Chapter6 正弦波振蕩器

1、Chapter 6 正弦波振蕩器正弦波振蕩器6.1 概述概述6.2 反饋型振蕩器基本工作原理反饋型振蕩器基本工作原理6.3 反饋型反饋型LC振蕩器線路振蕩器線路6.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定問題振蕩器的頻率穩(wěn)定問題6.5 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器6.6 RC振蕩器振蕩器2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.2自激式振蕩器：在無需外加激勵(lì)信號的情況下，能將自激式振蕩器：在無需外加激勵(lì)信號的情況下，能將直流電能轉(zhuǎn)換成具有一定波形、一定頻率和一定幅度直流電能轉(zhuǎn)換成具有一定波形、一定頻率和一定幅度的交變能量電路。的交變能量電路。一、振蕩器的分類

2、：一、振蕩器的分類：按波形分按波形分按工作方式按工作方式按選頻網(wǎng)絡(luò)所按選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的元件分采用的元件分6.1 概述正弦波振蕩器正弦波振蕩器非正弦波振蕩器非正弦波振蕩器負(fù)阻型振蕩器負(fù)阻型振蕩器反饋型振蕩器反饋型振蕩器LC振蕩器振蕩器RC振蕩器振蕩器晶體振蕩器晶體振蕩器二、振蕩電路的主二、振蕩電路的主 要技術(shù)指標(biāo)：要技術(shù)指標(biāo)：振蕩頻率振蕩頻率頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度振蕩幅度振蕩幅度振蕩波形振蕩波形2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.36.2 反饋型振蕩器基本工作原理反饋型振蕩器基本工作原理iLRVS12C+ +- -由由KVL：01idt

3、CRidtdiL微分，得：微分，得：022022idtdidtid其中：其中：LR2LC10回路的衰減系數(shù)回路的衰減系數(shù)回路的固有角頻率回路的固有角頻率一、并聯(lián)諧振回路中的自由振蕩現(xiàn)象一、并聯(lián)諧振回路中的自由振蕩現(xiàn)象2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.4可以推導(dǎo)出：可以推導(dǎo)出：)2(202CLR過阻尼，不產(chǎn)生振蕩過阻尼，不產(chǎn)生振蕩)2(202CLR臨介阻尼，仍不產(chǎn)生振蕩臨介阻尼，仍不產(chǎn)生振蕩)2(202CLR自由振蕩自由振蕩 )20(0)(CLRa衰減振蕩衰減振蕩 )0(0)(Rb等幅振蕩等幅振蕩 )0(0)(Rc增幅振蕩增幅振蕩t

4、eLVitsin2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.5 為了獲得等幅振蕩，就必須設(shè)法使為了獲得等幅振蕩，就必須設(shè)法使LC回路中回路中的電阻等于的電阻等于“0”。由于實(shí)際的。由于實(shí)際的LC回路本身總是回路本身總是有正電阻的，因此必須人為的引入一個(gè)負(fù)電阻，有正電阻的，因此必須人為的引入一個(gè)負(fù)電阻，將回路本身的正電阻完全抵消，以獲得等幅振蕩。將回路本身的正電阻完全抵消，以獲得等幅振蕩。負(fù)電阻產(chǎn)生的方法負(fù)電阻產(chǎn)生的方法引入正反饋引入正反饋利用有源器件的負(fù)阻特性利用有源器件的負(fù)阻特性2022-3-30Copyrights yaoping. A

5、ll rights reserved.6振蕩器必須由三部分組成：振蕩器必須由三部分組成： 包含兩個(gè)包含兩個(gè)(或兩個(gè)以上或兩個(gè)以上)儲(chǔ)能元件的振蕩回路。儲(chǔ)能元件的振蕩回路。 可以補(bǔ)充由振蕩回路電阻產(chǎn)生損耗的能量來源?？梢匝a(bǔ)充由振蕩回路電阻產(chǎn)生損耗的能量來源。 使能量在正確的時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充到電路中的控制設(shè)備。使能量在正確的時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充到電路中的控制設(shè)備。二、振蕩過程與振蕩條件二、振蕩過程與振蕩條件2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.7自激振蕩建立的物理過程自激振蕩建立的物理過程1. 振蕩過程與振蕩條件振蕩過程與振蕩條件FAAA00f1 產(chǎn)生振

6、蕩時(shí)：產(chǎn)生振蕩時(shí)：0cAVcfVFV0ii0AVVVVAooifVV故振蕩條件為：故振蕩條件為：反饋系數(shù)反饋系數(shù)01AF或或010FA反饋放大器的閉環(huán)增益為：反饋放大器的閉環(huán)增益為：時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)010FAfA放大器變成了振蕩器。放大器變成了振蕩器。 + vf vo L C + + vi S 1 2 Rb2 Re Ce +VCC M + Rb1 2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.8 由上分析知，反饋型正弦由上分析知，反饋型正弦波振蕩器的起振條件是：波振蕩器的起振條件是：1FA2. 平衡過程與平衡條件平衡過程與平衡條件)210(21,

7、nnAFFA即即振蕩器的平衡條件為振蕩器的平衡條件為1FA 在平衡條件下，反饋到放大器的輸入信號正好等在平衡條件下，反饋到放大器的輸入信號正好等于放大器維持其所需要的輸入電壓，從而保持反饋于放大器維持其所需要的輸入電壓，從而保持反饋環(huán)路各點(diǎn)電壓的平衡，使振蕩器得以維持。環(huán)路各點(diǎn)電壓的平衡，使振蕩器得以維持。)(), 2, 1, 0(2)(1相相位位平平衡衡振振幅幅平平衡衡nnAFFA即即2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.93. 振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件 形成穩(wěn)定平衡點(diǎn)的關(guān)鍵在于在形成穩(wěn)定平衡點(diǎn)的關(guān)鍵在于在平

8、衡點(diǎn)附近，放大倍數(shù)隨振幅的平衡點(diǎn)附近，放大倍數(shù)隨振幅的變化特性具有負(fù)的斜率，即變化特性具有負(fù)的斜率，即0omQomomVVVA 相位平衡的穩(wěn)定條件相位平衡的穩(wěn)定條件 振幅平衡的穩(wěn)定條件振幅平衡的穩(wěn)定條件 相位平衡條件遭到破壞時(shí)，線路本身能重新建立相位平衡條件遭到破壞時(shí)，線路本身能重新建立起相位平衡點(diǎn)的條件；若能起相位平衡點(diǎn)的條件；若能建立則仍能保持其穩(wěn)定的振蕩。建立則仍能保持其穩(wěn)定的振蕩。相位穩(wěn)定條件應(yīng)為相位穩(wěn)定條件應(yīng)為00)(FZY或或 A0 Q VomQ Vom F 1 Vom A0 F 1 F 1 A B Q 軟自激的振蕩特性軟自激的振蕩特性硬自激的振蕩特性硬自激的振蕩特性正向傳輸導(dǎo)納相

9、角回路基波諧振阻抗相角反饋系數(shù)相角2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.10 LC振蕩器按其反饋網(wǎng)絡(luò)的不同，可分為互感耦合振蕩器按其反饋網(wǎng)絡(luò)的不同，可分為互感耦合振蕩器、電感反饋式振蕩器和電容反饋式振蕩器三種。振蕩器、電感反饋式振蕩器和電容反饋式振蕩器三種。一、互感耦合振蕩器一、互感耦合振蕩器 互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)正互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)正反饋的，耦合線圈同名端正確位置的放置、選擇合適反饋的，耦合線圈同名端正確位置的放置、選擇合適的耦合量的耦合量M，使之滿足振幅起振條件，這些都是很重，使之滿足

10、振幅起振條件，這些都是很重要的。要的。6.3 反饋型反饋型LC振蕩器線路振蕩器線路 互感耦合振蕩器的三種形式互感耦合振蕩器的三種形式調(diào)基電路調(diào)基電路調(diào)集電路調(diào)集電路調(diào)發(fā)電路調(diào)發(fā)電路進(jìn)入進(jìn)入2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.11 由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，為了避由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回路的免過多地影響回路的Q 值，故在調(diào)基和調(diào)發(fā)這兩個(gè)電值，故在調(diào)基和調(diào)發(fā)這兩個(gè)電路中，晶體管與振蕩回路作部分耦合。路中，晶體管與振蕩回路作部分耦合。 調(diào)基電路振蕩頻率在較寬的范圍改變時(shí)，振幅比較平衡。調(diào)基電路

11、振蕩頻率在較寬的范圍改變時(shí)，振幅比較平衡。 VCC Rb1 Rb2 Cb Ce M C L1 L2 Re (a) 調(diào)基電路 VCC Rb1 Rb2 Re Cb Ce M C L2 L1 （b）調(diào)發(fā)電路2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.12 調(diào)集電路在高調(diào)集電路在高頻輸出方面比其它頻輸出方面比其它兩種電路穩(wěn)定，而兩種電路穩(wěn)定，而且幅度較大，諧波且幅度較大，諧波成分較小。成分較小。 v1 Rb1 Rb2 Re Cb Ce VCC C M （c）調(diào)集電路2022-3-30Copyrights yaoping. All rights re

12、served.13二、三端式二、三端式LC振蕩器振蕩器 三端式三端式LC振蕩電路是經(jīng)常被采用的，其工作振蕩電路是經(jīng)常被采用的，其工作頻率約在幾頻率約在幾MHz到幾百到幾百M(fèi)Hz的范圍，頻率穩(wěn)定度的范圍，頻率穩(wěn)定度也比變壓器耦合振蕩電路高一些，若采取一些穩(wěn)頻也比變壓器耦合振蕩電路高一些，若采取一些穩(wěn)頻措施，還可以再提高一點(diǎn)。措施，還可以再提高一點(diǎn)。三端式三端式LC振蕩器有多種形式，主要有：振蕩器有多種形式，主要有：電感三端式，又稱哈特萊振蕩器電感三端式，又稱哈特萊振蕩器(Hartley)；電容三端式，又稱考畢茲振蕩器電容三端式，又稱考畢茲振蕩器(Coplitts)；串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱克拉

13、潑振蕩器串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱克拉潑振蕩器(Clapp)；并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱西勒振蕩器并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱西勒振蕩器(Selier)。LC三端式振蕩器組成法則三端式振蕩器組成法則( (相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則) )2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.14 v1 Rb 1 Rb 2 Cb + VC C C L L1 L2 Ce Re (a) 共發(fā)電感反饋三端式振蕩器電路 C N1 N2 L1 L2 + + + vi vf vo (b) 等效電路電感三端式振蕩電路 由由h參數(shù)等效電路可以推導(dǎo)，電感反

14、饋三端電路的參數(shù)等效電路可以推導(dǎo)，電感反饋三端電路的起振條件起振條件feoeiefehMLMLhhh121振蕩頻率為振蕩頻率為:LCMLLhhMLLCfieoe121)()2(121221210電感反饋三端式振蕩器電感反饋三端式振蕩器(Hartley電路電路)poeoeRhh1：其其中中2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.15Hartley電路的優(yōu)點(diǎn)：電路的優(yōu)點(diǎn)： L1、L2之間有互感，反饋較強(qiáng)，容易起振；之間有互感，反饋較強(qiáng)，容易起振；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 振蕩波形不好，因?yàn)榉答侂妷菏窃陔姼猩汐@得振蕩波形不好，因?yàn)榉答侂妷菏窃陔姼猩汐@得,

15、 , 而電感對高次諧波呈高阻抗，因此對高次諧波而電感對高次諧波呈高阻抗，因此對高次諧波 的反饋較強(qiáng)，使波形失真大；的反饋較強(qiáng)，使波形失真大； 電感反饋三端電路的振蕩頻率不能做得太高，這電感反饋三端電路的振蕩頻率不能做得太高，這 是因?yàn)轭l率太高，分布參數(shù)的影響太大。是因?yàn)轭l率太高，分布參數(shù)的影響太大。 振蕩頻率調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)整電容振蕩頻率調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)整電容C的大小即可。的大小即可。 而且而且C的改變基本上不影響電路的反饋系數(shù)。的改變基本上不影響電路的反饋系數(shù)。2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.16電容反饋三端振蕩器電容反饋三端

16、振蕩器(Coplitts電路電路) v1 Cb Re Ce VCC L Rs Cc C1 C2 v1 C1 C2 + + + L vi vf 電容三端式振蕩電路（a）（b）可推導(dǎo)電容反饋三端電路的起振條件可推導(dǎo)電容反饋三端電路的起振條件pfeiepiefeRhhCCRhh12電容反饋三端電路的振蕩頻率電容反饋三端電路的振蕩頻率212121021CChhCLCCCfieoe2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.17Coplitts電路的優(yōu)點(diǎn)：電路的優(yōu)點(diǎn)： 電容反饋三端電路的優(yōu)點(diǎn)是振蕩波形好。電容反饋三端電路的優(yōu)點(diǎn)是振蕩波形好。 電路的頻

17、率穩(wěn)定度較高，適當(dāng)加大回路的電電路的頻率穩(wěn)定度較高，適當(dāng)加大回路的電容量，就可以減小不穩(wěn)定因素對振蕩頻率的影響。容量，就可以減小不穩(wěn)定因素對振蕩頻率的影響。 電容三端電路的工作頻率可以做得較高，電容三端電路的工作頻率可以做得較高，可直接利用振蕩管的輸出、輸入電容作為回路的可直接利用振蕩管的輸出、輸入電容作為回路的振蕩電容。它的工作頻率可做到幾十振蕩電容。它的工作頻率可做到幾十MHz到幾百到幾百M(fèi)Hz的甚高頻波段范圍。的甚高頻波段范圍。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 調(diào)調(diào)C1或或C2來改變振蕩頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將改來改變振蕩頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將改變。但只要在變。但只要在L兩端并上一個(gè)可變電容器，并令兩端并上一個(gè)可

18、變電容器，并令C1與與C2為固定電容，則在調(diào)整頻率時(shí)，基本上不會(huì)影為固定電容，則在調(diào)整頻率時(shí)，基本上不會(huì)影響反饋系數(shù)。響反饋系數(shù)。2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.18串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器(Clapp電路電路) Cb Re VCC Rs C3 C1 C2 L Rb2 Rb1 A B RL C1 L A B Cce Cbe C2 Re b Ccb c e RL Reo C3 （a）Clapp電路的實(shí)際電路（b）高頻等效電路因?yàn)橐驗(yàn)镃3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C1或或C2，所以三電容串聯(lián)后的等效電容，所以三電容

19、串聯(lián)后的等效電容3231333132213211CCCCCCCCCCCCCCCC3011LCLC振蕩角頻率振蕩角頻率故故Clapp電路的振蕩頻率幾乎與電路的振蕩頻率幾乎與C1、C2無關(guān)。無關(guān)。2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.19由于由于Cce、Cbe的接入系數(shù)減小，晶體管與諧振回路的接入系數(shù)減小，晶體管與諧振回路 是松耦合。是松耦合。調(diào)整調(diào)整C1 C2的值可以改變反饋系數(shù)的值可以改變反饋系數(shù),但對諧振頻率的但對諧振頻率的 影響很小。影響很小。 由于放大倍數(shù)與頻率的立方成反比，故隨著放由于放大倍數(shù)與頻率的立方成反比，故隨著放大頻率

20、的升高振蕩的幅度明顯下降，上限頻率受到大頻率的升高振蕩的幅度明顯下降，上限頻率受到限制。故限制。故: :調(diào)整調(diào)整C3的值可以改變系統(tǒng)的諧振頻率的值可以改變系統(tǒng)的諧振頻率,對反饋系數(shù)對反饋系數(shù) 無影響。無影響。 Clapp電路的波段覆蓋的范圍窄。電路的波段覆蓋的范圍窄。工作波段內(nèi)輸出波形隨頻率變化大。工作波段內(nèi)輸出波形隨頻率變化大。Clapp電路的特點(diǎn)電路的特點(diǎn):缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.20并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器( Seiler電路電路) Cb Re VCC Rs C1 C2 L

21、Rb2 Rb1 C3 C4 C2 L C1 C4 C3 (a) 實(shí)際電路(b) 高頻等效電路其回路等效電容其回路等效電容434323121321CCCCCCCCCCCCC振蕩頻率振蕩頻率)(2121430CCLLCf特點(diǎn)：特點(diǎn)： 容易起振；容易起振；波段覆蓋率寬，且在波段內(nèi)幅度較均勻。波段覆蓋率寬，且在波段內(nèi)幅度較均勻。2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.21例例6.1 某振蕩器電路如下圖所示。某振蕩器電路如下圖所示。1)試說明各元件的作用；試說明各元件的作用；2)當(dāng)當(dāng)回路電感回路電感L=1.5H時(shí)，要使振蕩頻率為時(shí)，要使振蕩頻率為

22、49.5MHz，則則C4=?解：解：Rc:集電極偏置電阻集電極偏置電阻; Re, R:發(fā)射極偏置電阻；發(fā)射極偏置電阻； Rb1, Rb2 :基極偏置電阻；基極偏置電阻；Cb:旁路電容；旁路電容； Cp:耦合電容；耦合電容；ZL:高頻扼流圈；高頻扼流圈；C1 C4:振蕩回路電容振蕩回路電容 L :振蕩回路電感振蕩回路電感Seiler振蕩電路振蕩電路4323121321CCCCCCCCCCC)pF(89. 14CLCf210而而LfC20241pF89. 6pF589. 14CC2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.22LC三端式振蕩器組

23、成法則三端式振蕩器組成法則(相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則) Xbe + b Xce Xcb vi vf + + vo c e 振蕩器的等效三端電路三端式三端式LC振蕩器是一種反饋式振蕩器是一種反饋式LC振蕩器。振蕩器。當(dāng)回路元件的電阻很小，可以當(dāng)回路元件的電阻很小，可以忽略其影響，同時(shí)也忽略三極忽略其影響，同時(shí)也忽略三極管的輸入阻抗與輸出阻抗的影管的輸入阻抗與輸出阻抗的影響，則電路要振蕩必須滿足條響，則電路要振蕩必須滿足條件：件： Xbe+Xce+Xcb=0 電路特點(diǎn)簡言之就是電路特點(diǎn)簡言之就是“射同它異射同它異”。以此準(zhǔn)則可迅速判斷振蕩電路組成是否合理，能否以此準(zhǔn)則可迅速判斷

24、振蕩電路組成是否合理，能否起振。也可用于分析復(fù)雜電路與寄生振蕩現(xiàn)象。起振。也可用于分析復(fù)雜電路與寄生振蕩現(xiàn)象。2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.23例例6.2下圖是一個(gè)三回路振蕩器的等效電路，現(xiàn)有以下四種情況：下圖是一個(gè)三回路振蕩器的等效電路，現(xiàn)有以下四種情況：(1) L1C1 L2C2 L3C3(2) L1C1 L2C2 L3C3(4) L1C1 L2C2= L3C3試分析上述四種情況是否都能振蕩，振蕩頻率試分析上述四種情況是否都能振蕩，振蕩頻率f1與與回路諧振頻率有何關(guān)系？屬于何種類型的振蕩器？回路諧振頻率有何關(guān)系？屬于何種類

25、型的振蕩器？分析：分析： 該電路要能振蕩，三個(gè)回路的諧振頻率必須該電路要能振蕩，三個(gè)回路的諧振頻率必須滿足：滿足：),min(),max(020103020103ffffff或或解：解：(1)030201fff故電路可能振蕩，可能振蕩的頻率故電路可能振蕩，可能振蕩的頻率f1為：為：03102fff屬于電感反饋振蕩器；屬于電感反饋振蕩器；(2)(3)030201fff故電路可能振蕩，可能振蕩的頻率故電路可能振蕩，可能振蕩的頻率f1為：為：0310201ffff屬于電容反饋振蕩器；屬于電容反饋振蕩器；(4)030201fff故電路不可能振蕩。故電路不可能振蕩。030201fff故電路可能振蕩，可能

26、振蕩的頻率故電路可能振蕩，可能振蕩的頻率f1為：為：03102fff屬于電容反饋振蕩器；屬于電容反饋振蕩器；2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.24 頻率穩(wěn)定，就是在各種外界條件發(fā)生變化的情況頻率穩(wěn)定，就是在各種外界條件發(fā)生變化的情況下，要求振蕩器的實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率間的偏差下，要求振蕩器的實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率間的偏差及偏差的變化最小。及偏差的變化最小。 振蕩器的頻率穩(wěn)定度則是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，振蕩器的頻率穩(wěn)定度則是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，由于各種因素變化，引起的振蕩頻率相對于標(biāo)稱頻由于各種因素變化，引起的振蕩頻率相對于標(biāo)稱頻率

27、變化的程度。率變化的程度。絕對準(zhǔn)確度絕對準(zhǔn)確度0fff相對準(zhǔn)確度相對準(zhǔn)確度000fffff6.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定問題振蕩器的頻率穩(wěn)定問題2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.25根據(jù)所指定的時(shí)間間隔不同，頻率穩(wěn)定度可分為：根據(jù)所指定的時(shí)間間隔不同，頻率穩(wěn)定度可分為：長期頻率穩(wěn)定度長期頻率穩(wěn)定度短期頻率穩(wěn)定度短期頻率穩(wěn)定度瞬間頻率穩(wěn)定度瞬間頻率穩(wěn)定度取決于有源器件和電路元件及取決于有源器件和電路元件及石英晶體和老化特性，與頻率石英晶體和老化特性，與頻率的瞬間變化無關(guān)。的瞬間變化無關(guān)。與溫度變化、電源電壓變化和電與溫度變化、電源電壓變化

28、和電路參數(shù)不穩(wěn)定性等因素有關(guān)。路參數(shù)不穩(wěn)定性等因素有關(guān)。由于頻率源內(nèi)部噪聲而引起的由于頻率源內(nèi)部噪聲而引起的頻率起伏，它與外界條件和長頻率起伏，它與外界條件和長期頻率穩(wěn)定度無關(guān)。期頻率穩(wěn)定度無關(guān)。頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.26一、影響頻率穩(wěn)定度的因素一、影響頻率穩(wěn)定度的因素1. 振蕩回路參數(shù)振蕩回路參數(shù)L與與C對頻率的影響對頻率的影響因?yàn)檎袷庮l率因?yàn)檎袷庮l率LCf210其相對頻率變化量為其相對頻率變化量為)(210CCLLff2. 回路品質(zhì)因素回路品質(zhì)因素Q值對頻率的影響值對頻率的影響Q值越高，則相同的

29、相角變化引起頻率偏移越小。值越高，則相同的相角變化引起頻率偏移越小。CCfLLff00)(210CCLLf Z YF 0 02 YF YF YF 02 02 Z YF Q2 Q1 Q1Q2 1 01 01 2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.273. 有源器件的參數(shù)對頻率的影響有源器件的參數(shù)對頻率的影響 振蕩管為有源器件，若它的工作狀態(tài)振蕩管為有源器件，若它的工作狀態(tài)(電源電電源電壓或周圍溫度等壓或周圍溫度等)有所改變，則由式有所改變，則由式 如果晶體管參數(shù)如果晶體管參數(shù) h與與hi發(fā)生變化，即引起振發(fā)生變化，即引起振蕩頻率的改變。

30、蕩頻率的改變。LCrhhLCfi12111210 另外，另外， 當(dāng)外界因素當(dāng)外界因素(如電源電壓、溫度、濕度如電源電壓、溫度、濕度等等)變化時(shí)，這些參數(shù)隨之而來的變化就會(huì)造成振變化時(shí)，這些參數(shù)隨之而來的變化就會(huì)造成振蕩器頻率的變化。蕩器頻率的變化。2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.28二、振蕩器穩(wěn)定頻率的方法二、振蕩器穩(wěn)定頻率的方法1. 減小外因變化，根除減小外因變化，根除“病因病因” 減小溫度的變化。減小溫度的變化。 減小電源的變化。減小電源的變化。 減小濕度和大氣壓力的影響。減小濕度和大氣壓力的影響。 減小磁場感應(yīng)對頻率的影響

31、。減小磁場感應(yīng)對頻率的影響。 將振蕩器放在恒溫槽內(nèi)；將振蕩器放在恒溫槽內(nèi)； 使振蕩器遠(yuǎn)離熱源，如采用正、負(fù)溫度系數(shù)不使振蕩器遠(yuǎn)離熱源，如采用正、負(fù)溫度系數(shù)不同的同的L、C，抵消，抵消 L、 C。采用二次穩(wěn)壓電源供電；或振蕩器采取單獨(dú)供電。采用二次穩(wěn)壓電源供電；或振蕩器采取單獨(dú)供電。將振蕩器密封起來。將振蕩器密封起來。對振蕩器進(jìn)行屏蔽。對振蕩器進(jìn)行屏蔽。溫度補(bǔ)償法溫度補(bǔ)償法2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.29消除機(jī)械振動(dòng)的影響。消除機(jī)械振動(dòng)的影響。 減小負(fù)載的影響。減小負(fù)載的影響。通?？杉酉鹌|圈作減振器。通?？杉酉鹌|圈作減振器

32、。采取采取Clapp或或Seiler電路，減弱晶體管與振蕩回路之間電路，減弱晶體管與振蕩回路之間耦合，使折算到回路內(nèi)的有源器件參數(shù)減小，提高回耦合，使折算到回路內(nèi)的有源器件參數(shù)減小，提高回路標(biāo)準(zhǔn)性和頻率穩(wěn)定度。路標(biāo)準(zhǔn)性和頻率穩(wěn)定度。在振蕩器和下級電路之間加緩沖器，提高回路在振蕩器和下級電路之間加緩沖器，提高回路Q值；值；本級采用低阻抗輸出，本級輸出與下一級采取松耦合；本級采用低阻抗輸出，本級輸出與下一級采取松耦合；2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.30 2. 提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性 所謂回路的標(biāo)準(zhǔn)性即指振蕩回路在外界因素

33、變所謂回路的標(biāo)準(zhǔn)性即指振蕩回路在外界因素變化時(shí)保持其固有諧振頻率不變的能力?；瘯r(shí)保持其固有諧振頻率不變的能力。 要提高回路標(biāo)準(zhǔn)性即要減小要提高回路標(biāo)準(zhǔn)性即要減小 L和和 C，因此可采取，因此可采取優(yōu)質(zhì)材料的電感和電容。優(yōu)質(zhì)材料的電感和電容。 3. 減小相角減小相角 YF及其變化量及其變化量 YF 為使振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，則要求為使振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，則要求 YF的數(shù)的數(shù)值小，且變化量小。值小，且變化量小。 可使振蕩器的工作頻率比振蕩管的特征頻率低可使振蕩器的工作頻率比振蕩管的特征頻率低很多，即很多，即f fT，并選用電容三端式振蕩電路，使，并選用電容三端式振蕩電路，使振蕩波形良好。振蕩波形

34、良好。 作業(yè)：作業(yè)： 6-5 6-112022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.32一、概述一、概述1. 石英晶體諧振器頻率穩(wěn)定度高的原因石英晶體諧振器頻率穩(wěn)定度高的原因6.5 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 石英晶體的等效諧振回路有很高的標(biāo)準(zhǔn)性；石英晶體的等效諧振回路有很高的標(biāo)準(zhǔn)性； 具有正反壓電效應(yīng)，而且在諧振頻率附近，晶具有正反壓電效應(yīng)，而且在諧振頻率附近，晶 體的等效參數(shù)體的等效參數(shù)Lq很大、很大、Cq很小，很小， rq也不高，故也不高，故 晶體的晶體的Q值可高達(dá)數(shù)百萬數(shù)量級；值可高達(dá)數(shù)百萬數(shù)量級； 對頻率變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力。

35、對頻率變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力。2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.332. 使用時(shí)的注意事項(xiàng)：使用時(shí)的注意事項(xiàng)： 采用恒溫措施；采用恒溫措施； 石英諧振器都規(guī)定接有一定的負(fù)載電容石英諧振器都規(guī)定接有一定的負(fù)載電容CL ，用來，用來 補(bǔ)償生產(chǎn)中晶體的頻率誤差和晶體的老化，達(dá)到補(bǔ)償生產(chǎn)中晶體的頻率誤差和晶體的老化，達(dá)到 標(biāo)稱頻率。為適應(yīng)高頻、低頻的不同場合，標(biāo)稱頻率。為適應(yīng)高頻、低頻的不同場合， CL一一 般采用微調(diào)電容般采用微調(diào)電容; 在振蕩電路中，必須注意不能超過晶體的額定激在振蕩電路中，必須注意不能超過晶體的額定激 勵(lì)電平，并盡

36、量保持激勵(lì)電平的穩(wěn)定；勵(lì)電平，并盡量保持激勵(lì)電平的穩(wěn)定； 石英諧振器或者工作于感性區(qū)，或者工作于串聯(lián)石英諧振器或者工作于感性區(qū)，或者工作于串聯(lián) 諧振頻率上，決不能使用容性區(qū)。諧振頻率上，決不能使用容性區(qū)。2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.34二、晶體振蕩器電路二、晶體振蕩器電路并聯(lián)諧振型晶體振蕩器并聯(lián)諧振型晶體振蕩器串聯(lián)諧振型晶體振蕩器串聯(lián)諧振型晶體振蕩器1. 并聯(lián)諧振型晶體振蕩器并聯(lián)諧振型晶體振蕩器 把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩回路之中，作為一個(gè)把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩回路之中，作為一個(gè)感性元件，并與其他回路元件按照三端電路的基本感

37、性元件，并與其他回路元件按照三端電路的基本準(zhǔn)則組成的三端振蕩器。準(zhǔn)則組成的三端振蕩器。(a) Pierce Circuit(b) Miller Circuit并聯(lián)諧振型晶體振蕩器的兩種基本形式并聯(lián)諧振型晶體振蕩器的兩種基本形式2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.35(1) 皮爾斯皮爾斯(Pierce)振蕩電路振蕩電路2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.36(2) 密勒密勒(Miller)振蕩電路振蕩電路ff02022-3-30Copyrights yaoping. All

38、 rights reserved.37(3) Pierce電路與電路與Miller電路的比較電路的比較Miller電路的輸出信號較大，電路的輸出信號較大， L1C1回回路還可以抑制其他諧波，但頻率的穩(wěn)路還可以抑制其他諧波，但頻率的穩(wěn)定度不如定度不如Pierce電路。電路。因?yàn)橐驗(yàn)镸iller電路中，石英晶體接在輸入電路中，石英晶體接在輸入阻抗低的阻抗低的b-e之間，降低了石英晶體的之間，降低了石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)性；標(biāo)準(zhǔn)性；而而Pierce電路中的石英晶體則接在阻抗電路中的石英晶體則接在阻抗很高的很高的b-c之間，石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)性受之間，石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)性受影響很小。影響很小。(a) Pierce C

39、ircuit(b) Miller Circuit在頻率穩(wěn)定度要求較高的電路幾乎都采用在頻率穩(wěn)定度要求較高的電路幾乎都采用Pierce電路。電路。2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.38 2.串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器 串聯(lián)型晶體振串聯(lián)型晶體振 蕩器是將石英蕩器是將石英 晶振用于正反晶振用于正反 饋支路中，利饋支路中，利 用其串聯(lián)諧振用其串聯(lián)諧振 時(shí)等效為短路時(shí)等效為短路 元件，電路反元件，電路反饋?zhàn)饔米顝?qiáng)，滿足振幅起振條件，使振蕩器在晶振串饋?zhàn)饔米顝?qiáng)，滿足振幅起振條件，使振蕩器在晶振串聯(lián)諧振頻率聯(lián)諧振頻率fq上起振。上起振。

40、這種振蕩器與三點(diǎn)式振蕩器基本類似，只不過在這種振蕩器與三點(diǎn)式振蕩器基本類似，只不過在正反饋支路上增加了一個(gè)晶振。正反饋支路上增加了一個(gè)晶振。串聯(lián)諧振型正弦波晶振電路串聯(lián)諧振型正弦波晶振電路2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.39 晶體厚度與振動(dòng)頻率成反比，工作頻率越高，要晶體厚度與振動(dòng)頻率成反比，工作頻率越高，要求晶片越薄，機(jī)械強(qiáng)度越差，加工越困難，使用中求晶片越薄，機(jī)械強(qiáng)度越差，加工越困難，使用中也易損壞。也易損壞。 3. 泛音晶體振電路泛音晶體振電路 為解決該問題，可以令晶體工作于它的泛音為解決該問題，可以令晶體工作于它的泛音(

41、overtone) 頻率上，構(gòu)成泛音晶體振蕩器。頻率上，構(gòu)成泛音晶體振蕩器。泛音：指石英片振動(dòng)的機(jī)械諧波，與基頻不成整數(shù)倍泛音：指石英片振動(dòng)的機(jī)械諧波，與基頻不成整數(shù)倍 關(guān)系，只是在基頻奇數(shù)倍附近，且與基波不能關(guān)系，只是在基頻奇數(shù)倍附近，且與基波不能 同時(shí)存在。同時(shí)存在。2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.406.6 RC振蕩器振蕩器較低的振蕩頻率一般都采用較低的振蕩頻率一般都采用RC振蕩器來完成。振蕩器來完成。RC振蕩器主要優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造較簡單，經(jīng)濟(jì)方便振蕩器主要優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造較簡單，經(jīng)濟(jì)方便RC振蕩器振幅和相位平衡條件：振蕩器振幅和相位

42、平衡條件：)(), 3, 2, 1(2)(1相相位位平平衡衡振振幅幅平平衡衡nnAFFARC振蕩器的分類振蕩器的分類(根據(jù)根據(jù)RC網(wǎng)絡(luò)的不同形狀分網(wǎng)絡(luò)的不同形狀分):相移振蕩器相移振蕩器橋式振蕩器橋式振蕩器RC振蕩器振蕩器2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.411. RC 相移振蕩器相移振蕩器由超前移相或滯后移相電路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的由超前移相或滯后移相電路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的RC振蕩器。振蕩器。(a) 相位超前的相移網(wǎng)絡(luò)(b) 相位滯后的相移網(wǎng)絡(luò)圖圖(a)中，傳輸系數(shù)中，傳輸系數(shù)RCjRCjCjRRVVFio112)(1RCRCF模模相角相

43、角RCarctan90超前相移網(wǎng)絡(luò)圖圖(b)中，傳輸系數(shù)中，傳輸系數(shù)RCjCjRCjVVFio11112)(11RCF模模相角相角RCarctan滯后相移網(wǎng)絡(luò)2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.42兩種相移網(wǎng)絡(luò)的共同特點(diǎn)：兩種相移網(wǎng)絡(luò)的共同特點(diǎn)： 隨頻率的變化而變化，且隨頻率的變化而變化，且0 90 輸出電壓幅度也隨頻率的變化而變化，輸出電壓幅度也隨頻率的變化而變化， 但但VoVi，且相移愈大，且相移愈大， Vo愈??；愈??； 當(dāng)相移當(dāng)相移90時(shí)，輸出趨近于時(shí)，輸出趨近于0。 因此，為了保證相移網(wǎng)絡(luò)倒相因此，為了保證相移網(wǎng)絡(luò)倒相180

44、，至，至少需要用三節(jié)移相網(wǎng)絡(luò)。少需要用三節(jié)移相網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，其振蕩頻率為此時(shí)，其振蕩頻率為RCf621起振條件為起振條件為29feh2022-3-30Copyrights yaoping. All rights reserved.432. 文氏電橋振蕩器文氏電橋振蕩器由放大器、由放大器、RC并聯(lián)正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋電路組成。并聯(lián)正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋電路組成。文氏電橋振蕩器原理圖 圖中，紅框內(nèi)為完成正反饋?zhàn)饔玫拇⒙?lián)圖中，紅框內(nèi)為完成正反饋?zhàn)饔玫拇⒙?lián)RC選頻選頻網(wǎng)絡(luò)，右邊為具有負(fù)反饋?zhàn)饔玫耐喾糯笃?。網(wǎng)絡(luò)，右邊為具有負(fù)反饋?zhàn)饔玫耐喾糯笃?。Z1Z2低頻等效圖高頻等效圖可以推知：可以推知：RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在某一頻率上，其輸出電串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在某一頻率上，其輸出電 壓幅度具有最大值，此時(shí)相位角為壓幅度具有最大值，此時(shí)相位角為0。2022-3-30Copyrights yao