Chapter4 正弦波振蕩器 oscillator

1、4 正弦波振蕩器正弦波振蕩器 oscillator 作用：發(fā)射機(jī)的主振級就是一個高頻振蕩器，產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的等幅高頻作用：發(fā)射機(jī)的主振級就是一個高頻振蕩器，產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的等幅高頻 信號。接收機(jī)的本振也是高頻振蕩器。信號。接收機(jī)的本振也是高頻振蕩器。 技術(shù)指標(biāo)：振蕩頻率、振蕩頻率范圍、振蕩頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度以及頻技術(shù)指標(biāo)：振蕩頻率、振蕩頻率范圍、振蕩頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度以及頻譜的純度。譜的純度。 主要是振蕩頻率和頻率穩(wěn)定度。由于如電子對抗、雷達(dá)、制導(dǎo)、衛(wèi)星跟蹤、主要是振蕩頻率和頻率穩(wěn)定度。由于如電子對抗、雷達(dá)、制導(dǎo)、衛(wèi)星跟蹤、宇宙通信的需要及發(fā)展，對頻率穩(wěn)定度的要求愈來愈高。宇宙通信的需要及發(fā)展

2、，對頻率穩(wěn)定度的要求愈來愈高。例如：例如： 330M短波段內(nèi)，有短波段內(nèi)，有25萬部電臺（全球），萬部電臺（全球）， 若規(guī)定穩(wěn)定度是若規(guī)定穩(wěn)定度是1.510-5 ,在在30M時，允許的偏差僅為時，允許的偏差僅為450Hz； 電子手表年差不超過電子手表年差不超過1分鐘，要求頻率穩(wěn)定度小于分鐘，要求頻率穩(wěn)定度小于1.510-5； 實(shí)現(xiàn)火星通信，頻率穩(wěn)定度不劣于實(shí)現(xiàn)火星通信，頻率穩(wěn)定度不劣于10-11 ； 為金星定位，頻率穩(wěn)定度不劣于為金星定位，頻率穩(wěn)定度不劣于10-12 。若開關(guān)若開關(guān)K接接1，輸入，輸入Ui ，則回路調(diào)諧時產(chǎn)生最大高則回路調(diào)諧時產(chǎn)生最大高頻電壓頻電壓 ，經(jīng)，經(jīng)M耦合產(chǎn)生耦合產(chǎn)生同

3、頻的同頻的 ；若；若K接接2，則反，則反饋網(wǎng)絡(luò)接通，振蕩便會維饋網(wǎng)絡(luò)接通，振蕩便會維持下去。持下去。 4.1 振蕩的基本原理振蕩的基本原理 (P144)振蕩器由放大器振蕩器由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成。和反饋網(wǎng)絡(luò)組成。而實(shí)際的振蕩器是不需要激勵的，因?yàn)榉糯笃鞅旧淼姆糯蟊稊?shù)只要大而實(shí)際的振蕩器是不需要激勵的，因?yàn)榉糯笃鞅旧淼姆糯蟊稊?shù)只要大于于1，且有選頻回路，所以電路中，晶體管內(nèi)的熱噪聲等微弱信號經(jīng)不斷反，且有選頻回路，所以電路中，晶體管內(nèi)的熱噪聲等微弱信號經(jīng)不斷反復(fù)而建立起來。復(fù)而建立起來。 振蕩建立起來后，能否無休止的增大下去呢？也不會。因?yàn)榫w管的振蕩建立起來后，能否無休止的增大下去呢？也不會。

4、因?yàn)榫w管的工作狀態(tài)進(jìn)入非線性區(qū)，放大倍數(shù)就會下降，當(dāng)反饋電壓幅度和輸入信號幅工作狀態(tài)進(jìn)入非線性區(qū)，放大倍數(shù)就會下降，當(dāng)反饋電壓幅度和輸入信號幅度相等時，達(dá)到平衡狀態(tài)。度相等時，達(dá)到平衡狀態(tài)。振蕩器頻率：振蕩器頻率：cUfULCf214.2 振蕩器平衡條件振蕩器平衡條件 反饋電壓放大器的框圖：反饋電壓放大器的框圖：反饋系數(shù)。：反饋系數(shù)。：小信號線性狀態(tài)電壓放大器放大倍數(shù)（無反饋）：小信號線性狀態(tài)電壓放大器放大倍數(shù)（無反饋）輸出為：輸出為： ：反饋放大器電壓放大倍數(shù)；：反饋放大器電壓放大倍數(shù)；c0b0cb0fb0c)()(UFAUAUFUAUUAUFAAUUAUAFAU00bcfb0c1)1 (

5、fA0AF4.2 振蕩平衡的條件振蕩平衡的條件若：若： 意味著，沒有輸入信號，仍有輸出信號。意味著，沒有輸入信號，仍有輸出信號。所以稱所以稱A0F=1為放大器轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幤鞯臈l件（線性狀態(tài)下）。為放大器轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幤鞯臈l件（線性狀態(tài)下）。起振條件：在起振時，欲增幅，要求反饋電壓的幅度大于上次激起振條件：在起振時，欲增幅，要求反饋電壓的幅度大于上次激勵電壓的幅度，且二者的相位相同。勵電壓的幅度，且二者的相位相同。即：即：得：得：上式是振蕩器的起振條件。上式是振蕩器的起振條件。開環(huán)增益開環(huán)增益1相位相同相位相同f00101AFAFA，則fA1bfUU10bb0bfFAUUFAUU2100nFAFA4.

6、2 振蕩平衡的條件振蕩平衡的條件 這里我們認(rèn)為這里我們認(rèn)為A0 是在線性小信號狀態(tài)，是一個常數(shù)。當(dāng)幅是在線性小信號狀態(tài)，是一個常數(shù)。當(dāng)幅度不斷增大，放大器進(jìn)入非線性狀態(tài)，這時晶體管可以看成是度不斷增大，放大器進(jìn)入非線性狀態(tài)，這時晶體管可以看成是一個非線性器件。為了反映晶體管的這種特性，我們引入一個一個非線性器件。為了反映晶體管的這種特性，我們引入一個平均電壓放大倍數(shù)平均電壓放大倍數(shù)A：而：而：Ic1=IcM 1( )=gcUb(1 cos ) 1( ) 所以放大倍數(shù)所以放大倍數(shù)A= gcRb(1 cos ) 1( )=A0 1( ) 其中其中, A0 = gcRb 為小信號線性電壓放大倍數(shù)。為

7、小信號線性電壓放大倍數(shù)。 1( ) =(1 cos ) 1( ) 為余弦脈沖電流為余弦脈沖電流 分解系數(shù)分解系數(shù) 因?yàn)橐驗(yàn)?90 , 所以所以 1( ) 1, 則則 A 1, A0是線性小信號增益，是線性小信號增益，A0和和gm（微變跨導(dǎo)）成正比，（微變跨導(dǎo)）成正比， gm與輸入信號大小無關(guān)。與輸入信號大小無關(guān)。 平衡條件：平衡條件：AF1，A是大信號增益，是隨輸入信號變化而變化的。是大信號增益，是隨輸入信號變化而變化的。即：即：得：得：這是振蕩器的這是振蕩器的維持條件維持條件。開環(huán)增益開環(huán)增益1相位相同相位相同維持振蕩，在非線性狀態(tài)下：維持振蕩，在非線性狀態(tài)下：大小相等，相位相同。大小相等，

8、相位相同。由：由：得：振幅平衡條件：得：振幅平衡條件：相位平衡條件：相位平衡條件：構(gòu)成正反饋。構(gòu)成正反饋。ifUU和1bfUU1bbbf FAUUFAUU21nAFFA1eee)( jjjFAFAFAFAFA1FA,.1 , 02nnFA，4.2 振蕩平衡的條件振蕩平衡的條件下面舉例分析互感耦合反饋振蕩器：下面舉例分析互感耦合反饋振蕩器：(不考慮不考慮 yre 的影響：的影響：)其中：其中：得到：相位、振幅平衡條件：得到：相位、振幅平衡條件：振幅平衡：振幅平衡：相位平衡：相位平衡：可得：可得：由：由：由圖可知：由圖可知：所以：所以：則由上式可得：則由上式可得：cbcfUUUUFFUUbc1pb

9、fe1pc1cZUYZIUp1bfebZUYFU：基波阻抗：基波；上式中，p1c1ZI1p1feZFYzzjc1cjp1p1eeIUZZFFYYjjfefee,e1e)j(p1fep1fezZFYZFY.2 , 1 , 0, 2nnZFY1p1feZFY4.3 振蕩器穩(wěn)定的條件振蕩器穩(wěn)定的條件 （P151）指振蕩器在外界因素的作用下，原振幅指振蕩器在外界因素的作用下，原振幅平衡條件被破壞之后，能自動地恢復(fù)原來的平衡條件被破壞之后，能自動地恢復(fù)原來的振幅平衡狀態(tài)的能力。振幅平衡狀態(tài)的能力。 我們知道我們知道A=f(U0) 是單調(diào)下降的，即隨是單調(diào)下降的，即隨著輸出電壓的增大，增益下降。著輸出電壓

10、的增大，增益下降。在在Q點(diǎn)處，點(diǎn)處，A=1/F 即即AF=1，滿足振，滿足振幅平衡條件。幅平衡條件。Q點(diǎn)是一個振幅平衡點(diǎn)。點(diǎn)是一個振幅平衡點(diǎn)。(1) 幅度穩(wěn)定條件幅度穩(wěn)定條件 若在外界因素下，振蕩幅度若在外界因素下，振蕩幅度U0上升至上升至Q 處，處， U0 U0Q, AF1 。于是振蕩減弱，稱為減幅振蕩，使得。于是振蕩減弱，稱為減幅振蕩，使得回到回到Q點(diǎn)上。點(diǎn)上。同理，在同理，在Q處，處， U0 1 ,為增幅振蕩，為增幅振蕩，振幅增大，使得振幅增大，使得:回到回到Q點(diǎn)上。點(diǎn)上。QQUUoQo ,4.3 振蕩器穩(wěn)定的條件振蕩器穩(wěn)定的條件所以，從上面的分析看：所以，從上面的分析看： Q點(diǎn)的斜率應(yīng)

11、滿足：點(diǎn)的斜率應(yīng)滿足：稱為振幅穩(wěn)定條件。在這一點(diǎn)是一個穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。稱為振幅穩(wěn)定條件。在這一點(diǎn)是一個穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。即即AUo曲線是單調(diào)下降的。曲線是單調(diào)下降的。否則，雖然也有平衡點(diǎn)，但不穩(wěn)定，如下圖，左圖的否則，雖然也有平衡點(diǎn)，但不穩(wěn)定，如下圖，左圖的B點(diǎn)。點(diǎn)。0|oQoUUoUA4.3 振蕩器穩(wěn)定的條件振蕩器穩(wěn)定的條件(2) 相位穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件 是指振蕩器相位平衡狀態(tài)在外界因素作用下受到破是指振蕩器相位平衡狀態(tài)在外界因素作用下受到破壞時，可以重新建立新的平衡所需要的條件。壞時，可以重新建立新的平衡所需要的條件。 相位發(fā)生變化時，導(dǎo)致頻率發(fā)生變化。相位發(fā)生變化時，導(dǎo)致頻率發(fā)生變化。所以所

12、以相位穩(wěn)定條件又稱相位穩(wěn)定條件又稱頻率頻率穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件: 在外界因素作用下，上述相位平衡條件遭到破壞，則在外界因素作用下，上述相位平衡條件遭到破壞，則產(chǎn)生一個產(chǎn)生一個 ，由此了產(chǎn)生一個，由此了產(chǎn)生一個 ，導(dǎo)致頻率發(fā)生變化。，導(dǎo)致頻率發(fā)生變化。t dd.2 , 1 , 0, 2nnZFY4.3 振蕩器穩(wěn)定的條件振蕩器穩(wěn)定的條件 如果振蕩器本身能夠在如果振蕩器本身能夠在 作用下，再產(chǎn)生一個作用下，再產(chǎn)生一個 來抵消上述的來抵消上述的 ，則可穩(wěn)定。，則可穩(wěn)定。 這時要求振蕩器本身這時要求振蕩器本身即即一般一般 與與 無關(guān)，即無關(guān)，即:相位穩(wěn)定的條件是相位穩(wěn)定的條件是: 即要求回路的相頻特性必須具

13、有負(fù)的斜率，而并即要求回路的相頻特性必須具有負(fù)的斜率，而并聯(lián)振蕩回路的相頻特性曲線正好具有這樣的特點(diǎn)。聯(lián)振蕩回路的相頻特性曲線正好具有這樣的特點(diǎn)。00)(ZFY0)(FYFY、0Z4.3 振蕩器穩(wěn)定的條件振蕩器穩(wěn)定的條件見圖：是一條直線（是一條直線（ 因?yàn)橐驗(yàn)?Y 和和 F 與與 無關(guān)）無關(guān)）交點(diǎn)交點(diǎn)Q1 ：在在Q1點(diǎn)上振蕩器滿足相位平衡點(diǎn)上振蕩器滿足相位平衡條件，相應(yīng)的振蕩頻率為：條件，相應(yīng)的振蕩頻率為： 1如果在外界因素作用下，使如果在外界因素作用下，使 YF 產(chǎn)生一個正的增量產(chǎn)生一個正的增量+ YF，振蕩，振蕩器回路便產(chǎn)生一個負(fù)的增量器回路便產(chǎn)生一個負(fù)的增量 Z ，抵消，抵消 YF 的影

14、響。的影響。 YF= Y+ F可產(chǎn)生變化，但可產(chǎn)生變化，但 不能自身使其回歸。不能自身使其回歸。 FYYF0ZYFZYF，即4.3 振蕩器穩(wěn)定的條件振蕩器穩(wěn)定的條件即：在在 Q2上重新平衡，但此時的上重新平衡，但此時的 我們希望我們希望 越小越好：越小，振蕩頻率就越穩(wěn)定。越小越好：越小，振蕩頻率就越穩(wěn)定。減小減小 的措施：的措施：盡量減小盡量減小 YF ，則在同樣的，則在同樣的 YF 作用下，可以降低作用下，可以降低 ；提高諧振回路的提高諧振回路的Q值，使值，使 的曲線更加陡峭，則在的曲線更加陡峭，則在同樣的同樣的 YF+ YF作用下，降低作用下，降低 。 振蕩維持了，振蕩維持了，頻率卻變了；

15、頻率卻變了；0ZYFZYFZZYFYF120Z4.3 振蕩器穩(wěn)定的條件振蕩器穩(wěn)定的條件由振蕩器的相位平衡條件由振蕩器的相位平衡條件 = Z + YF =0 可知：可知：若若 YF =0，則，則 Z =0 。這時振蕩回路處于諧振狀態(tài)，這時的。這時振蕩回路處于諧振狀態(tài)，這時的振蕩頻率就等于振蕩回路固有振蕩頻率。振蕩頻率就等于振蕩回路固有振蕩頻率。此時：此時：f = f0 實(shí)際振蕩器中，實(shí)際振蕩器中， YF總是存在的，只有大小的不同而已?？偸谴嬖诘?，只有大小的不同而已。而要使而要使 =0 ，則必須，則必須 Z 與與 YF大小相等，方向相反。大小相等，方向相反。即：振蕩回路永遠(yuǎn)處于微失諧狀態(tài)，而不是諧

16、振狀態(tài)。即：振蕩回路永遠(yuǎn)處于微失諧狀態(tài)，而不是諧振狀態(tài)。但在工程計(jì)算中，可以不考慮但在工程計(jì)算中，可以不考慮 YF的影響，把振蕩回路當(dāng)作的影響，把振蕩回路當(dāng)作諧振回路，這時諧振回路，這時f = f04.4 反饋型反饋型LC振蕩器（又稱三端式振蕩器）振蕩器（又稱三端式振蕩器）“ Three point” type oscillators三端式振蕩器從回路抽取得反饋電壓。三端式振蕩器從回路抽取得反饋電壓。對交流等效電路而言，由對交流等效電路而言，由LC回路引出三個端點(diǎn)分別接在晶體管回路引出三個端點(diǎn)分別接在晶體管得得b、c、e三極上，三極上，稱之為稱之為三端式振蕩器三端式振蕩器。4.4.1 構(gòu)成三端

17、式振蕩器的原則（相位判據(jù)）構(gòu)成三端式振蕩器的原則（相位判據(jù)）如圖：如圖：假設(shè)：假設(shè)： 不計(jì)晶體管的電抗效應(yīng)；不計(jì)晶體管的電抗效應(yīng)； LC回路由純電抗組成，即：回路由純電抗組成，即： 為了滿足相位條件，回路引出的三個端為了滿足相位條件，回路引出的三個端點(diǎn)應(yīng)如何與晶體管的三個電極相連接？點(diǎn)應(yīng)如何與晶體管的三個電極相連接？回路諧振時：回路諧振時：（此式可以估算諧振頻率（此式可以估算諧振頻率f0 ）放大器倒相放大器倒相180 反饋反饋Uf 和和U0必須反相，才能滿足相位條件（正反饋）：必須反相，才能滿足相位條件（正反饋）：有上面的兩個式子可以得出結(jié)論有上面的兩個式子可以得出結(jié)論: Xce和和Xbe必須

18、同性質(zhì)，才能保證必須同性質(zhì)，才能保證Uf和和Uo 反相。（否則反相。（否則F是負(fù)的）是負(fù)的） Xcb必須和必須和Xce、Xbe性質(zhì)相反，這是三點(diǎn)式振蕩器的相位判據(jù)。性質(zhì)相反，這是三點(diǎn)式振蕩器的相位判據(jù)。簡單記憶：與簡單記憶：與e極相連的電抗性質(zhì)相同，另一個電抗性質(zhì)相反。極相連的電抗性質(zhì)相同，另一個電抗性質(zhì)相反。cbcbbebececejjjXZXZXZ；0cbbeceXXXcbbeceXXXcebecebeofjjXXXIXIUUF4.4.1 構(gòu)成三端式振蕩器的原則（相位判據(jù)）構(gòu)成三端式振蕩器的原則（相位判據(jù)）實(shí)際中常用的有兩種三端式振蕩電路：實(shí)際中常用的有兩種三端式振蕩電路： 電感式三端電感

19、式三端Hartley 電容式三端電容式三端Colpitts1L2LC）哈哈特特萊萊電電路路（電電感感三三點(diǎn)點(diǎn)式式Hartley1C2CL）考考畢畢茲茲電電路路（電電容容三三點(diǎn)點(diǎn)式式Colpitts4.4.2 電感反饋型電感反饋型LC振蕩器（振蕩器（ Hartley電感三端式）電感三端式）上面圖上面圖3-7等效為圖等效為圖3-8，由其構(gòu)成知：，由其構(gòu)成知：顯然顯然滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件。4.4.2 電感反饋型電感反饋型LC振蕩器（電感三端式）振蕩器（電感三端式）下面討論振蕩器的振蕩頻率和電壓反饋系數(shù)。下面討論振蕩器的振蕩頻率和電壓反饋系數(shù)。 考慮電感間互感影響考慮電感間互感影響 M 0

20、 不考慮電感間互感影響不考慮電感間互感影響M = 0 電感三端的特點(diǎn)電感三端的特點(diǎn): 易起振，調(diào)整易起振，調(diào)整 f 方便，適合于波段工作；方便，適合于波段工作； 對諧波的抑制能力差，造成輸出波形不好。對諧波的抑制能力差，造成輸出波形不好。因?yàn)橐驗(yàn)閁f取自取自L2 ，電感對高次諧波是高阻抗。，電感對高次諧波是高阻抗。缺點(diǎn)是：頻率高時，晶體管的輸入輸出電容并聯(lián)在電感量小的電感上，改缺點(diǎn)是：頻率高時，晶體管的輸入輸出電容并聯(lián)在電感量小的電感上，改變回路的特性，會使電路不能起振。變回路的特性，會使電路不能起振。所以適合于幾十所以適合于幾十MHz的振蕩器。的振蕩器。 L1和和 L2之間有互感，易起振，改

21、變之間有互感，易起振，改變C可以可以方便的改變方便的改變f。121212210)(j)(j)2(21NNMLMLMLIMLIUUFMLLCfcf5 . 01 . 0)(2112210取FLLFLLCf4.4.3 電容反饋型電容反饋型LC振蕩器（電容三端式）振蕩器（電容三端式）由其構(gòu)成可知滿足相位平衡條件。由其構(gòu)成可知滿足相位平衡條件。又稱考畢茲（又稱考畢茲（ Colpitts ）電路。）電路。振蕩頻率：振蕩頻率：電壓反饋系數(shù)：電壓反饋系數(shù)：2121021CCCCCLCf；，一般取得較小。取101. 01j1j2112cfFCCICICUUF4.4.3 電容反饋型電容反饋型LC振蕩器（電容三端式

22、）振蕩器（電容三端式）Colpitts 電路特點(diǎn)：電路特點(diǎn)：對諧波的抑制能力強(qiáng)，振蕩波形好；對諧波的抑制能力強(qiáng)，振蕩波形好； 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)調(diào)整工作頻率不方便，適合某一固定頻率。調(diào)整工作頻率不方便，適合某一固定頻率。缺點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：改變頻率，用可調(diào)電容，但這樣又使改變頻率，用可調(diào)電容，但這樣又使 F=C2/C1 變化，變化，一旦調(diào)節(jié)不當(dāng)，一旦調(diào)節(jié)不當(dāng)，F(xiàn)過小，就會停振。過小，就會停振。為了保證起振，增加反饋系數(shù)為了保證起振，增加反饋系數(shù)F，則要減小，則要減小C2，則，則1/(n C2) ，對高頻諧波的抑制能力下降。所以，對高頻諧波的抑制能力下降。所以F大小要適中。大小要適中。晶體管的輸入、輸出電

23、容與回路電容并聯(lián)。為了減小對晶體管的輸入、輸出電容與回路電容并聯(lián)。為了減小對 f0 的的影響，可以適當(dāng)增加回路電容值以提高頻率穩(wěn)定度。影響，可以適當(dāng)增加回路電容值以提高頻率穩(wěn)定度。在振蕩頻率高時，有時可以不用回路電容，直接用晶體管的在振蕩頻率高時，有時可以不用回路電容，直接用晶體管的輸入、輸出電容構(gòu)成振蕩電路，可達(dá)數(shù)百輸入、輸出電容構(gòu)成振蕩電路，可達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz。4.4.4 高穩(wěn)定高穩(wěn)定LC振蕩器振蕩器普通電容三端式等效電路：普通電容三端式等效電路： 若若C1 Coe和和C2 Cie則這時則這時 圖圖3-16中，中， Coe為晶體管輸出電容為晶體管輸出電容Cie為晶體管輸出電容。為晶體管輸出電容

24、。 Cie和和Coe溫度特性不穩(wěn)定，使得頻率溫度特性不穩(wěn)定，使得頻率f0 的穩(wěn)定度變化。的穩(wěn)定度變化?？梢詼p弱可以減弱Cie和和Coe對頻率對頻率f0的影響。的影響。由圖可見：由圖可見：Coe和和C1并聯(lián)；并聯(lián)； Cie和和C2 并聯(lián)。并聯(lián)。 則有：則有： ie2oe1ie2oe10)(21CCCCCCCCLf2121021CCCCLf4.4.4 高穩(wěn)定高穩(wěn)定LC振蕩器振蕩器但是存在問題：但是存在問題：回路電容回路電容C1和和C2不能無限加大，因?yàn)樵龃蟛荒軣o限加大，因?yàn)樵龃驝就得減小電感就得減小電感L，造成回路基波的諧振電阻減小，造成回路基波的諧振電阻減小:而使回路基波電壓幅度下降，以至于滿足

25、不了振幅平衡條件，而使回路基波電壓幅度下降，以至于滿足不了振幅平衡條件，嚴(yán)重時會停振。嚴(yán)重時會停振。減弱減弱Cie和和Coe的影響最有效的辦法是減弱晶體管和振蕩回路之的影響最有效的辦法是減弱晶體管和振蕩回路之間的耦合，但是也不太容易做到。間的耦合，但是也不太容易做到。另一個方法是隔離，就是令另一個方法是隔離，就是令f0 和和 Cie及及Coe無關(guān)。無關(guān)。即兩種改進(jìn)的電容三端振蕩器即兩種改進(jìn)的電容三端振蕩器clapp oscillator和和seiler Oscillator rCLrR2p4.4.4 高穩(wěn)定高穩(wěn)定LC振蕩器振蕩器 因?yàn)橐驗(yàn)镃3 和和L串聯(lián)，稱為串聯(lián)電容反饋串聯(lián)，稱為串聯(lián)電容反饋

26、三點(diǎn)式。用三點(diǎn)式。用C3 把把L和和C1、C2 隔開，使反隔開，使反饋系數(shù)由饋系數(shù)由 C1、C2決定，決定， 振蕩頻率由振蕩頻率由C3 和和L 決定。決定。C3滿足的條件滿足的條件:回路總電容：回路總電容：(1) 克拉撥振蕩器克拉撥振蕩器 clapp oscillator 由于由于f0和和C1、C2 無關(guān)，無關(guān)， C1、C2可以增大，提高頻率的穩(wěn)定度可以增大，提高頻率的穩(wěn)定度; 改變改變 C3 ，可以改變，可以改變f0 ，而不影響反饋系數(shù)，而不影響反饋系數(shù)F； 改變改變 C1、C2 可以改變可以改變F，而不影響，而不影響 0。 可見，可見，C3 越小，振蕩器頻率穩(wěn)定度越高，但是越小，振蕩器頻率

27、穩(wěn)定度越高，但是C3 太小，則太小，則不能滿足振幅起振的條件，所以應(yīng)有一個最小允許值。不能滿足振幅起振的條件，所以應(yīng)有一個最小允許值。3231CCCC，332111111CCCCC30311LCLCCC，4.4.4 高穩(wěn)定高穩(wěn)定LC振蕩器振蕩器L1C2C3CcRrpRce分析克拉撥振蕩器分析克拉撥振蕩器 看一下晶體管看一下晶體管c、e兩端的等效電阻兩端的等效電阻RC。電路等效為：。電路等效為：折合到折合到ce端：端：由：由：得：得：圖中：圖中：再看：再看：2300000242233110100111()cCQLQRQLCCLL C 可見，調(diào)節(jié)可見，調(diào)節(jié)C3 改變頻率時，改變頻率時， RC 變化

28、很大，在頻率高端停振。變化很大，在頻率高端停振。增大增大 C1 時，也是會產(chǎn)生上述問題。所以時，也是會產(chǎn)生上述問題。所以 C1、C3 應(yīng)取恰當(dāng)?shù)闹怠?yīng)取恰當(dāng)?shù)闹怠?0MHz工作頻率：工作頻率： C1、C2取數(shù)千取數(shù)千pF；低于低于100kHz時時: C1、C2取數(shù)萬取數(shù)萬pF。由于克拉撥電路波段內(nèi)不均勻，故克拉撥振蕩器的波段覆蓋系數(shù)不大：由于克拉撥電路波段內(nèi)不均勻，故克拉撥振蕩器的波段覆蓋系數(shù)不大：所以克拉撥電路所以克拉撥電路適合于固定振蕩器。適合于固定振蕩器。LQrR002pp2ccRPR131cCCCCPLQCCR00213c停振CC3URCLC301LC20313 . 12 . 1min

29、maxffkd4.4.4 高穩(wěn)定高穩(wěn)定LC振蕩器振蕩器(2)西勒振蕩器西勒振蕩器 seiler Oscillator 為了克服調(diào)節(jié)為了克服調(diào)節(jié)C3 改變頻率，影響起振，在改變頻率，影響起振，在L上并聯(lián)電容上并聯(lián)電容C4 ，且滿，且滿足：足：C4C1, C40 電感耦合式電感耦合式 F 為負(fù)值，為負(fù)值， F 0 互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器 F 0因?yàn)橐驗(yàn)?Y 總是負(fù)值（總是負(fù)值（ F 0 ），所以電容三端式的），所以電容三端式的| YF| 較小，電感三端較小，電感三端式式| YF|較大。較大。因而在高頻段的振蕩器，幾乎毫無例外的采用電容三端式因而在高頻段的振蕩器，幾乎毫無例外的采用電容三端式振

30、蕩器振蕩器。4.6 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 （Quartz） Crystal Oscillator以上分析知，以上分析知，LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度取決于回路元件參量和振蕩器的頻率穩(wěn)定度取決于回路元件參量和Q值。值。由于由于L、C元件的偏差及回路元件的偏差及回路Q值一般不超過值一般不超過300，所以，所以LC振蕩振蕩器的日頻率穩(wěn)定度為器的日頻率穩(wěn)定度為 10-2 10-3 ，改進(jìn)型克拉撥電路、西勒電路是，改進(jìn)型克拉撥電路、西勒電路是10-4 。而應(yīng)用中，廣播發(fā)射機(jī)要求日頻率穩(wěn)定度優(yōu)于而應(yīng)用中，廣播發(fā)射機(jī)要求日頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1.510-5； 單單邊帶發(fā)射機(jī)的日頻率穩(wěn)定度優(yōu)于邊帶發(fā)射機(jī)的日頻率穩(wěn)

31、定度優(yōu)于10-6，作為頻率標(biāo)準(zhǔn)的振蕩器其頻，作為頻率標(biāo)準(zhǔn)的振蕩器其頻率穩(wěn)定度高達(dá)率穩(wěn)定度高達(dá)10-8 10-9量級甚至更高。量級甚至更高。LC振蕩器無能為力。振蕩器無能為力。石英晶體具有極高的穩(wěn)定性和品質(zhì)因數(shù)（幾萬幾百萬），可石英晶體具有極高的穩(wěn)定性和品質(zhì)因數(shù)（幾萬幾百萬），可使振蕩器的穩(wěn)定度提高到使振蕩器的穩(wěn)定度提高到10-5 10-6 數(shù)量級；若采用恒溫措施，可數(shù)量級；若采用恒溫措施，可達(dá)達(dá)10-7 10-9 數(shù)量級；雙層恒溫可達(dá)數(shù)量級；雙層恒溫可達(dá) 10-9 10-11 數(shù)量級。數(shù)量級。缺點(diǎn)：晶振只工作于點(diǎn)頻，不能大范圍內(nèi)變化頻率。缺點(diǎn)：晶振只工作于點(diǎn)頻，不能大范圍內(nèi)變化頻率。 隨著隨著

32、頻率合成頻率合成技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)很好解決該問題。技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)很好解決該問題。4.6.1 石英諧振器的性能和等效電路石英諧振器的性能和等效電路(1) 石英晶體的物理性能石英晶體的物理性能: 石英晶體的化學(xué)成分是石英晶體的化學(xué)成分是SiO2 ，形狀是結(jié)晶的六棱錐體。如圖，右圖是橫，形狀是結(jié)晶的六棱錐體。如圖，右圖是橫截面圖，為說明方便，畫出三種幾何對稱軸。截面圖，為說明方便，畫出三種幾何對稱軸。ZZ軸：光軸，連接兩個角錐的頂軸：光軸，連接兩個角錐的頂點(diǎn)，具有光的極化作用；點(diǎn)，具有光的極化作用；XX軸：電軸，垂直于軸：電軸，垂直于ZZ軸，連軸，連接橫截面的三個對角線；接橫截面的三個對角線；YY軸

33、：機(jī)械軸，垂直于軸：機(jī)械軸，垂直于ZZ軸，軸，垂直于六邊形的六個邊。垂直于六邊形的六個邊。 石英晶體振蕩器的石英晶片或石英棒都是按一定的方位從石英晶體中石英晶體振蕩器的石英晶片或石英棒都是按一定的方位從石英晶體中切割出來的。切割的方位不同，所得晶體片或棒的特性各異，主要是頻率、切割出來的。切割的方位不同，所得晶體片或棒的特性各異，主要是頻率、溫度特性、等效電路的參數(shù)不同。按一定的方位切割出來的石英晶片稱溫度特性、等效電路的參數(shù)不同。按一定的方位切割出來的石英晶片稱*切型。例如廣泛應(yīng)用的有：切型。例如廣泛應(yīng)用的有：AT、BT、CT、DT、ET、GT、NT等。應(yīng)用等。應(yīng)用最多的是最多的是AT切型（

34、切型（ =35 ），其頻率特性較好，溫度從），其頻率特性較好，溫度從5585，頻率變化較小，不超過頻率變化較小，不超過(0.2-0.6) 10-6/ 。4.6.1 石英諧振器的性能和等效電路石英諧振器的性能和等效電路AT切型是三次曲線切型是三次曲線:其它都是向下的二次曲線（有頂其它都是向下的二次曲線（有頂點(diǎn)）。在曲線頂點(diǎn)上，各曲線溫點(diǎn)）。在曲線頂點(diǎn)上，各曲線溫度系數(shù)為度系數(shù)為0，恒溫就選該點(diǎn)。，恒溫就選該點(diǎn)。(2) 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng):正壓電效應(yīng)：在某方向上加上一個壓力，正壓電效應(yīng)：在某方向上加上一個壓力，則在垂直方向的表面產(chǎn)生一個電場；則在垂直方向的表面產(chǎn)生一個電場； 逆壓

35、電效應(yīng)：加電場，垂直方向產(chǎn)生應(yīng)逆壓電效應(yīng)：加電場，垂直方向產(chǎn)生應(yīng)變。變。二者互為因果關(guān)系。二者互為因果關(guān)系?？梢钥闯鲆韵氯齻€結(jié)論：可以看出以下三個結(jié)論： ；Qq非常大：非常大：Lq大，大，Cq和和rq非常??；非常??；4.6.1 石英諧振器的性能和等效電路石英諧振器的性能和等效電路 當(dāng)交流電加到晶體兩端，晶體先隨電壓變化產(chǎn)生應(yīng)變，然后當(dāng)交流電加到晶體兩端，晶體先隨電壓變化產(chǎn)生應(yīng)變，然后機(jī)械振動反過來又在晶片表面產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)晶片的幾何尺寸機(jī)械振動反過來又在晶片表面產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)晶片的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時，它本身有一個固定的機(jī)械振動頻率。外加電壓的和結(jié)構(gòu)一定時，它本身有一個固定的機(jī)械振動頻率。

36、外加電壓的頻率等于晶片固有的機(jī)械振動頻率時，產(chǎn)生諧振。頻率等于晶片固有的機(jī)械振動頻率時，產(chǎn)生諧振。(3) 石英諧振器的等效電路及電抗特性石英諧振器的等效電路及電抗特性:Lq:動態(tài)電感動態(tài)電感,10-3-10-2H,較大；較大；Cq:動態(tài)電容動態(tài)電容, 10-4-10-1pF ，較小；，較??；rq :動態(tài)電阻動態(tài)電阻,1至幾歐至幾歐,較?。ㄕ駝訒r較?。ㄕ駝訒r的摩擦損耗）的摩擦損耗）;C0:靜態(tài)電容，電極、支架、引線電靜態(tài)電容，電極、支架、引線電容總和，約幾容總和，約幾pF;石英諧振器可等效為串聯(lián)諧振電路石英諧振器可等效為串聯(lián)諧振電路qqqqrCLQ 因?yàn)橐驗(yàn)镃q q時時， p時，時，jXe0呈容

37、呈容性；性；當(dāng)當(dāng) = q時時，Ze=0，Lq，Cq支路串聯(lián)諧振；支路串聯(lián)諧振；當(dāng)當(dāng) q 0呈感性，呈感性， 等效電感為：等效電感為： 電感量隨電感量隨 而變化而變化.當(dāng)當(dāng) = p 時時，Ze，C0，Lq，Cq并聯(lián)諧振；并聯(lián)諧振；)111(jj)jj ()jj ()j(j22p22q00qqqq0eeCCCLCLCXZ22p22q02e111CL4.6.1 石英諧振器的性能和等效電路石英諧振器的性能和等效電路 由于由于fq 和和fp間隔小，呈間隔小，呈感性，感性， 電抗曲線陡峭，工作電抗曲線陡峭，工作在這段頻率上，有利于穩(wěn)頻在這段頻率上，有利于穩(wěn)頻（斜率大，穩(wěn)頻）。（斜率大，穩(wěn)頻）。 由于由于L

38、e 是頻率的函數(shù)，是頻率的函數(shù)， 上升，使上升，使 Le上升，又使上升，又使下降下降 。 容性區(qū)不宜使用容性區(qū)不宜使用。4.6.2 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器有兩大類：串聯(lián)諧振元件和并聯(lián)諧振元件。有兩大類：串聯(lián)諧振元件和并聯(lián)諧振元件。(1) 并聯(lián)晶體振蕩器并聯(lián)晶體振蕩器 和一般和一般LC振蕩器相同，把晶體作為一個感性元件構(gòu)成三端式。振蕩器相同，把晶體作為一個感性元件構(gòu)成三端式。 由于密勒電路晶體管由于密勒電路晶體管be間輸入阻抗間輸入阻抗小，所以常用輸入阻抗高的場效應(yīng)管。小，所以常用輸入阻抗高的場效應(yīng)管。4.6.2 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器三端式已分析過，下面以皮爾斯電路為例，說明幾個問

39、題。三端式已分析過，下面以皮爾斯電路為例，說明幾個問題。負(fù)載電容；是并聯(lián)在石英諧振器兩端的外電路電容，是由生產(chǎn)廠商給定的。負(fù)載電容；是并聯(lián)在石英諧振器兩端的外電路電容，是由生產(chǎn)廠商給定的。產(chǎn)品說明書上都標(biāo)有負(fù)載電容的數(shù)值，如產(chǎn)品說明書上都標(biāo)有負(fù)載電容的數(shù)值，如JA5小型金屬殼高頻晶體的小型金屬殼高頻晶體的CL=30pF ,低頻晶體的低頻晶體的 CL=100pF（ 晶體外電容的規(guī)范）晶體外電容的規(guī)范） fq：石英諧振器的串聯(lián)諧振頻率；：石英諧振器的串聯(lián)諧振頻率； fp：石英諧振器的并聯(lián)諧振頻率；：石英諧振器的并聯(lián)諧振頻率； fN ：為考慮負(fù)載電容后，晶體振蕩器的標(biāo)稱頻率。：為考慮負(fù)載電容后，晶體

40、振蕩器的標(biāo)稱頻率。4.6.2 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器晶體串聯(lián)微調(diào)電容晶體串聯(lián)微調(diào)電容Ct ：由由：調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)Ct ，可以調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)CL 。 Ct 減小了晶體管和石英晶體之間的耦合，有利于減小了晶體管和石英晶體之間的耦合，有利于提高穩(wěn)定度。提高穩(wěn)定度。 C1和和C2的選擇的選擇: C1和和C2 選大些，高次諧波易濾掉，波形好。但從皮爾斯振蕩器的起振條件選大些，高次諧波易濾掉，波形好。但從皮爾斯振蕩器的起振條件:可知可知 C1和和C2 越大，起振越困難。此外，越大，起振越困難。此外， C1和和C2 的選取應(yīng)盡量減小的選取應(yīng)盡量減小CL的影響。的影響。CtJTC2C1調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)Ct 可使振蕩頻

41、率等于可使振蕩頻率等于fN 。 雖然晶體的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但溫雖然晶體的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但溫度變化，度變化， 有緩慢變化，需要調(diào)節(jié)。有緩慢變化，需要調(diào)節(jié)。 一般一般F 0.5 ， 對對5M晶振：晶振： C1和和C2 一般取一般取250500pF; 對對2.5M晶振：晶振： C1和和C2 一般取一般取6501100pF;ttLCCCCC1111121)()(212minqeemrrrCCg4.6.2 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器皮爾斯電路皮爾斯電路,忽略晶體管極間參數(shù)及忽略晶體管極間參數(shù)及rp的影響，等效如圖的影響，等效如圖(b)。 0近似為：近似為： 因?yàn)橐驗(yàn)?0非常穩(wěn)定，非常穩(wěn)定，C

42、0+CLCq ，所以，所以CL的不穩(wěn)定引起的頻率變化很小。的不穩(wěn)定引起的頻率變化很小。 當(dāng)然當(dāng)然CL應(yīng)選溫度系數(shù)小，性能穩(wěn)定，損耗小的優(yōu)質(zhì)電容，如云母應(yīng)選溫度系數(shù)小，性能穩(wěn)定，損耗小的優(yōu)質(zhì)電容，如云母D組（這是組（這是穩(wěn)頻因素之一）。穩(wěn)頻因素之一）。 穩(wěn)頻原理說明：穩(wěn)頻原理說明：LLLCCCCCCCCCL0qqq00qq01)(14.6.2 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器振蕩器回路和晶體管之間的耦合弱：振蕩器回路和晶體管之間的耦合弱： 由圖（由圖（c）可見，外電路只與）可見，外電路只與C0耦合，所以晶體管耦合，所以晶體管Cb兩端的接兩端的接入系數(shù)為：入系數(shù)為：因而大大減小了不穩(wěn)定參量對石英諧振器

43、等效參量的影響（這因而大大減小了不穩(wěn)定參量對石英諧振器等效參量的影響（這是穩(wěn)頻因素之二）。是穩(wěn)頻因素之二）。qqLqLqLqCCCCLCCCCCP0430cb)(1010兩端折合到把4.6.2 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器耦合弱，能否引起諧振呢？耦合弱，能否引起諧振呢？其中其中,從從ce看進(jìn)去的諧振阻抗為：看進(jìn)去的諧振阻抗為：為把為把cb兩端折到兩端折到ce端的接入系數(shù)端的接入系數(shù)為把為把Lq 端折到端折到cb端的接入系數(shù)端的接入系數(shù)而而Qp和和 都很大。都很大。例如：例如：BA12型型2.5M晶振，晶振，可見，盡管接入系數(shù)只有萬分之一，但振蕩管可見，盡管接入系數(shù)只有萬分之一，但振蕩管ce間的

44、諧振阻抗高達(dá)間的諧振阻抗高達(dá)106 級（級（M）。）。由于回路阻抗幾千歐就可滿足振蕩條件，所以耦合再弱些，也能起振。由于回路阻抗幾千歐就可滿足振蕩條件，所以耦合再弱些，也能起振。qqcbcepQPPR22211ceCCCPqLqCCCCP0cb)(qqqCL62864cbce0105 . 81004. 3108 . 2210,5,110qqcbcepqqqqqqqQPPRCLrLfQPPPpFCr）（很?。┘僭O(shè)4.6.2 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器f0eXpfqf石英諧振器具有極靈敏的電抗補(bǔ)償能力：石英諧振器具有極靈敏的電抗補(bǔ)償能力： 在在 q p 之間，石英諧振器等效成感抗，所以振蕩頻率應(yīng)由等效電之間，石英諧振器等效成感抗，所以振蕩頻率應(yīng)由等效電感感Le ( )及并聯(lián)電容及并聯(lián)電容CL確定，即：確定，即： 所以在所以在 q p 間，感抗曲線極間，感抗曲線極陡峭。由于感抗曲線對頻率有陡峭。由于感抗曲線對頻率有極大的變化速率極大的變化速率 ，穩(wěn)頻的能