正弦波振荡器教学课件高频电路.pdf

《正弦波振荡器教学课件高频电路.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《正弦波振荡器教学课件高频电路.pdf（148页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、1 第4章 正弦波振荡器 . 概述 概述 . 反馈振荡原理 反馈振荡原理 . LC振荡器振荡器 . 晶体振荡器 晶体振荡器 . 压控振荡器 压控振荡器 . 集成电路振荡器 集成电路振荡器 .实例介绍实例介绍 .章末小结章末小结 第第4章 正弦波振荡器章 正弦波振荡器 2 第4章 正弦波振荡器 4.1 概 述概 述 在电子线路中，除了要对各种电信号进行放大外，还需要在没 有激励信号的情况下产生周期振荡信号的电路，这种电路被称 为振荡器。 振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变 振荡信号能量的转换电路。 它与放大器的区别在于, 无需外加激励信号, 就能产生具有一定 频率、一定波形和

2、一定振幅的交流信号。 3 第4章 正弦波振荡器 图 0.2 无线模拟发送、 接收系统方框图 音频或 视频信号 音频或 视频放大 调制 高频 功放 高频 放大 混频 中频 放大 解调 音频或 视频功放 本地 振荡 高频放大 倍 频 高频 振荡 4 第4章 正弦波振荡器 正弦波振荡器正弦波振荡器（谐波振荡器） 根据 波形 非正弦波振荡器（张弛振荡器） （矩形波、 三角波、 锯齿波） 反馈振荡器反馈振荡器 根据 工作 原理 负阻振荡器 （频率高，微波波段） . 分类 5 第4章 正弦波振荡器 LC振荡器振荡器 根据 选频 网络 晶体振荡器晶体振荡器 RC振荡器 反馈振荡器反馈振荡器 = 选频网络 +

3、 正反馈放大器 （高频正弦波） （高频正弦波） （低频正弦波， 1MHz以下） 根据 放大 器件 分立器件 集成运放 晶体管 场效应管 （性能好，频率高） (决定振荡频率) (维持振荡) 6 第4章 正弦波振荡器 振荡器分类振荡器分类 7 第4章 正弦波振荡器 4.2 反馈振荡原理反馈振荡原理 4.2.1并联谐振回路中的自由振荡现象并联谐振回路中的自由振荡现象 在反馈振荡器中, 并联谐振回路是最基本的选频网络。 以并联回路的自由振荡现象为基础分析反馈振荡器的工作 原理。 自由振荡现象的原因： C存储电场能量；L存储磁场能量；回路消耗能量小 8 第4章 正弦波振荡器 图 4.2.1 RLC电路与

4、电压源的连接 Us 12 S uc uL iLiR uR Re0 ic 图4.2.1是一个并联谐振回路与一个直流电压源US的连接图。 e0是并联回路的谐振电阻。 在以前开关S接通, 使uc ()=Us。 在时, 开关S很快断开, 接通。 二阶电路的零 输入响应 二阶电路的零 输入响应 （当输入激励为 零时，仅由动态 元件初始储能作 用产生的响应） 9 第4章 正弦波振荡器 10 第4章 正弦波振荡器 当谐振电阻较小时（过阻尼、临界阻尼）, 并联谐振回路两 端的电压按指数衰减 当谐振电阻较大时（欠阻尼）, 并联谐振回路两端的电 压变化是一个振幅按指数规律衰减的正弦振荡。 uc(t) 0 t e

5、t 0 ( )cos t cs u tU et = 11 第4章 正弦波振荡器 并联谐振回路中自由振荡衰减的原因在于损耗电阻的存在。 若回路无损耗, 即e0, 则衰减系数, 回路两端电压变 化将是一个等幅正弦振荡。 由此可以产生一个设想, 如果采用正反馈的方法, 不断地适时给 回路补充能量, 使之刚好与e0上损耗的能量相等, 那么就可以 获得等幅的正弦振荡了。 0 ( )cos cs u tUt= 12 第4章 正弦波振荡器 4.2.2振荡过程与振荡条件振荡过程与振荡条件 利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡正反馈方法来获得等幅的正弦振荡, 这就是反馈振荡器的基本原理。 反馈振荡器是由主网络主网

6、络和反馈网络反馈网络组成的一个闭合环路闭合环路, 如图4.2.3所示。 主网络：放大器和选频网络组成 反馈网络：一般由无源器件组成。 主网络 反馈网络 o U ? f U ? i U ? f U ? 13 第4章 正弦波振荡器 一个反馈振荡器必须满足三个条件： 1. 起振条件起振条件（保证接通电源后能逐步建立起振荡） 2. 平衡条件平衡条件（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态） 3. 稳定条件稳定条件（保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到 破坏） 14 第4章 正弦波振荡器 . 起振过程与起振条件起振过程与起振条件 在图423所示闭合环路中, 在处断开, 并定义环路增益 其中 , , ,

7、分别是反馈电压、输入电压、主网络增 益和反馈系数, 均代表复数。 f U ? A ? F ? i U ? FA U U T i f ? ? ? ? =)( 主网络 反馈网络 o U ? f U ? i U ? f U ? 起振起振 15 第4章 正弦波振荡器 )()()()( 0000 iif UUTU ? = 在刚接通电源时, 电路中存在各种电扰动, 如接通电源瞬间引起 的电流突变, 电路中的热噪声等等, 这些扰动均具有很宽的频谱。 如果选频网络是由并联谐振回路组成, 则其中只有角频率 为谐振角频率0的分量才能通过反馈产生较大的反馈电压 。 如果在谐振频率处, 与原输入电压 同相, 并且具有

8、更大的 振幅, 则经过线性放大和反馈的不断循环, 振荡电压振幅就会不 断增大。所以, 要使振幅不断增长的条件是: f U ? i U ? f U ? 起振起振 16 第4章 正弦波振荡器 也可分别写成： 即 1)( 0 T ? T (0 )=2n (n=, , , ) (4.2.5) 相位起振条件相位起振条件 在起振过程中,振荡的幅值增长，直流电源补充的能量大于大于整 个环路消耗的能量。 1)( 0 T(4.2.4) (4.2.3) 振幅起振条件振幅起振条件 起振起振 17 第4章 正弦波振荡器 平衡过程与平衡条件 平衡过程与平衡条件 振荡幅值的增长过程不可能无止境地延续下去, 因为放大器的

9、线性范围是有限的。随着振幅的增大, 放大器逐渐由放大区进 入饱和区或截止区, 其增益逐渐下降。 当放大器增益下降而导致环路增益下降到时, 振幅的增长过 程将停止, 振荡器达到平衡, 进入等幅振荡状态进入等幅振荡状态。 振荡器进入平衡状态以后, 直流电源补充的能量刚好抵消刚好抵消整个 环路消耗的能量。 平衡平衡 18 第4章 正弦波振荡器 T (0 )=2n n=, , , (4.2.8) 相位平衡条件相位平衡条件 (4.2.6) 1)( 0 =T ? 也可分别写成： 1)( 0 =T (4.2.7) 所以, 反馈振荡器的平衡条件为: 振幅平衡条件振幅平衡条件 平衡平衡 19 第4章 正弦波振荡

10、器 根据振幅的起振条件和平衡条件, 环路增益的模值应该具有随振 幅Ui增大而下降的特性, 如图4.2.4所示。 由于一般放大器的增益特性曲线均具有如图所示的形状, 所以这 一条件很容易满足, 只要保证起振时环路增益幅值大于即可。 环路增益的相位T（0）则必须维持在上, 保证为正反 馈。 平衡平衡 20 第4章 正弦波振荡器 平衡状态的稳定性和稳定条件 平衡状态的稳定性和稳定条件 振荡器在工作过程中, 不可避免地要受到各种外界因素变化 的影响, 如电源电压波动、 温度变化、 噪声干扰等。 这些不稳 定因素将引起放大器和回路的参数发生变化, 结果使（0）或 T（0）变化, 破坏原来的平衡条件。 如

11、果通过放大和反馈的不断循环, 振荡器越来越偏离原来的平衡 状态, 从而导致振荡器停振或突变到新的平衡状态, 则表明原来的 平衡状态是不稳定的。反之, 如果通过放大和反馈的不断循环, 振 荡器能够产生回到原平衡点的趋势, 并且在原平衡点附近建立新 的平衡状态, 则表明原平衡状态是稳定的。 稳定稳定 21 第4章 正弦波振荡器 要使振幅稳定, 振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。 在平衡点UiUiA附近： ?当不稳定因素使输入振幅Ui增大时, 环路增益幅值(0)应该减 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Ui减小时, T(0)应该增大, 使Uf增大, 从而阻止

12、 Ui减小 这就要求在平衡点附近, T(0)随Ui的变化率为负值, 即: (4.2.9) 0 )( 0 T ? 1)( 0 =T ? 1)( 0 T 0 ()2 0,1,2,. T nn= 0 ()1T= 0 ()2 0,1,2,. T nn= 0 )( 0 T 0 ()2 0,1,2,. T nn= 0 ()1T= 0 )( 0 T ? 1)( 0 =T ? 1)( 0 T 0 ()2 0,1,2,. T nn= 0 ()1T= 0 ()2 0,1,2,. T nn= 0 )( 0 ce be X X 即be与ce必须是同性质电抗, 因而Xbc必须是异性质 电抗。 54 第4章 正弦波振荡器

13、 由上面的分析可知, 在三点式电路中, 回路中与发射极相连接的两 回路中与发射极相连接的两 个电抗元件必须为同性质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另外一个电抗元件必须为异性质。这就是三点 式电路组成的相位判据, 或称为三点式电路的组成法则。 与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三点式电路, 称为电容 三点式电路, 也称为考毕兹（Coplitts）电路。 与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路, 称为电感 三点式电路, 也称为哈特莱（Hartley）电路。 晶体管c、b极之间的三个电抗元件组成一个并联LC回路。其输入时晶体 管集电极电流 输入时晶体 管集电极

14、电流，输出是回路两端在输出是回路两端在Xbe 上的分压上的分压，故应该考虑其阻抗特性。 由于并联LC回路的阻抗特性是负斜率，因此三点式组成法则满足相位稳 定条件 55 第4章 正弦波振荡器 例例. 在图例4.3所示振荡器交流等效电路中, 三个并 联回路的谐振频率分别是： , 试问1、2、3满足什么条件时该 振荡器能正常工作？且相应的振荡频率是多少？ )2/(1),2/(1 222111 CLfCLf= )2/(1 333 CLf= X 0 f1 (或f2) f2(或f1) f01f3 f X 0f3 f02 f1(或f2) f f2(或f1) (c)(b) L1C1 C3 C2 L3 L2 (

15、a) 56 第4章 正弦波振荡器 解: 由图可知, 只要满足三点式组成法则, 该振荡器就能正常工 作。 若组成电容三点式, 则在振荡频率01处, 11回路与22 回路应呈现容性, 33回路应呈现感性。 所以应满足12013或21013。 X 0 f1 (或f2) f2(或f1) f01f3 f X 0f3 f02 f1(或f2) f f2(或f1) (c)(b) L1C1 C3 C2 L3 L2 (a) 57 第4章 正弦波振荡器 若组成电感三点式, 则在振荡频率02处, 11回路与22 回路应呈现感性, 33回路应呈现容性。 所以应满足12 02 3或21 02 3。 X 0 f1 (或f2

16、) f2(或f1) f01f3 f X 0f3 f02 f1(或f2) f f2(或f1) (c)(b) L1C1 C3 C2 L3 L2 (a) 58 第4章 正弦波振荡器 电容三点式电路（考毕兹电路电容三点式电路（考毕兹电路, ） 图4.3.3（）是电容三点式电路一种常见形式,（）是其高频等效电路。 图中1 、2 是回路电容, 是回路电感, b 和c 分别是高频旁路电容和耦合 电容。 L 0.033 Cc C1 RL C2 Re Rb2 Rb1 0.033 Cb Re UCC Re0L C1 C2 RL (a)(b) 59 第4章 正弦波振荡器 由于电容三点式电路已满足反馈振荡器的相位条件

17、, 只要再满足 振幅起振条件就可以正常工作。 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, 必定满足平衡和稳定条件。 利用晶体管共基组态简化等效电路可以将电容三点式电路画成 如图4.3.4（）所示的形式, 其中虚线框内是晶体管共基组态简 化等效电路。 LeL RRR| 0 = 60 第4章 正弦波振荡器 图 4.3.4 电容三点式振荡器的交流等效电路 re i U ? e e b C imU g ? L R c b L C1 C2 reRe e b C f U ? (a) re i U ? e e b C imU g ? L R c b L C1

18、 (b) e r re i U ? e e b C imU g ? c b (c) f U ? GjBf U ? 2 C Re 61 第4章 正弦波振荡器 在图.（）中的双电容耦合电路里, 可把次级电路 元件e、e、be等效到初级中, 如图.（）所示。 其中接入系数 eb CCC += 2 2 eeee r n Rr n r 22 1 )/( 1 = ff U n U 1 = (因为re + eL m gg ng 所以环路增益 64 第4章 正弦波振荡器 即 eLeLm ngg n gg n g+=+ 1 )( 1 其中 eeb e eL L rr g RR g 11 , / 1 0 = +

19、= 本电路的反馈系数 21 1 CC C nF + = 的取值一般为。 65 第4章 正弦波振荡器 由式（4.3.1）可知, 为了使电容三点式电路易于起振，应 选择跨导m较大、r be较大的晶体管 其负载L和回路谐振电阻e0也要大 接入系数要合理选择 实践表明, 如果选用截止频率T大于振荡频率五倍以上的晶体 管作放大器, 负载L不要太小（k以上）, 接入系数取值 合适, 一般都能满足起振条件。 66 第4章 正弦波振荡器 . 电感三点式电路（又称哈特莱电路 电感三点式电路（又称哈特莱电路 ） 图4.3.5（）为电感三点式振荡器电路。其中1 , 2是 回路电感, 是回路电容, c和e是耦合电容,

20、 b是旁路电容, 3和4是高频扼流圈。（）图为其共基组态交流等效电 路。 67 第4章 正弦波振荡器 图 4.3.5 电感三点式振荡电路 L3 Cc RL C Re Rb2 Rb1 Cb Re UCC Re0C L2 RL (a)(b) L1 3 1 2 L4 Ce 3 1 2 L1 L2 68 第4章 正弦波振荡器 振荡角频率 0 = LC 1 其中L=L1 +L2 +2M, M为互感系数。起振条件 eLm ngg n g+ 1 其中接入系数 MLL ML N N n 2 21 2 13 12 + + = L L R g = 1 e e r g 1 = 利用类似于电容三点式振荡器的分析方法,

21、 也可以求得电感三点式振荡器振幅 起振条件和振荡频率, 区别在于这里以自耦变压器耦合代替了电容耦合。 69 第4章 正弦波振荡器 电容三点式振荡器 优点： 反馈电压取自2 , 而电容对晶体管非线性特性产生的 高次谐波呈现低阻抗, 所以反馈电压中高次谐波分量很小, 因 而输出波形好, 接近于正弦波。 缺点：反馈系数因与回路电容有关, 如果用改变回路电容的方 法来调整振荡频率, 必将改变反馈系数, 从而影响起振。 70 第4章 正弦波振荡器 电感三点式振荡器 优点：便于用改变电容的方法来调整振荡频率, 而不会影响反馈 系数 缺点：反馈电压取自2 , 而电感线圈对高次谐波呈现高阻抗, 所 以反馈电压

22、中高次谐波分量较多, 输出波形较差。 两种振荡器共同的缺点：晶体管输入输出电容分别和两个回路 电抗元件并联, 影响回路的等效电抗元件参数, 从而影响振荡频 率。由于晶体管输入输出电容值随环境温度、电源电压等因素 而变化, 所以三点式电路的频率稳定度不高, 一般在10-3量级。 71 第4章 正弦波振荡器 总结： 三点式振荡器的起振条件： 相位条件：“射同它异” 振幅条件： 平衡和稳定条件：只要能起振, 必定满足平衡和稳定条件 eLm ngg n g+ 1 72 第4章 正弦波振荡器 例 例 4.4 在图例4.所示电容三点式振荡电路中, 已知 .H, 1F, 2F, 3 F, Lk, mm, b

23、eF, 0 , 试求能够起振的频率范围。 Rb1 Rb2 L Cb Re C1 C2 C3 Cc RL UCC 73 第4章 正弦波振荡器 解 解 ： 参照图4.3.4所示画出交流等效电路。 可根据式（4.3.1）判断是否能起振。 015 . 0 20330051 51 21 1 + = + = eb CCC C n Sg r g m e e 3 1030 1 = eLm ngg n g+ 1 0 LLe ggg=+ 74 第4章 正弦波振荡器 12 3 12 () b e b e C CC CC CCC + =+ + 0 0 1 e C g QL = 若 发生变化，会使 变化， 导致 和 变

24、化 从而 发生变化，影响起振。 3 CC 0e g 0 f L g 75 第4章 正弦波振荡器 (1) 当C3 =12 pF时, pFC CCC CCC C eb eb 23.62 )( 3 21 21 + + + = S L C Q ge 3 6 12 0 0 1014. 0 105 . 0 1023.62 80 11 = 又 S R g L L 3 3 102 . 0 105 11 = = 76 第4章 正弦波振荡器 所以 0 333 3 11 () 1 (0.2 100.14 10 )0.015 30 10 0.015 23 10 LeLee gngggng nn S + =+ =+ 根

25、据振幅起振条件式（4.3.1） eLm ngg n g+ 1 可见3F时, 电路满足起振条件, 相应的振荡频率 MHz LC f53.28 1023.62105 . 02 1 2 1 126 0 = 77 第4章 正弦波振荡器 （） 当3pF时, 可求出相应参数 33 10301034 1 =+ meL gngg n 可见这时电路不满足振幅起振条件。 78 第4章 正弦波振荡器 （） 低频段满足起振条件的临界值为: eLeeLm nggg n ngg n g+=+=)( 11 0 ge0 =n(gm -nge )-gL = 0.015(3010-3-0.0153010-3)-0.210-3 0

26、.2410-3S C =L(Q0 ge0 )2=0.510-6(800.2410-3)2184pF 对应的总等效电容 所以 79 第4章 正弦波振荡器 所以, 振荡频率范围为 。 pF CCC CCC CC eb eb 13450184 20330051 )203300(51 184 )( 21 21 3 = + + = + + = Z MH LC f59.16 10184105 . 02 1 2 1 126 0 = 对应可变电容值 对应的振荡频率 80 第4章 正弦波振荡器 克拉泼（）电路 克拉泼（）电路 电容三点式电路比电感三点式电路性能要好 但晶体管输入输出电容对频率稳定度有影响 解决方

27、法：改进型的电容三点式电路克拉泼电路 81 第4章 正弦波振荡器 Rb1 Rb2 Cb Re C1 C2 L C3 RL UCC Rc A B (a) Re Ccb Cce Cbe C1 C2 Rc C3 L A B Re0RL (b) 特点：在回路中增加了一个与串联的小电容3。 各电容须满足：31, 3 2 振荡频率：由3、决定 L 0.033 Cc C1 RL C2 Re Rb2 Rb1 0.033 Cb UCC (a) 图 4.3.6 (a) 克拉泼振荡电路图 4.3.4 (a)考毕兹振荡电路 82 第4章 正弦波振荡器 先不考虑晶体管输入输出电容的影响。 因为3远远小于 1或2 , 所

28、以1、2 、3三个电容串联后的等效电容 3 2 3 1 3 3 313221 321 1 C C C C C C CCCCCC CCC C + = + = 于是, 振荡角频率 3 0 11 LCLC = 由此可见, 克拉泼电路的振荡频率几乎与1、2无关。 83 第4章 正弦波振荡器 现在分析晶体管结电容ce、be 对振荡频率的影响。 Rb1 Rb2 Cb Re C1 C2 L C3 RL UCC Rc A B (a) Re Ccb Cce Cbe C1 C2 Rc C3 L A B Re0RL (b) 84 第4章 正弦波振荡器 由图（）可以看到, ce与谐振回路的接入系数 21 3 21 2

29、 323121 32 32 32 1 32 32 321 32 )( CC C CC C CCCCCC CC CC CC C CC CC CCC Cc n + = + = + + + = + = 串 串 和电容三点式电路中ce 与谐振回路的接入系数n=C2 (C1 +C2 ) 比较, 由于3 1 , 3 2 , 所以。 由于ce 的接入系数大大减小, 所以它等效到回路两端的 电容值也大大减小, 对振荡频率的影响也大大减小。 85 第4章 正弦波振荡器 同理,be 对振荡频率的影响也极小。 因此, 克拉泼电路的频率稳定度比电容三点式电路要好。 在实际电路中, 根据所需的振荡频率决定、3 的值,

30、然后取 1 、2 远大于3 即可。 但是3 和1 、2 也不能相差太大，否则将影响振荡器的起振。 86 第4章 正弦波振荡器 由图.（）可以看到, 晶体管、两端与回路、 两端之间的接入系数 3 1 1212 3 12312 1 1 () C n C CC C C CCC CC = + + LLLL RR CCC CC RnR 1 )( 1 2 213 21 2 1 + + = 所以, 、两端的等效电阻RL=RL /Re0 , 折算到、两端后 为: 87 第4章 正弦波振荡器 共基电路的等效负载, L越小?共基电路电压增益越小 ?环路增益越小?越不易起振。 克拉泼电路是用牺牲环路增益的方法来换取

31、回路标准性的提高克拉泼电路是用牺牲环路增益的方法来换取回路标准性的提高。 克拉泼电路的缺陷：不适合于作波段振荡器不适合于作波段振荡器。 【波段振荡器要求：在一段区间内振荡频率可变, 且振荡幅值保 持不变】 克拉泼电路在改变振荡频率时需调节3 , 从而使振荡幅值也发生 变化。所以克拉泼电路只适宜于作固定频率振荡器或波段复盖系 所以克拉泼电路只适宜于作固定频率振荡器或波段复盖系 数较小数较小(1.21.3)的可变频率振荡器。的可变频率振荡器。 波段复盖系数：在一定波段范围内连续正常工作的振荡器的最高 工作频率与最低工作频率之比。 88 第4章 正弦波振荡器 西勒（）电路 西勒（）电路 针对克拉泼电

32、路的缺陷, 出现了另一种改进型电容三点式电路西勒 电路。图4.3.7（）是其实用电路, （）是其高频等效电路。 西勒电路是在克拉泼电路基础上, 在电感两端并联了一个小电容4 , 且满足1 、2 远大于3 , 1 、2 远大于4 , Rb1 Rb2Cb Re C1 C2 UCC Rc (a) C3 C4L C1 C2 C3 C4L (b) 89 第4章 正弦波振荡器 在西勒电路中, 由于4 与并联, 所以4的大小不影响回路 的接入系数, 其共基电路等效负载RL仍同式（.）所示。 如果使3固定, 通过变化4来改变振荡频率, 则RL在振荡频率 变化时基本保持不变, 从而使输出振幅稳定。因此, 西勒电

33、路可 用作波段振荡器, 其波段覆盖系数为.左右。 回路等效电容 434 323121 321 CCC CCCCCC CCC C+ + = 所以, 振荡频率 )(2 1 2 1 43 0 CCLLC f + = 90 第4章 正弦波振荡器 之前所介绍的五种振荡器均是采用元件作为选频网络。 振荡回路的标准性和品质因数QQ值是影响振荡器频率稳定性的关键 因素。 元件的标准性较差, 且值较低。 为了提高振荡回路的标准性和QQ值，应选用优质材料和先进的工艺 结构, ,但从工艺水平看, ,QQ值超过300300相当困难. .所以振荡器的频 率稳定度不高 利用石英晶体的压电效应,将它作为振荡回路元件构成石英

34、晶体振 荡器,可以获得很高的频率稳定度. 回路的标准性是指外界因素变化时, 振荡回路保持其谐振频率 不变的能力。回路标准性越高, 则频率稳定度越高。 91 第4章 正弦波振荡器 4.4.1 石英晶振及其阻抗频率特性石英晶振及其阻抗频率特性 利用石英晶体的压电效应可以做成晶体谐振器（简称石英晶振）。 正压电效应 正压电效应 当晶体受到外部压力式拉力作用时, 在它的某些特定表面上将出 现电荷, 而且外力大小与电荷密度之间存在着一定关系 逆压电效应 逆压电效应 当晶体受到电场作用时, 在它的某些特定方向上将出现形变, 而且 电场强度与形变之间也存在着一定关系 当交流电压加在晶体两端, 晶体先随电压变

35、化产生应变, 然后机械振动又使晶 体表面产生交变电荷。当晶体几何尺寸和结构一定时, 它本身有一个固有的 机械振动频率。 当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时, 晶体片的机械振动最大, 晶体 表面电荷量最多, 外电路中的交流电流最强, 于是产生了谐振。 4.4 晶 体 振 荡 器晶 体 振 荡 器 (Crystal Oscillator) 92 第4章 正弦波振荡器 93 第4章 正弦波振荡器 石英晶振 固有频率十分稳定固有频率十分稳定 温度系数（温度变化所引起的固有频率相对变化量）：10-6以下。 振动具有多谐性振动具有多谐性 基频振动基频晶体基频晶体 奇次谐波泛音振动泛音晶体泛音晶体 晶

36、片越薄，频率越高，但加工困难，易损坏 通常在工作频率小于20MHz时采用基频晶体, 大于20MHz时采用泛音晶体。 94 第4章 正弦波振荡器 (b) 基频等效电路 C0Cq1 Lq1 rq1 Cq3 Lq3 rq3 Cq5 Lq5 rq5 Cqk Lqk rqk (c)(b) C0Cq Lq rq 左图是石英晶振基频的等效电路。其中： 安装电容C0 （引线电容、支架电容等的总和） 约1 pF10 pF 动态电感Lq 约10-3H102 H 动态电容Cq 约10-4pF10-1pF 动态电阻rq 约几十欧到几百欧 参数：P104习题4.8 95 第4章 正弦波振荡器 由以上参数可以看到： ）

37、石英晶振的值和特性阻抗都非常高。 值可达几万到几百万, 因为 q q q q C L r Q 1 = （ 2） 由于石英晶振的接入系数n=Cq(C0 +Cq )很小, 所以 外接元器件参数对石英晶振的影响很小。 综合以上两点, 不难理解石英晶振的频率稳定度频率稳定度是非常 高的。 96 第4章 正弦波振荡器 由图4.（）可以看到, 石英晶振可以等效为一个串联谐振回路和一 个并联谐振回路。若忽略q , 则晶振两端呈现纯电抗, 其电抗频率特性曲 线如图4.中两条实线所示。 qq s CL f 2 1 = X 0 fs fN fp CL的电抗曲线 f 0 00 0 0 1 1 2 q s ps q

38、q q q C f ff CC CC L CC CC =+ + + 串联谐振频率 并联谐振频率 97 第4章 正弦波振荡器 X 0 fs fN fp CL的电抗曲线 f 由于CqC0很小, 所以p与s间隔很小, 因而在sp感性 区间, 石英晶振具有陡峭的电抗频率特性, 曲线斜率大, 利于稳 频。 若外部因素使谐振频率增大, 则根据晶振电抗特性, 必然使等效 电感增大, 但由于振荡频率与的平方根成反比, 所以又促使 谐振频率下降, 趋近于原来的值。 98 第4章 正弦波振荡器 石英晶振产品还有一个标称频率N。N的值位于s与 p之间, 这是指石英晶振两端并接某一规定负载电容L时石 英晶振的振荡频率

39、。 X 0 fs fN fp CL的电抗曲线 f 99 第4章 正弦波振荡器 4.4.2 晶体振荡器电路晶体振荡器电路 将石英晶振作为高值谐振回路元件接入正反馈电路中, 就组成了晶体振荡器。根据石英晶振在振荡器中的作用原理, 晶体振荡器可分成两类。 并联型晶体振荡器：并联型晶体振荡器：将其作为等效电感元件用在三点式电路中, 工作在感性区 （皮尔斯振荡电路、密勒振荡电路） 串联型晶体振荡器：串联型晶体振荡器：将其作为一个短路元件串接于正反馈支路 上, 工作在它的串联谐振频率上 100 第4章 正弦波振荡器 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

40、英晶振接在晶体管c、b极之间-皮尔斯振荡电路 石英晶振接在晶体管b、e极之间-密勒振荡电路 . 皮尔斯（）振荡电路皮尔斯（）振荡电路 皮尔斯电路是最常用的振荡电路之一。 图443（）是皮 尔斯电路, （）是其高频等效电路, 其中虚线框内是石英晶振 的等效电路。 101 第4章 正弦波振荡器 图 4.4.3 皮尔斯振荡电路 Rb1 Rb2 Cb Re C1 C2 UCC Lc (a)(b) Cc RL Lq Cq rq Re 晶体 RL C1 C2 C0 102 第4章 正弦波振荡器 由图4.（）可以看出, 皮尔斯电路类似于克拉泼电路, 但由于石英晶振中q极小, q极高, 所以皮尔斯电路具有以下

41、一 些特点： （） 振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管、 端, 、端和、端的接入系数分别是: + = + = 21 21 0 CC CC C CCC C n L Lq q cb cbce n CC C n + = 21 2 cbeb n CC C n + = 21 1 以上三个接入系数一般均小于-3-4, 所以外电路中 的不稳定参数对振荡回路影响很小, 提高了回路的标准性。 103 第4章 正弦波振荡器 （） 振荡频率几乎由石英晶振的参数决定, 而石英晶振本 身的参数具有高度的稳定性。 振荡频率 L q s Lq Lq q CC C f CCC CCC L f + += + + =

42、0 0 0 0 1 )( 2 1 其中L是和晶振两端并联的外电路各电容的等效值, 即根据产品 要求的负载电容。在实用时, 一般需加入微调电容, 用以微调回路 的谐振频率, 保证电路工作在晶振外壳上所注明的标称频率N上。 104 第4章 正弦波振荡器 （） 由于振荡频率0一般调谐在标称频率N上, 位于晶 振的感性区内, 电抗曲线陡峭, 稳频性能极好。 （） 由于晶振的值和特性阻抗 都很高, 所以 晶振的谐振电阻也很高, 一般可达10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很大, 使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。 qq CL /= 105 第4章 正弦

43、波振荡器 . 密勒（）振荡电路密勒（）振荡电路 图4.4.4是场效应管密勒振荡电路。 石英晶体作为电感元件连接在栅极 和源极之间, 并联回路在振荡频率点等效为电感, 作为另一电感元件连 接在漏极和源极之间, 极间电容gd 作为构成电感三点式电路中的电容元件。 由于gd 又称为密勒电容, 故此电路有密勒振荡电路之称。 300 p UCC 61122 Cgd 1 MHz 10 M 2.2 k 0.02 106 第4章 正弦波振荡器 例 例 4.5 图例4.（）是一个数字频率计晶振电路, 试分 析其工作情况。 解解: 先画出V1管高频交流等效电路, 如图例4.（）所示, .F电容较大, 作为高频旁路

44、电路, V2管作射随器。 20 k C 5 MHz 5.6 k 20 p 535 p 200 p 330 p 0.01 4.7 2.7 k V1 1.5 k V2 UCC 20 p 535 p 200 p V1 330 p4.7 (a)(b) 107 第4章 正弦波振荡器 由高频交流等效电路可以看到, V1管的c、e极之间有一个 回路, 其谐振频率为: MHzf0 . 4 10330107 . 42 1 126 0 = 在晶振工作频率MHz处, 此回路等效为一个电容。可见, 这是一个皮尔斯振荡电路, 晶振等效为电感, 容量为5pF35pF的 可变电容起微调作用, 使振荡器工作在晶振的标称频率M

45、Hz上。 108 第4章 正弦波振荡器 3 串联型晶体振荡器 串联型晶体振荡器 串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反馈支路中, 利用 其串联谐振时等效为短路元件, 电路反馈作用最强, 满足振幅 起振条件, 使振荡器在晶振串联谐振频率s上起振。 图4.4.6（）给出了一种串联型单管晶体振荡器电路, （）是其高频等效电路。 这种振荡器与三点式振荡器基本类似, 只不过在正反馈支 路上增加了一个晶振。, 1 , 2和3组成并联谐振回路而 且调谐在振荡频率上。 109 第4章 正弦波振荡器 图4.4.6 串联型晶体振荡电路 Rb1 Cb Re C1 C2 UCC R (a) Cc 20 k Rb2 2.

46、2 k C3 300 p L 3.8 1600 p 680 C1 C2 C3 L (b) Re C 110 第4章 正弦波振荡器 4. 泛音晶振电路泛音晶振电路 在工作频率较高的晶体振荡器中, 多采用泛音晶体振荡电路。 图4.4.1(c)：石英晶振的完整等效电路 其中不仅包含了基频串联谐振支路, 还包括了其它奇次谐波的串 联谐振支路, 这就是前面所说的石英晶振的多谐性。 C0Cq1 Lq1 rq1 Cq3 Lq3 rq3 Cq5 Lq5 rq5 Cqk Lqk rqk (c)(b) C0Cq Lq rq (a) 111 第4章 正弦波振荡器 在泛音晶振电路中, 为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的 奇次泛音上, 必须： ?正确地调节电路的环路增益, 使其在工作泛音频率上略 大于1, 满足起振条件 ?有效地抑制在更高的泛音频率的振荡：使环路增益在更 高的泛音频率上都小于1, 不满足起振条件 ?有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡： 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