第5章正弦波振荡器

1、高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 第5章正弦波振荡器 教学基本要求 1.掌握反馈式正弦波振荡器的基本工作原理。 2.掌握LC振荡器、晶体振荡器的电路组成、 工作原理和性能特点。 3.了解频率稳定度的概念和影响频率稳定度的 因素。掌握改善频率稳定度的措施。 4.了解负阻振荡原理。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 本章教学内容 5.1 概述 5.2 反馈型LC振荡原理 5.3 反馈型LC振荡电路 5.4 振荡器的频率稳定原理 5.5 高稳定度LC振荡器 5.6 晶体振荡器 5.7 负阻振荡器 5.8 集成压控振荡器高频电子线路

2、高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.1概述 5.1.1 振荡电路的功能 振荡电路的功能是在没有外加输入信号的条件下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、一定波形和一定振幅的交变振荡信号输出。 正弦波振荡电路的功能是在没有外加输入信号的条件下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、一定振幅的波形为正弦波的信号输出。 电路在没有输入信号的条件下，接通电源VCC后，电路输出的信号 或)sin()(mtUtu)cos()(mtUtu高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.1.2 振荡电路的分类及用途 RC振荡器 反馈型振

3、荡器 LC振荡器 正弦波振荡器 晶体振荡器 振荡电路 负阻型振荡器(100MHz以上) 非正弦波振荡器 用途： 发射机中,用来产生运载信息的载波信号； 超外差接收机中，用来产生“本地振荡”信号与接收的高频信号进行混频； 测量仪器中，作为信号发生器、时间标准、频率标准等应用。 5.1.3 振荡电路的主要技术指标 振荡频率、频率稳定度、振荡幅度和振荡波形等按振荡原理分按波形分按振荡元件分高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.2反馈型LC振荡原理 反馈型振荡器的基本组成： 由调谐放大器和正反馈网络两部分组成。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈

4、尔滨工程大学 5.2.1 振荡的建立与起振条件 图5.2.2是调谐放大器经互感耦合反馈的振荡电路。 设放大器的谐振频率为0， 谐振电压增益为A,是L1C 回路两端的输出电压 和输入电压 的比值，即 其中A为电压增益的模， 为 与 的相位差。 图5.2.2互感耦合反馈振荡线路 反馈网络是 由L1通过互感M耦合到L2上的电压为 ， 令反馈系数为 其中F为反馈系数的模， 为 和 的相位差。cUAcUiUiUcUAjice/AUUAfUFjcfe/FUUFFfUcU高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 开环条件下的放大与反馈(开关S合到1) 当满足 AF=1； 时,则

5、表明 与 大小相等相位相同。 问题1：若在此条件下,将开关S合到2,电路会产生什么样的变化? 结论：因为原来已有外加输入电压 ,电路维持等幅振荡。 问题2：如果AF=1； ,而没有输入激励电压 时,开关S合到2,电路能否振荡? 注意：电源接通后的过程!i)j(ifFAeUAFUFAU), 2 , 1 , 0(2FAnnnifUUfUiU问题1iUiU), 2 , 1 , 0(2FAnnn问题2高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 在振荡电路接通电源的瞬间，晶体三极管的电流将从零跃变到某一数值，集电极电流的跃变在谐振回路中将激起振荡。因为回路具有选频作用，回路两端

6、只建立振荡频率等于回路谐振频率的正弦电压 ，但是这个 数值很小。通过互感耦合得到反馈电压 ， 加至晶体三极管的输入端，这就是振荡器的原始输入电压 。 通过放大得到的 与电流跃变产生的 相等，其数值很小是不可能得到振荡输出电压的。 结论：电路仅满足AF=1； 的条件是不能实现自激振荡的。 只有当电路满足 ； 时,振荡才能建立。其中，A0为当电源接通时放大器的电压增益。 因为A0F1是增幅振荡,故振荡能建立起来。cUfUfUiUiUcUcU), 2 , 1 , 0(2FAnnn01A FcU), 2 , 1 , 0(2FAnnn高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学

7、所以,自激振荡的起振条件是 振幅起振条件 相位起振条件 5.2.2 振荡的平衡与平衡条件 1.自激振荡的平衡与平衡条件 自激振荡器起振时A0F1是增幅振荡，由增幅振荡达到等幅振荡，称为振荡达到平衡。维持等幅振荡的条件是自激振荡的平衡条件,即 振幅平衡条件 相位平衡条件 问题3：自激振荡电路是怎样保证由起振时的A0F1达到振荡平衡的AF=1呢? 即放大器电压增益由A0怎样变化到A呢? 注意：晶体管的非线性特性及电路中偏置电路的反馈作用。01A F), 2 , 1 , 0(2FAnnn增幅振荡问题3正反馈), 2 , 1 , 0(21FAnnnAF正反馈等幅振荡高频电子线路高频电子线路退出下页上页

8、首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 *由晶体管内部非线性决定的因素 因为晶体管是非线性器件，起振时输入振幅很小，可认为放大器工作于线性区。由于A0F1，反馈回来的输入振幅会不断增大，谐振放大器的输岀电压也不断増大，隨着信号电压的不断增大，放大特性从线性变成非线性。集电极电流iC从线性不失真到产生非线性失真。iC为失真电流时，由于谐振回路的滤波作用，谐振放大器的输岀电压是集电极电流iC的基波分量Ic1和谐振电阻RP的积，放大器的电压增益A=Ic1mRP/Uim 。这表明进入非线性放大的电压增益A比线性放大时的电压增益A0要有所下降，再经正反馈、放大的多次循环达到AF=1。 *外部的偏置电路的反馈决

9、定的因素 由于外部的偏置电路的反馈作用，在iC为失真电流时，发射极电流iE也为失真电流，其直流分量IE0流经Re会产生附加的直流偏置电压IE0Re ，也使放大器的直流静态工作点向非线性区偏移，也会使电压增益下降。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.非线性区放大的电压增益与起振时电压增益的关系 由于振荡在起振后的振幅不断增大，使放大进入非线性放大的大信号工作状态。根据折线分析法，放大器的电压増益为 因为起振时的A0是小信号放大,通角c=180,所以A0=gcRP。即 可见,当振幅增大进入非线性工作状态后,通角c180，故A与A0相比是要减小的。pc1ccpc

10、1CMimpc1mi1c)()cos1 ( )(RgURIURIUUAim)()()cos1 (c0c1c0AAA高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.电路参数确定后,振荡器的平衡工作状态的确定 问题4：当放大器的A0和反馈系数F确定之后，振荡器应该平衡到什么状态呢？ 起振时A0 F1,平衡时AF=1。可得 计算 确定工作状态。 例如： 当A0F=2时， ，平衡后的工作状态为乙类； 当A0F2时， ,平衡后的工作状态为丙类； 当1A0F1) 增大反馈系数F。 (满足A0F1)稳定平衡点不稳定平衡点高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工

11、程大学 3.相位平衡的稳定条件 相位平衡条件 相位平衡的稳定条件： 由于并联谐振回路的相频特性 为负斜率,当外因变化引起某一相位 变化,则会引起振荡频率变化,振荡频率的变化会使并联谐振回路 的相位产生变化,保证振荡器满足相位平衡条件。0ZYF0ZZYF高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.3反馈型LC振荡电路 分类： 互感耦合振荡电路 反馈型LC振荡电路 电容反馈振荡电路 电感反馈振荡电路 组成：放大器+选频回路+正反馈网络 选频回路：LC并联谐振回路 放大器：晶体管放大器；场效应管放大器。 共射(或共源)放大 共基(或共栅)放大 共集(或共漏)放大 放大电

12、路的偏置电路：通常采用分压式偏置和自给偏置。 (使静态工作点稳定，使振荡器的自动稳幅能力增强。) 按反馈元件分高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.3.1 互感耦合振荡电路 1.电路形式 特点： 共基放大,集电极调谐； 反馈信号是通过L1与L2 之间的互感M来耦合； 振荡频率 2.判断振荡(利用瞬时极法判断是否正反馈,以地为参考点) CLf1021高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.其他形式的互感耦合振荡电路 互感耦合振荡器一般工作于中、短波段, 由于分布电容的影响, 在频率较高时,很难保证变压器的稳定性。高频电子线路高

13、频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.3.2 电容反馈振荡电路 1.电路形式 特点： 共射放大,选频回路为 并联LC谐振回路； 反馈支路由回路电容 C1和C2组成； 由于晶体管的c、e、b 分别接到回路电容的三端,称 为电容三点式振荡器,也称为 考比兹(Colpitts)振荡器。 高频扼流圈谐振回路高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.相位平衡(满足正反馈条件)高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.起振条件(小信号放大状态) 讨论的关键：振幅起振条件应满足A0F1。 分析小信号放大,原则上可以用y参数

14、或h参数小信号等效电路。 对于y参数小信号等效电路来说,分析振荡电路时,外电路的正反馈 作用大,忽略晶体管内部yre的反馈作用。oeoeoej Cgyieieiej Cgy高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (1)小信号电压增益A0 其中 , gL=1/RL , 。 (2)电路的反馈系数F为(忽略各个g的影响)oe11CCCie22CCC0210gpg 2211/ )(CCCpgyUUA/feic0ie20Loegpgggg21/CCp21cfCCUUF高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (3)起振条件 对起振条件的说明： 输

15、出电导和负载电导对振荡的影响，F越大，越容易振荡； 输入电导对振荡的影响，gie和F越大，越不容易起振,因而反馈系数F并不是越大越容易起振； 在晶体管参数goe、gie、yfe一定的情况下，可以改变电路的gL、F来保证起振。F一般选取0.10.5。121fe0CCgyFAgCCy12feie0Loeie20Loefe)(1 )(11FggggFgpgggFgFy高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 4.振荡频率 在忽略gie等的影响时，根据相位平衡条件可得其近似式为 其中， 。如果考虑gie 、goe 、gL等的影响，实际振荡频率c0，只不过差值不大，通常就用0

16、近似代替计算。 CL10)/(2121CCCCC另一种形式的电容三点式振荡电路高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.3.3电感反馈振荡电路 1.电路形式 特点： 共射放大,选频回路为 并联LC谐振回路； 反馈支路由回路电感 L1和L2组成； 由于晶体管的c、e、b 分别接到回路电感的三端,称 为电感三点式振荡器,也称为 哈特莱(Hartley) 振荡器。 谐振回路高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.相位平衡(满足正反馈条件)高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.起振条件 设在晶体管的c

17、e两端接有负载RL，若反馈系数不考虑gie、 goe 、Coe、Cie 的影响时可得 由起振条件A0F1，同样可得出 当线圈绕在封闭磁芯的磁环上时，线圈两部分为紧耦合，反馈系数F近似等于两线圈的匝比，即FN2/N1。 4.振荡频率 对于工程计算来说，可近似表示为 其中L=L1+L2+2MMLMLF12ie0Loefe)(1 FggggFyLC1高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.电感三点式与电容三点式振荡电路的比较 (1)两种电路都较为简单，容易起振。 (2)电容三点式振荡电路的输出电压波形比电感三点式振荡电路的输出电压波形好。 原因： 在电容三点式振荡电

18、路中，反馈是由电容产生的，高次谐波在电容上产生的反馈电压降较小，输出电压中高频谐波电压小,波形好； 而在电感三点式振荡电路中，反馈是由电感产生的，高次谐波在电感上产生的反馈电压降较大，输出电压中高频谐波电压大,波形好。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (3)电容三点式振荡电路最高振荡频率一般比电感三点式振荡电路要高。 原因： 电感三点式振荡电路中，晶体管的极间电容是与谐振回路电感并联，在频率较高时，电感与极间电容并联，有可能其电抗性质变成容抗，这样就不能满足电感三点式振荡电路的相位平衡条件，电路不能振荡。 在电容三点式振荡电路中，极间电容是与电容C1、C2

19、并联，频率变高不会改变容抗的性质，故能满足相位平衡条件。 (4)电容三点式振荡电路的频率稳定度要比电感三点式振荡电路的频率稳定度高。 原因： 电容三点式振荡电路的 比电感三点式振荡电路的 要小。 YFYF高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.3.4 LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则 不论电感三点式振荡电路，还是电容三点式振荡电路，其晶体管的集电极-发射极之间和基极-发射极之间回路元件的电抗性质都是相同的，而与集电极-基极之间回路元件的电抗性质总是相反的。 判断准则： Xce与Xbe的电抗性质相同。 Xcb与Xce、Xbe的电抗性质相反。 对于振荡频率，

20、满足Xce+Xbe +Xcb=0。 这一判断准则是最常用的判断 三点式振荡器能否满足正反馈的方法。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.4振荡器的频率稳定原理 5.4.1 频率稳定度的定义 振荡器的频率稳定度是振荡器的一个很重要的指标。 频率稳定度在数量上通常用频率偏差来表示。 频率偏差是指振荡器的实际工作频率和标称频率之间的偏差。 频率偏差可分为绝对偏差和相对偏差。 设f为实际振荡频率，fc为指定标称频率， 绝对偏差为 相对偏差为 频率稳定度通常定义为在一定时间间隔内，振荡器频率的相对偏差的最大值，cfffccc|fffffmaxmaxcccfffff时

21、间间隔时间间隔高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 相对偏差的最大值的数值越小，频率稳定度越高。 按照时间间隔长短不同，通常可分为下面三种频率稳定度。 (1)长期频率稳定度：一般指一天以上以至几个月的时间间隔内的频率相对变化。这种变化通常是由振荡器中元器件老化而引起的。 (2)短期频率稳定度：一般指一天以内，以小时、分或秒计算的时间间隔内的频率相对变化。产生这种频率不稳的因素有温度、电源电压等。 (3)瞬时频率稳定度：一般指秒或毫秒时间间隔内的频率相对变化。这种频率变化一般都具有随机性质并伴随着有相位的随机变化。引起这类频率不稳定的主要因素是振荡器内部噪声。高频

22、电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.4.2 振荡器的频率稳定度的表示式 振荡器的振荡频率是由 相位平衡条件决定的 (1) 由相频特性 满足相位平衡条件可得 ZYF0c0Z2arctanQ?02arctan0YFQ0YF2tan QYF0tan2Q高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (2)振荡器的工作频率的表示式 振荡器的振荡频率c是0、 和Q的函数，这三者的变化都将会引起频率不稳。 (3)实际振荡频率的变化YF00ctan211QYFQQcYFYFc00ccYF0ctan211QYF20YFccos12QYF20ctan2QQ

23、高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 由于Q较大, 较小， ，可得 (4) LC振荡器频率稳定度的一般表达式 考虑到 相对 较小，则 ，可得YF1tan21YFQQQQ2YF0YFYF200c2tancos12QQQ2YFYFYF2000c2tancos2100cQQQ2YFYFYF2000ccc2tancos21高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 图5.4.1 、 、 变化对 的影响Q的变化的变化的变化0YF0YFQc高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.4.3 振荡器的稳频措施 1.引起频

24、率不稳的原因 外因的变化(温度变化、电源电压的变化、振荡器负载的变动、机械震动、湿度和气压的变化以及外界电磁场的影响等),对回路元件L、C和晶体管的参数产生变化,从而产生 、 和 的变化,直接引起振荡频率不稳。 2.稳频措施 (1)减小外因的变化 温度变化-恒温； 电源电压变化-稳压； 负载变化-射随器； 湿度变化-密封或固化； 机械震动-减震； 电磁场影响-屏蔽措施等。 (2)提高电路参数抗外因变化的能力 是取决于L和 ，可选用正温度系数的电感和负温度系数的回路电容进行温度补偿。 0YFQ0C高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 减小晶体管极间电容的不稳定量对

25、 的影响，也就是将晶体管的极间电容通过电路的部分接入方式减小 。这一点是高稳定度振荡器提高频率稳定度的主要方式。 选用高Q的电感和参数稳定的电容，能减小外因变化而引起的Q。 (3)选用 小的电路形式 越小，频率稳定度越高。因为电容三点式的反馈支路是电容，其 比采用电感反馈的电感三点式要小，在高稳定度的振荡器中是选用电容三点式电路形式的。CCYFYFYF高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.5 高稳定度的LC振荡器 5.5.1 电容反馈振荡电路的频率稳定性分析 几个问题：1.振荡频率决定于电路中的哪些元件？ 2.频率的稳定度考虑哪些因素？ 3.怎样分析说明频率

26、稳定度？高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 1.振荡频率 2.频率稳定度表示形式 越小, 频率稳定度越高。即电路的 和 越小, 振荡电路的频率稳定度越高。LC10c),(0CLfLLCCLLCC0000021LLCC2100LLCCff210000/CC /LL/高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.电容三点式(Colpitts)振荡电路的频率稳定性分析 (以共射电容三点式为例) (1)等效电路图5.5.1电容三点式(Colpitts)等效电路 设Coe、Cie没变化时，回路总电容 , 其中 ， 。 )/(2121CCCCC

27、oe11CCCie22CCC高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (2)电路的 等于什么？ 考虑到 有变量 , 有变量 , 总电容的增量 可得总电容增量相对于总电容的变化量为 (3)频率稳定性分析 要提高频率稳定度必须减小 。在L 、 、Co和Ci一定的条件下，应同时减小p1和p2。对于一般电容三点式(Colpitts)振荡器来说，增大C1或减小C2可使p1减少，而同时引起p2增大,不可能同时减小p1和p2,频率稳定度不可能太高。 CoeCoCieCiCi22o21CpCpC21211CCCCCp21122CCCCCpioCCpCCpCC2221CC /C高频电

28、子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.5.2 克拉泼(Clapp)振荡电路 1.电路特点： 共基放大；C1与C2构成反馈。 在振荡回路中加一个与电感 串接的小电容C3，并且满足 , 。 回路总电容为 振荡频率估算13CC23CC3313221321CCCCCCCCCCCLC10c高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.频率稳定性分析 不稳定电容 和 对总电容的影响 p1为 折合到电感L两端的接入系数； p2为 折合到电感L两端的接入系数。 不稳定电容相对总电容的变化量为 因为C3比C1和C2都小很多,故p1、 p2可以同时减小。因

29、此克拉泼振荡电路比电容三点式(Colpitts)振荡电路的频率稳定度要高。i22o21CpCpCoCiCoCiC13111)/(1)/(1CCCCCCp23222)/(1)/(1CCCCCCpi22o21CCpCCpCC高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.克拉泼电路的优缺点 克拉泼电路由于增加了C3，且保证C3 C1, C3 C2,使得不稳定电容的变化对回路总电容的影响减小，且C1、C2可以增大,提高频率稳定度 。 由于C3的接入,电感损耗电导g0折合到ce两端的g0增大，对起振是不利的。实际上是用对起振条件要求变得更严,换取频率稳定度提高。 因为改变C3

30、可以调节振荡频率，但还会引起p1、 p2变化，影响频率稳定度,对电路是不利的。所以克拉泼电路的主要用作固定频率振荡器。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.5.3 西勒(Siler)振荡电路图5.5.3西勒振荡电路及等效电路 1.主要特点： 与电感L并联一可变电容C4。 保持电路中p1和p2可以同时减小的特点，频率稳定度高。 用C4改变振荡频率，且接入系数p1以 p2不受C4的影响，所以在整个波段中振荡振幅比较平稳。使西勒电路能在较宽范围内调节频率，在实际运用中较多采用这种电路。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.振荡频

31、率 3.频率稳定性 1234122331C C CCCC CC CC C LCf21i22o21CpCpC13111)/(1)/(1CCCCCCp23222)/(1)/(1CCCCCCpi22o21CCpCCpCC高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.6晶体振荡电路 引言： 克拉泼电路和西勒电路的频率稳定度较高是因为接入小电容C3。但C3的减小是有限的，不可能达到非常小。这是由于回路电感的Q值不可能做得很高，起振条件限制了C3数值的进一步减小。因而这两种电路的频率度只能达10-4量级。对于稳定度要求更高的振荡器必然要进一步减小C3到很小，同时要将电感的Q值提

32、高到很高。 石英谐振器具有极高的Q值和良好的稳定性，采用石英晶体作为振荡回路的元件的石英晶体振荡电路，它具有很高的频率稳定度，一般在10-5 10-11量级范围内。 研讨问题： (1)石英晶体具有什么样的特性? (2)石英晶体是怎样构成振荡电路的? (3)石英晶体振荡电路为什么频率稳定度高? 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.6.1 石英晶体的等效电路 1.石英晶体的特点 石英晶体具有压电效应。当晶片受某一方向施加的机械力(如压力和张力)，就会在晶片的两个面上产生异号电荷，这称为正压电效应。当在这两个面上施加电压时，晶体又会发生形变，称为逆压电效应。这两

33、种效应是同时产生的。 在晶片两端加上交变电压，晶体就会发生周期振动，同时由于电荷的周期变化，又会有交流电流流过晶体。不同型号的晶体，具有不同的机械自然谐振频率。 当外加电信号频率等于晶体固有的机械谐振频率时，晶体的振动幅度最强，感应的电压也最大，表现出电谐振。 晶体的振动模式存在着多谐性。除了基频振动外，还会产生奇次谐波的泛音振动。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.石英晶体的等效电路 Lq1、Lq3、Lq5分别表示晶体的基频、 3次谐波和5次谐波动态电感； Cq1、Cq3和Cq5分别表示基频、3次 谐波和5次谐波动态电容； rq1、 rq3和rq5分别

34、表示基频、3次谐波 和5次谐波动态电阻； 电容Co称为晶体的静态电容。 晶体的动态电感很大，一般可从几十毫亨到几亨甚至几百亨； 动态电容很小，一般为10-3pF量级； 动态电阻很小，一般几欧至几百欧；品质因数105 106量级；静态电容约为25pF。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.晶体基频等效电路及特性 晶体有两个谐振频率： 串联谐振频率 并联谐振频率 因为CoCq，利用二项式展开，并忽略高次项，可得 P比q稍大，其差值P-q=qCq/(2Co）很小。 qqq1CLoqoqqP1CCCCLoqqoqqP211CCCC高频电子线路高频电子线路退出下页上

35、页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.6.2 石英谐振器的阻抗特性 石英谐振器等效电路的总阻抗为 当rq可以忽略时，上式可近似为eeooqqqqqqejj111j1jXRCCCLrCLrZoqqqqoe11L11jCCCLCZe22P22qoej111jXCZ高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 电抗特性分析 当 时， ，为容抗； 当 时， ，晶体为串 联谐振，相当于短路； 当 时， ， 晶体等效为感抗(电感)； 当 时，Xe，晶体为 并联谐振。 当 时， ，为容抗。 问题： 根据晶体的电抗特性,在振荡电路中应该怎样利用晶体的特性构成振荡器?q0eXq0eXP

36、q0eXPP0eX高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 晶体在振荡电路中仅等效为容 抗是不合理的。电容元件比晶体价格 低得多。 晶体等效为高Q的电感元件接 在振荡电路中,即振荡频率在串联和 并联谐振频率之间。特别值得注意的 是电感值随频率增大而增大,这对稳 频有非常大的作用。 晶体等效为短路,工作在它的 串联谐振频率,在振荡电路中作为高 Q的串联谐振元件串接于正反馈支路。 特别值得注意的是当频率高于串联谐振频率,晶体等效感抗,而低于串联谐振频率,晶体等效容抗,对稳频起到非常大的作用。 结论： (1)晶体等效为高Q的电感,振荡频率为 ； (2)晶体等效为短路,振荡

37、频率为 。 qPq并联型晶振串联型晶振高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.6.3 晶体振荡电路与泛音晶体振荡电路 1.并联型晶体振荡器 (1)两种基本电路形式 特点是 晶体在电路中等效为电感, 振荡频率为 。 图5.6.3 并联型晶振的两种基本类型 图(a)晶体接在晶体管cb间,称为皮尔斯(Pierce)晶体振荡器,是电容三点式振荡器。 图(b)晶体接在晶体管be间,称为密勒(Miller)晶体振荡器， 是电感三点式振荡器。Pq高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (2)并联型晶体振荡线路的分析 LP为高频扼流圈,共基放大,

38、晶体 接在集电极与基极之间。 C1和C2组成反馈支路。 问题： 晶体在电路中是否等效为电感? 怎样证明振荡频率为 ? 令CL=C1C2/(C1+C2)称为负载电容，则PqqLoqLo)(CCCCCCCLoqqqLoqLoq01)(11CCCCCCCCCLLC高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 因为Cq/(Co+CL)1，将上式展开为二项式，得振荡角频率为 由于 表明电路振荡频率在晶体的串联谐振频率与并联谐振频率之间，且与负载电容CL有关。 可见并联型晶体振荡电路的晶体在电路中等效为电感。 问题： 为什么并联型晶体振荡器的频率稳定度高? )2(1Loqq0CCC

39、oqqP21CC高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 振荡频率的稳定性主要取决于晶体串联谐振频率的稳定性，外电路元件对晶体振荡回路的耦合极弱，因此晶体振荡器回路有很高的标准性。 晶体管不稳定的极间电容 对振荡回路的影响 令 , , 则 Cq很小, p1和p2都很小,耦合极弱，不稳定电容影响极小，故频率稳定度高。 i22o21CpCpCoe11CCCie22CCC)/(2121LCCCCCLoqq2121CCCCCCCpLoqq2112CCCCCCCp高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (3)实用并联型晶体振荡电路 图5.6.5实

40、用的皮尔斯晶体振荡电路 是典型的c-b型皮尔斯晶体振荡电路，晶体等效为电感，C1和C2为回路的另外两个电抗元件，组成反馈支路。 1tt221t21LCCCCCCCCCC)(21Loqq0CCCff高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 2.串联型晶体振荡器 串联型晶体振荡的特点是晶体工作在串联谐振频率上.并作为短路元件串接在三点式振荡电路的反馈支路中。 图5.6.6串联型晶体振荡电路 图5.6.6(a)为实用的5MHz串联型晶体振荡电路。电路的谐振回路的谐振频率应该等于晶体的串联谐振频率,晶体在此频率相当于短路。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大

41、学哈尔滨工程大学 串联型晶体振荡的稳频原理 输入电压 经同相放大器放大, 输出电压为 ,电压增益为A,相移为 。 经(C1+C3)和C2分压反馈得 ,反馈系数F1=Uxb/Ucb, 相移 。 经晶体与Re分压反馈得 ,其反馈系数 F2=Uf/Uxb ,相移为 。当谐振回路的谐振频率与晶体的串联谐 振频率相等时, 晶体相当于短路, 即 。振荡器闭环的 总相移为0,满足正反馈的相位平衡条件,保证振荡频率为 。 ebUcbU0AcbUxbU0F1ebfUUF20F2qxbU高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 当外因变化时的稳频过程 若因某一外因(例如温度变化) 使谐

42、振回路的元件产生微变, 振荡频率偏离串联谐振频率时，晶体不再等效为短路。 (1)当频率高于 时,晶体等效为电感,如图所示。 Uxb 经电感与Re的分压得Ueb ,由矢量图可知 滞后 ,使反馈系数F2=Ueb/Uxb的 ,闭环总相移为负值,会产生振荡频率 减小向 趋近。 ,qebUxbU0F2q高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (2)当频率低于 时, 晶体等效为电容,如图所示。 Uxb 经电容与Re的分压得Ueb ,由矢量图可知 超前 ,使反馈系数F2=Ueb/Uxb的 。闭环总相移为正值, 会产生振荡频率增大向 趋近。 串联型晶体振荡器在反馈支路中引入一个附

43、加相移，将偏离频率调整到串联谐振频率上，确保有较高的频率稳定度。 q0F2qebUxbU高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 晶体静态电容Co对串联型晶体振荡器的频率稳定是有影响的,通常在振荡频率较高的电路中增加一个与晶体并联的电感Ln,使其与Co组成并联谐振回路,以抵消Co的作用, 保证晶体工作在串联谐振频率上。图5.6.7实用的串联型晶体振荡电路 图5.6.7给出20MHz的串联型晶体振荡电路。20MHz晶体的静态电容Co约为710pF, 与Ln并联谐振于振荡频率。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.泛音晶体振荡器 在工

44、作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体谐振器。 所谓泛音振荡是指振荡在基频的3次、5次等奇次谐波上。 泛音晶体振荡器与基频晶体振荡器在电路上有很大的不同。 问题： 怎样确保振荡器的振荡频率准确地振荡在所需的奇次泛音频率上? 关键是在电路结构上必须有效地抑制可能在基频或低次泛音上产生的振荡。 解决办法：利用满足电容三点式振荡器相位平衡条件的反馈电容用并联LC回路等效代替,确保在振荡的泛音频率等效为容抗,而在基频或低次泛音上等效为感抗。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 两种方式 L1C1等效为容抗 L2C2 等效为容抗高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈

45、尔滨工程大学哈尔滨工程大学 例如图示泛音振荡电路图5.6.8泛音晶体振荡电路 图5.6.9 高频等效电路 4.7H电感与330pF电容并联组成电抗电路,作为反馈电路 其谐振频率为 晶体的基频为1MHz时, 只有5次及以上奇次谐波为容抗满足相位平衡条件。所以振荡电路为5次泛音并联型晶体振荡器。而在基频和3次泛音为感抗不满足相位平衡条件, 不能振荡。MHz04. 4Hz10330107 . 4211260f高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.7负阻振荡器 5.7.1负阻的概念 1.负阻器件是指它的增量电阻为负值的器件。 2.图示是隧道二极管的伏安特性。 若将静

46、态工作点设置在负阻区（AB段） 的Q点，并加上微弱正弦信号电压 管子两端电压为 则流过管子的电流为 式中的负号表明，由于负阻特性，使交流电流与交流电压呈现反相。 tUusinmtUVuVusinmQQDtIIiIisinmQQD高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 3.器件所消耗的平均功率为 可以看出，器件所消耗的功率由两部分组成。第一部分是器件的工作点选在Q点时所消耗的直流功率VQIQ，这部分功率是由直流电源提供的。第二部分交流功率-UmIm/2，负号表明器件消耗的是负交流功率，即器件是向外输出交流功率。这说明负阻器件的负阻区具有将直流功率的一部分转换为交流功

47、率的作用。 4.负阻器件的类型 （1）电压控制型负阻器件（例如隧道二极管），电流i 是电压 u的单值函数。负阻区电压增大，电流减小。 (2）电流控制型负阻器件（例如单结型晶体管），电压u是电流i 的单值函数。负阻区电流增大，电压减小。mmQQ20DD21)(d21IUIVtiuP高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 5.7.2 负阻振荡原理 1.负阻振荡器的组成条件 (1)负阻振荡器一般由负阻器件和LC选频网络两部分组成。 (2)建立合适的静态工作点,使负阻器件工作于负阻特性区域内。 (3)负阻器件应和LC振荡回路正确联接。电压控制型负阻器件应与并联谐振回路相联接，电流控制型负阻器件应与串联谐振回路相联接。 (4)电压控制型负阻振荡器，设回路谐振电阻为RP，负阻器件的负阻为-rd。显然,rdRP时为衰减振荡。其起振条件是rdr时为增幅振荡，rd=r时为等幅荡，rdr，平衡条件rd=r。 高频电子线路高频电子线