４.１概述４.２反饋振蕩原理４.３LC振蕩器４.４晶體振蕩器４.５壓控振蕩器４.６集成電路振蕩器４.７實(shí)例介紹４.８章末小結(jié)第4章正弦波振蕩器4.2反饋振蕩原理4.2.1并聯(lián)諧振回路中的自由振蕩現(xiàn)象圖4.2.1RLC電路與電壓源的連接當(dāng)諧振電阻較大時(shí),并聯(lián)諧振回路兩端的電壓變化是一個(gè)振幅按指數(shù)規(guī)律衰減的正弦振蕩。其振蕩波形如圖4.2.2所示。圖4.2.2RLC欠阻尼振蕩波形

電源

有源器件

選頻網(wǎng)絡(luò)

反饋網(wǎng)絡(luò)4.2.2振蕩過(guò)程與振蕩條件

能產(chǎn)生自激振蕩一個(gè)基本的條件是必須構(gòu)成正反饋回路，即反饋到輸入端的信號(hào)和放大器輸入信號(hào)相位相同。利用正反饋方法來(lái)獲得等幅的正弦振蕩,這就是反饋振蕩器的基本原理。反饋振蕩器是由主網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)閉合環(huán)路,圖4.2.3反饋振蕩器的組成

一個(gè)反饋振蕩器必須滿足三個(gè)條件：起振條件（保證接通電源后能逐步建立起振蕩）；平衡條件（保證進(jìn)入維持等幅持續(xù)振蕩的平衡狀態(tài)）；穩(wěn)定條件（保證平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素影響而受到破壞）。

１.起振過(guò)程與起振條件在圖4.2.3所示閉合環(huán)路中,在×處斷開(kāi),并定義環(huán)路增益其中,,,分別是反饋電壓、輸入電壓、主網(wǎng)絡(luò)增益和反饋系數(shù),均為復(fù)數(shù)。圖4.2.3反饋振蕩器的組成

對(duì)圖中變壓器同名端的標(biāo)法有何要求？

在剛接通電源時(shí),電路中存在各種電擾動(dòng),如接通電源瞬間引起的電流突變,電路中的熱噪聲等等,這些擾動(dòng)均具有很寬的頻譜。如果選頻網(wǎng)絡(luò)是由ＬＣ并聯(lián)諧振回路組成,則其中只有角頻率為諧振角頻率ω0的分量才能通過(guò)反饋產(chǎn)生較大的反饋電壓。如果在諧振頻率處,與原輸入電壓同相,并且具有更大的振幅,則經(jīng)過(guò)線性放大和反饋的不斷循環(huán),振蕩電壓振幅就會(huì)不斷增大。所以,要使振幅不斷增長(zhǎng)的條件是:也可分別寫成：即

φT(ω0)=2nπ(n=０,１,２,…)(4.2.5)

式（4．2．4）和（4．2．5）分別稱為振幅起振條件和相位起振條件。

(4.2.4)(4.2.3)

２平衡過(guò)程與平衡條件振蕩幅值的增長(zhǎng)過(guò)程不可能無(wú)止境地延續(xù)下去,因?yàn)榉糯笃鞯木€性范圍是有限的。當(dāng)放大器增益下降而導(dǎo)致環(huán)路增益下降到１時(shí),振幅的增長(zhǎng)過(guò)程將停止,振蕩器達(dá)到平衡,進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。

φT(ω0)=2nπn=０,１,２,…(4.2.8)（4．2．7）和（4．2．8）分別稱為振幅平衡條件和相位平衡條件。(4.2.6)也可分別寫成：(4.2.7)所以,反饋振蕩器的平衡條件為:反饋振蕩器的工作原理

根據(jù)振幅的起振條件和平衡條件,環(huán)路增益的模值應(yīng)該具有隨振幅Ui增大而下降的特性。只要保證起振時(shí)環(huán)路增益幅值大于１即可。同時(shí)要保證與同相滿足相位平衡。保證為正反饋。滿足起振和平衡條件的環(huán)路增益特性

３平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性和穩(wěn)定條件由于振蕩電路中存在各種干擾，如溫度變化、電壓波動(dòng)、噪聲、外界干擾等，這些不穩(wěn)定因素將引起放大器和回路的參數(shù)發(fā)生變化,結(jié)果使Ｔ（ω0）或φT（ω0）變化,破壞原來(lái)的平衡條件。因此，為使振蕩器的平衡狀態(tài)能夠存在，只有使它成為穩(wěn)定的平衡——具有返回原先平衡狀態(tài)能力的平衡。

當(dāng)環(huán)路增益下降到1時(shí)，振幅的增長(zhǎng)過(guò)程將停止，振蕩器達(dá)到平衡狀態(tài)，即進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。

振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件

在平衡點(diǎn)Ui=UiA附近，當(dāng)不穩(wěn)定因素使ui的振幅Ui增大時(shí)，環(huán)路增益減小，使反饋電壓振幅Uf減小，從而阻止Ui增大；反之，當(dāng)不穩(wěn)定因素使ui的振幅Ui減小時(shí)，環(huán)路增益增大，使反饋電壓振幅Uf增大，從而阻止Ui減小。

UiO|T(ωo)|

A1UiA?

如果環(huán)路增益特性存在著兩個(gè)平衡點(diǎn)A和B，其中，A點(diǎn)是穩(wěn)定的，而B(niǎo)是不穩(wěn)定點(diǎn)，如右圖所示。振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件|T(ωo)|BAUiUiAUiB1

若某種原因使Ui大于UiB，則|T(ωo)|隨之增大，勢(shì)必使Ui進(jìn)一步增大，從而更偏離平衡點(diǎn)B，最后到達(dá)平衡點(diǎn)A；

反之，若某種原因使Ui小于UiB，則|T(ωo)|隨之減小，從而進(jìn)一步加速Ui減小，直到停止振蕩。

通過(guò)上述討論可見(jiàn)，要使平衡點(diǎn)穩(wěn)定，|T(ωo)|必須在UiA附近具有負(fù)斜率變化

tuiOωωo穩(wěn)定條件要使振幅穩(wěn)定,振蕩器在其平衡點(diǎn)必須具有阻止振幅變化的能力。振幅穩(wěn)定條件為相位穩(wěn)定條件為4.2.3反饋振蕩電路判斷基本組成：放大器，反饋環(huán)節(jié)，選頻網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定環(huán)節(jié)根據(jù)上述反饋振蕩電路的基本原理和應(yīng)當(dāng)滿足的起振、平衡和穩(wěn)定三個(gè)條件,判斷一個(gè)反饋振蕩電路能否正常工作,需考慮以下幾點(diǎn)：①可變?cè)鲆娣糯笃骷?晶體管,場(chǎng)效應(yīng)管或集成電路)應(yīng)有正確的直流偏置,開(kāi)始時(shí)應(yīng)工作在甲類狀態(tài),便于起振。②開(kāi)始起振時(shí),環(huán)路增益幅值A(chǔ)F(ω0)應(yīng)大于1。由于反饋網(wǎng)絡(luò)通常由無(wú)源器件組成,反饋系數(shù)F小于1,故A(ω0)必須大于1。共射、共基電路都可以滿足這一點(diǎn)。為了增大A(ω0),負(fù)載電阻不能太小。③環(huán)路增益相位在振蕩頻率點(diǎn)應(yīng)為2π的整數(shù)倍,即環(huán)路應(yīng)是正反饋。④選頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有負(fù)斜率的相頻特性。因?yàn)樵谡袷庮l率點(diǎn)附近,可以認(rèn)為放大器件本身的相頻特性為常數(shù),而反饋網(wǎng)絡(luò)通常由變壓器、電阻分壓器或電容分壓器組成,其相頻特性也可視為常數(shù),所以相位穩(wěn)定條件應(yīng)該由選頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

注意LC并聯(lián)回路阻抗的相頻特性和LC串聯(lián)回路導(dǎo)納的相頻特性是負(fù)斜率,而LC并聯(lián)回路導(dǎo)納的相頻特性和LC串聯(lián)回路阻抗的相頻特性是正斜率。以上第①點(diǎn)可根據(jù)直流通路進(jìn)行判斷,其余3點(diǎn)可根據(jù)交流等效電路進(jìn)行判斷。

例4.1

判斷圖例4.2.6所示各反饋振蕩電路能否正常工作。其中（ａ）、（ｂ）是交流等效電路,（ｃ）是實(shí)用電路。圖例4.2.6圖示三個(gè)電路均為兩級(jí)反饋,且兩級(jí)中至少有一級(jí)是共射電路或共基電路,所以只要其電壓增益足夠大,振蕩的振幅條件容易滿足。而相位條件一是要求正反饋,二是選頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有負(fù)斜率特性。（ａ）圖由兩級(jí)共射反饋電路組成,其瞬時(shí)極性如圖中所標(biāo)注,所以是正反饋。ＬＣ并聯(lián)回路同時(shí)擔(dān)負(fù)選頻和反饋?zhàn)饔?且在諧振頻率點(diǎn)反饋電壓最強(qiáng)。在討論選頻網(wǎng)絡(luò)的相頻特性時(shí),一定要注意先分別判斷此選頻網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出參數(shù)是電壓，還是電流，然后才能決定究竟是應(yīng)采用其阻抗特性還是導(dǎo)納特性。對(duì)于（ａ）圖,ＬＣ并聯(lián)回路輸入是V2管集電極電流ic2,輸出是反饋到V1管b、e兩端的電壓ube1,對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)是阻抗（輸出電壓與輸入電流的比值），所以應(yīng)采用其阻抗特性。根據(jù)附圖,可知并聯(lián)回路的阻抗相頻特性是負(fù)斜率。綜上所述,(a)圖電路也滿足相位條件,因此能夠正常工作。（ｂ）圖由共基—共集兩級(jí)反饋組成。根據(jù)瞬時(shí)極性判斷法,如果把圖中諧振時(shí)的ＬＣ并聯(lián)回路作為一個(gè)純電阻看待,則應(yīng)該是正反饋。根據(jù)圖中信號(hào)的流程，V2管的輸出發(fā)射極電流在Re2上產(chǎn)生電壓，此電壓就是LC并聯(lián)回路的輸入，而LC回路的輸出就是流入Re1的電流,對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)是導(dǎo)納，所以這里應(yīng)采用其導(dǎo)納特性。由于并聯(lián)回路導(dǎo)納的相頻特性是正斜率,因此不滿足相位穩(wěn)定條件。也可以從另一個(gè)角度考慮，由于LC并聯(lián)回路在諧振頻率點(diǎn)阻抗趨于無(wú)窮大，近似于開(kāi)路，因此正反饋支路斷開(kāi)，這個(gè)電路不會(huì)起振。綜上所述,（ｂ）圖電路不能正常工作。

（ｃ）圖與（ｂ）圖不同之處在于用串聯(lián)回路置換了并聯(lián)回路。由于LC串聯(lián)回路在諧振頻率點(diǎn)阻抗趨于零,正反饋?zhàn)顝?qiáng),且LC串聯(lián)回路導(dǎo)納的相頻特性是負(fù)斜率,滿足相位穩(wěn)定條件,所以（ｃ）圖電路能正常工作。(c)圖中在V2的發(fā)射極與V1的基極之間增加了一條負(fù)反饋支路,用以穩(wěn)定電路的輸出波形。4.2.4振蕩器的頻率穩(wěn)定度

1.頻率穩(wěn)定度定義反饋振蕩器若滿足起振、平衡、穩(wěn)定三個(gè)條件,就能夠產(chǎn)生等幅持續(xù)的振蕩波形。當(dāng)受到外界不穩(wěn)定因素影響時(shí),振蕩器的相位或振蕩頻率可能發(fā)生些微變化,雖然能自動(dòng)回到平衡狀態(tài),但振蕩頻率在平衡點(diǎn)附近隨機(jī)變化這一現(xiàn)象卻是不可避免的。為了衡量實(shí)際振蕩頻率ｆ相對(duì)于標(biāo)稱振蕩頻率ｆ0變化的程度,提出了頻率穩(wěn)定度這一性能指標(biāo)。

長(zhǎng)期頻穩(wěn)度主要取決于元器件的老化特性,短期頻穩(wěn)度主要取決于電源電壓和環(huán)境溫度的變化以及電路參數(shù)的變化等等,而瞬時(shí)頻穩(wěn)度則與元器件的內(nèi)部噪聲有關(guān)。通常所講的頻率穩(wěn)定度一般指短期頻穩(wěn)度,定義為(4.2.11)其中，(Δf0)i=|fi-f0|是第ｉ次測(cè)試時(shí)的絕對(duì)頻率偏差； 是絕對(duì)頻率偏差的平均值,也就是絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度。可見(jiàn),頻率穩(wěn)定度是用均方誤差值來(lái)表示的相對(duì)頻率偏差程度。2.提高LC振蕩器頻率穩(wěn)定度的措施反饋振蕩器的振蕩頻率通常主要由選頻網(wǎng)絡(luò)中元件的參數(shù)決定,同時(shí)也和放大器件的參數(shù)有關(guān)。各種環(huán)境因素如溫度、濕度、大氣壓力等的變化會(huì)引起回路元件、晶體管輸入輸出阻抗以及負(fù)載的微小變化,從而對(duì)回路Ｑ值和振蕩頻率產(chǎn)生影響,造成頻率不穩(wěn)定。針對(duì)這些原因,主要可采取以下措施來(lái)提高ＬＣ振蕩器的頻率穩(wěn)定度。

提高頻率穩(wěn)定度的措施1）提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性是指其諧振頻率w0在外界因素變化時(shí)保持穩(wěn)定的能力。由下式可知，提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性，也就是提高回路元件L、C的標(biāo)準(zhǔn)性。溫度是引起L、C變化的主要因素。為了穩(wěn)頻，振蕩回路應(yīng)采用溫度系數(shù)小的元件；或采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎㄈ缭诨芈分胁⒙?lián)溫度系數(shù)為負(fù)的電容）2）減少晶體管對(duì)振蕩頻率的影響在反饋型振蕩器中極間電容將影響頻率穩(wěn)定度，在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)盡可能減少晶體管和回路之間的耦合。3）提高回路的品質(zhì)因數(shù)要使相位穩(wěn)定，回路的相頻特性應(yīng)具有負(fù)的斜率，斜率越大，相位越穩(wěn)定。根據(jù)LC回路的特性，回路的Q值越大，回路的相頻特性斜率就越大，即回路的Q值越大，相位越穩(wěn)定。從相位與頻率的關(guān)系可得，此時(shí)的頻率也越穩(wěn)定。4）減少電源、負(fù)載等的影響電源電壓的波動(dòng)，會(huì)使晶體管的工作點(diǎn)、電流發(fā)生變化，從而改變晶體管的參數(shù)，對(duì)和產(chǎn)生影響，從而間接影響振蕩頻率。為了減小其影響，振蕩器通常采用穩(wěn)壓電源供電和設(shè)計(jì)穩(wěn)定的偏置點(diǎn)。負(fù)載電阻并聯(lián)在回路的兩端，這會(huì)降低回路的有載品質(zhì)因數(shù)，從而使振蕩器的頻率穩(wěn)定度下降。通常在振蕩器的后面接緩沖放大器以減小負(fù)載對(duì)振蕩器頻率的影響，射極跟隨器就是緩沖放大器的一種常用電路。采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器統(tǒng)稱為L(zhǎng)C振蕩器。按其反饋網(wǎng)絡(luò)分類：互感耦合電容耦合自耦變壓器耦合4.3LC振蕩器三點(diǎn)式振蕩器4.3.1互感耦合振蕩器

圖4.3.1集電極調(diào)諧型互感耦合振蕩器電路互感耦合振蕩器的缺點(diǎn)：1、頻率穩(wěn)定度不高,且由于互感耦合元件分布電容的存在,限制了振蕩頻率的提高,因此只適用于較低頻段。2、因高次諧波的感抗大，故取自變壓器次級(jí)的反饋電壓中高次諧波振幅較大，所以導(dǎo)致輸出振蕩信號(hào)中高次諧波分量較大，波形不理想?！纠?.2】判斷圖例4.3.2所示兩級(jí)互感耦合振蕩電路能否正常工作。

圖4.3.2

4.3.2三點(diǎn)式振蕩器

１．電路組成法則三點(diǎn)式振蕩器是指ＬＣ回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而組成的一種振蕩器。先分析在滿足正反饋相位條件時(shí),ＬＣ回路中三個(gè)電抗元件應(yīng)具有的性質(zhì)。IIIII三點(diǎn)式振蕩器是指ＬＣ回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而組成的一種振蕩器。在三點(diǎn)式電路中,ＬＣ回路中與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗元件必須為同性質(zhì),另外一個(gè)電抗元件必須為異性質(zhì)。這就是三點(diǎn)式電路組成的相位判據(jù),或稱為三點(diǎn)式電路的組成法則。與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗元件同為電容時(shí)的三點(diǎn)式電路,稱為電容三點(diǎn)式電路,也稱為考畢茲電路。與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗元件同為電感時(shí)的三點(diǎn)式電路,稱為電感三點(diǎn)式電路,也稱為哈特萊電路。

２．電容三點(diǎn)式電路（又稱考畢茲電路,Ｃｏｐｌｉｔｔｓ）

圖4.3.4電容三點(diǎn)式振蕩電路

由于電容三點(diǎn)式電路已滿足反饋振蕩器的相位條件,只要再滿足振幅起振條件就可以正常工作。因?yàn)榫w管放大器的增益隨輸入信號(hào)振幅變化的特性與振蕩的三個(gè)振幅條件一致,所以只要能起振,必定滿足平衡和穩(wěn)定條件。

其中本電路的反饋系數(shù)Ｆ的取值一般為１／８～１／２。

為了使電容三點(diǎn)式電路易于起振,應(yīng)選擇跨導(dǎo)ｇm及rb′e較大的晶體管,其負(fù)載ＲL和回路諧振電阻Ｒe0也要大,而接入系數(shù)ｎ要合理選擇。實(shí)踐表明,如果選用截止頻率ｆT大于振蕩頻率五倍以上的晶體管作放大器,負(fù)載ＲL不要太?。ǎ眐Ω以上）,接入系數(shù)ｎ取值合適,一般都能滿足起振條件。

３.電感三點(diǎn)式電路（又稱哈特萊電路Ｈａｒｔｌｅｙ）圖4.3.6電感三點(diǎn)式振蕩電路振蕩角頻率ω0=其中L=L1+L2+2M,M為互感系數(shù)起振條件式中(4.3.3)(4.3.4)本電路反饋系數(shù)Ｆ的取值一般為１／１０～１／２。

(4.3.5)電容三點(diǎn)式振蕩器和電感三點(diǎn)式振蕩器優(yōu)缺點(diǎn)電容三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)：反饋電壓取自Ｃ2,而電容對(duì)晶體管非線性特性產(chǎn)生的高次諧波呈現(xiàn)低阻抗,所以反饋電壓中高次諧波分量很小,因而輸出波形好,接近于正弦波。缺點(diǎn)：反饋系數(shù)因與回路電容有關(guān),如果用改變回路電容的方法來(lái)調(diào)整振蕩頻率,必將改變反饋系數(shù),從而影響起振。電感三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)：便于用改變電容的方法來(lái)調(diào)整振蕩頻率,而不會(huì)影響反饋系數(shù)。缺點(diǎn)：反饋電壓取自Ｌ2,而電感線圈對(duì)高次諧波呈現(xiàn)高阻抗,所以反饋電壓中高次諧波分量較多,輸出波形較差。

電容三點(diǎn)式振蕩器和電感三點(diǎn)式振蕩器共同缺點(diǎn)兩種振蕩器共同的缺點(diǎn)是：晶體管輸入輸出電容分別和兩個(gè)回路電抗元件并聯(lián),影響回路的等效電抗元件參數(shù),從而影響振蕩頻率。由于晶體管輸入輸出電容值隨環(huán)境溫度、電源電壓等因素而變化,所以三點(diǎn)式電路的頻率穩(wěn)定度不高,一般在１０-3量級(jí)。[例４.３]在圖例4.3所示振蕩器交流等效電路中,三個(gè)ＬＣ并聯(lián)回路的諧振頻率分別是： ,試問(wèn)ｆ1、ｆ2、ｆ3滿足什么條件時(shí)該振蕩器能正常工作？解:由圖可知,只要滿足三點(diǎn)式組成法則,該振蕩器就能正常工作。在并聯(lián)LC回路的電抗頻率曲線中，感抗XL為正值，且感性區(qū)頻率低于諧振頻率，容抗XC為負(fù)值，且容性區(qū)頻率高于諧振頻率。由此可以確定f1、f2、f3與振蕩器振蕩頻率之間的關(guān)系。圖4.3.7例4.3圖在兩種情況下,振蕩頻率的表達(dá)式均為:LC1C2C3RLBA兩種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器R'LECRLLC2C3C1Rb1Rb2CbReRcAB圖4.3.9克拉潑振蕩電路

克拉潑電路的頻率穩(wěn)定度比電容三點(diǎn)式電路要好。在實(shí)際電路中,根據(jù)所需的振蕩頻率決定Ｌ、Ｃ3的值,然后?。?、Ｃ2遠(yuǎn)大于Ｃ3即可。但是Ｃ3不能取得太小,否則將影響振蕩器的起振。LC1C2C3C4ABC4LC2C3C1Rb1Rb2CbReRcAB兩種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器EC

６小結(jié)以上所介紹的五種ＬＣ振蕩器均是采用ＬＣ元件作為選頻網(wǎng)絡(luò)。由于ＬＣ元件的標(biāo)準(zhǔn)性較差,因而諧振回路的Ｑ值較低,空載Ｑ值一般不超過(guò)３００,有載Ｑ值就更低,所以ＬＣ振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高,一般為１０-3量級(jí),即使是克拉潑電路和西勒電路也只能達(dá)到１０-4～１０-5量級(jí)。如果需要頻率穩(wěn)定度更高的振蕩器,可以采用晶體振蕩器。4.4.1石英晶體及其特性石英是礦物質(zhì)硅石的一種,化學(xué)成分是ＳiＯ2,形狀是呈角錐形的六棱結(jié)晶體。將石英晶體按一定方位切割成片,兩邊敷以電極,焊上引線,再用金屬或玻璃外殼封裝即構(gòu)成晶體振蕩器。石英晶體具有壓電效應(yīng)。當(dāng)交流電壓加在晶體兩端,晶體先隨電壓變化產(chǎn)生機(jī)械形變,然后機(jī)械振動(dòng)又使晶體表面產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時(shí),它本身有一個(gè)固有的機(jī)械振動(dòng)頻率。當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時(shí),晶體片的機(jī)械振動(dòng)最大,晶體表面電荷量最多,外電路中的交流電流最強(qiáng),于是產(chǎn)生了諧振。4.4晶體振蕩器石英晶振的固有頻率十分穩(wěn)定,它的溫度系數(shù)（溫度變化１℃所引起的固有頻率相對(duì)變化量）在１０-6以下。另外,石英晶振的振動(dòng)具有多諧性,即除了基頻振動(dòng)外,還有奇次諧波泛音振動(dòng)。對(duì)于石英晶振,既可利用其基頻振動(dòng),也可利用其泛音振動(dòng)。前者稱為基頻晶體,后者稱為泛音晶體。晶片厚度與振動(dòng)頻率成反比,工作頻率越高,要求晶片越薄,因而機(jī)械強(qiáng)度越差,加工越困難,使用中也易損壞。由此可見(jiàn),在同樣的工作頻率上,泛音晶體的切片可以做得比基頻晶體的切片厚一些。所以在工作頻率較高時(shí),常采用泛音晶體。通常在工作頻率小于20MHz時(shí)采用基頻晶體,大于20MHz時(shí)采用泛音晶體。圖4.4.1石英晶體諧振器(a)符號(hào)；(b)基頻等效電路；(c)完整等效電路

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圖4.４.1是石英晶振的符號(hào)和等效電路。其中：安裝電容C0約１pF～１０ｐF

動(dòng)態(tài)電感Lq約10-3H～102H

動(dòng)態(tài)電容Cq約10-4pF～10-1pF

動(dòng)態(tài)電阻rq約幾十歐到幾百歐由以上參數(shù)可以看到：１）石英晶振的Ｑ值和特性阻抗ρ都非常高。Ｑ值可達(dá)幾萬(wàn)到幾百萬(wàn),因?yàn)?/p>

（2）由于石英晶振的接入系數(shù)n=Cq／(C0+Cq)很小,所以外接元器件參數(shù)對(duì)石英晶振的影響很小。綜合以上兩點(diǎn),不難理解石英晶振的頻率穩(wěn)定度是非常高的。由圖4.４.１（ｂ）可以看到,石英晶振可以等效為一個(gè)串聯(lián)諧振回路和一個(gè)并聯(lián)諧振回路。若忽略ｒq,則晶振兩端呈現(xiàn)純電抗,其電抗頻率特性曲線如下圖中兩條實(shí)線所示。CoCqLqRqfsfp電容性電容性電感性fXqO

石英晶振產(chǎn)品還有一個(gè)標(biāo)稱頻率ｆN。ｆN的值位于ｆs與ｆp之間,這是指石英晶振兩端并接某一規(guī)定負(fù)載電容ＣL時(shí)石英晶振的振蕩頻率。CL的電抗頻率曲線如圖4.4.2中虛線所示。負(fù)載電容CL的值載于生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中,通常為30pF(高頻晶體),或100pF(低頻晶體),或標(biāo)示為∞(指無(wú)需外接負(fù)載電容,常用于串聯(lián)型晶體振蕩器)。由于Cq／C0很小,所以ｆp與ｆs間隔很小,因而在ｆs～ｆp感性區(qū)間,石英晶振具有陡峭的電抗頻率特性,曲線斜率大,利于穩(wěn)頻。若外部因素使諧振頻率增大,則根據(jù)晶振電抗特性,必然使等效電感Ｌ增大,但由于振蕩頻率與Ｌ的平方根成反比,所以又促使諧振頻率下降,趨近于原來(lái)的值。

石英晶體諧振器與一般的諧振回路相比具有優(yōu)良的特性,具體表現(xiàn)為:(1)石英晶體諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。

(2)石英晶體諧振器與有源器件的接入系數(shù)p很小,一般為10-3~10-4，所以外接元器件參數(shù)對(duì)石英晶振的影響很小。

(3)石英晶體諧振器具有非常高的Q值。4.4.2晶體振蕩器電路根據(jù)石英晶振在振蕩器中的作用原理,晶體振蕩器可分成兩類。一類是工作在略高于fs，將其作為等效電感元件用在三點(diǎn)式電路中,工作在感性區(qū),稱為并聯(lián)型晶體振蕩器；

另一類將其作為一個(gè)短路元件串接于正反饋支路上,工作在它的串聯(lián)諧振頻率fs上,稱為串聯(lián)型晶體振蕩器。晶體只能工作在上述兩種方式，不能工作在低于fs和高于fp呈容性的頻段內(nèi)，否則，頻率穩(wěn)定度將明顯下降。

１.皮爾斯（Ｐｉｅｒｃｅ）振蕩電路并聯(lián)型晶體振蕩器的工作原理和三點(diǎn)式振蕩器相同,只是將其中一個(gè)電感元件換成石英晶振。石英晶振可接在晶體管ｃ、ｂ極之間或ｂ、ｅ極之間,所組成的電路分別稱為皮爾斯振蕩電路和密勒振蕩電路。

圖4.4.3皮爾斯振蕩電路

由圖4.４.３（ｂ）可以看出,皮爾斯電路類似于克拉潑電路,但由于石英晶振中Ｃq極小,Ｑq極高,所以皮爾斯電路具有以下一些特點(diǎn)：（１）振蕩回路與晶體管、負(fù)載之間的耦合很弱。晶體管ｃ、ｂ端,ｃ、ｅ端和ｅ、ｂ端的接入系數(shù)分別是:

以上三個(gè)接入系數(shù)一般均小于１０-3～１０-4,所以外電路中的不穩(wěn)定參數(shù)對(duì)振蕩回路影響很小,提高了回路的標(biāo)準(zhǔn)性。

（２）振蕩頻率幾乎由石英晶振的參數(shù)決定,而石英晶振本身的參數(shù)具有高度的穩(wěn)定性。振蕩頻率

（３）由于振蕩頻率ｆ0一般調(diào)諧在標(biāo)稱頻率ｆN上,位于晶振的感性區(qū)內(nèi),電抗曲線陡峭,穩(wěn)頻性能極好。（４）由于晶振的Ｑ值和特性阻抗都很高,