当振荡器的工作频率偏离晶体串联谐振频率，即，晶体将呈现很大阻抗，使反馈电压振幅减小，相移增大，不能满足起振条件。结果：电路的振荡频率受到石英晶体谐振器控制，具有很高的频率稳定度。必须注意的问题：虽然串联型晶体振荡器的振荡频率是由晶体谐振器的决定。其稳定性也

22、是由晶体谐振器决定，而不是由选频网络决定的。这并不意味着其选频网络可取任何值。如果由这几个元件决定的固有频率与相差很大，则这个振荡器不能起振。所以应该合理选择的数值，使其调谐在上或附近。同样，可利用串联型泛音晶体振荡电路来提高振荡频率。图5 50串联型泛音晶体振荡器的高频等效交流电路。用电感和电容组成的并联谐振回路代替基音晶体振荡器中的电容和。工作原理与并联型泛音晶体振荡器相同，不再赘述。5. 5.4使用石英晶体谐振器时应注意的事项了解一下，对设计晶振有帮助(i) 石英晶体谐振器上所标志的标称频率，负载电容。并联在石英晶体谐振器二端总的外部电容值，称为晶体的负载电容。晶体上的标称频率都是成品出

23、厂之前，在晶振两端并接特定的负载电容的条件下测定的。在实际使用时，也必须将外电路并接在石英晶体谐振器两端的总电容调整至规定的负载电容值，才能获得标称的振荡频率。对于串联型晶体振荡器中的石英谐振器，无需外接负载电容，记作。(ii) 石英晶体谐振器的激励功率应控制在规定的范围内。石英晶体谐振器在晶体振荡器中被激励时，两端加有激励电压，并产生激励电流。因此会消耗一定的激励功率。在实际应用中，如果超过规定的激励功率会使谐振器内部的温度升高，使石英晶片老化，并使频率产生漂移，极强的激励会使石英晶片的机械振动过于剧烈而损坏。国产小型金属壳高频石英晶体谐振器的激励功率分别为1、2、4mw。（）在并联型石英晶

24、体振荡器中，石英晶体只能等效为感抗元件。若等效为容抗元件，其频率稳定度降低，且在石英晶片失效时，石英晶体谐振器的静态电容仍然存在，线路虽仍可能满足振荡条件产生振荡，但此时石英谐振器已不起稳频作用，振荡频率也会偏离标称的工作频率值，应该避免这种情况发生。 在组成分立元件的石英晶体振荡器时，必须遵守以上注意事项，否则无法达到稳频效果。 5.6 压控振荡器压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator)简称VCO，是以某一电压来控制振荡频率或相位大小的一种振荡器。这种振荡器可以通过调整外加电压是振荡器输出频率随之改变，主要用于锁相环路或频率微调。在电子设备中，压控振荡器的应用

25、极为广泛，几乎所有移动通信设备中的本机振荡电路、各种自动频率控制（AFC）系统中的振荡电路、锁相环路（PLL）中所用的振荡电路等都采用压控振荡器。振荡器中最常用的压控元件是变容二极管，输出的波形有正弦波和方波。4晶体压控振荡器目的：为了提高压控振荡器中心频率的稳定度, 可采用晶体压控振荡器。晶体谐振器的作用：晶振即可等效为一个短路元件, 起选频作用；也可等效为一个高值的电感元件, 作为振荡回路元件之一。变容二极管的作用：采用变容二极管作压控可变电抗元件，实现对振荡器频率的调整。图5 55给出晶体压控振荡器高频等效电路。图5 55 晶体压控振荡器高频等效电路电路中, 晶振作为一个电感元件。 控制

26、电压调节变容二极管的电容值, 使其与晶振串联后的总等效电感发生变化, 从而改变振荡器的振荡频率。 晶体压控振荡器的缺点是频率控制范围很窄。 图5 55所示电路的频率控制范围仅在晶振的串联谐振频率与并联谐振频率之间。 解决的办法：为了增大频率控制范围, 可在晶振支路中增加一个电感。 越大, 频率控制范围越大, 但频率稳定度相应下降。 1） 图（a）给出串联电感扩展法的原理，基本方法是在晶振支路串联一个电感，使原有的串联谐振频率左移到，是扩展后的串联谐振频率，并联谐振频率保持不变；2）图（b）给出并联电感扩展法的原理，基本方法是在晶振支路并联一个电感，使原有的并联谐振频率右移到，是扩展后的并联谐振

27、频率，串联谐振频率保持不变。图5 56 扩展晶振频率调谐范围原理图图5 56中虚线表示未加扩展电感时的电抗曲线，而实线代表加入扩展电感后的电抗曲线。习题课看课本例题，P83，4.3例4.3 在下图所示振荡器交流等效电路中，三个LC并联回路的谐振频率分别是：，试问 f1,f2,f3满足什么条件时该振荡器能正常工作？ 在做习题之前必须首先明确，并联谐振回路，串联谐振回路的电抗特性曲线。电路里如果能产生振，无外乎二种类型电感三点式 则呈现感性，而并联谐振回路呈现容性。设该振荡器的振荡频率为,则:若为电容三点式则并联谐振回路呈现容性，呈现感性 例4.4 在图例4.4所示电容三点式振荡电路中, 已知, , ,试求起振的频率范围解：题图的交流等效电路为: 共基电路，满足射同基反，构成电容三点式振荡器。在发射极处拆环后，混合型等效电路为：c-b构成的输出回路 据前面分析，振荡器起振条件例：下图为三回路振荡器交流通路，f01，f02，f03 分别为三个回路的固有谐振频率，写出它们之间能满足相位平衡条件的两种关系式