高频正弦波振荡器

1、 第四章第四章 高频正弦波振荡器高频正弦波振荡器退出n高频振荡器在通讯系统中用在哪些环节？上午12时34分2退出n4.1 反馈反馈振荡器的工作原理振荡器的工作原理n 4.2 LC振荡器振荡器n4.3 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度n4.4 石英晶体振荡石英晶体振荡器器n4.5 压控振荡器压控振荡器上午12时34分3退出本章要求n掌握振荡器的工作原理n掌握振荡器的起振条件和稳定条件n掌握LC振荡器三端电路的组成法则n了解稳频的方法n掌握石英晶体振荡器的优点和电路类型上午12时34分4退出4.1.1反反馈振荡器的工作原理馈振荡器的工作原理上午12时34分5n振荡器(oscillator)，是

2、一种不需外信号激励，自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号的能量转换电路。n这里的正弦波振荡器是带正反馈的运放电路 (又叫反馈振荡器)，输出波形为周期性的正弦波。它与一般信号放大器的主要区别在于, 无需外加激励信号。n正弦波振荡器(或振荡电路)能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。根据所产生的波形不同, 可将振荡器分成正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。退出振荡器分类正弦振荡低频正弦振荡器高频正弦振荡器微波振荡器非正弦波振荡器矩形波振荡器三角波振荡器锯齿波振荡器哪里用振荡电路？P11 图1.4.1,图1.4.2退出调幅广播发

3、射机的组成调幅广播发射机的组成2022-4-297退出调幅广播接收机的组成调幅广播接收机的组成2022-4-298退出上午12时34分9常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络、正反馈电路及放大器组成。n按照选频网络所采用元件的不同, 正弦波振荡器可分为LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型。其中LC振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波, RC振荡器用于产生低频正弦波。n正反馈放大器既可以由晶体管、 场效应管等分立器件组成, 也可以由集成电路组成, 但前者的性能可以比后者做得好些, 且工作频率也可以做得更高。返回返回退出振荡器的起振条件、平衡条件和稳定条件 振幅振幅的起振条件的起振条件是

4、表明振荡是增幅振荡，振荡由小增大，振荡能够建立起来。振幅振幅的的平衡条件平衡条件表明振荡是等幅振荡，振荡保持不变，处于平衡状态。振幅的稳定条件，是指振荡器振幅的平衡状态被破坏时，线路本身能重新建立起振幅平衡状态的条件。 相位起振和相位平衡条件一样，它表明反馈是正反馈，是构成反馈型振荡器的必要条件。上午12时34分10退出4.1.2 反馈振荡器反馈振荡器n一、反一、反馈振荡器的原理馈振荡器的原理 (振荡平衡条件振荡平衡条件)上午12时34分11 反馈型振荡器的原理框图如图所示。 反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路, 放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载, 是一调谐放大器

5、, 反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。振荡器实际上属于反馈控制电路。振荡器实际上属于反馈控制电路。A(s)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和相位的关系退出上午12时34分12相位平衡条件幅度平衡条件振荡平衡条件nFAFAFAFAAAFAF2arg111 振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求 ，这称为振荡器的起振起振条件条件(相位平衡条件不变)。1FAA(s)AF(s)退出二、振二、振荡平衡状态的稳定条件荡平衡状态的稳定条件上午12时34分13 振荡平衡条件只是建立振荡的必要条件必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能否稳定，还必

6、须看平衡状态是否稳定。即，振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平衡，但还不能说明这一平衡状态是否稳定。 振荡平衡状态的稳定条件是指在外因的作用下，平衡条件被破坏后，振荡器能自动恢复原来的平衡状态的能力。 振荡器在工作过程中，不可避免地要受到各种外界因素变化的影响，如电源电压波动、 温度变化、 噪声干扰等。这些不稳定因素将引起放大器和回路的参数发生变化，破坏原来的平衡条件。退出 如果通过放大和反馈的不断循环, 振荡器越来越偏离原来的平衡状态, 从而导致振荡器停振或突变到新的平衡状态, 则表明原来的平衡状态是不稳定的。 反之, 如果通过放大和反馈的不断循环, 振荡器能够产生回到原平衡点的趋势, 并

7、且在原平衡点附近建立新的平衡状态, 则表明原平衡状态是稳定的。n 振荡平衡的稳定条件也包括振幅和相位两方面。退出上午12时34分15n 振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件图5.4 放大特性和反馈特性A(s)Ui1/FQ所谓振幅平衡的稳定条件，是指振荡器振幅的平衡状态被破坏时，线路本身能重新建立起振幅平衡状态的条件。 要使振幅稳定, 振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。 如右图，将A Ui关系称为放大特性，将1/F Ui称为反馈特性 (设定反馈网络为线性网络, 即反馈系数大小F不随输入信号改变)。在振幅平衡时，放大特性与反馈特性交于Q点。退出3、稳定条件、稳定条件 平衡状态有平衡状态有

8、稳定平衡稳定平衡和和不稳定平衡不稳定平衡，振荡器工作时要处于稳定平衡状态。振荡器工作时要处于稳定平衡状态。3.1 反馈式振荡器的工作原理振幅稳定条件振幅稳定条件：AF与与Ui的变化方向相反。的变化方向相反。相位稳定条件相位稳定条件：相位与频率的变化方向相反。：相位与频率的变化方向相反。退出上午12时34分17)6 . 2 . 5(0iQiUUiUA 形成稳定平衡点的根本原因是在平衡点附近，放大倍数形成稳定平衡点的根本原因是在平衡点附近，放大倍数随电压振幅的变化特性具有负的斜率随电压振幅的变化特性具有负的斜率。 工作工作在非线性状态的有源器件正好具有这一性能，在非线性状态的有源器件正好具有这一性

9、能，例如晶体例如晶体管的非线性特性就具有这样阻止振幅变化、稳定振幅的功能。管的非线性特性就具有这样阻止振幅变化、稳定振幅的功能。 当不稳定因素使输入振幅Ui增大时, 环路增益幅值AF减小, 阻止幅度进一步增大；反之亦然。可见，振荡器回路增益的变化趋势与Ui的变化趋势相反。即平衡点0)(iQiUUiFUA 如果反馈网络为线性网络, 即反馈系数大小F不随输入信号改变, 故振幅稳定条件又可写为 退出上午12时34分18n 相位平衡的相位平衡的稳定条件稳定条件 相位的平衡条件，是指相位平衡条件被破坏时，线路本身能重新建立起相位平衡点的条件。不稳定因素也会破坏相位平衡条件。振荡器的相位平衡条件是A+F2

10、n。如电源电压的波动或工作点的变化可能使晶体管内部电容参数发生变化，从而造成相位的变化，产生一个偏移量。退出上午12时34分19在相位平衡状态振荡角频率g0g 为了保证相位平衡条件的稳定, 要求频率的变化会产生相反方向的相位变化。因此，相位平衡的稳定条件是 上式说明，只有谐振回路的相频特性曲线在工作频率附只有谐振回路的相频特性曲线在工作频率附近具有负的斜率时，才满足频率稳定条件近具有负的斜率时，才满足频率稳定条件。 并联谐振回路的相频特性正好具有负的斜率，因而它不并联谐振回路的相频特性正好具有负的斜率，因而它不但是决定振荡频率主要角色，而且是稳定振荡频率的机构但是决定振荡频率主要角色，而且是稳

11、定振荡频率的机构。退出*三、反三、反馈振荡电路的工作判定馈振荡电路的工作判定上午12时34分20根据上述反馈振荡电路的基本原理和应当满足的起振、 平衡和稳定三个条件, 判断一个反馈振荡电路能否正常工作, 需考虑以下几点： 可变增益放大器件(晶体管, 场效应管或集成电路)应有正确的直流偏置, 开始时应工作在甲类状态, 便于起振。 开始起振时, 环路增益幅值AF(0)应大于1。由于反馈网络通常由无源器件组成, 反馈系数F小于1, 故A(0)必须大于1。共射、共基电路都可以满足这一点。为了增大A(0), 负载电阻不能太小。返回返回退出 环路增益相位在振荡频率点应为2的整数倍, 即环路应是正反馈。 选

12、频网络应具有负斜率的相频特性。因为在振荡频率点附近, 可以认为放大器件本身的相频特性为常数, 而反馈网络通常由变压器、 电阻分压器或电容分压器组成, 其相频特性也可视为常数, 所以相位稳定条件应该由选频网络实现。振振荡荡器种类器种类振荡器分类电感反馈振荡器电容反馈振荡器基本型（考贝兹）克拉泼振荡器西勒振荡器 单管互感耦合振荡器 互感耦合振荡器(或变压器反馈振荡器)又称为调谐型振荡器，根据回路(选频网络)的三极管不同电极的连接点又可分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型。如图5.4-1所示。这里我们只讨论集电极调谐型，而集电极调谐型又可互感耦合振荡器石英晶体振荡器RC振荡器LC 振 荡 器分

13、为共射和共基两种类型，均得到广泛应用。两者相比，共基电路的功率增益较小，输入阻抗较低，所以难于起振，但截止频率较高。此外，共基电路内部反馈比较小，工作比较稳定。三种互感耦合振荡器 以上三种电路，变压器的同名端如图所示。它必须满足振荡的相位条件，在此基础上适当调节反馈量M以满足振荡的振幅条件。下面利用“切环注入法”判断电路是否满足相位条件。 (1)在电路中某一个合适的位置(往往是放大器的输入端)把电路断开，(用X号表示)； (2)在断开出的一侧(往往是放大器的输入端)对地引入一个外加电压源 ,该电压源的频率从低到高覆盖回路的谐振频率； (3)看经过放大器反馈网络之后转回到断开处另一侧对iU地的电

14、压 是否与 同相，为同相则其中必有某一个频率满足自激振荡的相位条件(注意这里是实际方向)，电路有振荡的可能。 如果电路又同时满足振幅条件就可以产生正弦振荡了。下面分析集电极调谐型反馈振荡器的振荡条件。fUiUoU退出相位条件：相位条件：LCf2101、变压器反馈式正弦波振荡器、变压器反馈式正弦波振荡器起振条件：起振条件： 判断判断 Uf 和和 Ui 是否同是否同相，即判断是否为正反馈相，即判断是否为正反馈 振幅条件：振幅条件： 判判断环路增益是否大断环路增益是否大于于1 振荡频率：振荡频率：4.4.2 差分对管互感耦合振荡器 如图所示。两差分对管的集电极分别接有由L1、C1、R1和L2、C2、

15、R2组成并联谐振回路。反馈电压 和输出电压 分别由两管的集电极取出。fUoU差分振荡器振荡器的闭环回路由BG1的集电极经互感线圈耦合到BG2的基极，然后通过共发耦合电路回到BG1的集电极。图A与D同相，环路满足正反馈特性。再调节互感M使之满足振幅平衡条件，电路便可进入振荡状态。与单管振荡器比较，差分对管振荡器更为优越：1.输出回路不在反馈环路内，只要BG2不工作在饱和区内，负载与环路就处于隔离状态，振荡器的频率稳定度和幅度稳定度都会有所提高；2.输出不含有偶次谐波，且奇次谐波成分比较小，故失真大为减小。退出4.2 LC正弦正弦振荡器振荡器上午12时34分29 基本电路就是通常所说的基本电路就是

16、通常所说的三点式三点式 ( (又称三端式又称三端式) )振荡器振荡器, , 即即LCLC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路的电路, , 如图所示。如图所示。 振荡器振荡器的振荡频率十分接近回路的振荡频率十分接近回路的谐振频率。为简化分析，假设的谐振频率。为简化分析，假设: : (1) (1) 不计晶体管的电抗效应不计晶体管的电抗效应(2) (2) LCLC回路由纯回路由纯电抗元件组成电抗元件组成UfXbeXceXbcUoUi4.2.1 构成三点式振荡器原则退出上午12时34分30 一般情况下，回路Q值很高，因此回路电流远大于晶体管的基

17、极电流 İb 、集电极电流 İc以及发射极电流 İe，因此，X Xbebe与与X Xcece必须同性质电必须同性质电抗元件抗元件。 根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性, 因而有)2 . 5 . 5(0cbbeceXXXXcbXbeXceUiUoUf+- -+- -)4 . 5 . 5( cebecebeofXXjXIjXIUUF 由于放大器的倒相，输出电压 与输入电压 的相位差180，所以反馈电压与输出电压的相位也要差180才能满足振荡的相位条件。oUiUUfXbeXceXcbUoUi退出上午12时34分31（a）电容反馈振荡器 （b）电感反馈振荡器三端式振荡器有两种基本电路, 如图

18、所示。 图 (a)中X1和X2为容性, X3为感性, 满足三端式振荡器的组成原则, 反馈网络是由电容元件完成的, 称为电容反馈振荡器, 也称为考必兹考必兹( (Colpitts)Colpitts)振荡器振荡器。 图 (b)中X1和X2为感性, X3为容性, 满足三端式振荡器的组成原则, 反馈网络是由电感元件完成的, 称为电感反馈振荡器, 也称为哈特莱哈特莱 ( (Hartley)Hartley)振荡器振荡器。退出上午12时34分32作业：下图是一些常见高频振荡器电路, 大家不妨自行判断它们是由哪种基本线路演变而来的。(d)Cbc(a)(b)(c)(e)(f)答案79页退出上午12时34分33试

19、问：哪几种情况可能振荡？等效为哪种类型的振荡电路？其振荡频率与各回路的固有谐振频率之间有什么关系? 答案81页例1：如图所示三端回路振荡器的交流等效电路，假定有以下六种情况： 1) L1C1L2C2L3C3 ； 2) L1C1L2C2L3C3 ； 5) L1C1L2C2=L3C3 ； 6) L2C2L3C31, 可以得到可以得到gieUb.C1C2egieUb.(c)goegLbUb.gmI.退出4.2.3 电感电感三点式三点式振荡器振荡器(Hartley，哈特莱振荡器)上午12时34分57 依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式振荡器，又称哈特莱振荡器。下图(a)是一电感反馈振荡器

20、的实际电路, 图(b) 是其交流等效电路，图(c) 是其高频等效电路。退出上午12时34分58LCg10式中的式中的L为回路的总电感为回路的总电感 MLLL221由相位平衡条件分析由相位平衡条件分析, 振荡器的振荡频率表达式为振荡器的振荡频率表达式为)(1221MLLgggLCLoeieg 同电容反馈振荡器的分析一样同电容反馈振荡器的分析一样, 振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率 可以用回路的谐振频率近似表示可以用回路的谐振频率近似表示, 即即退出上午12时34分59MLMLUUKcbF12由起振条件分析由起振条件分析, 同样可得起振时同样可得起振时的的 gm 应应满足满足 FieFLoemKg

21、Kggg1)( 工程工程上在计算反馈系数时不上在计算反馈系数时不考虑考虑 gie 的的影响影响, 反馈系数的反馈系数的大小为大小为 退出4.2.4 电容三点式与电感三点式比较电容三点式与电感三点式比较上午12时34分60电容三点式电容三点式优点：优点：输出波形好，接近于正弦波；晶体管的输入输出波形好，接近于正弦波；晶体管的输入/输出电容与回路电容并联，可适当增加回路电容提高输出电容与回路电容并联，可适当增加回路电容提高稳定度。工作频率可以做得较高。稳定度。工作频率可以做得较高。缺点：缺点：调整频率困难，起振困难。调整频率困难，起振困难。电感三点式电感三点式优点：优点：起振容易，调整方便。起振容

22、易，调整方便。缺点：缺点：输出波形不好，在高频时较难起振。输出波形不好，在高频时较难起振。退出4.2.5 两种改进型电容反馈振荡器两种改进型电容反馈振荡器1.串联型电容三点式反馈振荡串联型电容三点式反馈振荡器（器（Clapp克克拉泼振拉泼振荡荡器器）上午12时34分61 研究的三种振荡器，其振荡频率不仅取决于LC回路参数 ，还与晶体管的内部参数有关，而这些参数又随环境温度、电源电压的变化而变化，故频率的稳定度不高。为此进行改进，以电容三点式为例，介绍改进后的克拉泼振荡器。改进后的振荡器减小了晶体管电容Coe和Cie对频率的影响，下图是实际电路和交流等效电路 。退出上午12时34分62 下图下图

23、是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路 。电感电感L支路中串联了小电容支路中串联了小电容C3，远远小于，远远小于C1，C2.同时减小接入系数（不变），而又不改变反馈系数（振幅不变）。R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C3(b)LRoC1C2C3V退出上午12时34分63131111CCCCCCp021302)(RCCRpRL3011LCLCg21CCKF由由上上图可知图可知, 回路的总电容为回路的总电容为R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C3(b)LRoC1C2C3V332111111CCCCCR0的接入系数的接入系数退出2. 串串联型电容三点

24、式反馈振荡器联型电容三点式反馈振荡器（Seiler,西西勒振荡器）勒振荡器）上午12时34分64 克拉泼振荡器存在的问题是增大C1和减小C3时引起振荡幅度下降，难于起振。为解决这个问题，又作改进。下图是西勒振荡器的实际电路和交流等效电路。 它的主要特点, 就是与电感L并联一可变电容C4。图图 5-31 西勒振荡器电路西勒振荡器电路(a) 实际电路实际电路; (b) 交流等效电路交流等效电路 退出上午12时34分654343211111CCCCCCC振荡器的振荡频率为振荡器的振荡频率为)(114321CCLLC回路的总电容为回路的总电容为返回返回退出4.3 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度4

25、.3.1 频率准确度与频率稳定度上午12时34分66)2 .6 .5(000fffff 评价振荡频率的主要指标是频率的准确度和频率的稳定度。 振荡器的频率准确度频率准确度是指由于外界条件的变化, 引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度, 它是振荡器的一个很重要的指标。 频率准确度分绝度准确度和相对准确度。绝对准确度f是实际工作频率f 与标称工作频率f0的偏差，即 f = f - f0 ；相对准确度是频率偏差与标称频率之比。即退出上午12时34分67 频率稳定度频率稳定度是指在时间间隔内频率准确度变化的最大值，也分为绝度稳定度和相对稳定度。常用的相对稳定度，以表示。) 3 . 6 . 5(0

26、max0tfff时间间隔为某一时间间隔内最大频率偏移退出4.3.2 频率稳定度的定性分析上午12时34分68 1. 目的 根据相位平衡条件，影响振荡频率的参数是0(回路的谐振频率)、Qe (回路的品质因素) 、f (反馈网络的相移), 讨论频率的稳定度就是分析外界因素变化是如何通过这三个参数影响频率变化的。2. 提高振荡器稳定度的一般规律 P133 一是减少外界变化引起的0 、Qe 、f的变化（提高回路的标准性-P135 ）；二是增大Qe和减小f 退出4.3.3 提高频率稳定度的措施上午12时34分691. 提高振荡回路的标准性 振荡回路的标准性是指回路在外界因素变化时，保持谐振频率不变的能力

27、。温度是影响的主要因素。 2. 减少晶体管的影响 前面分析反馈型振荡器原理时已提到,极间电容将影响频率稳定度,在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。另外,应选择fT较高的晶体管,fT越高,高频性能越好,可以保证在工作频率范围内均有较高的跨导,电路易于起振;而且fT越高,晶体管内部相移越小。返回返回退出 3. 提高回路的品质因数 要使相位稳定,回路的相频特性应具有负的斜率,斜率越大,相位越稳定。根据LC回路的特性,回路的Q值越大,回路的相频特性斜率就越大,即回路的Q值越大,相位越稳定。从相位与频率的关系可得,此时的频率也越稳定。 4. 减少电源、负载等的影响 电源电压的波动,会使晶体管

28、的工作点、电流发生变化,从而改变晶体管的参数,降低频率稳定度。为了减小其影响, 振荡器电源应采取必要的稳压措施。负载电阻并联在回路的两端,这会降低回路的品质因数,从而使振荡器的频率稳定度下降。上午12时34分70退出提问n构成LC正弦振荡器的原则是什么？n改进型的克拉泼振荡器的振荡频率取决于 。n改进的西勒振荡器的振荡频率取决于。上午12时34分71退出4.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器4.4.1石英晶体及其石英晶体及其特性特性 1. 石英晶体谐振器石英晶体谐振器上午12时34分72 石石英是矿物质硅石的一种英是矿物质硅石的一种, 化学成分是化学成分是SiO2, 形状是呈角锥形的形状是呈角锥

29、形的六棱结晶体。六棱结晶体。 石英晶体具有石英晶体具有压电效应压电效应。当交流电压加在晶体两端。当交流电压加在晶体两端, 晶体先晶体先随电压变化产生应变随电压变化产生应变（正压电效应正压电效应）, 机械振动机械振动反过来反过来又能使又能使晶体表面产生交变电荷晶体表面产生交变电荷（负压电效应负压电效应） 。 当晶体几何尺寸和结构一定时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率时动频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时, 晶体晶体片的机械振动最大片的机械振动最大, 晶体表面电荷量最多晶体表面电荷量最多, 外电

30、路中的交流电流外电路中的交流电流最强最强, 于是产生了谐振。于是产生了谐振。 因此因此, 将石英晶体按一定方位切割成片将石英晶体按一定方位切割成片, 两边敷以电极两边敷以电极, 焊上引线焊上引线, 再用金属或玻璃外壳封装即构成石英再用金属或玻璃外壳封装即构成石英晶体谐振器（简称晶体谐振器（简称晶振晶振）。）。 退出上午12时34分73 石英石英晶振的固有频率十分稳定晶振的固有频率十分稳定, 它的温度系数（温度变化它的温度系数（温度变化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10-6以下。另外以下。另外, 石石英晶振的振动具有多谐性英晶振的振动具有多谐性, 即除了基频振动外即

31、除了基频振动外, 还有奇次谐还有奇次谐波波的的泛音振动泛音振动。 对于石英晶振对于石英晶振, 既可利用其基频振动既可利用其基频振动, 也可利用其泛音振动。也可利用其泛音振动。 前者称为前者称为基频晶体基频晶体, 后者称为后者称为泛音晶体泛音晶体。晶片厚度与振动频。晶片厚度与振动频率成反比率成反比, 工作频率越高工作频率越高, 要求晶片越薄要求晶片越薄, 因而机械强度越差因而机械强度越差, 加工越困难加工越困难, 使用中也易损坏。使用中也易损坏。 由此可见由此可见, 在同样的工作频率上在同样的工作频率上, 泛音晶体的切片可以做得泛音晶体的切片可以做得比基频晶体的切片厚一些。所以在工作频率较高时比

32、基频晶体的切片厚一些。所以在工作频率较高时, 常采用常采用泛音晶体。泛音晶体。 通常在工作频率小于通常在工作频率小于20MHz时采用基频晶体时采用基频晶体, 大于大于20MHz时采用泛音晶体时采用泛音晶体。退出2. 石英晶振的阻抗石英晶振的阻抗频率特性频率特性上午12时34分74 图图5.34是石英晶振的符号和等效电路。是石英晶振的符号和等效电路。其中：其中： 安装电容安装电容C0约约 1pF10pF 动态动态电感电感Lq约约10-3H102 H 动态电容动态电容Cq约约10-4pF10-1pF 动态动态电阻电阻rq约约1欧到几欧到几十十欧欧图5.34 符号、基频等效电路、完整等效电路符号、基

33、频等效电路、完整等效电路退出上午12时34分75 由由上上图可以看到图可以看到, 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。振回路。qqqqCLrQ1 由以上参数可以看到由以上参数可以看到：(1) 石英晶振的值非常高石英晶振的值非常高, 值可达几万到几百万值可达几万到几百万 。 (2) 由于由于CqC0 ,石英晶振的接入系数很小石英晶振的接入系数很小, 综合以上两点综合以上两点, 不难理解石英晶振的频率稳定度是非常高的。不难理解石英晶振的频率稳定度是非常高的。34001010CCCCCpqqq所以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。所以

34、外接元器件参数对石英晶振的影响很小。退出上午12时34分760000011CCCCCCCCCLqsqsqqqpqqsCL1串联谐振频率串联谐振频率并联谐振频率并联谐振频率(忽略忽略rq)01CCqsp退出上午12时34分77 由于由于Cq/C0很小很小, 所以所以p与与s间隔很小间隔很小, 因而在因而在sp感性区间感性区间, 石英晶石英晶振具有陡峭的电抗频率特性振具有陡峭的电抗频率特性, 曲线斜率大曲线斜率大, 利于稳频。利于稳频。石英谐振器通常工石英谐振器通常工作在这段狭窄的电感区。作在这段狭窄的电感区。若外部因素使谐振频率增大若外部因素使谐振频率增大, 则根据晶振电抗则根据晶振电抗特性特性

35、, 必然使等效电感增大必然使等效电感增大, 但由于振荡频率与的平方根成反比但由于振荡频率与的平方根成反比, 所所以又促使谐振频率下降以又促使谐振频率下降, 趋近于原来的值。趋近于原来的值。0Xeps容性区容性区容性区容性区感性区感性区c0Lqcq图 5.36石英谐振器电抗特性曲线石英谐振器电抗特性曲线 若忽略若忽略rq, 则晶振两则晶振两端呈现纯电抗端呈现纯电抗, 其电抗频其电抗频率特性曲线如图率特性曲线如图5.36中中两条实线所示。两条实线所示。等效电感等效电感01CCqsp退出上午12时34分78 石英石英晶振产品还有一个晶振产品还有一个标称频率标称频率fN。 fN的值位于的值位于fs与与

36、fq之间之间, 这是指石英晶振两端并接某一规这是指石英晶振两端并接某一规定定负载电容负载电容CL时石英晶振的振荡频率时石英晶振的振荡频率。 CL的电抗频率曲线的电抗频率曲线下下图中虚线所示。图中虚线所示。 负载电容负载电容CL的值的值载于生产厂家的产品说明书中载于生产厂家的产品说明书中, 通常为通常为30pF(高频晶体高频晶体), 或或100pF(低频晶体低频晶体), 或标示为或标示为(指无需外接负载电容指无需外接负载电容, 常常用于串联型晶体振荡器用于串联型晶体振荡器)。退出4.4.2 晶体振荡器晶体振荡器电路电路上午12时34分79 将石英晶振作为高值谐振回路元件接入正反馈电路中将石英晶振

37、作为高值谐振回路元件接入正反馈电路中, 就组成了晶体振荡器。根据石英晶振在振荡器中的作用原理就组成了晶体振荡器。根据石英晶振在振荡器中的作用原理, 晶体振荡器可分成两类。一类是将其作为等效电感元件用在晶体振荡器可分成两类。一类是将其作为等效电感元件用在三点式电路中三点式电路中, 工作在感性区工作在感性区, 称为称为并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器； 另一另一类是将其作为一个短路元件串接于正反馈支路上类是将其作为一个短路元件串接于正反馈支路上, 工作在它的工作在它的串联谐振频率上串联谐振频率上, 称为称为串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器。 1.皮尔斯（皮尔斯（Pierce）振荡振荡电路电路 并联

38、型晶体振荡器的工作原理和三点式振荡器相同并联型晶体振荡器的工作原理和三点式振荡器相同, 只是只是将其中一个将其中一个电感电感元件换成石英晶振。石英晶振可接在晶体管元件换成石英晶振。石英晶振可接在晶体管、极之间或、极之间、极之间或、极之间, 所组成的电路分别称为皮尔所组成的电路分别称为皮尔斯振荡电路和密勒振荡电路。斯振荡电路和密勒振荡电路。退出上午12时34分80 图图5.39（a）是皮尔斯电路是皮尔斯电路, （b）是其高频等效电路是其高频等效电路, 其中虚线框内其中虚线框内是石英晶振的等效电路。皮尔斯电路是最常用的振荡电路之一。是石英晶振的等效电路。皮尔斯电路是最常用的振荡电路之一。图5.39

39、 可以看出可以看出, 皮尔斯电路类似于克拉泼电路皮尔斯电路类似于克拉泼电路, 它相当于电容三点式振荡器。它相当于电容三点式振荡器。但由于石英晶振中但由于石英晶振中q极小极小, q极高极高, 所以皮尔斯电路所以皮尔斯电路具有一些特点。具有一些特点。退出上午12时34分812121430,1010CCCCCCCCCpLLqqcb （1） 振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管c、b端端, c、e端和端和e、b端的接入系数分别是端的接入系数分别是:cbcepCCCp212cbebpCCCp211 以上三个接入系数一般均小于以上三个接入系数一般均小于1

40、0-310-4, 所以外电路中的不稳定参数所以外电路中的不稳定参数对振荡回路影响很小对振荡回路影响很小, 提高了回路的标准性。提高了回路的标准性。振荡管振荡管ce端对端对回路回路cb端接入端接入系数系数外电路对谐振外电路对谐振回路接入系数回路接入系数退出上午12时34分82（2） 振荡频率几乎由石英晶振的参数决定振荡频率几乎由石英晶振的参数决定, 而石英晶振本身的参数具而石英晶振本身的参数具有高度的稳定性。振荡频率有高度的稳定性。振荡频率LqsLqqqCCCfCCCCCCLf00100121 其中其中L是和晶振两端并联的外电路各电容的等效值是和晶振两端并联的外电路各电容的等效值, 即即根据产品

41、要求的负载电容。根据产品要求的负载电容。（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上上, 位于晶振位于晶振的感性区内的感性区内, 电抗曲线陡峭电抗曲线陡峭, 稳频性能极好。稳频性能极好。退出2. 密勒（密勒（Miller）振荡电路振荡电路上午12时34分83 图图5.45是场效应管密勒振荡电是场效应管密勒振荡电路。路。 石英晶体作为电感元件连接石英晶体作为电感元件连接在栅极和源极之间在栅极和源极之间, LC并联回路并联回路在振荡频率点等效为电感在振荡频率点等效为电感, 作为作为另一电感元件连接在漏极和源极另一电感元件连接在漏极和源极之间之间, 极间电容极间电容

42、Cgd作为构成电感作为构成电感三点式电路中的电容元件。由于三点式电路中的电容元件。由于Cgd又称为又称为密勒电容密勒电容, 故此电路有故此电路有密勒振荡电路之称密勒振荡电路之称。图 5.45 密勒振荡电路通常不采用晶体管密勒振荡电路通常不采用晶体管, 原因是正向偏置时高频原因是正向偏置时高频晶体管发射结电阻太小晶体管发射结电阻太小, 虽然晶振与发射结的耦合很弱虽然晶振与发射结的耦合很弱, 但也但也会在一定程度上降低回路的标准性和频率的稳定性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。退出3. 泛音晶振电路泛音晶振电路上午12时34

43、分84 在在石英晶振的完整等效电路中石英晶振的完整等效电路中, 不仅包含了基频串联不仅包含了基频串联谐振支路谐振支路, 还包括了其它奇次谐波的串联谐振支路还包括了其它奇次谐波的串联谐振支路, 这这就是前面所说的石英晶振的多谐性就是前面所说的石英晶振的多谐性。泛泛音晶体所工作的奇次谐波频率越高音晶体所工作的奇次谐波频率越高, 可能获得的机可能获得的机械振荡和相应的电振荡越弱械振荡和相应的电振荡越弱。在。在工作频率较高的晶体工作频率较高的晶体振荡器中振荡器中, 多采用泛音晶体振荡电路多采用泛音晶体振荡电路。在在泛音晶振电路中泛音晶振电路中, 为了保证振荡器能准确地振荡在为了保证振荡器能准确地振荡在

44、所需要的奇次泛音上所需要的奇次泛音上, 不但必须有效地抑制掉基频和不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡低次泛音上的寄生振荡, 而且必须正确地调节电路的而且必须正确地调节电路的环路增益环路增益, 使其在工作泛音频率上略大于使其在工作泛音频率上略大于1, 满足起振满足起振条件条件, 而在更高的泛音频率上都小于而在更高的泛音频率上都小于1, 不满足起振条不满足起振条件。件。 退出上午12时34分85n 在在实际应用时实际应用时, 可在三点式振荡电路中可在三点式振荡电路中, 用一选频回用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件路来代替某一支路上的电抗元件, 使这一支路在基使这一支路在基频和低次泛

45、音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则器的组成法则, 不能起振；不能起振； 而在所需要的泛音频率而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则上呈现的电抗性质恰好满足组成法则, 达到起振。达到起振。退出上午12时34分86 如图如图(a)给出了一种并联型泛音晶体振荡电路。给出了一种并联型泛音晶体振荡电路。 假设泛音晶振为五次泛音假设泛音晶振为五次泛音, 标称频率为标称频率为5MHz, 基频为基频为1MHz, 则则LC1回路必须调谐在三次和回路必须调谐在三次和五次泛音频五次泛音频率之间。这样率之间。这样, , 在在5 MHz 频率上频率上

46、, , LC1回路呈容性回路呈容性, , 振荡电路满足组成法振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说则。对于基频和三次泛音频率来说, , LC1回路呈感性回路呈感性, , 电路不符合组成法则电路不符合组成法则, , 不能起振。不能起振。 图在在七次及其以上泛音频率七次及其以上泛音频率, LC1回路虽呈现容性回路虽呈现容性, 但等效容抗减小但等效容抗减小, 从从而使电路的电压放大倍数减小而使电路的电压放大倍数减小, 环路增益小于环路增益小于1, 不满足振幅起振条不满足振幅起振条件。件。 LC1回路的电抗性如回路的电抗性如(b)图所示。图所示。 退出 4 串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器

47、上午12时34分87 串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反馈支路中串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反馈支路中, 利用其串联谐振时利用其串联谐振时等效为短路元件等效为短路元件, 电路反馈作用最强电路反馈作用最强, 满足振幅起振条件满足振幅起振条件, 使振荡器在晶振串使振荡器在晶振串联谐振频率联谐振频率s上起振。图上起振。图5.47（）给出了一种串联型单管晶体振荡器电（）给出了一种串联型单管晶体振荡器电路路, （）是其高频等效电路。（）是其高频等效电路。 这种振荡器与三点式振荡器基本类似这种振荡器与三点式振荡器基本类似, 只不过在正反馈支路上增加了只不过在正反馈支路上增加了一个晶振。一个晶振。, 1 , 2和和3组成并联谐振回路而且调谐在振荡频率上。组成并联谐振回路而且调谐在振荡频率上。 图返回返回退出4.5 压控振荡器1、概述什么是压控振荡器？ 在许多高频电路中,要求振荡器的频率是可以改变的,当振荡频率可以随外加控制电压的变化而变化的振荡器，称为压控振荡器（ Voltage Controlled Oscillator,简称VCO)。压控振荡器的主要功能及用途：