通信电路原理：第5章 正弦波振荡器 2

1、笫5章 正弦波振荡器 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5.5 晶体振荡器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（*）15.4 振荡器的频率稳定度 5.4.1 频率稳定度的计量 5.4.2 相位噪声 5.4.3 导致振荡频率不稳定的原因 5.4.4 主要稳频措施5.5 晶体振荡器 5.5.1 石英谐振器的基本特性 5.5.2 晶体振荡电路提高谐振回路的标准性削弱不稳定因素对谐振特性的影响选用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容构成的电磁谐振系统并联型晶体振荡电路串联型晶体振

2、荡电路泛音晶体振荡电路振荡器小结25.4 振荡器的频率稳定度5.4.1 频率稳定度的计量 频率准确度 频率稳定度 频率准确度又称频率精度： 表示振荡频率 f 偏离标称频率 f0 的程度。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表示。35.4.1 频率稳定度的计量（续1）频率稳定度则是指在一定观测时间内，由于各种因素变化，引起振荡频率相对于标称频率的变化程度。（1）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。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

3、（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。45.4.1 频率稳定度的计量（续2）RC振荡器10-3LC振荡器10-3 10-4普通信号发生器10-3 10-4中波广播台210-5短波通信机10-4 10-5电视发射台510-7标准信号发生器10-7 10-9时间标准10-11 10-135相位噪声：实际振荡器的输出不只是一根谱线，还有 两个边带，这就是相位噪声；5.4.2 相位噪声ffct相位噪声的影响：

4、频谱不纯的发射信号会对邻道信号产生干扰； 接收机中的本振信号不纯降低了中频信号的信噪比； 本振的相位噪声也干扰数字通信，增大了误码率。6单位是dBc/Hz ，dBc 表示相对于平均载波功率的大小。单边相位噪声功率可用频谱分析仪来测量。相位噪声的计量：在频域是用单边相位噪声功率来表示，单边相位噪声是指偏离载频一定量处，单位频带内的噪声功率相对于平均载波功率的分贝数。5.4.2 相位噪声（续一）无线通信系统中，一般对相位噪声的要求，偏离载频10KHz时为： -80 to -110 dBc/Hz。 75.4.3 导致振荡频率不稳定的原因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 f0

5、1其与回路自然振荡频率 f0、回路有效 Q 值以及环路附加相移 h 的关系可写成：外因：环境因素变化、负载变化等。内因：相位平衡条件。三途径85.4.3 导致振荡频率不稳定的原因（续1）1. 影响 （或 ）的主要因素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和电容的影响；晶体管或其它器件的输入、输出阻抗的变化；电路元件间分布电容的变化；负载电抗参数的变化。95.4.3 导致振荡频率不稳定的原因（续2）2. 影响环路 Q 值的因素器件输入、输出阻抗中的有功部分；负载电阻的变化；回路损耗电阻尤其是电抗元件的高频损耗，环路元器件的高频响应等。105.4.3 导致振荡频率不稳定的原因（续

6、3）3. 影响 的因素反馈变压器的非理想电抗因素中环境因素；晶体管的输入阻抗和输出阻抗或其它器件的输入、输出阻抗；晶体管的值可为复数；环路内各种噪声源引起的相差抖动等。 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性起着不良影响。115.4.4 主要稳频措施1. 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、大气压力等变化时，谐振回路保持其谐振频率固定不变的能力。 提高回路标准性的主要措施是选用高品质因数、高稳定性和低温度系数、低吸水性的电容器与电感器。负号表示频率变化的方向与电抗变化的方向相反。所以有: 125.4.4 主要稳频措施（续1）引起电抗元件电感量和电容

7、量变化最明显的环境因素是温度的变化，因此常采用温度补偿法和温度隔离法。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。温度隔离法：将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。选用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容构成的电磁谐振系统。 由于这类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采用。1. 提高谐振回路的标准性（续1）135.4.4 主要稳频措施（续2）2. 削弱不稳定因素对谐振特性的影响晶体管的参数稳定：晶体管参数（输入输出阻抗等）受工作点的影响较大

8、，注意选择工作点稳定的电路与良好的稳压电路。选择回路与器件间的接入系数：晶体管的输入输出阻抗、外接负载阻抗、分布电容和引线电感都是影响回路标准性的重要因素。因此选择合适的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，对提高频率稳定性是十分重要的。例：为了阻止负载对振荡器的影响，振荡器一般都是通过具有高输入阻抗的跟随器输出。如必须直接连接时，也常采用变比较大的降压变压器，或分压比很小的电容分压网络再与其它负载相联接。145.4.4 主要稳频措施（续3）改进电路：减小振荡管的输入、输出阻抗对回路振荡频率的影响，是提高振荡频率稳定性的一个非常重要的课题。 在三点式振荡电路中，器件三个端口

9、的等效阻抗 直接与回路三个电抗元件相连接，由于器件端口等效阻抗随工作状态改变而改变，由它构成的振荡器其频率稳定度的提高也必然会受到严重的影响。为了改善普通三点振荡电路的频率稳定性而提出的两种改进型的电路（克拉泼振荡器和西勒振荡器） 。2. 削弱不稳定因素对谐振特性的影响（续1）15举例:（1）考毕茨电路 ，求 ，若 求由此引起的 及 。（2）克拉泼电路 ，已选C=60pF，求若 ，求由此引起的 及 。给定电容反馈三点式振荡电路 ：若选F=1/5，对以下两种电路分别计算并比较。即比较同样的输入电容变化给两种电路带来的频率变化。16举例(续1)解：（1）计算考毕茨电路 的元件值和参数17举例(续2

10、)（2）计算克拉泼电路 的元件值和参数185.5 晶体振荡器利用石英晶体的压电和反压电效应对正弦振荡频率进行控制的振荡器称为晶体振荡器。石英晶体的物理性能和化学性能十分稳定，对周围环境条件（如温度、湿度、大气压力）的变化不敏感。晶体振荡器突出的优点是可以组成频率稳定度和准确度很高的正弦波振荡器： 10-410-6； 10-710-8 （加恒温控制）； 10-1210-13（极限） 。19压电和反压电效应：石英是一种具有晶体结构、外形呈角椎形六棱体的矿物质。当按某种方式将其切割成一定厚度的薄片时，可以发现它具有一种特殊的物理现象：当石英晶体沿某一电轴受到交变电场作用时，就能沿机械轴产生机械振动，

11、反过来，当机械轴受力时，就能在电轴方向产生电场。我们称之为压电和反压电效应。 石英晶体和其他弹性体一样，具有惯性和弹性，因而存在着固有振动频率，并与其物理特性、几何尺寸和外形有关。在谐振频率处，换能效率最高。石英晶体实际上是一个能把机械能转换为电场能，又能把电场能转换为机械能的可逆换能器，205.5.1 石英谐振器的基本特性1. 石英谐振器的等效电路石英谐振器还存在各种奇次泛音振动模式，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一般都限制在20MHz以下。因为此时石英片的厚度仅有0.041mm，频率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的强度。2

12、15.5.1 石英谐振器的基本特性（续1）2. 石英谐振器的谐振频率225.5.1 石英谐振器的基本特性（续2）02. 石英谐振器的谐振频率233. 石英谐振器的基本特性很高的等效品质因数（104106）： 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。很小的接入系数 P（10-310-4）： 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。具有两个谐振频率，且两个谐振频率十分接近：5.5.1 石英谐振器的基本特性（续3） 书上例题，52.5Hz245.5.2 晶体振荡电路三种反馈振荡器：晶体在电路中作为等效电感元件用，为并联型晶体振荡电路。晶体在振

13、荡环路中起着高 Q 电感器的作用。电路中当串联谐振元件用，为串联型晶体振荡电路。晶体则起着具有高 Q 短路器作用。泛音晶体振荡器：利用石英谐振器的振荡器称为泛音晶体振荡器。石英谐振器构成振荡器可以有两种工作方式：高Q短路线（f=fq）：串联型晶体振荡器；等效L（fqffp）：并联型晶体振荡器。0251. 并联型晶体振荡电路（1）皮尔斯电路RFCCBE如令 ， 是 和（ + ）的串联。CEB261. 并联型晶体振荡电路（续1）石英晶体参数具有高度稳定性，q 稳定，0 也很稳定；由于Cq q ，石英谐振器是等效为电感 L 用；回路振荡频率近似等于q ，可通过CL微调，但范围很小。271. 并联型晶

14、体振荡电路（续2）注意三种频率：石英谐振器的振荡频率；振荡回路的振荡频率；并联型晶体振荡电路的振荡频率 （考虑h的影响）。（2）密勒（Miller）电路石英晶体 JT 被晶体管输入阻抗所并联，降低了有载品质因数 Q ，降低了频率稳定度，故密勒电路使用不多。282. 串联型晶体振荡器串联谐振型，晶体为高 Q 短路器作用。L0作用：去除C0的不良影响。293. 泛音晶体振荡器要求较高的工作频率时，一般均是泛音晶体，其泛音次数通常选为37次泛音。泛音次数太高，晶体的性能也将显著下降。石英晶体中的机械谐波（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。泛音是基波的奇数倍，不能同时并存

15、。泛音晶体振荡器的振荡环路中，必须包含两个振荡回路： 振荡器的振荡回路泛音选择振荡回路泛音选择频率处能够满足相位平衡条件和幅度平衡条件。泛音选择频率设计在 n 次泛音和（n-2） 次泛音之间。303. 泛音晶体振荡器（续1）泛音选择电路： 设石英晶体泛音为 5次泛音晶体，f为晶体的基音频率。泛音选择电路在振荡频率处等效为电容。315-15：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电路，并分析该电路采用了哪几种稳频措施。举例1：习题5-15（晶体当等效电感元件用）稳压输出 恒温槽32举例2：习题5-16 （当等效电感元件用）5-16：某通信接收机的本振电路如图所示。试画出其交

16、流等效电路，并说明是什么形式的电路。33举例3：（高 Q 短路器作用）12P36P10P6800P6800P30K2.7K5.6P输出10P36P12P34振荡器小结：振荡器的起振 、平衡和稳定条件的分析。振荡器的频率稳定度的讨论：导致振荡频率不稳定的原因：f0，Q，h。主要稳频措施：电路形式；谐振回路的选择；温度补偿法和温度隔离法；选择回路与器件间的接入系数；减小负载对振荡器的影响。振荡器的电路形式：互感耦合 LC 振荡电路；三点式振荡器；晶体振荡器；负阻振荡器；RC 振荡器与开关电容振荡器。35习题十：5-15，5-16，5-17 CAD6 ：5-2036CAD6 ： 5-20 题图5。1

17、7是实验一：电容串联改进型三点式振荡电路（克拉泼电路）的电路图，其中 ， 通常是可变电容。 振荡频率主要由决定， 。由于电路中串入了比 小很多的电容 ，故晶体管集电极与振荡回路的耦合比电容三点式反馈电路要弱很多。分析不同静态工作电流，不同反馈系数对振荡器特性的影响。37CAD6：5-20 （续1）设晶体管参数为：（1）调节电阻 ，使 ；（2）调节 ，计算振荡频率的变化范围 ，并确定 =6.5MHz时 的取值。（3） 和 取如下不同值（反馈系数 ），研究它们对起振点的影响。 ； ； ； 。（4）改变电路静态工作电流，例如取0.5mA，1mA，3mA，5mA时研究它对振荡频率 和振荡幅度的影响；38CAD6：5-20 （续2）（5）改变负载电阻 ，例如取33k、10k、4.7k，研究它对振荡频率 和振荡幅度的影响。题图5。17 克拉泼振荡器返回39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电路，并分析该电路采用了哪几种稳频措施。 举例：习题5-15返回输出 恒温槽稳频措施：晶体；克拉泼电路形式；恒温槽；稳压；跟随器输出。40举例：习题5-16返回某通信接收机的本振电路如图所示。试画出其交流等效电路，并说明是什么形式的电路。 西勒电路41有关振荡器的频率稳定振荡器的平衡条件：振幅平衡条件： AF =1。相位平衡条件：振荡器的稳定条