振荡器频率稳定问题晶体振荡器等

1、5.1 引 言5.2 LC 振荡器的基本工作原理5.3 LC 振荡器的电路分析5.4 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 5.4.1 频率稳定度的计量频率稳定度的计量 5.4.2 导致振荡频率不稳定的原因导致振荡频率不稳定的原因 5.4.3 主要稳频措施主要稳频措施5.5 晶体振荡器晶体振荡器 5.5.1 石英谐振器的基本特性石英谐振器的基本特性 5.5.2 晶体振荡电路晶体振荡电路5.6 负阻振荡器（*）5.7 RC 振荡器与开关电容振荡器（*）5.8 特殊振荡现象（*）2001年9月-12月15.4.1 频率稳定度的计量频率稳定度的计量对振荡器频率性能的要求，通常用频率准确度和频率稳定度

2、对振荡器频率性能的要求，通常用频率准确度和频率稳定度来衡量。来衡量。 频率准确度又称频率精度频率准确度又称频率精度 绝对频率准确度绝对频率准确度 f ：它表示振荡频率它表示振荡频率 f 偏离标称频率偏离标称频率的程度。的程度。0f 相对频率准确度：相对频率准确度：为了合理评价不同标称频率振荡器的频率偏差，频率准确度也可用其相对值频率准确度也可用其相对值 来表示。来表示。0/ ff000fffff2001年9月-12月2 频率稳定度频率稳定度则是指在一定一定观测时间内观测时间内，由于各种因素由于各种因素变化，引起振荡频率相对于变化，引起振荡频率相对于标称频率变化的程度。标称频率变化的程度。时间间

3、隔/0max0fff （1）长期频率稳定度（长稳）长期频率稳定度（长稳）观测时间为一天以上的稳定度称为长期频率稳定度观测时间为一天以上的稳定度称为长期频率稳定度。一般高精度的频率基准、时间基准（如天文观测台、国家计时台等）均采用长期频率稳定度来计量频率源的特性。（2）短期频率稳定度（短稳）短期频率稳定度（短稳）观测时间在一天以内如以小时计量的频率稳定度。大多数电子观测时间在一天以内如以小时计量的频率稳定度。大多数电子设备和仪器均采用短稳来衡量。设备和仪器均采用短稳来衡量。（3）瞬时频率稳定度（秒级频率稳定度）瞬时频率稳定度（秒级频率稳定度）瞬时频率稳定度用于衡量秒或毫秒时间内频率的随机变化。瞬

4、时频率稳定度用于衡量秒或毫秒时间内频率的随机变化。这些变化均由设备内部噪声或各种突发性干扰所引起。这些变化均由设备内部噪声或各种突发性干扰所引起。2001年9月-12月3举例：举例：LC 普通信号普通信号 中波中波 短波短波 电视电视 标准信号标准信号 原子钟原子钟 振荡器振荡器 发生器发生器 广播台广播台 通信机通信机 发射台发射台 发生器发生器 频率标准频率标准13111010971010710554101051024310104310102001年9月-12月4f220f01foh 能使环路相位平衡条件得以满足的能使环路相位平衡条件得以满足的频率即为该振荡器的振荡频率频率即为该振荡器的振

5、荡频率与回路自然振荡频率与回路自然振荡频率 、回路有、回路有效效 Q 值以及环路附加相移值以及环路附加相移 的关的关系可写成：系可写成：01f0fh)(0010Qtgh)2(1010001hntgQffff 外因：温度变化外因：温度变化 、电压变化、电压变化 、负载变化、负载变化 。)(0f)(h)( Q 内因：相位平衡条件。内因：相位平衡条件。2001年9月-12月51. 影响影响 （或（或 ）的主要因素）的主要因素0f0f220f01fo02f 各种环境因素如温度、湿度、大气各种环境因素如温度、湿度、大气压力、振动等因素对回路电感压力、振动等因素对回路电感L和电和电容容C的影响。的影响。

6、晶体管或其它器件的输入、输出阻晶体管或其它器件的输入、输出阻抗的变化。抗的变化。 电路元件间分布电容的变化。电路元件间分布电容的变化。 负载电抗参数的变化。负载电抗参数的变化。2001年9月-12月62. 影响环路影响环路 Q 值的因素值的因素f220f01fo02f21QQ 1Q2Q 器件输入、输出阻抗中的有功器件输入、输出阻抗中的有功部分。部分。 负载电阻的变化。负载电阻的变化。 回路损耗电阻尤其是电抗元件回路损耗电阻尤其是电抗元件的高频损耗，环路元器件的高频的高频损耗，环路元器件的高频响应等。响应等。2001年9月-12月73. 影响影响 的因素的因素hf220f01f1h事实上，还有许

7、多其它原因，通事实上，还有许多其它原因，通过上述三途径对振荡频率的稳定过上述三途径对振荡频率的稳定性起着不良影响。性起着不良影响。o2h02f 反馈变压器的非理想电抗因素。反馈变压器的非理想电抗因素。 晶体管的输入阻抗和输出阻抗。晶体管的输入阻抗和输出阻抗。 晶体管的晶体管的 值可为复数。值可为复数。 环路内各种噪声源引起的相差环路内各种噪声源引起的相差抖动等。抖动等。2001年9月-12月81. 提高谐振回路的标准性提高谐振回路的标准性 回路的标准性是指在外界因素如温度、湿度、大气压力等变化回路的标准性是指在外界因素如温度、湿度、大气压力等变化时，谐振回路保持其谐振频率固定不变的能力。标准性

8、越高，时，谐振回路保持其谐振频率固定不变的能力。标准性越高，回路自然谐振频率随环境条件变化的可能性就越小。回路自然谐振频率随环境条件变化的可能性就越小。 提高回路标准性的主要措施是提高回路标准性的主要措施是选用高品质因数、高稳定性和选用高品质因数、高稳定性和低温度系数、低吸水性的电容器与电感器。低温度系数、低吸水性的电容器与电感器。 等号右边的负号表示频率变化的方向与电抗变化的方向刚好等号右边的负号表示频率变化的方向与电抗变化的方向刚好相反。如电感量加大，振荡频率将降低。相反。如电感量加大，振荡频率将降低。CCLL21002001年9月-12月9 温度补偿法和温度隔离法温度补偿法和温度隔离法：

9、引起电抗元件电感量和电容量：引起电抗元件电感量和电容量变化最明显的环境因素是温度的变化。变化最明显的环境因素是温度的变化。 温度补偿法：用具有负温度系数的瓷介电容器，接入由普温度补偿法：用具有负温度系数的瓷介电容器，接入由普通的具有正温度系数的电感和电容组成的谐振回路。通的具有正温度系数的电感和电容组成的谐振回路。 温度隔离法：将关键电抗元件置于特制的恒温槽内，使槽内的温度隔离法：将关键电抗元件置于特制的恒温槽内，使槽内的温度基本上不随外界环境温度的变化。温度基本上不随外界环境温度的变化。 利用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容构成的电利用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容构成的电

10、磁谐振系统磁谐振系统，它是高稳频率源的一个重要形式。，它是高稳频率源的一个重要形式。由于这种谐振系统构成的振荡器，不但频率稳定性、频率准确由于这种谐振系统构成的振荡器，不但频率稳定性、频率准确度高，而且体积、耗电均很小，因此，在许多领域已被广泛地度高，而且体积、耗电均很小，因此，在许多领域已被广泛地采用。采用。2001年9月-12月102. 削弱不稳定因素对谐振特性的影响削弱不稳定因素对谐振特性的影响 晶体管的参数稳定晶体管的参数稳定：晶体管的参数（输入输出阻抗等）受：晶体管的参数（输入输出阻抗等）受工作点的影响较大，因此注意工作点的影响较大，因此注意选择工作点稳定电路与良好的选择工作点稳定电

11、路与良好的稳压电路。稳压电路。 选择回路与器件间的接入系数：晶体管的输入输出阻抗、选择回路与器件间的接入系数：晶体管的输入输出阻抗、外接负载阻抗、各种分布电容和引线电感都是影响回路标准外接负载阻抗、各种分布电容和引线电感都是影响回路标准性的重要因素。因此性的重要因素。因此选择回路与器件间的接入系数，选择合选择回路与器件间的接入系数，选择合适的回路与负载间的耦合系数，适的回路与负载间的耦合系数，尽可能减小不稳定的分布电尽可能减小不稳定的分布电容和引线电感的影响，对于提高频率稳定性是十分重要的。容和引线电感的影响，对于提高频率稳定性是十分重要的。 外接负载阻抗：为了减小负载对振荡器的影响，外接负载

12、阻抗：为了减小负载对振荡器的影响，振荡器后振荡器后一一般都般都接有缓冲级接有缓冲级例如高输入阻抗的例如高输入阻抗的跟随器跟随器（发射极输出器）。（发射极输出器）。如必须直接连接时，也应采用变比较大的如必须直接连接时，也应采用变比较大的降压变压器，或分压降压变压器，或分压比很小的电容分压网络再与其它负载相联接比很小的电容分压网络再与其它负载相联接。2001年9月-12月11 采用改进型的电路（克拉泼和西勒电路）采用改进型的电路（克拉泼和西勒电路）：减小振荡管自：减小振荡管自身的输入、输出阻抗对回路性能即振荡频率的影响。身的输入、输出阻抗对回路性能即振荡频率的影响。特别是在三点式振荡电路中，器件三

13、个端口的等效阻特别是在三点式振荡电路中，器件三个端口的等效阻抗抗 、 、 直接与回路三个电抗元件相连接，直接与回路三个电抗元件相连接，由于器件端口等效阻抗的稳定性很差，且随工作状态改变而由于器件端口等效阻抗的稳定性很差，且随工作状态改变而改变，其频率稳定度的提高受到严重的影响。改变，其频率稳定度的提高受到严重的影响。ceZbeZcbZ 谐振回路的选择：谐振回路的选择：选择高品质因数的谐振回路（石英谐振选择高品质因数的谐振回路（石英谐振器）。器）。2001年9月-12月12 压电和反压电效应压电和反压电效应：石英是一种具有晶体结构、外形呈角椎：石英是一种具有晶体结构、外形呈角椎形六棱体的矿物质。

14、按某种方式将其切割成薄片，对薄片某两形六棱体的矿物质。按某种方式将其切割成薄片，对薄片某两侧面施加外力使其产生形变（压缩或伸长）则薄片另两侧将出现侧面施加外力使其产生形变（压缩或伸长）则薄片另两侧将出现正、负电荷的集聚，该正负电荷的电荷量相等，并与石英的形变正、负电荷的集聚，该正负电荷的电荷量相等，并与石英的形变量成正比。反之，在晶片两侧加一电压使之形成电场，则石英量成正比。反之，在晶片两侧加一电压使之形成电场，则石英片晶格中偶极子由于电场力的作用，将使薄片产生机械形变。片晶格中偶极子由于电场力的作用，将使薄片产生机械形变。石英谐振器石英谐振器(晶体）晶体）：利用石英晶体压电效应制成的谐振器件

15、。：利用石英晶体压电效应制成的谐振器件。在石英片两侧形成两个与外电路连接的电极，并把电极固定在支在石英片两侧形成两个与外电路连接的电极，并把电极固定在支架上，再加以合适的封装。架上，再加以合适的封装。晶体振荡器突出的优点是频率稳定度和准确度很高频率稳定晶体振荡器突出的优点是频率稳定度和准确度很高频率稳定度可以比较容易地实现度可以比较容易地实现 .对晶体施加恒温控制，还可提对晶体施加恒温控制，还可提高到高到 数量级。目前晶体振荡器频率稳定度的极限是数量级。目前晶体振荡器频率稳定度的极限是 。641010871010131210102001年9月-12月13晶体对振荡频率的控制晶体对振荡频率的控制

16、晶体接入振荡环路，并以一定频率的交变电压激发，使其产晶体接入振荡环路，并以一定频率的交变电压激发，使其产生机械形变时，该机械形变也会同时激发起频率相同的具有生机械形变时，该机械形变也会同时激发起频率相同的具有电荷性质的变化。而此电荷性质的变化以电压或电流的形式电荷性质的变化。而此电荷性质的变化以电压或电流的形式通过放大的反馈网络重新作用到石英片上，补充振荡过程中通过放大的反馈网络重新作用到石英片上，补充振荡过程中的能量消耗，则环路就可以建立一等幅的正弦振荡。这种以的能量消耗，则环路就可以建立一等幅的正弦振荡。这种以机械形变激发电振荡，以电振荡促成机械形变的过程就构成机械形变激发电振荡，以电振荡

17、促成机械形变的过程就构成了晶体对振荡频率的控制了晶体对振荡频率的控制2001年9月-12月141. 石英谐振器的等效电路石英谐振器的等效电路晶体晶体1qL1qL1qC1qC1qr1qr0C0C qnLqnCqnr其中： 大体反映石英片的质量；大体反映石英片的质量；qL几十几十几百亨；几百亨；反映其材料的刚性；反映其材料的刚性； ；qCPF431010等效石英片产生机械形变时材料的能耗；几百欧；等效石英片产生机械形变时材料的能耗；几百欧；qr称为石英谐振器的并联电容，它相当于以石英片为称为石英谐振器的并联电容，它相当于以石英片为介质、以两电极为极板的平板电容器的电容量和支介质、以两电极为极板的平

18、板电容器的电容量和支架电容、引线电容的总和。几架电容、引线电容的总和。几几十几十 。 0CPF返回返回2001年9月-12月152. 石英谐振器的谐振频率石英谐振器的谐振频率)(X0q12p如令如令 为不考虑晶体内部为不考虑晶体内部损耗（即损耗（即 = 0）时石英谐）时石英谐振器的串联谐振频率；振器的串联谐振频率；Q为为石英谐振器的等效品质因数；石英谐振器的等效品质因数；p为接入系数，其数值分别为：为接入系数，其数值分别为：qqrqqqrLQ00CCCCCpqqqqqqCLf210021CCCCLfqqqp上图上图返回返回2001年9月-12月163. 石英谐振器的基本特性石英谐振器的基本特性

19、 很高的等效品质因数很高的等效品质因数 Q ：石英谐振器最大的特点是具有很大石英谐振器最大的特点是具有很大的等效电感量和很小的损耗电阻。或者说石英谐振是具有很高的等效电感量和很小的损耗电阻。或者说石英谐振是具有很高的等效品质因数。（的等效品质因数。（ ）651010 很小的接入系数很小的接入系数 P：当外界电抗元件与之相连接时，对石英当外界电抗元件与之相连接时，对石英谐振器的固有谐振特性的影响是十分微弱的。（谐振器的固有谐振特性的影响是十分微弱的。（ ）310 具有两个谐振频率具有两个谐振频率 和和 ：qfpf 两个谐振频率十分接近：两个谐振频率十分接近：qqppffff21举例：举例： 2.

20、5MHz石英谐振器的接入系数石英谐振器的接入系数 p=4.210-5故串并联谐振频率绝对频差为：故串并联谐振频率绝对频差为：)(5 .522112Hzpffffq 石英谐振器的两种工作方式：石英谐振器的两种工作方式：高高 Q 短路线短路线 ( ) ;等效等效 L 。qf等效等效 L：两个谐振频率两个谐振频率 和和 之间。之间。 qfpf上图上图2001年9月-12月17 三种反馈振荡器：三种反馈振荡器： 电路中当晶体代替三点式振荡器中的电感时，为电路中当晶体代替三点式振荡器中的电感时，为并联型晶体并联型晶体振荡电路。晶体在振荡环路中起着高振荡电路。晶体在振荡环路中起着高 Q 电感器的作用。电感

21、器的作用。1C2CTJ2CTJ(a) 皮尔斯（pirce）电路(b) 密勒（Miller）电路 电路中当串联谐振元件用，为电路中当串联谐振元件用，为串联型晶体振荡电路。晶体串联型晶体振荡电路。晶体则起着具有高则起着具有高 Q 短路器作用。短路器作用。 泛音晶体振荡器：利用石英谐振器的泛音振动特性对频率泛音晶体振荡器：利用石英谐振器的泛音振动特性对频率实行控制的振荡器称为泛音晶体振荡器。这种振荡器可以将实行控制的振荡器称为泛音晶体振荡器。这种振荡器可以将振荡频率扩展到甚高频以至超高频频段。振荡频率扩展到甚高频以至超高频频段。2001年9月-12月18（1）皮尔斯（）皮尔斯（C-B）电路电路1bR

22、bCCCV2bReR2C1CRFCqLqCqr0CCEBCBE如令 ， 是 和（ + ）的串联。2121CCCCCLCqC0CLCLqqLqLqqqCCCCCCCCCLCL00001)()(111C2CTJ2001年9月-12月19LqqLqLqqqCCCCCCCCCLCL00001)()(11由于由于 ，（，（ ）10LqCCCXX211)1 (211X)(2100LqqCCC 石英晶体参数具有高度稳定性，石英晶体参数具有高度稳定性， 很稳定，很稳定， 也很稳定。也很稳定。q0)(0LqCCC 由于由于 ，石英谐振器是等效为电感，石英谐振器是等效为电感 L 用。用。q0 振荡回路的振荡频率近

23、似等于振荡回路的振荡频率近似等于 。q 讨论：讨论： 由于由于 ，振荡管与石英谐振器之间耦合很松。，振荡管与石英谐振器之间耦合很松。2001年9月-12月20 注意三种频率：注意三种频率： 石英谐振器的石英谐振器的振荡频率：振荡频率：qqqCLf210021CCCCLfqqqp 振荡回路的振荡频率：振荡回路的振荡频率：)(2100LqqCCC 并联型晶体振荡电路的振荡频率并联型晶体振荡电路的振荡频率 : 考虑考虑 的影响。的影响。Ch（2）密勒（）密勒（Miller）电路电路石英晶体石英晶体 被晶体管输入阻抗所并联被晶体管输入阻抗所并联,降低了降低了有有载品质因载品质因数数 Q ，降低了频率稳

24、定度，故密勒电路使用不多。降低了频率稳定度，故密勒电路使用不多。TJ2001年9月-12月21TJbCeR2C1C1bR2bRCCVCR3C2CCCLOLeR2C1C3COLCLOLOCqLqrqCqqqCLf21OOqCLf21串联谐振，高串联谐振，高 Q 短路器作用。短路器作用。并联谐振，去除并联谐振，去除 的不良影响。的不良影响。OC1CCTJ2001年9月-12月22 采用采用AT切割石英片的基频频率一般都限制在切割石英片的基频频率一般都限制在20MHz以下以下。因为此时石英片的厚度仅有0041mm，频率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的强度。 因此，要求更高的工作频率时，一般均

25、是泛音晶体，其泛音因此，要求更高的工作频率时，一般均是泛音晶体，其泛音次数通常选为次数通常选为37次泛音次泛音。泛音次数太高，晶体的性能也将显著下降。 石英晶体的机械谐波（泛音）和电路中谐波的区别：石英晶体的机械谐波（泛音）和电路中谐波的区别： 电路中谐波是基波的整数倍，是同时并存的。电路中谐波是基波的整数倍，是同时并存的。 泛音是基波的奇数倍，不能同时并存的。泛音是基波的奇数倍，不能同时并存的。2001年9月-12月232C1CLfX1次 3次 5次 7次 泛音晶体振荡器的振荡环路中泛音晶体振荡器的振荡环路中必须包含两个振荡回路。必须包含两个振荡回路。 其中一个作为放大器的选择性其中一个作为

26、放大器的选择性负载，即作泛音选择电路，该负载，即作泛音选择电路，该电路使环路仅在所限定的泛音电路使环路仅在所限定的泛音振荡频率上符合振荡的相位平振荡频率上符合振荡的相位平衡条件或振幅平衡条件衡条件或振幅平衡条件。111LC 泛音选择电路设计在泛音选择电路设计在 n 次泛次泛音和（音和（n-2） 次泛音之间。次泛音之间。 泛音晶体振荡器的振荡频率泛音晶体振荡器的振荡频率是是5次泛音，泛音选择电路设次泛音，泛音选择电路设计在计在 5 次泛音和次泛音和3 次泛音之间。次泛音之间。（5次泛音）TJ2001年9月-12月245-15：某广播发射机的主振器实际电路如图所示。试画出该电：某广播发射机的主振器实际电路如图所示。试画出该电路的交流等效