射频模拟电路电子教案：3-11 晶体振荡器

1、上节内容回顾与扩展,如何产生一个振荡？,电容中存储的电能和电感中 存储的磁能就会交替转换而形成振荡。,回路电压方程,回路的衰减系数,回路的无阻尼振荡角频率,+ V -,- V +,在电路中引入正反馈就相当于引入了负电阻。,振荡频率为：,(1)具有放大能力的有源器件。它的作用是不断地向振荡系统补充能量，以维持等幅振荡并输出给负载。 (2)由储能元件组成的选频网络。选频网络决定着振荡器的振荡频率。 (3)控制能量补充的正反馈网络。该网络控制能量适时、适度地补充给振荡系统。,振荡器的工作原理与LC谐振回路的自由振荡类似，它至少应由以下三部分组成。,放大器 振荡器,正反馈：,闭环增益：,放大器 振荡器

2、,闭环增益：,建立等幅振荡器的条件 （振荡平衡条件）,振荡器的偏置电路,VB,VE,V b (t),VQ,工作状态发生改变， 由甲类到丙类！,让A由大变小。,振幅平衡,振幅平衡,在实际设计中，如果静态工作点设计不当，振荡特性可能不是单调下降的。,这种振荡器电路一般 不能自行起振，而必须给以 一个较大幅度的初始激励， 使动态点越过不稳定平衡点M 才能起振，这叫硬激励起振， 设计电路要力加避免。,振幅平衡的稳定条件是 平衡点的位置必须满足：,反馈电压 超前原来输入电压 (前一次反馈电压)一个相角,相位超前导致频率升高，相位滞后导致频率降低，,振荡器本身的某一机构应有恢复相位平衡的能力,什么电路结构

3、具有此种相位特性？,谐振回路的相频特性曲线在工作频率附近具有负的斜率， 能保证相位平衡的稳定性。,振幅平衡条件？,起振条件？,振幅平衡的稳定条件？,相位平衡的稳定条件？,第三章 波形发生与变换电路 （P218) 3.1 LC反馈正弦波振荡器的工作原理 3.2 反馈型晶体管LC振荡器电路 3.3 频率稳定度及改进型电容三端式振荡电路 3.5 石英晶体振荡器,三端式LC振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几MHz到几百MHz的范围，频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些，约为103104量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。,三端式LC振荡器有多种形式，主要有：,电感三端式，又称哈特莱振荡

4、器(Hartley)； 电容三端式，又称考毕兹振荡器(Coplitts)； 串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器(Clapp)； 并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器(Selier)。,LC三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则),3.2.2 三端式振荡器,3.2.2 三端式振荡器,回路谐振时，电抗之和为零。,+,-,vi,-,+,vo,-,+,Vf,在三端式电路中, 回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质, 另外一个电抗元件必须为异性质。这就是三端式电路组成的相位判据, 或称为三端式电路的相位平衡判别准则。以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。也可用于分析复杂电路

5、与寄生振荡现象。 与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三端式电路, 称为电容三端式电路, 也称为考毕兹(Colpitts)电路。 与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三端式电路, 称为电感三端式电路, 也称为哈特莱(Hartley)电路。,相位平衡判别准则应用举例,e,c,b,L3,L1,L2,C,振荡能产生的条件？ L3与C组成的串联谐振回路呈现何种电抗特性？ 若振荡频率为f，则L3与C组成的串联谐振回路的谢振频率f3与f的关系为？,L3与C组成的串联谐振回路呈现电容特性,3.2.2 电感三端式振荡电路,共射电路,交流等效电路,矢量图,哈特莱(Hartley)电路,3.2.2 电感三

6、端式振荡电路,此电路的实际电路如何画？,哈特莱(Hartley)电路,共基电路,3.2.2 电感三端式振荡电路,起振条件,振荡频率,起振条件,回路折合到ce端的谐振电阻,p=L1/(L1+L2),3.2.3 电容三端式振荡电路,考毕兹(Colpitts)电路,高频振荡时使用较多,振荡频率,起振条件,优点：振荡频率高，输出波形好！ 结电容的影响及作用！C1可由结电容Coe代替， 结电容受偏压控制，则可变为可调电容。 缺点：C改变时，B也变化，不易起振。,3.2.3 电容三端式振荡电路,考毕兹(Colpitts)电路,高频振荡时使用较多,共射电路,共基电路,振荡频率,3.2.3 电容三端式振荡电路

7、,第三章 波形发生与变换电路 （P218) 3.1 LC反馈正弦波振荡器的工作原理 3.2 反馈型晶体管LC振荡器电路 3.3 频率稳定度及改进型电容三端式振荡电路 3.5 石英晶体振荡器,3-3 振荡器的频率稳定度与 改进型电容三端振荡器,准确度与稳定度是振荡器频率的主要指标。 振荡器实际工作频率f与标称频率 f 0之间的偏差，称为振荡频率准确度， 又称为频率精度。,频率稳定度分为时间频率稳定度和温度频率稳定度,频率稳定度：,是表明在一定时间内或一定温度、电源电压等变化范围内的相对频率变化量,3.3.1 频率稳定度的定义,振荡器的频率稳定度是振荡器的一个重要性能指标。,1、各种无线电设备的性

8、能稳定与振荡器的频率稳定度有着极为 密切的关系。（发射： 载波；接收端：本地振荡信号）,2、多路通信中发射频率的稳定度决定着所占频带的宽窄，从而 决定了通信的路数和抗干扰能力的强弱。 (稳定度达不到要求可能会使通信中断）,3、通信系统中的频率稳定度是能否正常通信的关键。 （稳定度达不到要求可能会使通信中断）,4、各种测量仪器的频率稳定度决定了测量的误差大小。 （例如数字式时钟）,5、数字频率计中，振荡频率的稳定度决定了时间标准的精确度。,3.3.1 频率稳定度的定义,温度频率稳定度：,温度频率稳定度是指当温度每变化l，频率的相对准确度的变化情况。频率准确度的单位一般是“ppm”(一百万分之一)

9、，温度频率稳定度的单位是ppm。,举例：,3.3.1 频率稳定度的定义,时间频率稳定度：,时间频率稳定度是指在室温下，观察时间内 的变化情况。,观察时间间隔内的最大频率偏移。,3.3.1 频率稳定度的定义,3.3.1 频率稳定度的定义,长期频率稳定度是指较长时间间隔内相对频率准确度的变化，这个时间间隔指几个月，几天，几小时，分秒以上。,长期频率不稳定的原因主要是电压、电流变化，电路参数的不稳定，老化等。,统计值表征,3.3.1 频率稳定度的定义,短期频率稳定度,电路内部噪声主要来源于电阻的热噪声及有源器件内部的哄声。例如，晶体管的内部噪声除了热噪声之外，还有散粒噪声以及闪烁噪声。,指秒或毫秒内

10、的随机频率变化，是频率瞬间的无规则变化。,短稳在频域上又称为相位抖动或相位噪声。,引起短稳不稳的原因：频率源内部噪声,3.3.1 频率稳定度的定义,短期频率稳定度,理想的输出信号是纯净的正弦信号,均为常数,实际上不是理想的，有寄生调幅与调相。,相位噪声可以用相位噪声测试仪，例如HP3047测得。,3.3.1 频率稳定度的定义,3.3.1 频率稳定度的定义,时域 瞬时相位,瞬时频率,瞬时频偏,定义短期频率稳定度,振荡频率,3.3.2 改进型电容三端振荡电路,振荡频率,3.3.2 改进型电容三端振荡电路,如何减少Ci和Co的影响？,但Q下降，A减少，频稳度下降。,如何保证Q提高,又使Ci和Co的影

11、响下降？,3.3.2 改进型电容三端振荡电路,如何保证Q提高,又使Ci和Co的影响下降？,减弱有源器件与LC谐振回路之间的耦合,有利于提高谐振回路的有载品质因数,减小Pce？,Pce=C2/(C1+C2),Pbe=C1/(C1+C2)上升！,若C1减小，C2增加！，PCE下降！,如何同时减小Pce和Pbe?,3.3.2 改进型电容三端振荡电路,如何同时减小Pce和Pbe?,改进型电容三端振荡电路, clapp振荡电路。,3.3.2 改进型电容三端振荡电路 clapp振荡电路,振荡频率,起振条件,高频端不宜起振！,3.3.2 改进型电容三端振荡电路,波段覆盖系数,clapp振荡电路的缺点：,在波

12、段内输出幅度不均匀,波段覆盖系数小,不易起振,进一步改进：西勒振荡电路,3.3.2 改进型电容三端振荡电路 西勒振荡电路,起振条件,3.3.2 改进型电容三端振荡电路 西勒振荡电路,seiler电路改变振荡频率时， 是固定值。,从频率稳定的角度看， 愈小愈好， 的选择原则就是保证起振条件的情况下，尽可能减小 的值。,seiler电路在频率高端更易起振,不能选得太小,振荡频率,起振条件,3.3.2 改进型电容三端振荡电路 实例,交流等效电路？,3.3.2 改进型电容三端振荡电路 振荡器设计实例,1、L、C的数值与频率的关系？ 电容量高于数百PF后，在10MHz F以后，会呈现电感特性。 电感线圈

13、上的杂散电容将使电感成为电容。,改进方法？ 选用高Q电感 在旁路电容和耦合电容上并100-300PF的低值电容。,2、元件的选取？ BJT,fT大于5f0。 LC振荡器中，C选高Q值及稳定的温度特性Npo电容。 L多选用单层螺旋结构，数值多在H,nH，若用磁芯，则环状可具有较高Q值。,3.5 石英晶体振荡器,提高长期频率稳定度，可采取的主要措施有： 减小外界因素的变化，主要是温度的变化，可用恒温槽；,提高谐振回路的有载品质因数。 即提高谐振回路的空载品质因数，减小晶体管、负载与谐振回路之间的锅合，采用部分接人，使用小接入系数方法。,提高有载品质因数！,3.5 石英晶体振荡器,LC谐振回路的空载

14、品质因数很难超过300。长期频稳度 。,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,1. 频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,LC振荡电路 Q 数百,石英晶体振荡电路 Q 10000 500000,3.5 石英晶体振荡器,2. 基本特性,1. 结构：,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应,交变电压,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高,当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大 ,压电谐振,3.5 石英晶体振荡器,3.5 石英晶体振荡器,(1)具有极高的空载品质因数，可达百万数量级。 (2)具有极小的接入系数，有载品质因数也很高。,电路特性：,石英晶体振荡器具有很

15、高的频率稳定度,物理性质：,石英晶体的材料的物理化学性质十分稳定,3.5.2 石英谐振器的特性,石英晶体及横断面,二. 晶体的选型方法1. 选择合适的外形和尺寸，找到相对应的型号2. 选择您需要的频点3. 选择您需要的频率偏差范围4. 确认产品的负载容值或电压范围,3.5.2 石英谐振器的特性,3.5.2 石英谐振器的特性,3.5.2 石英谐振器的特性,石英谐振器串联支路的谐振频率,并联谐振频率,3.5.2 石英谐振器的特性,石英谐振器串联支路的谐振频率,并联谐振频率,石英谐振器的理想电抗曲线,3.5.2 石英谐振器的特性,石英谐振器的理想电抗曲线,3.5.2 石英谐振器的特性,石英谐振器的理

16、想电抗曲线,石英谐振器串联支路的谐振频率,并联谐振频率,3.5.3 石英晶体振荡器电路,晶体振荡器的电路形式主要分为两类：,石英晶体在电路中作为等效电感元件使用并联型晶体振荡器；,石英晶体作为串联谐振元件使用，工作在串联谐振频率上，称为串联型晶体振荡器 。,并联型晶体振荡器；（晶体作为等效电感元件使用）,晶体支路等效为电感，振荡电路的谐振频率往往由晶体外的电容来确定。,并联型晶体振荡器1；（晶体作为等效电感元件使用）,晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值。 晶体元件的负载电容是指在电路中跨接在晶体两端的总的外界有效电容。 选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。 例如一

17、个晶振的负载电容为15p或12.5p ，如果再考虑元件引脚的等效输入电容， 则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。,皮尔斯振荡电路,3.5.3 石英晶体振荡器电路,并联型晶体振荡器；（晶体作为等效电感元件使用）,并联型晶体振荡器电路举例1,交流等效电路？,3.5.3 石英晶体振荡器电路,并联型晶体振荡器电路举例1,在晶振工作频率 处， 此 回路等效为一个电容。 可见，这是一个皮尔斯振荡电路， 晶体等效为电感， 容量为 3 10 的可变电容起微调作用， 使振荡器工作在晶振的标称频率上 。,3.5.3 石英晶体振荡器电路,并联型晶体振荡器电路举例2,振荡频率=？,3.5.3 石英晶

18、体振荡器电路,并联型晶体振荡器电路举例2,3.5.3 石英晶体振荡器电路,并联型晶体振荡器2；（晶体作为等效电感元件使用）,密勒晶振电路,密勒振荡电路通常不采用晶体管， 采用输入阻抗高的场效应管来提高回路的标准性和 频率的稳定性。 场效应管密勒振荡电路。,3.5.3 石英晶体振荡器电路,串联型晶体振荡器；（晶体工作在串联谐振频率上）,3.5.3 石英晶体振荡器电路,串联型晶体振荡器电路举例1,交流等效电路？,3.5.3 石英晶体振荡器电路,串联型晶体振荡器电路举例1,交流等效电路,振荡频率=？,3.5.3 石英晶体振荡器电路,3.5.2 石英谐振器的特性,一个晶体是否只有一个谐振频率？,石英晶体不仅只有基频串联谐振频率，还存在其它与基频成奇数倍的串联谐振频率，我们称之为泛音。奇数倍的关系不是严格的奇数倍，是近似的奇数倍关系 。 泛音晶体振荡器用于振荡频率较高的场合。这是因为由于制造工艺的限制，基频太高时晶片的厚度太薄，很容易破损。有时在同等条件下，泛音晶体振荡器的频率稳定度比基频振荡器更好。,3.5.3 石英晶体振荡器电路,3.5.3 石英晶体振荡器电路,3、泛音晶体振荡器,如何让振荡器振