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1、高频电子线路,清华大学出版社2012.6,高频正弦波振荡器在通信系统中起何作用？,本章导读,反馈型正弦波振荡器如何构成？它的工作应满足什么条件？,如何识别常用正弦波振荡器类型并判断能否正常工作？,频率稳定度与哪些因素有关？如何提高频率稳定度？,为什么晶体振荡器的频率稳定度很高？它如何构成？,第四章 正弦波振荡器,反馈振荡器必须满足的起振、平衡和稳定三个条件。,三点式振荡器的组成原则。电容三点式改进型电路。,晶体振荡器的构成和特性。,正弦波振荡器,振荡器没有外加激励信号，而自动地将直流电源产生的能量转化为具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流信号。振荡器一般由晶体管等有源器件和具有选频能力的无源
2、网络所组成。,放大器,输入为外加激励信号，直流能量转换为按信号规律变化的交流能量的电路。,4.1 反馈振荡器的振荡条件分析,4.1.1 反馈振荡器振荡的基本原理,反馈振荡器的原理框图如图4.1所示。反馈振荡器是由放大器和反馈网络所组成的一个闭环环路，其中反馈网络由无源器件组成。,图4.1 反馈振荡器的原理框图,与放大器不一样，反馈振荡器没有外加激励信号，其最初的激励是在接通电源时，电路中存在各种电扰动和热噪声等，这些小扰动的幅度很小，具有很宽的频谱。为了使放大器的输出为一个固定频率的正弦波，则闭环环路必须含有选频网络，通过选频网络从很宽的频谱资源中选出需要的工作频率，而将其余的频率分量抑制掉，
3、因此反馈振荡器还必须有选频网络。一个反馈振荡器要正常的工作，必须满足三个条件：起振条件、平衡条件以及稳定条件。,4.1.2 振荡器的起振条件和平衡条件,在图4.1所示的电路中，在“”处断开，定义环路的闭环增益为,1起振条件,为了使振荡器的输出振荡电压在接通直流电源后由小增大，则要求反馈电压幅度必须大于输入信号幅度，反馈电压相位必须与放大器输入相位相同，也就是要求是正反馈，即,振幅起振条件,相位起振条件,在起振的开始阶段，振荡的幅度还很小，电路尚未进入非线性区，振荡器可以作为线性电路来处理，即可用小信号电路等效模型分析起振条件。,2平衡条件,振荡幅度的增长过程不会一直无止境地进行下去，当反馈信号
4、正好等于输出电压所需的输入电压时，振荡幅度不再增大，电路进入平衡状态。则振荡的平衡条件为,振幅平衡条件,相位平衡条件,综上所述，反馈振荡器既要满足起振条件，又要满足平衡条件，其中起振与平衡的相位条件都是满足正反馈的要求。而对于振幅起振与平衡条件，则要求振荡电路的环路增益具有随振荡器的输入电压的增加而下降的特性，如图4.2所示。,图4.2 满足起振与平衡条件的环路增益特性,起振时，T1，Ui迅速增大，随着振荡幅度的增大，T下降，Ui的增长速度变缓，直到T=1，Ui停止增长，振荡进入平衡状态，在相应的平衡振幅UiA上维持等幅振荡，因此将A点称为振幅平衡点。由于反馈网络为线性网络，反馈系数为常数，因
5、此只要放大器的放大特性满足图4.2所示曲线关系就满足了起振与平衡条件了。由于放大器在小信号工作时是线性状态，增益大；而随着输入信号的增大，放大器工作在截止区与饱和区，进入非线性状态，此时的输出信号幅度增加有限，即增益将随输入信号的增加而下降。因此一般放大器的增益特性曲线均满足图4.2所示的形状。,4.1.3 振荡平衡的稳定条件,振荡器在工作时，不可避免地要受到各种外界因素变化的影响，如温度改变、电源电压波动等，这些变化将使放大器的放大倍数和反馈系数改变，破坏了原来的平衡条件，对振荡器的正常工作将产生影响。如果通过放大与反馈的不断循环，振荡器能够在原平衡点附近建立起新的平衡状态，则原平衡点是稳定
6、的，否则原平衡点是不稳定的。下面分别对振幅稳定条件与相位稳定条件进行讨论。,1振幅稳定条件,振幅稳定条件是指振荡器的工作状态在外界各种干扰的作用下偏离平衡状态时，振荡器在平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体地讲，在振幅平衡点上，当不稳定因素使振荡幅度增大时，环路增益的模值应减小，使反馈电压振幅Uf减小，从而阻止Ui增大；当不稳定因素使振荡幅度减小时，环路增益的模值应增大，使反馈电压振幅Uf增大，从而阻止Ui减小。因此要求在平衡点附近，环路增益的模值随Ui的变化率为负值，即振幅稳定条件为,2相位稳定条件,相位平衡的稳定条件是指相位平衡遭到破坏时，电路本身能够建立起相位平衡的条件。由于正弦信号的
7、角频率与相位的关系为,此相位的变化会引起角频率的变化，角频率的变化也会引起相位的变化。图4.3所示是满足相位稳定条件的回路的相频特性。,图4.3 满足相位稳定条件的回路的相频特性,相位稳定条件,4.1.4 反馈振荡器的判断,反馈振荡器是由放大器与反馈网络所构成的闭环系统，其必须满足起振、平衡和稳定三个条件，判断一个电路能否正常工作，应分别从振幅与相位两个方面予以讨论。,1、振幅条件,由于放大器件一般都是满足图4.2所示的振幅特性，故平衡与稳定的振幅条件都是满足的，仅需对起振的振幅条件进行讨论。,(1) 在起振时，放大器应具有正确的直流偏置，开始时应工作在甲类状态。,(2) 开始起振时，环路增益
8、T应大于1；由于反馈网络F是一个常数，且小于1，因此要求放大器的增益A大于1；对于共射或者共基组态的放大器，负载设计合理，可以满足这一要求。,(1) 对于放大器的起振与平衡的相位条件，都是要求环路是正反馈。,2相位条件,(2) 对于平衡的稳定条件，要求环路应具有负斜率的相频特性曲线。,由于工作频率范围仅在振荡频率点附近，故可认为放大器本身的相频特性为常数，且反馈网络一般由电感分压器、电容分压器组成，其相频特性也可视为常数，因此相位平衡的稳定状态负斜率的相频特性就由选频网络实现。由第1章的知识可知，对于LC并联谐振网络的阻抗特性以及LC串联谐振回路的导纳特性都具有负斜率的相频特性，而对于LC并联
9、谐振网络的导纳特性以及LC串联谐振回路的阻抗特性都具有正斜率的相频特性。,【例4.1】 图4.4所示为一LC振荡器的实际电路，图中反馈网络是由电感L和L1之间的互感M来实现，称之为LC互感耦合振荡器，其中电容Cb为耦合电容，电容Ce为高频旁路电容，都为大电容。画出交流等效电路，分析该电路满足正反馈时其同名端的位置。,图4.4 例4.1图,解：耦合电容和高频旁路电容在高频时作为短路处理；LC并联回路其接电源的一端作为接地处理；基极偏置电阻交流等效为，但该电阻与晶体管be结电阻相比很大，此处作为断路处理。,该LC互感耦合振荡器的交流等效电路如图4.4(b)所示，根据瞬时极性法，当电路满足正反馈时，
10、其同名端如图4.4(b)所示。,4.1.5 频率稳定度,1、频率稳定度的定义,尽管振荡器在满足平衡状态的稳定条件下，当受到外界不稳定因素的影响时能够自动回到平衡状态，但振荡频率在平衡点附近随机变化却是不可避免的。频率稳定度就是衡量实际振荡频率偏离于标称振荡频率的一个程度，是振荡器的一个很重要的性能指标。,相对频率偏差为：,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频率和标称频率之间的偏差。它可分为绝对偏差和相对偏差。设是标称频率，是实际工作频率，则定义绝对频率偏差为：,根据测试时间的的长短，将频率稳定度分为长期频率稳定度、短期频率稳定度以及瞬时频率稳定度。,一般所说的频率
11、稳定度主要是指短期频率稳定度，而且由于引起频率不稳的因素很多，一般所指的频率稳定度的大小是指在各种外界条件下频率变化的最大值。,长期频率稳定度：一般指一天以上以致几个月的时间间隔内的相对变化，其主要取决于元器件的老化特性。,短期频率稳定度：一般指一天以内，以小时、分钟或秒计的时间间隔内频率的相对变化。其主要取决于电源电压、环境温度的变化等。,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。其主要取决于元器件的内部噪声，衡量时常用统计规律表示。,2.提高频率稳定度的措施,振荡器的频率稳定度是极重要的技术指标。因为通信、电子测量仪器等的频率是否稳定，取决于这
12、些设备中的振荡器的频率稳定度。比如通信系统的频率不稳，就可能使所接收的信号部分甚至完全收不到，另外还有可能干扰原来正常工作的邻近频道的信号。,1)减小外界因素变化的影响,采用高稳定度直流稳压电源以减少电源电压的变化；采用恒温或者温度补偿的方法以抵消温度的变化；采用金属罩屏蔽的的方式减小外界电磁场的影响；采用密封、抽空等方式以削弱大气压力和湿度变化的影响等。,由前述可知，引起频率不稳定的原因是外界各种环境因素如温度、湿度、大气压力等的变化会引起回路元件、晶体管输入输出阻抗以及负载的变化，从而对谐振回路的参数以及品质因数Q值产生影响，因此欲提高振荡频率的稳定度，可以从两方面入手：,2)提高回路的标
13、准性,谐振回路在外界因素变化时保持其谐振频率不变的能力称为谐振回路的标准性，回路的标准性越高，频率稳定度越好。由于振荡器中谐振回路的总电感、总电容包括回路电感、回路电容、晶体管的输入输出电感、电容以及负载电容等，因此，欲提高谐振回路的标准性可采取以下措施：,(1)用温度系数小或者选用合适的具有不同温度系数的电感器和电容器；,(2)注意选择回路与器件、负载的接入系数以削弱器件、负载不稳定因素对回路的影响；,(3)实现元器件合理排列，改善安装工艺、缩短引线，加强引线的机械强度；元件与引线安装牢固，可减小分布电容和分布电感及其变化量。,(4)回路的品质因数Q值越大，则回路的相频特性曲线在谐振点的变化
14、率越大，其相位越稳定，从相位与频率的关系可得，此时的稳频效果越好，因此需选择高Q值的回路元件。,4.2 LC三点式正弦波振荡器,以LC谐振回路为选频网络的反馈振荡器称为LC正弦波振荡器，常用的电路有互感耦合振荡器和三点式振荡器。互感耦合振荡器是以互感耦合方式实现正反馈，其振荡频率稳定度不高，且由于互感耦合元件分布电容的存在，限制了其振荡频率的提高，只适合于较低频段。三点式振荡器是指LC回路的三个电抗元件与晶体管的三个电极组成的一种振荡器，使谐振回路既是晶体管的集电极负载，又是正反馈选频网络，其工作频率可达到几百兆赫兹，在实际中得到了广泛的应用。,4.2.1 三点式振荡器的电路组成法则,三点式电
15、路的基本结构如图4.5所示。,则电路中三个电抗元件不能同时为感抗或容抗，必须由两种不同性质的电抗元件组成。,图4.5 三点式电路结构,要产生振荡，电路应首先满足相位平衡条件，即电路构成正反馈，此时LC回路中三个电抗元件的性质应满足一定的条件。为了便于分析，这里略去晶体管的电抗效应。设LC回路由三个纯电抗元件构成，其电抗值分别为Xbe、Xce和Xbc，当回路谐振时，回路等效阻抗为纯电阻，则,当回路谐振时，放大器的输出电压 与输入电压 反相，为了满足正反馈的条件，则反馈电压 需要与输出电压 反相，这样 与 的相位才能相同，使电路满足正反馈条件。一般情况下，回路的Q值很高，因此回路的谐振电流 远大于
16、晶体管的基极、集电极、发射极电流，这里忽略晶体管基极、集电极与发射极电流，则由图4.5有,要满足放大器的输出电压 与输入电压 反相，要求Xbe、Xce为同性质电抗元件，即同为电感或同为电容，而Xbc则须为异性质电抗元件。,综上所述，从相位平衡条件判断三点式振荡器能否振荡的原则是：与发射极相连的为同性质电抗元件，不与发射极相连的为异性质电抗元件。为了便于记忆，可将上述规则简单的记为“射同它异”。,三点式振荡器有两种基本的电路形式：与发射极相连同为电容的，称为电容三点式振荡器，也称考必兹(Colpitts)振荡器，如图4.6(a)所示；与发射极相连同为电感的，称为电感三点式振荡器，也称哈特莱(Ha
17、rtley)振荡器，如图4.6(b)所示。,(a),(b),图4.6 三点式振荡器的两种基本形式,【例4.2】 在图4.7所示电路中，两个LC并联回路的谐振频率分别是 和 ，求振荡频率f0与f1、f2的关系。,图4.7 例4.2图,解：要使电路能够正常振荡，需满足三点式电路的组成原则。而根据图4.7，由于连接基极与集电极的为电容，故电路只能组成电感三点式振荡器，即L1C1、L2C2回路应呈感性。由于LC并联回路谐振频率大于工作频率时，回路呈感性，即应满足：,4.2.2 电容三点式振荡器,图4.8(a)是电容三点式振荡器的实用电路,在图4.8(a)中，电阻通过电源电压VCC给晶体管提供直流偏置，
18、Ce是发射极旁路电容，Cb是耦合电容。Lc是高频扼流圈，其直流电阻很小，为集电极提供直流通路；其交流电阻很大，阻止高频信号通过。C1、C2是回路电容，L是回路电感。,图4.8 （a) 电容三点式振荡器,一般来讲，高频旁路电容与耦合电容都比回路电容大一个数量级以上，对于高频电路来讲，可视为短路；高频扼流圈LC比回路电感大一个数量级以上，对于高频电路来讲，可视为断路。由于Rb1/Rb2比晶体管的输入电阻大很多，这里作为断路处理。4.8(b)是其交流等效电路。,电容三点式振荡器满足振荡的相位条件，因为晶体管放大器的增益随输入信号振幅变化的特性与振荡的三个振幅条件一致，所以只要能起振，必定满足平衡和稳
19、定条件。,图4.8(b),下面分析该电路的起振条件。由于起振时晶体管工作在小信号线性放大区，因此可用Y参数等效电路，图4.9是晶体管的高频小信号等效电路。为了分析方便，这里做了如下假设。,图4.9 电容三点式振荡器的高频小信号等效电路,(1) 忽略反向传输导纳，Yre=0。,(2) 由于晶体管的输入、输出电容本身比C1、C2小很多，这里忽略晶体管的输入、输出电容。,(3) 忽略晶体管正向传输导纳的相移，用跨导gm表示。在图4.9中，gp表示除晶体管外的电路中所有电导折算到ce两端的总电导。,定义反馈系数F：,将gie折算到ce端，有,因此放大器总的负载电导为,环路谐振时的增益为,振荡器的振幅起
20、振条件为,为了使电容三点式振荡器易于起振，应选择跨导gm大、输入输出电阻大的晶体管；反馈系数要合理选择，其一般选择为0.10.5；实践表明，如果选用特征频率fT大于振荡频率5倍以上的晶体管作为放大器，负载电阻不要太小，反馈系数选择合理，其一般都是满足起振条件的。为保证放大器有一定大小的幅度且波形失真小，起振时环路增益一般取35倍。,该振荡器的振荡频率为,4.2.3 电感三点式振荡器,图4.10(a) 是电感三点式振荡器原理图，4.10(b)是其交流等效电路。通常电感绕在同一磁芯的骨架上，它们之间存在互感M。,(a) 实用电路,(b) 交流等效电 路,图4.10 电感三点式振荡器,类似于电容三点
21、式振荡器的分析方法，可求得电感三点式振荡器起振时的条件电容三点式的一致，其反馈系数为,振荡频率为,电容三点式振荡器与电感三点式振荡器的特点比较如下：,1电容三点式振荡器,优点：其反馈电压取自反馈电容，而电容对高频电流呈现低阻抗，可以滤除反馈电压中由于晶体管的非线性所产生的高次谐波，输出波形好；晶体管的输入、输出电容同回路电容并联，不会改变回路的电抗性质，工作频率可以较高。,缺点：调整频率较困难，因为当改变回路电容时，势必改变反馈系数，影响起振和波形质量。,2电感三点式振荡器,优点：L1和L2间存在互感M，比较容易起振，调节回路电容，可以方便地改变振荡频率。,缺点：反馈电压取自电感L2，而电感对
22、高频电流呈高阻抗，不易滤去高次谐波，输出波形不够好；晶体管的输入、输出电容并联在Ll与L2两端，在频率较高时其影响很大，可能使电抗性质发生变化而不满足三点式振荡器的相位条件，所以这种振荡器适用在工作频率不太高的场合，一般为数十兆赫。,4.2.4 改进型电容三点式振荡器,由于晶体管的输入、输出电容与电容三点式振荡器和电感三点式振荡器的回路并联，影响回路的等效电抗元件参数。而晶体管的输入、输出电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，所以上述两种振荡器的频率稳定度不高，一般在10-3数量级。为了提高频率稳定度，需要对电路作改进以减少晶体管输入、输出电容对回路的影响，可以采用削弱晶体管与回路之间耦合
23、的方法，在电容三点式振荡器的基础上，得到两种改进型电容反馈式振荡器克拉泼(Clapp)振荡器和西勒(Siler)振荡器。,1克拉泼振荡器,图4.11(a)是克拉泼振荡器的实用电路，4.11(b)是其交流等效电路。与电容三点式振荡器相比，克拉泼振荡器的特点是在回路中用电感L和可变电容串联电路代替原电容反馈振荡器中的电感L。各电容值取值规定如下：C3C1 ，C3C2，这样可使电路的振荡频率近似只与C3、L有关。,(a) 实用电路,(b) 交流等效电路,图4.11 克拉泼振荡器,由图4.11(b)可得谐振回路的总电容为,则振荡频率为,由此可见，对振荡频率的影响显著减少，那么与并联的晶体管的输入、输出
24、电容的影响也就减小了。,由于晶体管以部分接入的方式与回路连接，ce端与回路的接入系数为,同理，be端与回路的接入系数为,由于C3C1 ，C3C2 ，则接入系数nce、nbe很小，故晶体管与回路的耦合很弱，因此晶体管的输入、输出电容对回路的影响减小，克拉泼振荡器的频率稳定度得到了提高。,谐振回路中接入C3后，虽然振荡器频率稳定度得到了提高，调节C3不会改变反馈系数，但是不能太大，C3不能太小，否则将影响振荡器的起振。假设回路的总负载为RL(包括回路的谐振电阻、实际负载等效到回路等)，则其等效到晶体管ce端的负载电阻RL为,若C3太小，C1太大，则等效负载很小，放大器增益就较低，环路增益也就较小，
25、振荡器的输出幅度减小。若C3过小，振荡器不满足振幅起振条件而使振荡器停振。所以，克拉泼振荡器是用牺牲环路增益来换取回路标准性的提高，从而提高频率稳定性,克拉泼振荡器的缺陷是不适合作波段振荡器。波段振荡器要求在一段区间内振荡频率可变，且振幅幅值保持不变。这是因为克拉泼振荡器频率的改变是通过调整C3来实现的，而C3的改变，回路总负载将随之改变，放大器的增益也将变化，调频率可使环路增益不足而停振；另外，由于负载电阻的变化，振荡器输出幅度也将变化，导致波段范围内输出振幅变化较大。而克拉泼振荡器主要用于固定频率或者波段较窄的场合，其波段覆盖系数(最高工作频率与最低工作频率之比)一般只有1.21.3。,2
26、西勒振荡器,针对克拉泼振荡器的缺陷，出现了另一种改进型电容三点式振荡器西勒(Seiler)振荡器。图4.12(a)是西勒振荡器的实用电路，4.12(b)是其交流等效电路。,(a) 实用电路,(b) 交流等效电路,图4.12 西勒振荡器,西勒振荡器是在克拉泼振荡器的基础上，在电感L两端并联了一个小电容C4，且满足C1、C2远大于C3，C1、C2远大于C4。由图4.12(b)可得谐振回路的总电容为,振荡器的振荡频率为,西勒振荡器与克拉泼振荡器一样，晶体管与回路的耦合较弱，频率稳定度高；由于与电感L是并联的，通过调整只改变频率不会改变晶体管与回路的接入系数，所以波段内输出幅度较平稳。因此，西勒振荡器
27、可用作波段振荡器，其波段覆盖系数为1.61.8。,【例4.3】 如图4.13所示的电路，分析该电路的工作原理，画出交流等效电路，并求振荡频率。,图4.13 例4.3图,解：该电路采用负电源供电，以及Lc2构成直流电源滤波，Rb1、Rb2、Re为晶体管的直流偏置电路，Lc1为高频扼流圈，其一方面阻止交流信号到地，另一方面给晶体管提供直流通路，Cb为基极的高频旁路电容，使该晶体管的基极交流接地。,该电路的交流等效电路如图4.14所示，其构成了电容三点式振荡器。,图4.14 例4.3交流等效电路,该电路的回路总电容为,该电路的振荡频率为,4.2.5 集成LC正弦波振荡器,前文介绍的均为分立元件振荡器
28、，利用集成电路通过外接LC元件也可以做成正弦波振荡器。,1单片集成振荡器电路E1648,现以常用电路E1648为例介绍集成电路振荡器的组成。单片集成振荡器E1648是ECL中规模集成电路, 其内部电路图如图4.15所示。,图4.15 单片集成振荡器E1648内部电路图,E1648采用典型的差分对管振荡电路。该电路由三部分组成：差分对管振荡电路、放大电路和偏置电路。VT7、VT8、VT9与脚、脚之间外接LC并联回路组成差分对管振荡电路，其中VT9为可控恒流源。振荡信号由VT7基极取出，经两级放大电路和一级射随器，从脚输出。,第一级放大电路由VT5和VT4组成共射-共基级联放大器，第二级由VT3和
29、VT2组成单端输入、单端输出的差分放大器，VT1作为射随器。偏置电路由VT10VT14组成, 其中 VT11与VT10分别为两级放大电路提供偏置电压，VT12VT14为差分对管振荡电路提供偏置电压。VT12与VT13组成互补稳定电路，稳定VT8基极电位。若VT8基极电位受到干扰而升高，则有 ，这一负反馈作用使VT8基极电位保持恒定。,图4.16是利用E1648组成的正弦波振荡器。,L1、C2回路应调谐在振荡频率f0上。E1648构成的振荡器，其最高工作频率可达225MHz。在脚外加一正电压，可以获得方波输出。,图4.16 E1648组成的正弦波振荡器,E1648单片集成振荡器的振荡频率是由脚和
30、脚之间的外接振荡电路的L1、C1值决定，并与两脚之间的输入电容Ci有关，其表达式为,2运放振荡器,由运算放大器代替晶体管可以组成运放振荡器，图4.17是电感三点式运放振荡器。其振荡频率为,运放三点式电路的组成原则与晶体管三点式电路的组成原则相似，即同相输入端与反相输入端、同相输入端与输出端之间是同性质电抗元件，反相输入端与输出端之间是异性质电抗元件。运放振荡器电路简单，调整容易，但工作频率受运放上限截止频率的限制。,图4.17 电感三点式运放振荡器,4.3 石英晶体振荡器,由于LC元件的标准性较差，谐振回路的Q值较低，所以LC振荡器的频率稳定度不高，一般为10-3数量级，即使是克拉泼振荡器与西
31、勒振荡器，其频率稳定度也只能达到10-410-5数量级。为了进一步提高振荡器的频率稳定度，可采用石英谐振器作为选频网络构成晶体振荡器，其频率稳定度一般可达10-810-6数量级。,4.3.1 石英谐振器及其特性,石英谐振器的固有频率十分稳定，它的温度系数在10-5以下。石英谐振器除了基频振动外，还有奇次谐波泛音振动。所谓泛音，是指石英晶片振动的机械谐波。由于晶体厚度与振动频率成反比，工作频率越高，则要求基片的厚度很薄。薄的基片加工困难，使用中也容易损坏，所以若需要的振荡频率高，可使用晶体的泛音频率，以使基片的厚度可以增加。利用基片振动的称为基频晶体，利用泛音振动的称为泛音晶体，泛音晶体广泛应用
32、三次和五次的泛音振动。通常工作在20MHz以下时采用基频晶体，大于20MHz时采用泛音晶体。,图4.18(a)、4.18(b)、4.18(c)分别是石英谐振器的图形符号、基频等效电路以及完整等效电路。,(a) 图形符号,(b) 基频等效电路,(c) 完整等效电路,C0表示晶片的静态电容，在几皮法到十几皮法之间；,Lq表示晶片振动时的等效动态电感，为几十到几百毫亨；,Cq表示晶片振动时的动态电容，为百分之几皮法；,rq表示晶片振动时的摩擦损耗，为几欧到几百欧；,石英谐振器的串联谐振频率为,并联谐振频率为,由于C0Cq，故石英谐振器的串联谐振频率与并联谐振频率间隔很小,在高Q值条件下忽略rq，定义
33、石英谐振器的等效电抗为,石英谐振器呈容性 ；,石英谐振器呈感性。石英谐振器的电抗特性曲线如图4.19所示。,图4.19 石英谐振器的电抗特性曲线,当石英谐振器呈感性时，其等效电感为,这里需要注意的是，石英谐振器的等效电感L与石英谐振器的动态电感Lq的概念完全不同，前者是频率的函数，后者是与工作频率无关。当= q时，L=0；当= p时，L。由于q与p区间很窄，而谐振器的等效电感又从0变化到无穷大，说明在此区间内等效电感的电抗曲线非常陡峭，这对于稳频是非常有利的。若外部因素使谐振频率增大，则根据石英谐振器的电抗特性，必然会使等效电感L增大，但由于振荡频率与L的平方根成反比，因而又促使谐振频率下降，
34、趋近于原来的频率。,石英谐振器比一般LC振荡器频率稳定度高，具体表现如下：,(1) 石英谐振器具有很高的标准性。,(2) 外接元件对石英谐振器的接入系数为,故接入系数很小，一般为10-410-3，因此大大削弱了外电路不稳定因素对石英谐振器的影响。,（3）石英谐振器的品质因数为,品质因数Q很大，可达104106。而一般LC振荡器的品质因数只有几百，因此石英谐振器具有很强的稳频作用。,石英谐振器在使用时还有一个标称频率fN，其值位于串联谐振频率fq与并联谐振频率fp之间，是指晶体谐振器两端并接某一规定的负载电容CL时石英谐振器的振荡频率。负载电容CL值标于厂家的产品说明书，通常为30pF或标为“”
35、(指无须外接负载电容，常用于串联型晶体振荡器)。,4.3.2 串联型石英晶体振荡器,串联型晶体振荡器一般是将石英谐振器用于正反馈中，利用其串联谐振时等效为短路元件，电路反馈最强，满足振幅起振条件，使振荡器在石英谐振器串联谐振频率fq上起振。图4.20(a)为串联型晶体振荡器的原理电路，图4.20(b)为其交流等效电路。,(a) 原理电路,(b) 交流等效电路,图4.20 串联型晶体振荡器,由图4.20(b)可见，若将晶体短路，它就是一个普通的电容反馈振荡器，L、C1、C2、C3构成振荡回路。当反馈信号频率等于串联谐振频率fq时，石英谐振器的阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，电路满足振荡的相
36、位和幅度条件而产生振荡；当偏离串联谐振频率时，石英谐振器的阻抗迅速增大并产生较大的相移，振荡条件不满足而不能产生振荡。由此可见，这种振荡器的振荡频率受石英晶体串联谐振频率fq的控制，具有很高的频率稳定度。在串联型晶体振荡器中，LC回路一定要调谐在石英谐振器的串联谐振频率上。,4.3.3 并联型石英晶体振荡器,并联型晶体振荡器的工作原理和三点式振荡器相同，只是将其中一个电感元件换成石英晶振。石英谐振器接在晶体管的c、b极之间，则称为皮尔斯振荡器；石英谐振器接在晶体管的b、e极之间，则称为密勒振荡器。目前应用得最广的是皮尔斯晶体振荡器。,图4.21(a)是皮尔斯振荡器的原理图，图4.21(b)为其
37、交流等效电路，其中虚线框中为石英晶体振荡器的等效电路。,(a) 原理电路,(b) 交流等效电路,图4.21 皮尔斯振荡电路,石英谐振器与外部电容C1、C2、C3构成并联谐振回路，它在回路中起电感的作用。回路中C3用来微调电路的振荡频率，使其工作在石英谐振器的标称频率上，C1、C2、C3串联组成石英晶体谐振器的负载电容CL，其值为,由图4.21(b)可知，该电路的谐振频率为,由于石英谐振器的标准性很高，故串联谐振频率非常稳定，且由于C0Cq，CLCq，故皮尔斯振荡器的振荡频率非常接近串联谐振频率。,在图4.21(b)中，分析A、B端对晶体的接入系数，以说明外电路与晶体之间的耦合程度。A、B端的接
38、入系数为,根据C0、Cq、CL三个电容的大小可知值非常小，一般均小于10-410-3，所以外电路对振荡回路的影响很小。,设晶体管的bc、be、ce端的接入系数分别为nbc、nbc、nce、有,故晶体管与石英谐振器的接入系数非常小，故晶体管的输入、输出电容等效到回路中的电容值大大减小，对振荡频率的影响也大大减小。,由于石英谐振器的Q值和特性阻抗都很高，因此晶振的谐振电阻也很高，可达1010W以上。这样即使外电路接入系数很小，此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍然很大，使晶体管的电压增益一定能够满足振幅起振的条件。,4.3.4 泛音晶体振荡器,在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡器，其
39、是利用石英谐振器的泛音振动特性对频率实现控制的振荡器。对于泛音晶体组成的振荡电路，其必须包含两个振荡回路，一个振荡回路需满足三点式振荡电路的组成规则；另一个振荡回路除需考虑抑止基波和低次泛音振荡的问题，而且必须正确地调节电路的环路增益，使其在泛音频率上略大于1，满足起振条件，而在更高的泛音频率上都小于1，不满足起振条件。在实际应用中，可在三点式振荡电路中用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件，使这一支路在基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，不能起振；而在所需的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，达到起振。,图4.22为一种并联型的泛音晶体振荡器的交流等效电路。,图
40、4.22 泛音晶体振荡器的交流等效电路,假设泛音晶体为五次泛音，标称频率为5MHz，则为了抑制基波和三次泛音的寄生振荡，LC1回路就必须调谐在三次和五次泛音频率之间，例如3.5MHz。这样在5MHz频率上，LC1回路呈容性，振荡电路符合组成法则，电路能工作。而对于基频和三次泛音频率来说，LC1回路呈感性，电路不符合三点式振荡电路组成法则，因而不能在这些频率上振荡。至于七次及其以上的泛音频率LC1虽也呈容性，但其等效电容过大，所呈现的容抗非常小，不满足振幅起振条件，因而也不能在这些频率上产生振荡。,【例4.4】 对图4.23所示的晶体振荡器。(1) 画出交流等效电路，说明晶体在电路中的作用。(2
41、) 若将标称频率为5MHz的晶体换成标称频率为3MHz的晶体，该电路能否正常工作，为什么？,图4.23 例4.4图,解：该电路的交流等效电路如图4.23(b)所示，是属于并联型晶体振荡器，晶体相当于电感的作用。,由330pF电容与4.7H电感构成的并联回路，其谐振频率为,则当晶体的标称频率为5MHz时，330pF电容与4.7H电感构成的并联回路呈现容性，其满足三点式振荡电路的组成法则，是电容三点式振荡电路。而当晶体的标称频率为3MHz时，330pF电容与4.7H电感构成的并联回路呈现感性，不满足三点式振荡电路的组成法则，该电路不能正常工作。,图4.23(b),本 章 小 结,反馈振荡器是由放大
42、器和反馈网络组成的具有选频能力的正反馈系统。反馈振荡器必须满足起振、平衡和稳定三个条件，每个条件中应分别讨论其振幅和相位两个方面的要求。在起振时，环路增益的幅值必须大于1，环路增益的相位应为2p的整数倍；在平衡状态时，环路增益的幅值等于1，环路增益的相位应为2p的整数倍；在稳定点，环路增益的幅值具有负斜率的增益-振幅特性，环路增益的相位具有负斜率的相频特性。,三点式振荡电路是LC正弦波振荡器的主要形式，可分成电容三点式和电感三点式两种基本类型。频率稳定度是振荡器的主要性能指标之一。为了提高频率稳定度，必须采取一系列措施，包括减小外界因素变化的影响和提高电路抗外界因素变化影响的能力两个方面。克拉泼振荡器和西勒振荡器是两种较实用的电容三点式改进型电路，它们减弱了晶体管与回路的耦合，使晶体管对回路的影响减小，提高了振荡频率稳定度。集成电路正弦波振荡器电路简单, 调试方便, 需外加LC元件组成选频网络。,晶体振荡器的频率稳定度很高，有并联型与串联型两种类型。在并联型晶体振荡器中，石英谐振器的作用相当于一个电感；而在串联型晶体振荡器中，利用石英谐振器的串联谐振特性，以低阻抗接入电路。石英晶体振荡器的振荡频率的可调范围很小。为了提高晶体振荡器的振荡频率，可采用泛音晶体振荡器，但需采取措施抑制低次谐波振荡，保证其只谐振在所需要的工作频率上。,
