Chapter4 正弦波振荡器 oscillator

1、4 正弦波振荡器正弦波振荡器 oscillator 作用：发射机的主振级就是一个高频振荡器，产生频率稳定的等幅高频作用：发射机的主振级就是一个高频振荡器，产生频率稳定的等幅高频 信号。接收机的本振也是高频振荡器。信号。接收机的本振也是高频振荡器。 技术指标：振荡频率、振荡频率范围、振荡频率的准确度和稳定度以及频技术指标：振荡频率、振荡频率范围、振荡频率的准确度和稳定度以及频谱的纯度。谱的纯度。 主要是振荡频率和频率稳定度。由于如电子对抗、雷达、制导、卫星跟踪、主要是振荡频率和频率稳定度。由于如电子对抗、雷达、制导、卫星跟踪、宇宙通信的需要及发展，对频率稳定度的要求愈来愈高。宇宙通信的需要及发展

2、，对频率稳定度的要求愈来愈高。例如：例如： 330M短波段内，有短波段内，有25万部电台（全球），万部电台（全球）， 若规定稳定度是若规定稳定度是1.510-5 ,在在30M时，允许的偏差仅为时，允许的偏差仅为450Hz； 电子手表年差不超过电子手表年差不超过1分钟，要求频率稳定度小于分钟，要求频率稳定度小于1.510-5； 实现火星通信，频率稳定度不劣于实现火星通信，频率稳定度不劣于10-11 ； 为金星定位，频率稳定度不劣于为金星定位，频率稳定度不劣于10-12 。若开关若开关K接接1，输入，输入Ui ，则回路调谐时产生最大高则回路调谐时产生最大高频电压频电压 ，经，经M耦合产生耦合产生同

3、频的同频的 ；若；若K接接2，则反，则反馈网络接通，振荡便会维馈网络接通，振荡便会维持下去。持下去。 4.1 振荡的基本原理振荡的基本原理 (P144)振荡器由放大器振荡器由放大器和反馈网络组成。和反馈网络组成。而实际的振荡器是不需要激励的，因为放大器本身的放大倍数只要大而实际的振荡器是不需要激励的，因为放大器本身的放大倍数只要大于于1，且有选频回路，所以电路中，晶体管内的热噪声等微弱信号经不断反，且有选频回路，所以电路中，晶体管内的热噪声等微弱信号经不断反复而建立起来。复而建立起来。 振荡建立起来后，能否无休止的增大下去呢？也不会。因为晶体管的振荡建立起来后，能否无休止的增大下去呢？也不会。

4、因为晶体管的工作状态进入非线性区，放大倍数就会下降，当反馈电压幅度和输入信号幅工作状态进入非线性区，放大倍数就会下降，当反馈电压幅度和输入信号幅度相等时，达到平衡状态。度相等时，达到平衡状态。振荡器频率：振荡器频率：cUfULCf214.2 振荡器平衡条件振荡器平衡条件 反馈电压放大器的框图：反馈电压放大器的框图：反馈系数。：反馈系数。：小信号线性状态电压放大器放大倍数（无反馈）：小信号线性状态电压放大器放大倍数（无反馈）输出为：输出为： ：反馈放大器电压放大倍数；：反馈放大器电压放大倍数；c0b0cb0fb0c)()(UFAUAUFUAUUAUFAAUUAUAFAU00bcfb0c1)1 (

5、fA0AF4.2 振荡平衡的条件振荡平衡的条件若：若： 意味着，没有输入信号，仍有输出信号。意味着，没有输入信号，仍有输出信号。所以称所以称A0F=1为放大器转变为振荡器的条件（线性状态下）。为放大器转变为振荡器的条件（线性状态下）。起振条件：在起振时，欲增幅，要求反馈电压的幅度大于上次激起振条件：在起振时，欲增幅，要求反馈电压的幅度大于上次激励电压的幅度，且二者的相位相同。励电压的幅度，且二者的相位相同。即：即：得：得：上式是振荡器的起振条件。上式是振荡器的起振条件。开环增益开环增益1相位相同相位相同f00101AFAFA，则fA1bfUU10bb0bfFAUUFAUU2100nFAFA4.

6、2 振荡平衡的条件振荡平衡的条件 这里我们认为这里我们认为A0 是在线性小信号状态，是一个常数。当幅是在线性小信号状态，是一个常数。当幅度不断增大，放大器进入非线性状态，这时晶体管可以看成是度不断增大，放大器进入非线性状态，这时晶体管可以看成是一个非线性器件。为了反映晶体管的这种特性，我们引入一个一个非线性器件。为了反映晶体管的这种特性，我们引入一个平均电压放大倍数平均电压放大倍数A：而：而：Ic1=IcM 1( )=gcUb(1 cos ) 1( ) 所以放大倍数所以放大倍数A= gcRb(1 cos ) 1( )=A0 1( ) 其中其中, A0 = gcRb 为小信号线性电压放大倍数。为

7、小信号线性电压放大倍数。 1( ) =(1 cos ) 1( ) 为余弦脉冲电流为余弦脉冲电流 分解系数分解系数 因为因为 90 , 所以所以 1( ) 1, 则则 A 1, A0是线性小信号增益，是线性小信号增益，A0和和gm（微变跨导）成正比，（微变跨导）成正比， gm与输入信号大小无关。与输入信号大小无关。 平衡条件：平衡条件：AF1，A是大信号增益，是随输入信号变化而变化的。是大信号增益，是随输入信号变化而变化的。即：即：得：得：这是振荡器的这是振荡器的维持条件维持条件。开环增益开环增益1相位相同相位相同维持振荡，在非线性状态下：维持振荡，在非线性状态下：大小相等，相位相同。大小相等，

8、相位相同。由：由：得：振幅平衡条件：得：振幅平衡条件：相位平衡条件：相位平衡条件：构成正反馈。构成正反馈。ifUU和1bfUU1bbbf FAUUFAUU21nAFFA1eee)( jjjFAFAFAFAFA1FA,.1 , 02nnFA，4.2 振荡平衡的条件振荡平衡的条件下面举例分析互感耦合反馈振荡器：下面举例分析互感耦合反馈振荡器：(不考虑不考虑 yre 的影响：的影响：)其中：其中：得到：相位、振幅平衡条件：得到：相位、振幅平衡条件：振幅平衡：振幅平衡：相位平衡：相位平衡：可得：可得：由：由：由图可知：由图可知：所以：所以：则由上式可得：则由上式可得：cbcfUUUUFFUUbc1pb

9、fe1pc1cZUYZIUp1bfebZUYFU：基波阻抗：基波；上式中，p1c1ZI1p1feZFYzzjc1cjp1p1eeIUZZFFYYjjfefee,e1e)j(p1fep1fezZFYZFY.2 , 1 , 0, 2nnZFY1p1feZFY4.3 振荡器稳定的条件振荡器稳定的条件 （P151）指振荡器在外界因素的作用下，原振幅指振荡器在外界因素的作用下，原振幅平衡条件被破坏之后，能自动地恢复原来的平衡条件被破坏之后，能自动地恢复原来的振幅平衡状态的能力。振幅平衡状态的能力。 我们知道我们知道A=f(U0) 是单调下降的，即随是单调下降的，即随着输出电压的增大，增益下降。着输出电压

10、的增大，增益下降。在在Q点处，点处，A=1/F 即即AF=1，满足振，满足振幅平衡条件。幅平衡条件。Q点是一个振幅平衡点。点是一个振幅平衡点。(1) 幅度稳定条件幅度稳定条件 若在外界因素下，振荡幅度若在外界因素下，振荡幅度U0上升至上升至Q 处，处， U0 U0Q, AF1 。于是振荡减弱，称为减幅振荡，使得。于是振荡减弱，称为减幅振荡，使得回到回到Q点上。点上。同理，在同理，在Q处，处， U0 1 ,为增幅振荡，为增幅振荡，振幅增大，使得振幅增大，使得:回到回到Q点上。点上。QQUUoQo ,4.3 振荡器稳定的条件振荡器稳定的条件所以，从上面的分析看：所以，从上面的分析看： Q点的斜率应

11、满足：点的斜率应满足：称为振幅稳定条件。在这一点是一个稳定的平衡点。称为振幅稳定条件。在这一点是一个稳定的平衡点。即即AUo曲线是单调下降的。曲线是单调下降的。否则，虽然也有平衡点，但不稳定，如下图，左图的否则，虽然也有平衡点，但不稳定，如下图，左图的B点。点。0|oQoUUoUA4.3 振荡器稳定的条件振荡器稳定的条件(2) 相位稳定条件相位稳定条件 是指振荡器相位平衡状态在外界因素作用下受到破是指振荡器相位平衡状态在外界因素作用下受到破坏时，可以重新建立新的平衡所需要的条件。坏时，可以重新建立新的平衡所需要的条件。 相位发生变化时，导致频率发生变化。相位发生变化时，导致频率发生变化。所以所

12、以相位稳定条件又称相位稳定条件又称频率频率稳定条件稳定条件: 在外界因素作用下，上述相位平衡条件遭到破坏，则在外界因素作用下，上述相位平衡条件遭到破坏，则产生一个产生一个 ，由此了产生一个，由此了产生一个 ，导致频率发生变化。，导致频率发生变化。t dd.2 , 1 , 0, 2nnZFY4.3 振荡器稳定的条件振荡器稳定的条件 如果振荡器本身能够在如果振荡器本身能够在 作用下，再产生一个作用下，再产生一个 来抵消上述的来抵消上述的 ，则可稳定。，则可稳定。 这时要求振荡器本身这时要求振荡器本身即即一般一般 与与 无关，即无关，即:相位稳定的条件是相位稳定的条件是: 即要求回路的相频特性必须具

13、有负的斜率，而并即要求回路的相频特性必须具有负的斜率，而并联振荡回路的相频特性曲线正好具有这样的特点。联振荡回路的相频特性曲线正好具有这样的特点。00)(ZFY0)(FYFY、0Z4.3 振荡器稳定的条件振荡器稳定的条件见图：是一条直线（是一条直线（ 因为因为 Y 和和 F 与与 无关）无关）交点交点Q1 ：在在Q1点上振荡器满足相位平衡点上振荡器满足相位平衡条件，相应的振荡频率为：条件，相应的振荡频率为： 1如果在外界因素作用下，使如果在外界因素作用下，使 YF 产生一个正的增量产生一个正的增量+ YF，振荡，振荡器回路便产生一个负的增量器回路便产生一个负的增量 Z ，抵消，抵消 YF 的影

14、响。的影响。 YF= Y+ F可产生变化，但可产生变化，但 不能自身使其回归。不能自身使其回归。 FYYF0ZYFZYF，即4.3 振荡器稳定的条件振荡器稳定的条件即：在在 Q2上重新平衡，但此时的上重新平衡，但此时的 我们希望我们希望 越小越好：越小，振荡频率就越稳定。越小越好：越小，振荡频率就越稳定。减小减小 的措施：的措施：尽量减小尽量减小 YF ，则在同样的，则在同样的 YF 作用下，可以降低作用下，可以降低 ；提高谐振回路的提高谐振回路的Q值，使值，使 的曲线更加陡峭，则在的曲线更加陡峭，则在同样的同样的 YF+ YF作用下，降低作用下，降低 。 振荡维持了，振荡维持了，频率却变了；

15、频率却变了；0ZYFZYFZZYFYF120Z4.3 振荡器稳定的条件振荡器稳定的条件由振荡器的相位平衡条件由振荡器的相位平衡条件 = Z + YF =0 可知：可知：若若 YF =0，则，则 Z =0 。这时振荡回路处于谐振状态，这时的。这时振荡回路处于谐振状态，这时的振荡频率就等于振荡回路固有振荡频率。振荡频率就等于振荡回路固有振荡频率。此时：此时：f = f0 实际振荡器中，实际振荡器中， YF总是存在的，只有大小的不同而已。总是存在的，只有大小的不同而已。而要使而要使 =0 ，则必须，则必须 Z 与与 YF大小相等，方向相反。大小相等，方向相反。即：振荡回路永远处于微失谐状态，而不是谐

16、振状态。即：振荡回路永远处于微失谐状态，而不是谐振状态。但在工程计算中，可以不考虑但在工程计算中，可以不考虑 YF的影响，把振荡回路当作的影响，把振荡回路当作谐振回路，这时谐振回路，这时f = f04.4 反馈型反馈型LC振荡器（又称三端式振荡器）振荡器（又称三端式振荡器）“ Three point” type oscillators三端式振荡器从回路抽取得反馈电压。三端式振荡器从回路抽取得反馈电压。对交流等效电路而言，由对交流等效电路而言，由LC回路引出三个端点分别接在晶体管回路引出三个端点分别接在晶体管得得b、c、e三极上，三极上，称之为称之为三端式振荡器三端式振荡器。4.4.1 构成三端

17、式振荡器的原则（相位判据）构成三端式振荡器的原则（相位判据）如图：如图：假设：假设： 不计晶体管的电抗效应；不计晶体管的电抗效应； LC回路由纯电抗组成，即：回路由纯电抗组成，即： 为了满足相位条件，回路引出的三个端为了满足相位条件，回路引出的三个端点应如何与晶体管的三个电极相连接？点应如何与晶体管的三个电极相连接？回路谐振时：回路谐振时：（此式可以估算谐振频率（此式可以估算谐振频率f0 ）放大器倒相放大器倒相180 反馈反馈Uf 和和U0必须反相，才能满足相位条件（正反馈）：必须反相，才能满足相位条件（正反馈）：有上面的两个式子可以得出结论有上面的两个式子可以得出结论: Xce和和Xbe必须

18、同性质，才能保证必须同性质，才能保证Uf和和Uo 反相。（否则反相。（否则F是负的）是负的） Xcb必须和必须和Xce、Xbe性质相反，这是三点式振荡器的相位判据。性质相反，这是三点式振荡器的相位判据。简单记忆：与简单记忆：与e极相连的电抗性质相同，另一个电抗性质相反。极相连的电抗性质相同，另一个电抗性质相反。cbcbbebececejjjXZXZXZ；0cbbeceXXXcbbeceXXXcebecebeofjjXXXIXIUUF4.4.1 构成三端式振荡器的原则（相位判据）构成三端式振荡器的原则（相位判据）实际中常用的有两种三端式振荡电路：实际中常用的有两种三端式振荡电路： 电感式三端电感

19、式三端Hartley 电容式三端电容式三端Colpitts1L2LC）哈哈特特莱莱电电路路（电电感感三三点点式式Hartley1C2CL）考考毕毕兹兹电电路路（电电容容三三点点式式Colpitts4.4.2 电感反馈型电感反馈型LC振荡器（振荡器（ Hartley电感三端式）电感三端式）上面图上面图3-7等效为图等效为图3-8，由其构成知：，由其构成知：显然显然满足相位平衡条件满足相位平衡条件。4.4.2 电感反馈型电感反馈型LC振荡器（电感三端式）振荡器（电感三端式）下面讨论振荡器的振荡频率和电压反馈系数。下面讨论振荡器的振荡频率和电压反馈系数。 考虑电感间互感影响考虑电感间互感影响 M 0

20、 不考虑电感间互感影响不考虑电感间互感影响M = 0 电感三端的特点电感三端的特点: 易起振，调整易起振，调整 f 方便，适合于波段工作；方便，适合于波段工作； 对谐波的抑制能力差，造成输出波形不好。对谐波的抑制能力差，造成输出波形不好。因为因为Uf取自取自L2 ，电感对高次谐波是高阻抗。，电感对高次谐波是高阻抗。缺点是：频率高时，晶体管的输入输出电容并联在电感量小的电感上，改缺点是：频率高时，晶体管的输入输出电容并联在电感量小的电感上，改变回路的特性，会使电路不能起振。变回路的特性，会使电路不能起振。所以适合于几十所以适合于几十MHz的振荡器。的振荡器。 L1和和 L2之间有互感，易起振，改

21、变之间有互感，易起振，改变C可以可以方便的改变方便的改变f。121212210)(j)(j)2(21NNMLMLMLIMLIUUFMLLCfcf5 . 01 . 0)(2112210取FLLFLLCf4.4.3 电容反馈型电容反馈型LC振荡器（电容三端式）振荡器（电容三端式）由其构成可知满足相位平衡条件。由其构成可知满足相位平衡条件。又称考毕兹（又称考毕兹（ Colpitts ）电路。）电路。振荡频率：振荡频率：电压反馈系数：电压反馈系数：2121021CCCCCLCf；，一般取得较小。取101. 01j1j2112cfFCCICICUUF4.4.3 电容反馈型电容反馈型LC振荡器（电容三端式

22、）振荡器（电容三端式）Colpitts 电路特点：电路特点：对谐波的抑制能力强，振荡波形好；对谐波的抑制能力强，振荡波形好； 优点优点调整工作频率不方便，适合某一固定频率。调整工作频率不方便，适合某一固定频率。缺点缺点缺点：缺点：改变频率，用可调电容，但这样又使改变频率，用可调电容，但这样又使 F=C2/C1 变化，变化，一旦调节不当，一旦调节不当，F过小，就会停振。过小，就会停振。为了保证起振，增加反馈系数为了保证起振，增加反馈系数F，则要减小，则要减小C2，则，则1/(n C2) ，对高频谐波的抑制能力下降。所以，对高频谐波的抑制能力下降。所以F大小要适中。大小要适中。晶体管的输入、输出电

23、容与回路电容并联。为了减小对晶体管的输入、输出电容与回路电容并联。为了减小对 f0 的的影响，可以适当增加回路电容值以提高频率稳定度。影响，可以适当增加回路电容值以提高频率稳定度。在振荡频率高时，有时可以不用回路电容，直接用晶体管的在振荡频率高时，有时可以不用回路电容，直接用晶体管的输入、输出电容构成振荡电路，可达数百输入、输出电容构成振荡电路，可达数百MHz。4.4.4 高稳定高稳定LC振荡器振荡器普通电容三端式等效电路：普通电容三端式等效电路： 若若C1 Coe和和C2 Cie则这时则这时 图图3-16中，中， Coe为晶体管输出电容为晶体管输出电容Cie为晶体管输出电容。为晶体管输出电容

24、。 Cie和和Coe温度特性不稳定，使得频率温度特性不稳定，使得频率f0 的稳定度变化。的稳定度变化。可以减弱可以减弱Cie和和Coe对频率对频率f0的影响。的影响。由图可见：由图可见：Coe和和C1并联；并联； Cie和和C2 并联。并联。 则有：则有： ie2oe1ie2oe10)(21CCCCCCCCLf2121021CCCCLf4.4.4 高稳定高稳定LC振荡器振荡器但是存在问题：但是存在问题：回路电容回路电容C1和和C2不能无限加大，因为增大不能无限加大，因为增大C就得减小电感就得减小电感L，造成回路基波的谐振电阻减小，造成回路基波的谐振电阻减小:而使回路基波电压幅度下降，以至于满足

25、不了振幅平衡条件，而使回路基波电压幅度下降，以至于满足不了振幅平衡条件，严重时会停振。严重时会停振。减弱减弱Cie和和Coe的影响最有效的办法是减弱晶体管和振荡回路之的影响最有效的办法是减弱晶体管和振荡回路之间的耦合，但是也不太容易做到。间的耦合，但是也不太容易做到。另一个方法是隔离，就是令另一个方法是隔离，就是令f0 和和 Cie及及Coe无关。无关。即两种改进的电容三端振荡器即两种改进的电容三端振荡器clapp oscillator和和seiler Oscillator rCLrR2p4.4.4 高稳定高稳定LC振荡器振荡器 因为因为C3 和和L串联，称为串联电容反馈串联，称为串联电容反馈

26、三点式。用三点式。用C3 把把L和和C1、C2 隔开，使反隔开，使反馈系数由馈系数由 C1、C2决定，决定， 振荡频率由振荡频率由C3 和和L 决定。决定。C3满足的条件满足的条件:回路总电容：回路总电容：(1) 克拉拨振荡器克拉拨振荡器 clapp oscillator 由于由于f0和和C1、C2 无关，无关， C1、C2可以增大，提高频率的稳定度可以增大，提高频率的稳定度; 改变改变 C3 ，可以改变，可以改变f0 ，而不影响反馈系数，而不影响反馈系数F； 改变改变 C1、C2 可以改变可以改变F，而不影响，而不影响 0。 可见，可见，C3 越小，振荡器频率稳定度越高，但是越小，振荡器频率

27、稳定度越高，但是C3 太小，则太小，则不能满足振幅起振的条件，所以应有一个最小允许值。不能满足振幅起振的条件，所以应有一个最小允许值。3231CCCC，332111111CCCCC30311LCLCCC，4.4.4 高稳定高稳定LC振荡器振荡器L1C2C3CcRrpRce分析克拉拨振荡器分析克拉拨振荡器 看一下晶体管看一下晶体管c、e两端的等效电阻两端的等效电阻RC。电路等效为：。电路等效为：折合到折合到ce端：端：由：由：得：得：图中：图中：再看：再看：2300000242233110100111()cCQLQRQLCCLL C 可见，调节可见，调节C3 改变频率时，改变频率时， RC 变化

28、很大，在频率高端停振。变化很大，在频率高端停振。增大增大 C1 时，也是会产生上述问题。所以时，也是会产生上述问题。所以 C1、C3 应取恰当的值。应取恰当的值。10MHz工作频率：工作频率： C1、C2取数千取数千pF；低于低于100kHz时时: C1、C2取数万取数万pF。由于克拉拨电路波段内不均匀，故克拉拨振荡器的波段覆盖系数不大：由于克拉拨电路波段内不均匀，故克拉拨振荡器的波段覆盖系数不大：所以克拉拨电路所以克拉拨电路适合于固定振荡器。适合于固定振荡器。LQrR002pp2ccRPR131cCCCCPLQCCR00213c停振CC3URCLC301LC20313 . 12 . 1min

29、maxffkd4.4.4 高稳定高稳定LC振荡器振荡器(2)西勒振荡器西勒振荡器 seiler Oscillator 为了克服调节为了克服调节C3 改变频率，影响起振，在改变频率，影响起振，在L上并联电容上并联电容C4 ，且满，且满足：足：C4C1, C40 电感耦合式电感耦合式 F 为负值，为负值， F 0 互感耦合振荡器互感耦合振荡器 F 0因为因为 Y 总是负值（总是负值（ F 0 ），所以电容三端式的），所以电容三端式的| YF| 较小，电感三端较小，电感三端式式| YF|较大。较大。因而在高频段的振荡器，几乎毫无例外的采用电容三端式因而在高频段的振荡器，几乎毫无例外的采用电容三端式振

30、荡器振荡器。4.6 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 （Quartz） Crystal Oscillator以上分析知，以上分析知，LC振荡器的频率稳定度取决于回路元件参量和振荡器的频率稳定度取决于回路元件参量和Q值。值。由于由于L、C元件的偏差及回路元件的偏差及回路Q值一般不超过值一般不超过300，所以，所以LC振荡振荡器的日频率稳定度为器的日频率稳定度为 10-2 10-3 ，改进型克拉拨电路、西勒电路是，改进型克拉拨电路、西勒电路是10-4 。而应用中，广播发射机要求日频率稳定度优于而应用中，广播发射机要求日频率稳定度优于1.510-5； 单单边带发射机的日频率稳定度优于边带发射机的日频率稳

31、定度优于10-6，作为频率标准的振荡器其频，作为频率标准的振荡器其频率稳定度高达率稳定度高达10-8 10-9量级甚至更高。量级甚至更高。LC振荡器无能为力。振荡器无能为力。石英晶体具有极高的稳定性和品质因数（几万几百万），可石英晶体具有极高的稳定性和品质因数（几万几百万），可使振荡器的稳定度提高到使振荡器的稳定度提高到10-5 10-6 数量级；若采用恒温措施，可数量级；若采用恒温措施，可达达10-7 10-9 数量级；双层恒温可达数量级；双层恒温可达 10-9 10-11 数量级。数量级。缺点：晶振只工作于点频，不能大范围内变化频率。缺点：晶振只工作于点频，不能大范围内变化频率。 随着随着

32、频率合成频率合成技术的发展，已经很好解决该问题。技术的发展，已经很好解决该问题。4.6.1 石英谐振器的性能和等效电路石英谐振器的性能和等效电路(1) 石英晶体的物理性能石英晶体的物理性能: 石英晶体的化学成分是石英晶体的化学成分是SiO2 ，形状是结晶的六棱锥体。如图，右图是横，形状是结晶的六棱锥体。如图，右图是横截面图，为说明方便，画出三种几何对称轴。截面图，为说明方便，画出三种几何对称轴。ZZ轴：光轴，连接两个角锥的顶轴：光轴，连接两个角锥的顶点，具有光的极化作用；点，具有光的极化作用；XX轴：电轴，垂直于轴：电轴，垂直于ZZ轴，连轴，连接横截面的三个对角线；接横截面的三个对角线；YY轴

33、：机械轴，垂直于轴：机械轴，垂直于ZZ轴，轴，垂直于六边形的六个边。垂直于六边形的六个边。 石英晶体振荡器的石英晶片或石英棒都是按一定的方位从石英晶体中石英晶体振荡器的石英晶片或石英棒都是按一定的方位从石英晶体中切割出来的。切割的方位不同，所得晶体片或棒的特性各异，主要是频率、切割出来的。切割的方位不同，所得晶体片或棒的特性各异，主要是频率、温度特性、等效电路的参数不同。按一定的方位切割出来的石英晶片称温度特性、等效电路的参数不同。按一定的方位切割出来的石英晶片称*切型。例如广泛应用的有：切型。例如广泛应用的有：AT、BT、CT、DT、ET、GT、NT等。应用等。应用最多的是最多的是AT切型（

34、切型（ =35 ），其频率特性较好，温度从），其频率特性较好，温度从5585，频率变化较小，不超过频率变化较小，不超过(0.2-0.6) 10-6/ 。4.6.1 石英谐振器的性能和等效电路石英谐振器的性能和等效电路AT切型是三次曲线切型是三次曲线:其它都是向下的二次曲线（有顶其它都是向下的二次曲线（有顶点）。在曲线顶点上，各曲线温点）。在曲线顶点上，各曲线温度系数为度系数为0，恒温就选该点。，恒温就选该点。(2) 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应:正压电效应：在某方向上加上一个压力，正压电效应：在某方向上加上一个压力，则在垂直方向的表面产生一个电场；则在垂直方向的表面产生一个电场； 逆压

35、电效应：加电场，垂直方向产生应逆压电效应：加电场，垂直方向产生应变。变。二者互为因果关系。二者互为因果关系。可以看出以下三个结论：可以看出以下三个结论： ；Qq非常大：非常大：Lq大，大，Cq和和rq非常小；非常小；4.6.1 石英谐振器的性能和等效电路石英谐振器的性能和等效电路 当交流电加到晶体两端，晶体先随电压变化产生应变，然后当交流电加到晶体两端，晶体先随电压变化产生应变，然后机械振动反过来又在晶片表面产生交变电荷。当晶片的几何尺寸机械振动反过来又在晶片表面产生交变电荷。当晶片的几何尺寸和结构一定时，它本身有一个固定的机械振动频率。外加电压的和结构一定时，它本身有一个固定的机械振动频率。

36、外加电压的频率等于晶片固有的机械振动频率时，产生谐振。频率等于晶片固有的机械振动频率时，产生谐振。(3) 石英谐振器的等效电路及电抗特性石英谐振器的等效电路及电抗特性:Lq:动态电感动态电感,10-3-10-2H,较大；较大；Cq:动态电容动态电容, 10-4-10-1pF ，较小；，较小；rq :动态电阻动态电阻,1至几欧至几欧,较小（振动时较小（振动时的摩擦损耗）的摩擦损耗）;C0:静态电容，电极、支架、引线电静态电容，电极、支架、引线电容总和，约几容总和，约几pF;石英谐振器可等效为串联谐振电路石英谐振器可等效为串联谐振电路qqqqrCLQ 因为因为Cq q时时， p时，时，jXe0呈容

37、呈容性；性；当当 = q时时，Ze=0，Lq，Cq支路串联谐振；支路串联谐振；当当 q 0呈感性，呈感性， 等效电感为：等效电感为： 电感量随电感量随 而变化而变化.当当 = p 时时，Ze，C0，Lq，Cq并联谐振；并联谐振；)111(jj)jj ()jj ()j(j22p22q00qqqq0eeCCCLCLCXZ22p22q02e111CL4.6.1 石英谐振器的性能和等效电路石英谐振器的性能和等效电路 由于由于fq 和和fp间隔小，呈间隔小，呈感性，感性， 电抗曲线陡峭，工作电抗曲线陡峭，工作在这段频率上，有利于稳频在这段频率上，有利于稳频（斜率大，稳频）。（斜率大，稳频）。 由于由于L

38、e 是频率的函数，是频率的函数， 上升，使上升，使 Le上升，又使上升，又使下降下降 。 容性区不宜使用容性区不宜使用。4.6.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器有两大类：串联谐振元件和并联谐振元件。有两大类：串联谐振元件和并联谐振元件。(1) 并联晶体振荡器并联晶体振荡器 和一般和一般LC振荡器相同，把晶体作为一个感性元件构成三端式。振荡器相同，把晶体作为一个感性元件构成三端式。 由于密勒电路晶体管由于密勒电路晶体管be间输入阻抗间输入阻抗小，所以常用输入阻抗高的场效应管。小，所以常用输入阻抗高的场效应管。4.6.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器三端式已分析过，下面以皮尔斯电路为例，说明几个问

39、题。三端式已分析过，下面以皮尔斯电路为例，说明几个问题。负载电容；是并联在石英谐振器两端的外电路电容，是由生产厂商给定的。负载电容；是并联在石英谐振器两端的外电路电容，是由生产厂商给定的。产品说明书上都标有负载电容的数值，如产品说明书上都标有负载电容的数值，如JA5小型金属壳高频晶体的小型金属壳高频晶体的CL=30pF ,低频晶体的低频晶体的 CL=100pF（ 晶体外电容的规范）晶体外电容的规范） fq：石英谐振器的串联谐振频率；：石英谐振器的串联谐振频率； fp：石英谐振器的并联谐振频率；：石英谐振器的并联谐振频率； fN ：为考虑负载电容后，晶体振荡器的标称频率。：为考虑负载电容后，晶体

40、振荡器的标称频率。4.6.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器晶体串联微调电容晶体串联微调电容Ct ：由由：调节调节Ct ，可以调节，可以调节CL 。 Ct 减小了晶体管和石英晶体之间的耦合，有利于减小了晶体管和石英晶体之间的耦合，有利于提高稳定度。提高稳定度。 C1和和C2的选择的选择: C1和和C2 选大些，高次谐波易滤掉，波形好。但从皮尔斯振荡器的起振条件选大些，高次谐波易滤掉，波形好。但从皮尔斯振荡器的起振条件:可知可知 C1和和C2 越大，起振越困难。此外，越大，起振越困难。此外， C1和和C2 的选取应尽量减小的选取应尽量减小CL的影响。的影响。CtJTC2C1调节调节Ct 可使振荡频

41、率等于可使振荡频率等于fN 。 虽然晶体的物理、化学性质稳定，但温虽然晶体的物理、化学性质稳定，但温度变化，度变化， 有缓慢变化，需要调节。有缓慢变化，需要调节。 一般一般F 0.5 ， 对对5M晶振：晶振： C1和和C2 一般取一般取250500pF; 对对2.5M晶振：晶振： C1和和C2 一般取一般取6501100pF;ttLCCCCC1111121)()(212minqeemrrrCCg4.6.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器皮尔斯电路皮尔斯电路,忽略晶体管极间参数及忽略晶体管极间参数及rp的影响，等效如图的影响，等效如图(b)。 0近似为：近似为： 因为因为 0非常稳定，非常稳定，C

42、0+CLCq ，所以，所以CL的不稳定引起的频率变化很小。的不稳定引起的频率变化很小。 当然当然CL应选温度系数小，性能稳定，损耗小的优质电容，如云母应选温度系数小，性能稳定，损耗小的优质电容，如云母D组（这是组（这是稳频因素之一）。稳频因素之一）。 稳频原理说明：稳频原理说明：LLLCCCCCCCCCL0qqq00qq01)(14.6.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器振荡器回路和晶体管之间的耦合弱：振荡器回路和晶体管之间的耦合弱： 由图（由图（c）可见，外电路只与）可见，外电路只与C0耦合，所以晶体管耦合，所以晶体管Cb两端的接两端的接入系数为：入系数为：因而大大减小了不稳定参量对石英谐振器

43、等效参量的影响（这因而大大减小了不稳定参量对石英谐振器等效参量的影响（这是稳频因素之二）。是稳频因素之二）。qqLqLqLqCCCCLCCCCCP0430cb)(1010两端折合到把4.6.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器耦合弱，能否引起谐振呢？耦合弱，能否引起谐振呢？其中其中,从从ce看进去的谐振阻抗为：看进去的谐振阻抗为：为把为把cb两端折到两端折到ce端的接入系数端的接入系数为把为把Lq 端折到端折到cb端的接入系数端的接入系数而而Qp和和 都很大。都很大。例如：例如：BA12型型2.5M晶振，晶振，可见，尽管接入系数只有万分之一，但振荡管可见，尽管接入系数只有万分之一，但振荡管ce间的

44、谐振阻抗高达间的谐振阻抗高达106 级（级（M）。）。由于回路阻抗几千欧就可满足振荡条件，所以耦合再弱些，也能起振。由于回路阻抗几千欧就可满足振荡条件，所以耦合再弱些，也能起振。qqcbcepQPPR22211ceCCCPqLqCCCCP0cb)(qqqCL62864cbce0105 . 81004. 3108 . 2210,5,110qqcbcepqqqqqqqQPPRCLrLfQPPPpFCr）（很小）假设4.6.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器f0eXpfqf石英谐振器具有极灵敏的电抗补偿能力：石英谐振器具有极灵敏的电抗补偿能力： 在在 q p 之间，石英谐振器等效成感抗，所以振荡频率应由等效电之间，石英谐振器等效成感抗，所以振荡频率应由等效电感感Le ( )及并联电容及并联电容CL确定，即：确定，即： 所以在所以在 q p 间，感抗曲线极间，感抗曲线极陡峭。由于感抗曲线对频率有陡峭。由于感抗曲线对频率有极大的变化速率极大的变化速率 ，稳频的能