第4章負(fù)阻振蕩器

4.1

反饋振蕩器的工作原理4.2

LC正弦波振蕩器4.3

LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度4.4

晶體振蕩器4.5

RC正弦波振蕩器4.6

負(fù)阻正弦波振蕩器4.7

寄生振蕩、間歇振蕩和頻率占據(jù)一、振蕩器的定義二、正弦波振蕩器的應(yīng)用引言振蕩器——就是自動(dòng)地將直流能量轉(zhuǎn)換為具有一定波形參數(shù)的交流振蕩信號(hào)的裝置。和放大器一樣也是能量轉(zhuǎn)換器。它與放大器的區(qū)別在于，不需要外加信號(hào)的激勵(lì)，其輸出信號(hào)的頻率，幅度和波形僅僅由電路本身的參數(shù)決定。在發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、測(cè)量?jī)x器（信號(hào)發(fā)生器）、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療、儀器乃至電子手表等許多方面振蕩器都有著廣泛的應(yīng)用。三、振蕩器與放大器的區(qū)別相同點(diǎn)：均為能量轉(zhuǎn)換器（將直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量的形式）。

相異點(diǎn)：

1.放大器：必須外加激勵(lì)信號(hào)才能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。振蕩器：不需外加激勵(lì)信號(hào)，靠電路本身進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換2.放大器：將外加激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行不失真的放大。振蕩器：靠電路本身激發(fā)出要求的信號(hào)產(chǎn)生具有一定頻率、波形和幅度的交流信號(hào)2.振蕩器的分類正弦波振蕩器非正弦波振蕩器振蕩器波形產(chǎn)生機(jī)理反饋式振蕩器負(fù)阻式振蕩器反饋型LC振蕩器反饋型RC振蕩器本章主要介紹反饋型RC、LC振蕩器和石英晶體振蕩器的工作原理。石英晶體振蕩器振蕩器頻率和振幅穩(wěn)定度2.頻率穩(wěn)定度:

調(diào)頻廣播和電視發(fā)射機(jī)要求:10-5~10-7左右標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源:10-6~10-12

要實(shí)現(xiàn)與火星通訊:10-11

要為金星定位:10-12

振蕩器主要技術(shù)指標(biāo)：1.振蕩頻率f及頻率范圍:3.振蕩的幅度和穩(wěn)定度注意：其中頻率的穩(wěn)定度尤為重要低頻放大器高頻振蕩器高頻諧振放大器振幅調(diào)制器高頻功放換能器消息信號(hào)（1）發(fā)送設(shè)備

1、發(fā)射機(jī)主振級(jí)：產(chǎn)生高頻等幅振蕩信號(hào)，以備后面用于作為低頻“載波信號(hào)”。超外差式無(wú)線電收信設(shè)備（2）接收設(shè)備混頻器中頻放大器檢波器(解調(diào))低頻放大器高頻諧振放大器1V左右本地振蕩器fo幾十μv~幾mVfsfI=fs-fo第3章正弦波振蕩器

簡(jiǎn)單的正弦波電信號(hào)如常見(jiàn)的50Hz工頻交流電，是通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，將機(jī)械旋轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娦盘?hào)。1903年，查爾斯.斯坦梅茨發(fā)明“高頻機(jī)械交流發(fā)電機(jī)”以產(chǎn)生無(wú)線電信號(hào)載波。1905年，[加拿大]雷金納德.費(fèi)森登利用“高頻機(jī)械交流發(fā)電機(jī)”發(fā)明了連續(xù)波語(yǔ)音發(fā)射機(jī)。現(xiàn)代電信號(hào)發(fā)生器為電子式，即通過(guò)電子電路產(chǎn)生。正弦波振蕩器就是模擬產(chǎn)生正弦波電信號(hào)的電子電路。分類：反饋振蕩器：利用正反饋原理，應(yīng)用最廣；負(fù)阻振蕩器：利用負(fù)阻器件負(fù)電阻效應(yīng)，微波。第4章負(fù)阻正弦波振蕩器

正弦波振蕩器的應(yīng)用：發(fā)射機(jī)中的載波信號(hào)；超外差式接收機(jī)中的本地（本機(jī)）振蕩信號(hào)；電子測(cè)量?jī)x器中的正弦波信號(hào)源；數(shù)字電路系統(tǒng)中的時(shí)鐘信號(hào)源，等；工業(yè)高頻感應(yīng)加熱設(shè)備的正弦交變能源；醫(yī)用電療儀器中的正弦交變能源，等等。正弦波振蕩器的電路特點(diǎn)：

無(wú)輸入信號(hào)，自輸出信號(hào)。

性能要求振蕩頻率和振幅準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性大功率和高效率4.1

反饋振蕩器的工作原理

反饋放大器：比較器：負(fù)反饋：正反饋：自激振蕩：正弦波振蕩器：無(wú)比較器、正反饋環(huán)：自動(dòng)產(chǎn)生、特定頻率、等幅輸出起振選頻平衡

振幅條件和相位條件

基本放大器（主網(wǎng)絡(luò)）反饋網(wǎng)絡(luò)基本放大器（主網(wǎng)絡(luò)）反饋網(wǎng)絡(luò)4.1.1

平衡和起振條件

平衡條件環(huán)路增益：若在特定頻率上滿足：則有振蕩平衡條件：

振幅平衡條件：

相位平衡條件：

主網(wǎng)絡(luò)A(jω)反饋網(wǎng)絡(luò)kf(jω)+++---+-LC++++----Lf●●主網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)4.1.1

平衡和起振條件

起振條件振蕩平衡條件描述了振蕩器等幅輸出時(shí)的狀態(tài)，但并沒(méi)有反映振幅的大小和如何達(dá)到要求的振幅。激發(fā)振蕩的因素：寬頻譜脈動(dòng)信號(hào)接通電源瞬間的電擾動(dòng)；環(huán)路內(nèi)電子器件的固有噪聲；建立振蕩的條件：反饋環(huán)路選頻放大

振幅起振條件：

相位平衡條件：

主網(wǎng)絡(luò)A(jω)反饋網(wǎng)絡(luò)kf(jω)+++---+-1AOViViA非線性特性：T(ωosc)>1→T(ωosc)=1小信號(hào)起振大信號(hào)平衡4.1.2

穩(wěn)定條件

振蕩頻率和振幅抵御外界環(huán)境變化和電路參數(shù)變化等因素影響，自動(dòng)保持不變的條件。振幅穩(wěn)定條件A點(diǎn)：Vi>ViA→T(ωosc)<1→Vf↘→Vi↘→Vi≈ViAVi<ViA→T(ωosc)>1→Vf↗→Vi↗→Vi≈ViAB點(diǎn)：Vi>ViB→T(ωosc)>1→Vf↗→Vi↗→T(ωosc)>1→Vi↗↗→Vi≈ViAVi<ViB→T(ωosc)<1→Vf↘→Vi↘→T(ωosc)<1→Vi↘↘→Vi≈0

停振振幅穩(wěn)定條件：

1AOViViABViB

環(huán)路增益的幅值與振蕩振幅的大小成單調(diào)反比變化。不起振Oω相位(頻率)穩(wěn)定條件正弦波相位與頻率的關(guān)系假定不考慮周期性，則

φT(ωosc)=0→Uf與Ui同相，ω=ωosc；

△φ(ωosc)>0→Vf相位超前Vi，ω>ωosc→φT(ω)<0

→ω↘≈ωosc；

△φ(ωosc)>

0→Vf相位滯后Vi，ω<ωosc→φT(ω)>0

→ω↗≈ωosc

；相位(頻率)穩(wěn)定條件：4.1.2

穩(wěn)定條件

ωosc

環(huán)路增益的相位與振蕩頻率的大小成單調(diào)反比變化。4.1.3

電路基本組成及分析方法

產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩的條件自起振條件、自平衡條件以及自穩(wěn)定條件，“三自一包”。電路基本結(jié)構(gòu)環(huán)路增益隨振幅增大而減?。翰捎秘?fù)斜率可變?cè)鲆娣糯笃鳎ǚ蔷€性特性）。環(huán)路相移隨頻率增大而減?。翰捎秘?fù)斜率相頻特性網(wǎng)絡(luò)（LC諧振回路、RC電路等）。包振蕩。4.1.3

電路基本組成及分析方法

負(fù)斜率可變?cè)鲆娣糯笃鳎ǚ蔷€性特性）。1、放大器件(三極管)的非線性；2、負(fù)載的非線性；負(fù)斜率相頻特性網(wǎng)絡(luò)(LC諧振回路、RC電路、石英晶體等)。

vCE/ViC/mA0LCOωωoω0-45°-90°RC電路LC++++----Lf4.1.3

電路基本組成及分析方法

分析方法1、根據(jù)相位平衡條件，判斷是否可能產(chǎn)生振蕩；分析放大元件和選頻網(wǎng)絡(luò)，是否存在正反饋環(huán)路。2、根據(jù)振幅起振條件，判斷能否自動(dòng)產(chǎn)生振蕩；小信號(hào)等效模型下，分析計(jì)算環(huán)路增益是否大于1。3、根據(jù)穩(wěn)定條件，判斷是否能夠自動(dòng)穩(wěn)定振蕩；分析放大電路和選頻網(wǎng)絡(luò)，是否存在負(fù)斜率可變?cè)鲆娣糯蟓h(huán)節(jié)以及負(fù)斜率相位特性。4、放大器與選頻網(wǎng)絡(luò)的匹配；放大環(huán)節(jié)的輸出與負(fù)載的匹配；環(huán)路輸入輸出的選擇；●●㈠㈩㈩㈩4.2

LC正弦波振蕩器

基本組成可變?cè)鲆娣糯箅娐?；LC諧振回路選頻網(wǎng)絡(luò)。主要類型1、變壓器耦合振蕩電路2、三點(diǎn)式振蕩電路

電容三點(diǎn)式，電感三點(diǎn)式；3、差分對(duì)管振蕩電路

LC++++----Lf●●CLLC++++----自耦變壓器L1CL2電感分壓C1C2L電容分壓4.2.1

三點(diǎn)式振蕩電路

一、基本組成及組成法則

三極管三個(gè)電極分別接三個(gè)節(jié)點(diǎn)

電容三點(diǎn)式(考畢茲)，電感三點(diǎn)式(哈特萊）；

組成法則“基異射同”

基極接相異性質(zhì)電抗節(jié)點(diǎn)；射極接相同性質(zhì)電抗節(jié)點(diǎn)。

證明1：(共射)忽略三極管對(duì)三個(gè)電抗的影響，由振蕩平衡條件電路諧振時(shí)

,

++--+ViVfVoL1CL2++---+ViVfVo-C1C2LX1X3X2++---+ViVfVoX1與X2為同性質(zhì)電抗X3與X1和X2為異性質(zhì)電抗“柵異源同”“－異＋同”4.2.1

三點(diǎn)式振蕩電路

證明2：(共基)忽略三極管對(duì)三個(gè)電抗的影響，由振蕩平衡條件得電路諧振,組成法則“基異射同”振蕩頻率就是LC回路諧振頻率；

實(shí)際電路三極管的極間阻抗對(duì)外接電抗產(chǎn)生影響，將引起附加的相移，振蕩頻率會(huì)稍偏離回路固有諧振頻率。

X3X1X2++---+ViVfVoX1與X2為同性質(zhì)電抗X3與X1和X2為異性質(zhì)電抗C1C2L++---+ViVfVo4.2.1

三點(diǎn)式振蕩電路

RE+Vo-C1C2LRLTC1C2RBRCRLL+Vo-TCBCCCEC2RB1RB2+Vo-RLRCRELC1VCCTRB1RB2REVCCCBLCCC1C2RL+Vo-T電容三點(diǎn)式共射組態(tài)共基組態(tài)二、電路及分析方法電路組成能否放大？直流通路：靜態(tài)偏置

交流通路：反饋環(huán)路

振蕩條件能否振蕩？相位平衡條件：“基異射同”振幅起振條件：

環(huán)路增益穩(wěn)定條件能否穩(wěn)定振蕩？負(fù)斜率可變?cè)鲆?Vi-

+Vf-+Vi-

+

Vf-4.2.1

三點(diǎn)式振蕩電路

L1L2VCCRB1RB2RCRECCCBCL1L2VCCRB1RB2RCRERLCCCBCECL1L2RCRB+Vo-CRCRLCL1L2RE+Vo-電感三點(diǎn)式共射組態(tài)共基組態(tài)+Vi-+Vi-

+Vf-

+Vf-三、三點(diǎn)式振蕩電路的穩(wěn)定條件相位(頻率)穩(wěn)定條件：由LC諧振回路性能保證；振幅穩(wěn)定條件：1、內(nèi)穩(wěn)幅：三極管的非線性特性；2、外穩(wěn)幅：自給偏置電路。

VBEQ=VBQ－VEQ=VBQ－IEQRE4.2.1

三點(diǎn)式振蕩電路

RB1RB2REVCCCBLCCC1C2RL+Vo-T+VBQ

-

+VEQ-

+VBEQ-ωtOvBEiCOωtiCIC0ICQVBEQVBE0vi諧振電路作用：iC脈動(dòng)電流vo、vi正弦電壓三、三點(diǎn)式振蕩電路的穩(wěn)定條件環(huán)路增益特性：

自給偏壓外穩(wěn)幅電路可加速達(dá)到平衡狀態(tài)，負(fù)斜率陡峭。輸出幅度可調(diào)。4.2.1

三點(diǎn)式振蕩電路

RB1RB2REVCCCBLCCC1C2RL+Vo-T+VBQ

-

+VEQ-

+VBEQ-OOvBEωtωtiCiCIC0ICQVBEQVBE0viVBEQ1VBEQ2VBEQ3O1ViA內(nèi)穩(wěn)幅外穩(wěn)幅VBEQ1>VBEQ2>VBEQ3RERLRe0ZiC1C2LTRE+Vo-C1C2LRLT四、電容三點(diǎn)式振蕩電路的起振條件電路等效1、斷開(kāi)反饋環(huán)路開(kāi)環(huán)輸入Vi、輸出Vf2、輸出考慮輸入負(fù)載Zi3、L、C1、C2并聯(lián)回路固有諧振電阻Re0Q0回路固有品質(zhì)因數(shù)小信號(hào)等效模型電路三點(diǎn)式結(jié)構(gòu)：4.2.1

三點(diǎn)式振蕩電路

Vi(jω)+Vf(jω)-REreCb’eZigmVi(jω)cbVi(jω)Vf(jω)

+Vo-cbeeRe0RLLC1C2Cb’ereREZiZi

+Vo-Z1Z2Z3+Vi-

+Vf-環(huán)路增益式中其中起振條件

即則4.2.1

三點(diǎn)式振蕩電路

Vi(jω)REreCb’eZigmVi(jω)cbeRe0RLLC1C2Cb’ereREZi

+Vo-Z1Z2Z3+Vf(jω)-相位起振條件→振蕩角頻率ωosc

由

整理得

其中討論：1、且還與環(huán)路中輸入、輸出負(fù)載電阻有關(guān)；2、當(dāng)或，則近似認(rèn)為4.2.1

三點(diǎn)式振蕩電路

Vi(jω)REreCb’egmVi(jω)cbeRe0RLLC1C2Cb’ereRE

+Vo-+Vf(jω)-(回路總電容)，(回路固有諧振角頻率)振幅起振條件→放大管跨導(dǎo)gm

由，即

工程近似估算，將ωosc=ω0帶入，可得

，其中

如果，則放大倍數(shù)：反饋系數(shù)：討論：

kfv↑→n↑→Av(ω0)↓；IEQ↑→gm↑→gi↑(且影響回路有載品質(zhì)因數(shù))4.2.1

三點(diǎn)式振蕩電路

Vi(jω)REreCb’egmVi(jω)cbeRe0RLLC1C2Cb’ereRE

+Vo-+Vf(jω)-(電容分壓比)一般取n=0.1~0.5，IEQ=1~5mA，RL>1kΩ，三極管fT>5fosc.RE+Vo-C1C2LRLT不同組態(tài)振蕩電路的振幅起振條件基極斷開(kāi)反饋環(huán)路，等效為共射組態(tài)電路；折算到集射極間負(fù)載電導(dǎo)：

回路諧振時(shí)的放大倍數(shù)：反饋系數(shù)：4.2.1

三點(diǎn)式振蕩電路

+Vi-

+Vf-+Vi-

+Vf-C1C2LTRLRe0RErb’eCb’eZiZiRLRe0LC1C2rb’eCb’eRE

+Vf(jω)-

+Vi(jω)-rb’eCb’e

gm

Vi(jω)

+Vi(jω)-rb’eCb’e

gm

Vi(jω)

+Vf(jω)-C1L4.2.1

三點(diǎn)式振蕩電路

RE+Vo-C1C2LRLT+Vi-

+Vf-RE+Vo-C1C2LRLT+Vi-

+Vf-不同組態(tài)振蕩電路的振幅起振條件振幅起振條件：考慮，，結(jié)論：1、閉環(huán)回路不論何處斷開(kāi)（不同組態(tài)），振幅起振條件gm是相同的；2、不同組態(tài)電路僅放大器增益和反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)不同。4.3

LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定性：振蕩電路保證持續(xù)產(chǎn)生振蕩的能力；頻率穩(wěn)定度(頻穩(wěn)度)：振蕩器具體重要性能指標(biāo)之一。定義：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，規(guī)定的溫度、濕度、電源電壓等變化范圍內(nèi)，振蕩頻率的相對(duì)變化量。長(zhǎng)期頻穩(wěn)度：一天以上乃至幾個(gè)月內(nèi)，因元器件老化而引起振蕩頻率的相對(duì)變化量；短期頻穩(wěn)度：一天內(nèi)因溫度、電源電壓等外界因素變化而引起振蕩頻率的相對(duì)變化量；瞬時(shí)頻穩(wěn)度(秒級(jí))：電路內(nèi)部噪聲引起振蕩頻率的相對(duì)變化量。通常所講的頻穩(wěn)度一般指短期頻穩(wěn)度。4.3

LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度

短期頻穩(wěn)度定義：式中

n~將規(guī)定時(shí)間分為等間隔的數(shù)量；i~第i個(gè)時(shí)間間隔；△(fosc)i

=fi－fosc~第i個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)實(shí)測(cè)的絕對(duì)頻差；絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度：絕對(duì)頻差的平均值。越小，頻率準(zhǔn)確度越高；越小，頻穩(wěn)度越高。中波廣播電臺(tái)發(fā)射機(jī)10-5量級(jí)；電視發(fā)射機(jī)10-7量級(jí)；普通信號(hào)發(fā)生器10-4~10-5；高精度信號(hào)發(fā)生器10-7~10-9。4.3.1

提高頻率穩(wěn)定度的基本措施

影響頻率穩(wěn)定度的因素滿足相位平衡條件時(shí)可得

~并聯(lián)LC決定放大器相位，在振蕩頻率附近變化劇烈；

~反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻率不敏感，在振蕩頻率附近近似常數(shù)。而所以，影響振蕩頻率有三個(gè)參數(shù)：諧振回路諧振頻率ω0、有載品質(zhì)因數(shù)Qe、反饋網(wǎng)絡(luò)相移φf(shuō)。ωω0φZ(yǔ)(ω),φf(shuō)-φf(shuō)ωosc4.3.1

提高頻率穩(wěn)定度的基本措施

影響頻率穩(wěn)定度的因素1、ω0引起振蕩頻率ωosc的變化

ω0變化曲線水平移動(dòng)，△ω0=△ωosc，與Qe

、φf(shuō)無(wú)關(guān)。2、Qe引起振蕩頻率ωosc的變化(ω0不變)

Qe大曲線斜率陡峭,φf(shuō)<φ’f→△ωosc<△ω’osc；

Qe大,φf(shuō)小,ωosc→ω0。3、φf(shuō)引起振蕩頻率ωosc

的變化(ω0不變)φf(shuō)小,Qe大時(shí),△φf(shuō)

引起的△ωosc變化小。

穩(wěn)定度：△ω0↓φf(shuō)↓Qe↑。ωω0φZ(yǔ)(ω),φf(shuō)-φf(shuō)ωoscω’0ω’osc△ω0△ωoscωω0φZ(yǔ)(ω),φf(shuō)-φf(shuō)△ω’osc△ωosc-φ’fQe↑ωω0φZ(yǔ)(ω),φf(shuō)-φf(shuō)△ω’osc△ωosc-φ’fQe↑4.3.1

提高頻率穩(wěn)定度的基本措施

提高頻穩(wěn)度的基本措施

減小外界因素影響的原因：減小ω0、Qe和φf(shuō)對(duì)外界影響的敏感度；減小外界因素的變化；減小電路參數(shù)受影響的結(jié)果：減小△ω0、△φf(shuō)和

△Qe對(duì)△ωosc的影響，如增大Qe、減小φf(shuō)等。1、減小外界因素的變化

外界因素通常包括：溫度、濕度、氣壓、周圍磁場(chǎng)、機(jī)械振動(dòng)和電源電壓、負(fù)載變化等。恒溫槽或空調(diào)室減小溫度變化；嚴(yán)格密封工藝減小濕度、氣壓的影響；屏蔽罩減小周圍磁場(chǎng)的影響；高穩(wěn)定穩(wěn)壓電路減小電源電壓的變化；跟隨器隔離減小負(fù)載變化的影響。4.3.1

提高頻率穩(wěn)定度的基本措施

提高頻穩(wěn)度的基本措施2、提高振蕩回路標(biāo)準(zhǔn)性

LC振蕩器的振蕩頻率ωosc是以LC諧振回路的固有(自然)諧振頻率ω0為基準(zhǔn)，即以ω0標(biāo)準(zhǔn)，振蕩頻率根據(jù)電路條件趨于接近。所以ω0標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定是振蕩頻率ωosc穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

振蕩回路標(biāo)準(zhǔn)性就是指振蕩回路受外界因素影響而保持固有諧振頻率ω0不變化的能力。

L、C

變化對(duì)振蕩回路標(biāo)準(zhǔn)性的影響：近似簡(jiǎn)化：

△ω0/ω0

與△L/L、△C/C成比例變化，必須減小△L、△C的變化。或4.3.1

提高頻率穩(wěn)定度的基本措施

提高頻穩(wěn)度的基本措施L、C的構(gòu)成：

a、集總電感和集總電容(外接電感和電容元件)；

b、元件和引線的分布電容和分布電感；

c、振蕩管的極間電容等。減小△L/L、△C/C的措施：a、采用高穩(wěn)定的集總電感和電容器(主要是電容器)；b、減小不穩(wěn)定的寄生參量及其在L和C中的比重；c、采用補(bǔ)償技術(shù)(如溫度補(bǔ)償，負(fù)溫系數(shù)元件抵消正溫系數(shù)參數(shù)變化)；減小寄生參量比重的方法：

增加回路總電容，即C↑=C集總↑+C寄生(→L↓→Qe↓→穩(wěn)定↓)；

減小管子與回路之間的耦合。[參數(shù)確定且相對(duì)穩(wěn)定][參數(shù)不確定][參數(shù)不穩(wěn)定]并聯(lián)串聯(lián)RLRCRB1RB2REVCCCBC2C1C3TL克拉潑(Clapp)振蕩電路電路組成并聯(lián)電容：外接電容C1、C2與分布電容

Cce、Cbe和Cce并聯(lián)；

串聯(lián)電容：C3與上述并聯(lián)總電容串聯(lián)。取值條件：C1>>Cce，C2>>Cbe，且C1+C2>>Ccb；

C3<<C1+C2?；芈房傠娙荩悍答佅禂?shù)：kfv=n≈C1/(C1+C2)管子與回路間的耦合:n2=C3/(C3+C1,2)負(fù)載的影響：環(huán)路增益減小RLTC3C1C2RCREL4.3.2

改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路

CceCbcCcbRe0穩(wěn)定度10-4~10-54.3.2

改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路

西勒(Seiler)振蕩電路

克拉潑振蕩電路中，串聯(lián)電容C3改變可以改變振蕩頻率，但會(huì)影響穩(wěn)定度和起振條件。

如何獨(dú)立改變振蕩頻率？電路組成取值條件：與克拉潑電路相同?；芈房傠娙荩夯芈饭逃兄C振頻率：RLRCRB1RB2REVCCCBC2C1C3TLCx4.4

晶體振蕩器

LC并聯(lián)諧振回路回路固有品質(zhì)因數(shù)：(Q0>10時(shí))有載品質(zhì)因數(shù)：振蕩器頻穩(wěn)度：10-3~10-5進(jìn)一步提高頻穩(wěn)度的途徑回路標(biāo)準(zhǔn)性：L、C穩(wěn)定性繼續(xù)提高有限→另辟新徑(新器件)；回路有載品質(zhì)因數(shù)：提高回路固有品質(zhì)因數(shù)Q0，→另辟新徑(新器件)；

新器件：石英晶體諧振器LLRLRLRpCCRsRsIs(jω)Is(jω)r石英晶體振蕩器前言：LC振蕩器的缺點(diǎn)：

LC振蕩器頻率穩(wěn)定度最高只能達(dá)到10-4～10-5數(shù)量級(jí)。石英晶體振蕩器卻可以達(dá)到10-11。石英晶體的基本知識(shí)

光軸電軸機(jī)械軸F－－－－－－＋＋＋＋＋＋F圖5-1正（順）壓電效應(yīng)示意圖FF＋＋＋＋＋＋－－－－－－1.正壓電特性與反壓電特性正是因?yàn)閴弘娞匦院头磯弘娞匦?，石英晶片可以做成諧振器。2.石英晶體的結(jié)構(gòu)：

石英晶體振蕩器3.石英晶體的等效電路：

石英晶體振蕩器

4.石英晶振的固有頻率十分穩(wěn)定,它的溫度系數(shù)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。石英晶體振蕩器5.石英晶振的阻抗頻率特性其中：靜態(tài)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)可得：１）石英晶振的Ｑ值非常高。Ｑ值可達(dá)幾萬(wàn)到幾百萬(wàn),

因?yàn)槭⒕w振蕩器2)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。串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率石英晶體振蕩器結(jié)論：由于Cq／C0很小，串聯(lián)諧振頻率fs小于而接近于fp

※由于Cq／C0很小,所以fp與fs間隔很小,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)。石英晶體振蕩器7.石英晶體振蕩器的分類：

將石英晶振作為高Ｑ值諧振回路元件接入正反饋電路中,就組成了晶體振蕩器。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；即：工作在fs~fp之間另一類是將其作為一個(gè)短路元件串接于正反饋支路上,工作在它的串聯(lián)諧振頻率上,稱為串聯(lián)型晶體振蕩器。即：石英工作在串聯(lián)諧振頻率fs上，石英晶體呈電阻性。并聯(lián)性晶體振蕩器

注意：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。電容三點(diǎn)式電路中石英晶振接在晶體管c、b極之間，所組成的電路稱為皮爾斯振蕩電路；電感三點(diǎn)式電路中石英晶振接在晶體管ｂ、ｅ極之間,稱為密勒振蕩電路。顯然：皮爾斯電路類似于克拉潑電路,1.克拉潑振蕩器

條件：C3<<C1,C3<<C2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。振蕩頻率一般調(diào)諧在標(biāo)稱頻率fN上，位于晶振的感性區(qū)，電抗曲線陡，穩(wěn)頻性好。振蕩頻率其中ＣL是和晶振兩端并聯(lián)的外電路各電容的等效值,即根據(jù)產(chǎn)品要求的負(fù)載電容。皮爾斯電路的特點(diǎn):在實(shí)用時(shí),一般需加入微調(diào)電容,用以微調(diào)回路的諧振頻率,保證電路工作在晶振外殼上所注明的標(biāo)稱頻率ｆN上。

串聯(lián)型晶體振蕩器是將石英晶振用于正反饋支路中,利用其串聯(lián)諧振時(shí)等效為短路元件,電路反饋?zhàn)饔米顝?qiáng),滿足振幅起振條件,使振蕩器在晶振串聯(lián)諧振頻率fs上起振。串聯(lián)性晶體振蕩器

優(yōu)點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度高,損耗小，非常高的的Q值，選頻性好。缺點(diǎn)：?jiǎn)晤l性、加工困難石英晶體振蕩器的優(yōu)缺點(diǎn)(補(bǔ)充內(nèi)容)石英晶體振蕩器4.4.1

石英諧振器的特性

石英晶體(Quarts-Crystal)的壓電效應(yīng)

石英晶體(二氧化硅)薄片兩面涂上銀層作為電極，當(dāng)兩電極間加交變電壓信號(hào)時(shí)，石英片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，反之，當(dāng)石英片機(jī)械振動(dòng)時(shí)，兩電極上產(chǎn)生交變電壓。這種機(jī)電相互轉(zhuǎn)換效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。

石英片具有固有的振動(dòng)頻率，其值與石英片的形狀、尺寸和切型有關(guān)。該振動(dòng)頻率十分穩(wěn)定，溫度系數(shù)>10-6，甚至零溫系數(shù)。

石英片振動(dòng)的多諧性：基頻振動(dòng)、奇次諧波泛音振動(dòng)。工作于不同振動(dòng)模式的石英諧振器分別稱為基頻晶體和泛音晶體。4.4.1

石英諧振器的特性

石英諧振器的電特性

當(dāng)外加交變電壓的頻率與石英片的機(jī)械振動(dòng)頻率發(fā)生共振時(shí)，通過(guò)石英片的交變電流最大，所以，具有串聯(lián)諧振特性。等效電路：C0：石英片靜態(tài)電容、支架和引線等分布電容，以石英片靜態(tài)電容為主。

Lq1Lq3Lq5Cq1Cq3Cq5rq1rq3rq5……C0C0LqCqrq電路符號(hào)XTL隔直的交流器件4.4.1

石英諧振器的特性

表4-4-1頻率范圍5MHz20~45MHz90~130MHz型號(hào)JA8B04B04/L頻穩(wěn)度5×10-95×10-95×10-9溫度系數(shù)(△f/f)/℃<1×10-7<1×10-71×10-7Lq/H0.080.08依照頻率定Cq/pF0.0130.0001rq/Ω≤1040C0/pF54.5Qq≥50×104≥50×104≥50×104負(fù)載電容CL/pF30,50,∞30,50,∞30,50,∞振動(dòng)方式基頻三次泛音九次泛音4.4.1

石英諧振器的特性

石英諧振器的阻抗特性忽略rq，得阻抗

其中：串聯(lián)諧振角頻率：并聯(lián)諧振角頻率：二頻率的關(guān)系：

C0LqCqrqZcr(jω)XcrOωωsωp4.4.1

石英諧振器的特性

石英諧振器的頻率如表3-4-1中5MHz晶體的Cq/C0=0.013/5=2.6×10-3，則fp－fs≈6.5kHz，因而兩頻率間隔很小。晶體的標(biāo)稱頻率

石英諧振器兩端并接規(guī)定負(fù)載電容時(shí)的頻率，也即晶體外殼上標(biāo)出的振蕩頻率。顯然，不論外接電容多大，fs

<fN<fp。C0LqCqrqZcr(jω)XcrOωωsωpCLωNC1C2C0LqCqrqRLTRE4.4.2

晶體振蕩電路

晶體振蕩電路的類型并聯(lián)型電路：晶體工作在fs<fN<fp

感性區(qū)域，作為三點(diǎn)式電路中的極高Q

值的回路電感。串聯(lián)型電路：晶體工作在串聯(lián)諧振頻率fs

上，等效為具有頻率高選擇性的交流短路線。并聯(lián)型晶體振蕩電路(Parallel-ModeCrystalOscillators)皮爾斯(Pirece)晶體振蕩電路CBCCC1C2RB1RB2RELCRLTVCCC1、C2滿足晶體負(fù)載電容要求，振蕩頻率為標(biāo)稱頻率fN。VCC12V5.7kΩ16kΩC1910pFC2220pF9kΩ6.2kΩ0.022μF2kΩ1.5kΩ1000pF16kΩCj470kΩR1R2R3Rt1Rt2t°t°VT1T2T3344.2

晶體振蕩電路

并聯(lián)型晶體振蕩電路采用微調(diào)電容的晶體振蕩電路

電容三點(diǎn)式振蕩電路

調(diào)整C4使振蕩頻率為標(biāo)稱頻率。C1C230kΩT12V30Ω6.8kΩ200Ω4700pF750Ω120pF320pF

20pF5~33pFC3C4XTL采用溫度補(bǔ)償電路穩(wěn)定頻率4.4.2

晶體振蕩電路

并聯(lián)型晶體振蕩電路(Parallel-ModeCrystalOscillators)泛音晶體振蕩電路：通常為三次、五次泛音。

忽略損耗電阻，LC1并聯(lián)諧振回路阻抗為純電抗諧振時(shí)當(dāng)ω<ω0時(shí)，X呈感性，當(dāng)ω>ω0時(shí)，X呈容性。根據(jù)“基異射同”判據(jù)，ω0應(yīng)小于工作的泛音頻率而大于低次泛音頻率；更高泛音頻率由于等效電容量過(guò)小，而不滿足環(huán)路起振振幅條件。C1C2LXOωω0ωq(2m-1)ωq(2m+1)振蕩頻率R1R2R3R4R5R6R7R8R9VCCT1T2T3T4T5⑧⑩⑿②①4.4.2

晶體振蕩電路

串聯(lián)型晶體振蕩電路(Series-ModeCrystalOscillators)

當(dāng)晶體串聯(lián)諧振時(shí)電阻最小，等效為交流短路線；偏離串聯(lián)諧振頻率時(shí)，阻抗增大。串聯(lián)諧振頻率上等效為交流短路線。圖一T1、T2并聯(lián)電壓負(fù)反饋放大組成正反饋電路，晶體串聯(lián)諧振選頻；圖二為L(zhǎng)C三點(diǎn)式振蕩電路，頻率等于晶體串聯(lián)諧振頻率時(shí)振蕩。RB1RB2RELC1C2C3CBVCC低阻低阻㈩㈩㈠㈠4.5

RC正弦波振蕩器采用RC電路作為移相選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩器導(dǎo)前移相電路滯后移相電路串并聯(lián)選頻電路電路幅頻特性相頻特性RRRRCCCC+V1-

+V1-

+V1-

+V2-

+V2-

+V2-4.5

RC正弦波振蕩器導(dǎo)前移相RC振蕩器組成：反相放大器；三節(jié)RC導(dǎo)前移相網(wǎng)絡(luò)；環(huán)路增益振蕩頻率

振幅起振條件滯后移相RC振蕩器RRRRf+Vi-+Vf-RRRRRf+Vo-+Vf-+Vi-+Vo-+Vf-+Vo-+Vf-R1RfRRCC4.5

RC正弦波振蕩器串并聯(lián)RC振蕩器（文氏電橋振蕩器）組成：同相放大器；串并聯(lián)RC選頻網(wǎng)絡(luò)。環(huán)路增益振蕩頻率振幅起振條件或同相放大倍數(shù)RR1RfRCC

+Vf-

+Vf

-

+Vo-

+Vo-4.5

RC正弦波振蕩器RC正弦波振蕩器的穩(wěn)幅電路內(nèi)穩(wěn)幅：利用集成運(yùn)放的非線性特性；外穩(wěn)幅：外電路附加的非線性元件，使

Rf電阻隨信號(hào)幅度增大而減小，

從而Rf/R1減小。1、熱敏電阻穩(wěn)幅(負(fù)溫系數(shù))2、二極管穩(wěn)幅

當(dāng)振幅增大使二極管導(dǎo)通，Rf并聯(lián)二極管導(dǎo)通電阻rD，即振幅平衡時(shí)此時(shí)有可得輸出振幅t°RRR1RfCCRRR1RfD1D2CCVfVo4.6

負(fù)阻正弦波振蕩器

負(fù)阻的概念對(duì)于負(fù)載：對(duì)于電源：可見(jiàn)，電源在回路中等效為負(fù)電阻，其值等于回路中的負(fù)載電阻。物理實(shí)質(zhì)是，負(fù)載消耗的功率等于電源提供的功率。或者說(shuō)具有負(fù)阻特性的電路可以提供負(fù)載消耗功率。放大器的負(fù)阻等效乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放管耗：負(fù)載得到信號(hào)功率：放大管提供給負(fù)載交流信號(hào)功率。電源R+v-iivo1/R-1/R+UCC-UCCRL+uo-io4.6.1

負(fù)阻器件

指其伏安特性中增量電阻具有負(fù)值的物理器件。例如，隧道二極管(TunnelDiode)