1、第六章 正弦波振蕩器知識結構：知識結構：6.1 概述概述6.2 LCR回路中的瞬變現象回路中的瞬變現象6.3 LC振蕩器的基本原理振蕩器的基本原理6.4 由正反饋的觀點來決定振蕩的條件由正反饋的觀點來決定振蕩的條件6.5 振蕩器的平衡與穩定條件振蕩器的平衡與穩定條件6.6 反饋型反饋型LC振蕩器線路振蕩器線路6.7 振蕩器的頻率穩定問題振蕩器的頻率穩定問題6.8 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器6.9 負阻振蕩器負阻振蕩器6.10 幾種特殊振蕩現象幾種特殊振蕩現象 學習目標：學習目標：掌握振蕩器的工作原理掌握振蕩器的工作原理掌握振蕩器的平衡與穩定條件掌握振蕩器的平衡與穩定條件掌握掌握LC振蕩器三端

2、電路的組成法則振蕩器三端電路的組成法則熟悉頻率穩定的意義，了解穩頻的方法熟悉頻率穩定的意義，了解穩頻的方法熟悉石英晶體振蕩器的優點和電路類型熟悉石英晶體振蕩器的優點和電路類型了解負阻振蕩器了解負阻振蕩器了解幾種特殊的振蕩現象了解幾種特殊的振蕩現象6.1 概述概述6.1.1、振蕩器的定義、振蕩器的定義6.1.2、振蕩器的功能、振蕩器的功能6.1.3、振蕩器的分類、振蕩器的分類6.1.4、振蕩器的主要技術指標、振蕩器的主要技術指標6.1.1、振蕩器的定義：、振蕩器的定義： 不需外信號激勵、自身將直流電能轉換為交流電能不需外信號激勵、自身將直流電能轉換為交流電能的裝置。的裝置。 火花發射機、電弧發生

3、器火花發射機、電弧發生器 電子管、晶體管等與電子管、晶體管等與L、C、R回路組成的振蕩器回路組成的振蕩器。優點：優點： 1）將直流電能轉換成交流電能，而本身靜止不動）將直流電能轉換成交流電能，而本身靜止不動 2）產生的是等幅振蕩）產生的是等幅振蕩 3）使用方便，靈活性大）使用方便，靈活性大功率：功率： mWkW頻率：低頻高頻頻率：低頻高頻思考：振蕩器和功放的異同點。思考：振蕩器和功放的異同點。 同：都是將直流電能轉換成交流電能。同：都是將直流電能轉換成交流電能。 異：振蕩器是自動的，不需外加激勵的控制；異：振蕩器是自動的，不需外加激勵的控制； 功放是被動的，需輸入信號的控制。功放是被動的，需輸

4、入信號的控制。6.1.2、振蕩器的功能、振蕩器的功能1作信號源作信號源載波信號：無線發射機；本振信號：超外差接收機；載波信號：無線發射機；本振信號：超外差接收機；正弦波信號源：電子測量儀器；時鐘信號：數字系統。正弦波信號源：電子測量儀器；時鐘信號：數字系統。 要求：要求：振蕩頻率和振幅的準確性和穩定性。振蕩頻率和振幅的準確性和穩定性。 2正弦交變能源正弦交變能源用途：高頻加熱設備和醫用電療儀器中的正弦交變能用途：高頻加熱設備和醫用電療儀器中的正弦交變能源。源。要求：要求：功率足夠大，高效。功率足夠大，高效。6.1.3、振蕩器的分類、振蕩器的分類 1）按輸出波形分：）按輸出波形分： 正弦波振蕩器

5、正弦波振蕩器 非正弦波振蕩器非正弦波振蕩器 2）按工作原理分：）按工作原理分： 反饋式振蕩器反饋式振蕩器 負阻式振蕩器負阻式振蕩器 3）按選頻網絡的組成分：）按選頻網絡的組成分： LC振蕩器、振蕩器、RC振蕩器、晶體振蕩器振蕩器、晶體振蕩器 4）按振蕩頻率分：）按振蕩頻率分： 高頻振蕩器高頻振蕩器 低頻振蕩器低頻振蕩器6.1. 4、振蕩器的主要技術指標、振蕩器的主要技術指標 振蕩頻率振蕩頻率 頻率穩定度頻率穩定度 振蕩幅度振蕩幅度 振蕩波形振蕩波形6.2 LCR回路中的瞬變現象回路中的瞬變現象10diLRiidtdtC2RL01LC由基爾霍夫定律得：由基爾霍夫定律得：（7.2.1）LCR自由振

6、蕩電路自由振蕩電路回路的衰減系數回路的衰減系數回路的固有角頻率回路的固有角頻率022022idtdidtid222200220()2tttVieeeL0tdiLVdt解方程：解方程：初始條件：初始條件：t0時，時，i0，負號說明放電電流的方向正好和充電時相反。負號說明放電電流的方向正好和充電時相反。（7.2.2）022022idtdidtid222200220()2tttVieeeL（7.2.2）討論：討論：220(2)LRC1） ，式（，式（7.2.2）可以寫成）可以寫成220220sinh()2tVietLit電流隨時間變化的曲線如右圖電流隨時間變化的曲線如右圖所示，可知，不能產生振蕩。所

7、示，可知，不能產生振蕩。此種情況稱為過阻尼，也就是此種情況稱為過阻尼，也就是說說R太大，無法產生振蕩。太大，無法產生振蕩。222200220()2tttVieeeL（7.2.2）討論：討論：電流隨時間變化的曲線如右圖電流隨時間變化的曲線如右圖所示，可知，仍然不能產生振所示，可知，仍然不能產生振蕩。此種情況稱為臨界阻尼，蕩。此種情況稱為臨界阻尼，也就是說也就是說R再小一點，即可產再小一點，即可產生振蕩。生振蕩。tViteL220(2)LRC2） ，式（，式（7.2.2）可以寫成）可以寫成it222200220()2tttVieeeL（7.2.2）討論：討論：此時回路電流做周期性變化，產生了自由振

8、蕩。此時回路電流做周期性變化，產生了自由振蕩。sintVietL220(2)LRC220j2203） ，此時，此時 成為虛數，可令成為虛數，可令 ，則式（，則式（7.2.2）可以寫成）可以寫成222021112224RfLCL振蕩頻率：振蕩頻率： it)20(0CLRR衰減振蕩衰減振蕩it)0(0R等幅振蕩等幅振蕩增幅振蕩增幅振蕩it)0(0R起振平衡UiTA10UiA UiAUiA等幅持續振蕩的條件等幅持續振蕩的條件 剛通電時，須經歷一段振蕩電壓從無到有逐步增長剛通電時，須經歷一段振蕩電壓從無到有逐步增長的過程。的過程。 進入平衡狀態時，振蕩電壓的振幅和頻率要能維持進入平衡狀態時，振蕩電壓的

9、振幅和頻率要能維持在相應的平衡值上。在相應的平衡值上。 當外界條件不穩時，振幅和頻率仍應穩定，而不會當外界條件不穩時，振幅和頻率仍應穩定，而不會產生突變或停止振蕩。產生突變或停止振蕩。振蕩器需滿足的振蕩器需滿足的三個條件三個條件： 起振條件起振條件接通電源后可從無到有建立起振蕩。接通電源后可從無到有建立起振蕩。 平衡條件平衡條件進入平衡狀態后可輸出等幅持續振蕩。進入平衡狀態后可輸出等幅持續振蕩。穩定條件穩定條件平衡狀態不因外界不穩定因素的影響平衡狀態不因外界不穩定因素的影響而受到破壞。而受到破壞。6.3 LC振蕩器的基本工作原理振蕩器的基本工作原理6.3.1、振蕩器的必備條件、振蕩器的必備條件

10、6.3.2、互感耦合調集振蕩器的工作原理、互感耦合調集振蕩器的工作原理6.3.1、振蕩器的必備條件：、振蕩器的必備條件： 1）振蕩的建立與起振條件）振蕩的建立與起振條件 要有一套振蕩回路，包含兩個（或兩個以上）儲能要有一套振蕩回路，包含兩個（或兩個以上）儲能元件。元件。 2）振蕩的平衡條件）振蕩的平衡條件 一個能量來源，補充振蕩回路電阻耗能一個能量來源，補充振蕩回路電阻耗能 3）振蕩平衡狀態的穩定條件）振蕩平衡狀態的穩定條件 一個控制設備，保證在正確的時刻對電路補充能量一個控制設備，保證在正確的時刻對電路補充能量6.3.2、互感耦合調集振蕩器的工作原理、互感耦合調集振蕩器的工作原理Rb1 、R

11、b2 ： 基極偏置電阻；基極偏置電阻； Re射級偏置電阻射級偏置電阻；Cb：旁路電容；旁路電容；Ce：隔直電容隔直電容互感耦合調集振蕩器實際電路互感耦合調集振蕩器實際電路M問題一：問題一： 互感的同名端互感的同名端分別接至哪里？分別接至哪里？為了完成正反饋為了完成正反饋射極和集電極射極和集電極問題二：問題二： 此電路為共基此電路為共基極？共射極？還是極？共射極？還是共集電極？共集電極？共基極共基極LC既是振蕩回路，又與既是振蕩回路，又與L1和和M組成晶組成晶體管的正反饋回路，完成控制作用。體管的正反饋回路，完成控制作用。r1/hobL1hfbieLCMhrbvchibiiLiCvCie互感耦合

12、調集振蕩器等效電路互感耦合調集振蕩器等效電路由圖可得：由圖可得：dtdiLrihihiLLobefeCLiii0ibeLCrbhidtdiMvhdtiCdtdiLrivCLLC1由上列方程組，消去由上列方程組，消去i、iC 、ie 、vC ，可得：可得：0) 1(1)(122LibbLfbbibibLirhhLCdtdiMhhLCrhLChdtidrbfbibobbhhhhh其中：其中：0) 1(1)(122LibbLfbbibibLirhhLCdtdiMhhLCrhLChdtid022022idtdidtidL以上兩式進行比較，所以等幅振蕩（以上兩式進行比較，所以等幅振蕩（=0）時時 ：0)

13、(12MhhLCrhLChfbbibibbibfbhLCrhMhLCrhhLCibb1) 1(10振蕩條件為：振蕩條件為：振蕩角頻率為：振蕩角頻率為：當當r很小時很小時M和和hfb越大，越容易起振（越大，越容易起振（VomQAF1 AF最后達到新的平衡。最后達到新的平衡。 環路特性環路特性Vom 1Vom AF 這種不需要外加激勵，振蕩這種不需要外加激勵，振蕩器自動進入穩定平衡狀態的現象，器自動進入穩定平衡狀態的現象，叫做軟自激。叫做軟自激。如如圖圖所示所示，振蕩器存在著兩個，振蕩器存在著兩個平衡點平衡點 Q和和 B，其中其中 Q 是穩是穩定的，定的，B 點點是否穩定？是否穩定？分析：分析：若

14、使若使 Vom VomB ，則則 A 隨之增大，導致隨之增大，導致 Vom進一步進一步增大，從而更遠離增大，從而更遠離平衡點平衡點 B。最后到達最后到達平衡點平衡點 Q。可見，這種振蕩器不滿足振可見，這種振蕩器不滿足振幅起振條件，幅起振條件，必必須加大電沖擊，須加大電沖擊，產生大于產生大于VomB 的起始擾動電壓，的起始擾動電壓，才能進入才能進入平衡點平衡點 Q，產生持續等產生持續等幅振蕩。幅振蕩。omV反之反之，若，若Vom VomB A ，直到停止振蕩。直到停止振蕩。 這種要預先加上一個一定幅度這種要預先加上一個一定幅度的信號才能起振的現象，稱為硬自的信號才能起振的現象，稱為硬自激。應當避

15、免。激。應當避免。2環路增益存在兩個平衡點的情況環路增益存在兩個平衡點的情況3振幅穩定條件振幅穩定條件 由以上討論可見，由以上討論可見，要使平衡點穩定，要使平衡點穩定，A 必須在必須在 VomQ 附附近具有隨近具有隨 Vom 增大而下降增大而下降( (負斜率變化負斜率變化) )的的特性特性，即，即斜率越陡，則斜率越陡，則 因因Vom 的變化而產生的的變化而產生的 A 變化越大，變化越大，系統回到穩態的時間越短，調節能力越強。系統回到穩態的時間越短，調節能力越強。0omomQomVVAV三、相位三、相位( (頻率頻率) )穩定條件穩定條件 不穩定因素同樣也會破壞相位平衡條件。如電源電壓的不穩定因

16、素同樣也會破壞相位平衡條件。如電源電壓的波動或工作點的變化會使晶體管正向傳輸導納的相角發生變波動或工作點的變化會使晶體管正向傳輸導納的相角發生變化，相角的變化必然引起頻率的變化。化，相角的變化必然引起頻率的變化。 相位穩定條件等同于頻率穩定條件。相位穩定條件等同于頻率穩定條件。ddtdt或或 由外因引起的相位變化與頻率的關系：相位超前，由外因引起的相位變化與頻率的關系：相位超前，頻率升高；相位滯后，頻率降低。頻率升高；相位滯后，頻率降低。 頻率隨相位的變化關系是：頻率隨相位的變化關系是：0 為了保持振蕩器相位平衡點穩定，必須在頻率變化為了保持振蕩器相位平衡點穩定，必須在頻率變化時產生相反方向的

17、相位變化，以補償外因引起的相位變時產生相反方向的相位變化，以補償外因引起的相位變化。因此，相位平衡的穩定條件是：化。因此，相位平衡的穩定條件是：0()0YZF或或當當時時0Z簡化成簡化成YZFZ 時時， L、C3 串聯支路呈感性串聯支路呈感性。331LC 例例 2：上圖：上圖（a）為三回路振蕩器交流通路，為三回路振蕩器交流通路，f01， f02， f03 分別為三個回路的固有諧振頻率，寫出它們之間能滿足分別為三個回路的固有諧振頻率，寫出它們之間能滿足相位平衡條件的兩種關系式，并指出兩種情況下振蕩頻率處相位平衡條件的兩種關系式，并指出兩種情況下振蕩頻率處在什么范圍內。在什么范圍內。解：解：已知串

18、、并聯諧振回路電抗（電納）特性曲線如圖已知串、并聯諧振回路電抗（電納）特性曲線如圖( (b) )、 ( (c) )所示。所示。( (a) )( (b) )( (c) )例例 2電路電路( (a) )及串聯和并聯諧振回路的電抗（電納）特性曲線及串聯和并聯諧振回路的電抗（電納）特性曲線 ( (b) () (c) )X00容性感性LrC(a)(b)r00(c)0/20(d)/2+-SUSZX00容性感性LrC(a)(b)r00(c)0/20(d)/2+-SUSZX00容性感性LrC(a)(b)r00(c)0/20(d)/2+-SUSZX00容性感性LrC(a)(b)r00(c)0/20(d)/2+-

19、SUSZB感性感性容性容性串聯回路串聯回路中，中， 0，X 0，呈呈感性；感性； 0，X 0，B 0，呈呈容性；容性； 0，呈呈感性感性。( (a) )( (b) )( (c) )例例 2電路電路( (a) )及串聯和并聯諧振回路的電抗特性曲線及串聯和并聯諧振回路的電抗特性曲線 ( (b) () (c) )X00容性感性LrC(a)(b)r00(c)0/20(d)/2+-SUSZX00容性感性LrC(a)(b)r00(c)0/20(d)/2+-SUSZX00容性感性LrC(a)(b)r00(c)0/20(d)/2+-SUSZX00容性感性LrC(a)(b)r00(c)0/20(d)/2+-SU

20、SZB感性感性容性容性1若構成電容三點式電路若構成電容三點式電路L1C1、L2C2 回路呈回路呈容性失諧容性失諧，L3C3 回路回路呈呈感性失諧感性失諧。容性失諧容性失諧：f f02 ；感性失諧感性失諧：f f01， f f03 。03ff 0210fff( (a) )( (b) )( (c) )X00容性感性LrC(a)(b)r00(c)0/20(d)/2+-SUSZX00容性感性LrC(a)(b)r00(c)0/20(d)/2+-SUSZX00容性感性LrC(a)(b)r00(c)0/20(d)/2+-SUSZX00容性感性LrC(a)(b)r00(c)0/20(d)/2+-SUSZB感性

21、感性容性容性6.7 振蕩器的頻率穩定問題振蕩器的頻率穩定問題評價振蕩器頻率的主要指標評價振蕩器頻率的主要指標頻率穩定度的定量表示法頻率穩定度的定量表示法影響頻率穩定度的因素影響頻率穩定度的因素穩頻措施穩頻措施對電容三端式振蕩電路的改進對電容三端式振蕩電路的改進1、評價振蕩器頻率的主要指標、評價振蕩器頻率的主要指標 準確度與穩定度準確度與穩定度 0fff000fffff1）振蕩頻率準確度：實際工作頻率）振蕩頻率準確度：實際工作頻率f與標稱頻率與標稱頻率f0之間的偏差。之間的偏差。相對準確度：相對準確度：絕對準確度：絕對準確度：2）頻率穩定度：指在一定時間間隔內，頻率準確度的）頻率穩定度：指在一定

22、時間間隔內，頻率準確度的變化。變化。 主要與溫度變化、電源電壓變主要與溫度變化、電源電壓變化、和電路參數不穩定等因素化、和電路參數不穩定等因素有關。有關。主要取決于有源器件和電路元主要取決于有源器件和電路元件及石英晶體的老化特性，與件及石英晶體的老化特性，與頻率的瞬間變化無關。頻率的瞬間變化無關。按照時間間隔不同，可分為三種：按照時間間隔不同，可分為三種：長期頻率穩定度：一天以上乃至幾個長期頻率穩定度：一天以上乃至幾個月的相對頻率變化的最大值。主要評月的相對頻率變化的最大值。主要評價天文臺和計時設備的穩定指標。價天文臺和計時設備的穩定指標。短期頻率穩定度：一天以內頻率相對短期頻率穩定度：一天以

23、內頻率相對變化的最大值，由外因引起的。稱為變化的最大值，由外因引起的。稱為頻率漂移。主要評價測量儀器和通訊頻率漂移。主要評價測量儀器和通訊設備中主振器的頻率穩定指標。設備中主振器的頻率穩定指標。瞬間頻率穩定度：秒或毫秒內的隨機瞬間頻率穩定度：秒或毫秒內的隨機頻率變化，即頻率的瞬間無規則變化。頻率變化，即頻率的瞬間無規則變化。稱為相位抖動或相位噪聲。稱為相位抖動或相位噪聲。主要由于頻率源內部噪聲引起主要由于頻率源內部噪聲引起的頻率起伏，它與外界條件和的頻率起伏，它與外界條件和長期頻率穩定度無關。長期頻率穩定度無關。高精度信號高精度信號 發生器發生器用用 途途中波電臺中波電臺電視發射機電視發射機信

24、號發生器信號發生器頻穩度頻穩度10- -510- -4 10- -510- -710- -7 10- -93）對頻穩度的不同要求）對頻穩度的不同要求2、頻率穩定度的定量表示法、頻率穩定度的定量表示法其中：其中：n為測量次數為測量次數方均根值法：指定時間間隔內，測得各頻率準確度與方均根值法：指定時間間隔內，測得各頻率準確度與其平均值的偏差的方均根值來表征。其平均值的偏差的方均根值來表征。 niinffffn121為第為第i次（次（ ）所測得的相對頻率穩定度）所測得的相對頻率穩定度1in iff為為n個測量數據的平均值個測量數據的平均值ff3、影響頻率穩定度的因素、影響頻率穩定度的因素012ffL

25、C振蕩頻率可近似用回路固有頻率振蕩頻率可近似用回路固有頻率f0表示：表示：外界因素引起的外界因素引起的LC的變化造成的振蕩頻率的變化為：的變化造成的振蕩頻率的變化為：1）振蕩回路參數對頻率的影響：）振蕩回路參數對頻率的影響：CCfLLff00CCLLf0212）回路品質因數）回路品質因數Q對頻率穩定度的影響對頻率穩定度的影響Q越大，相同的相越大，相同的相移引起的頻率變移引起的頻率變化越小化越小Q值越高，頻率穩定度越高。值越高，頻率穩定度越高。r越小，越小，Q越高，穩定度越高。越高，穩定度越高。3）有源器件的參數對頻率的影響）有源器件的參數對頻率的影響例如調集振蕩器的振蕩頻率：例如調集振蕩器的振

26、蕩頻率：另外，外界因素的變化，也會造成振蕩頻率的變化。另外，外界因素的變化，也會造成振蕩頻率的變化。121rhhLCfibb 晶體管參數晶體管參數 和和 的變化，也會引起的變化，也會引起振蕩頻率的變化。振蕩頻率的變化。ibhbh4、穩頻措施、穩頻措施措施：措施： 溫度補償。電感和部分寄生參量的溫度系數為正值，選溫度補償。電感和部分寄生參量的溫度系數為正值，選用有負溫度系數的陶瓷電容器，且數值合適，正負可補償。用有負溫度系數的陶瓷電容器，且數值合適，正負可補償。 縮短引線，采用貼片元器件，減小分布參數。縮短引線，采用貼片元器件，減小分布參數。 使用穩定度高的外接集總電容、電感，減小不穩定的使用穩

27、定度高的外接集總電容、電感，減小不穩定的寄生量及其在寄生量及其在 L、C 中的比重。中的比重。 外界因素：外界因素：溫度、濕度、大氣壓、電源電壓、周圍磁場、溫度、濕度、大氣壓、電源電壓、周圍磁場、機械振動及負載變化等，其中以機械振動及負載變化等，其中以溫度溫度的影響最嚴重。的影響最嚴重。措施措施：減振、恒溫、密封減振、恒溫、密封(濕度、大氣壓濕度、大氣壓)、高穩定度電源、高穩定度電源、屏蔽罩、振蕩器與負載間插入跟隨器。屏蔽罩、振蕩器與負載間插入跟隨器。 1）減小外界因素的變化）減小外界因素的變化2）減小）減小 L、C 的相對變化量。的相對變化量。實際的克拉波電路實際的克拉波電路12312132

28、3C C CCC CC CC C3333211CCCCCC振蕩回路總電容：振蕩回路總電容：所以振蕩頻率由所以振蕩頻率由C3和和L決定決定312fLC對電容三端式振蕩電路的改進對電容三端式振蕩電路的改進13CC 23CC C3的作用：把的作用：把L與與C1C2分分開，使反饋系數僅取決于開，使反饋系數僅取決于C1C2 的比值，振蕩頻率則的比值，振蕩頻率則由由L和和C3決定。決定。優點：減弱了晶體管與振優點：減弱了晶體管與振蕩回路之間的耦合，提高蕩回路之間的耦合，提高了頻穩度；不穩電容與了頻穩度；不穩電容與C1C2并聯，基本不影響振并聯，基本不影響振蕩頻率。蕩頻率。C3越小，頻穩度越高，起越小，頻穩

29、度越高，起振越困難。故，振越困難。故， C3不可無不可無限制的減小。限制的減小。缺點：不適合于作波段缺點：不適合于作波段振蕩器。波段振蕩器要振蕩器。波段振蕩器要求在一段區間內振蕩頻求在一段區間內振蕩頻率可變率可變, 且振蕩幅值保持且振蕩幅值保持不變。不變。 由于克拉潑電路由于克拉潑電路在改變振蕩頻率時需調在改變振蕩頻率時需調節節C3, C3改變改變, 環路增益環路增益發生變化發生變化, 從而使振蕩幅從而使振蕩幅值也發生變化。值也發生變化。西勒電路西勒電路1234121323CC CCCCCCCC C343433211CCCCCCCC振蕩回路總電容：振蕩回路總電容：3412()fL CC振蕩頻率

30、：振蕩頻率：振幅比較穩定，調諧范圍很寬。振幅比較穩定，調諧范圍很寬。由于由于C4 與與L并聯并聯, 所以所以C4的大小不影響回路的接入的大小不影響回路的接入系數。系數。 如果使如果使C3固定固定, 通通過變化過變化C4來改變振蕩頻率來改變振蕩頻率, 則在振蕩頻率變化時環路則在振蕩頻率變化時環路增益基本保持不變增益基本保持不變, 從而使從而使輸出振幅穩定。輸出振幅穩定。6.8 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器頻穩度頻穩度晶體振蕩器：超過晶體振蕩器：超過 10 5LC 振蕩器：振蕩器：10 3 10 5晶體振蕩器：采用石英諧振器控制和穩定振蕩頻率的晶體振蕩器：采用石英諧振器控制和穩定振蕩頻率的振蕩器。

31、振蕩器。 7.8.1石英晶體振蕩器的特性石英晶體振蕩器的特性7.8.2晶體振蕩電路晶體振蕩電路1 石英晶體的性能與等效電路石英晶體的性能與等效電路 2 電抗特性電抗特性3 石英晶體振蕩器的優缺點石英晶體振蕩器的優缺點 4 石英晶體振蕩器的分類石英晶體振蕩器的分類2 串聯諧振型晶體振蕩器串聯諧振型晶體振蕩器1 并聯諧振型晶體振蕩器并聯諧振型晶體振蕩器3 泛音晶體振蕩器泛音晶體振蕩器( (1) )性能性能 晶片有一固有振動頻率，與切割方位、形狀、大小晶片有一固有振動頻率，與切割方位、形狀、大小有關，且十分穩定。有關，且十分穩定。將其接到振蕩器的閉合環路中，利用其固有頻率，能有將其接到振蕩器的閉合環

32、路中，利用其固有頻率，能有效地控制和穩定振蕩頻率。效地控制和穩定振蕩頻率。 壓電效應：機械與電的相互轉換效應。壓電效應：機械與電的相互轉換效應。 正壓電效應：外加力，產生電荷現象正壓電效應：外加力，產生電荷現象 逆壓電效應：外加電壓，產生機械振動現象。逆壓電效應：外加電壓，產生機械振動現象。 振動特性：具有多諧性，除基頻振動特性：具有多諧性，除基頻( (Fundamental Frequency) )振動外還有奇次諧波的泛音振動外還有奇次諧波的泛音( (Overtones) )振動。振動。 6.8.1石英晶體振蕩器的特性石英晶體振蕩器的特性1石英晶體的性能與等效電路石英晶體的性能與等效電路 (

33、 (2) )等效電路等效電路 C0：靜態電容和支架引線分布電容之和；靜態電容和支架引線分布電容之和；Lq1、Cq1、rq1：晶體基頻等效電路；晶體基頻等效電路；Lq3、Cq3、rq3：晶體三次泛音等效電路晶體三次泛音等效電路 ( (Lq 很大、很大、Qq 很大、很大、Cq 很小且數值極其穩定很小且數值極其穩定) )當外加交變電壓與石英晶片的機械振動發生共振時，石當外加交變電壓與石英晶片的機械振動發生共振時，石英晶片兩極上的交變電荷量最大，即通過的交變電流量最大，英晶片兩極上的交變電荷量最大，即通過的交變電流量最大，因而具有串聯諧振特性。因而具有串聯諧振特性。（a）電路符號電路符號 （b）完整等

34、效電路完整等效電路 （c）基頻等效電路基頻等效電路2電抗特性電抗特性可證：忽略可證：忽略 rq 時，晶體兩端呈現純電抗，其值近似為時，晶體兩端呈現純電抗，其值近似為2p2s0crcr)(1)(11jj)(jCXZ0q0qqpqqs1,1CCCCLCL 晶體的阻抗曲線晶體的阻抗曲線討論：討論： 在在 s p 之間為正值，呈感性；之間為正值，呈感性；其他頻段內為負值，呈容性。其他頻段內為負值，呈容性。 在在 s 上上 Xcr = 0 ，為串聯諧振；為串聯諧振；在在 p 上上 Xcr ，為并聯諧振。為并聯諧振。0qs0q0qq0q0qqp1111CCCCCCLCCCCL應用應用 xx2111則則)2

35、11(0qspCC 或或0qssP21CC 因為因為 C0 Cq，所以所以 p 很靠近很靠近 s ，例如例如 5 MHz 的的晶振體晶振體 fp fs 6.5 kHz小結：小結： 晶振體兩個諧振頻率：晶振體兩個諧振頻率：fs、fp ；且且 fs fp 工作于工作于 fs fp 之間為高之間為高 Q 電感，并聯諧振。電感，并聯諧振。 工作于工作于 fs 附近為串聯諧振，對附近為串聯諧振，對 fs，相當于短路。相當于短路。 晶振體只能工作于上述兩種方式，否則頻穩度下降。晶振體只能工作于上述兩種方式，否則頻穩度下降。1）、石英晶體振蕩器的優點：、石英晶體振蕩器的優點： 可獲得很高的頻率穩定度：可獲得

36、很高的頻率穩定度：1091011原因：原因：1）石英晶體的物理和化學性質十分穩定，其）石英晶體的物理和化學性質十分穩定，其 等效諧振回路有很高的標準性等效諧振回路有很高的標準性 2）具有很高的品質因數，可達數百萬級）具有很高的品質因數，可達數百萬級 3）對頻率變化具有極靈敏的補償能力）對頻率變化具有極靈敏的補償能力2）、石英晶體的缺點：、石英晶體的缺點： 單頻性：每塊晶體只能提供一個穩定的振蕩頻率。單頻性：每塊晶體只能提供一個穩定的振蕩頻率。3石英晶體振蕩器的優缺點石英晶體振蕩器的優缺點 按工作原理分：按工作原理分：1）并聯諧振型晶體振蕩器：）并聯諧振型晶體振蕩器： 石英晶體在電路中作為等效電

37、感元件使用；石英晶體在電路中作為等效電感元件使用；2）串聯諧振型晶體振蕩器：）串聯諧振型晶體振蕩器： 石英晶體作為串連諧振元件使用，此時應工石英晶體作為串連諧振元件使用，此時應工作于串聯諧振頻率上。作于串聯諧振頻率上。4、石英晶體振蕩器的分類：、石英晶體振蕩器的分類：相當于一個電容三端式振蕩器相當于一個電容三端式振蕩器C-B型電路：皮爾斯電路型電路：皮爾斯電路相當于一個電感三端式振蕩器相當于一個電感三端式振蕩器B-E型電路：密勒電路型電路：密勒電路6.8.2 晶體振蕩電路晶體振蕩電路1）、石英晶體作為電感元件、石英晶體作為電感元件1 1、并聯型晶體振蕩電路、并聯型晶體振蕩電路2）典型的典型的C

38、-B型并聯諧振晶體振蕩器型并聯諧振晶體振蕩器 皮爾斯電路類似于克拉潑電路皮爾斯電路類似于克拉潑電路, 但由于石英晶振中但由于石英晶振中q極極小小, q極高極高, 所以皮爾斯電路具有以下一些特點：所以皮爾斯電路具有以下一些特點：（）（） 振蕩回路與晶體管、負載之間的耦合很弱。振蕩回路與晶體管、負載之間的耦合很弱。（）（） 振蕩頻率幾乎由石英晶振的參數決定振蕩頻率幾乎由石英晶振的參數決定, 而石英晶振本而石英晶振本身的參數具有高度的穩定性。身的參數具有高度的穩定性。（）（） 由于振蕩頻率一般調諧在標稱頻率上由于振蕩頻率一般調諧在標稱頻率上, 位于晶振的感位于晶振的感性區內性區內, 電抗曲線陡峭電抗

39、曲線陡峭, 穩頻性能極好。穩頻性能極好。3）典型的典型的BE型并聯晶體振蕩器電路型并聯晶體振蕩器電路 密勒振蕩電路密勒振蕩電路通常不采用晶體管。通常不采用晶體管。原因：正向偏置時原因：正向偏置時高頻晶體管發射結高頻晶體管發射結電阻太小電阻太小, 會在一會在一定程度上降低回路定程度上降低回路的頻穩度，所以采的頻穩度，所以采用輸入阻抗高的場用輸入阻抗高的場效應管。效應管。哈萊電路哈萊電路2、串聯諧振型晶體振蕩器、串聯諧振型晶體振蕩器 反饋必須經過反饋必須經過JT才能送到基射極之間。才能送到基射極之間。 JT處于串連諧振時，阻抗很小，相當于短路，此處于串連諧振時，阻抗很小，相當于短路，此時正反饋最強

40、。時正反饋最強。 該電路的振蕩頻率和頻率穩定度都取決于石英晶該電路的振蕩頻率和頻率穩定度都取決于石英晶體的串聯諧振頻率。體的串聯諧振頻率。 在工作頻率較高的晶體振蕩器中，多采用泛音在工作頻率較高的晶體振蕩器中，多采用泛音晶體振蕩電路。晶體振蕩電路。 在實際應用時，可在三端式振蕩電路中，用一在實際應用時，可在三端式振蕩電路中，用一選頻回路來代替某一支路上的電抗元件，使這一支選頻回路來代替某一支路上的電抗元件，使這一支路在基頻和低次泛音上呈現的電抗性質不滿足三端路在基頻和低次泛音上呈現的電抗性質不滿足三端式振蕩電路的判別法則，而在所需的高次泛音頻率式振蕩電路的判別法則，而在所需的高次泛音頻率上呈現

41、的電抗性質恰好滿足法則，達到起振條件。上呈現的電抗性質恰好滿足法則，達到起振條件。3、 泛音晶體振蕩器泛音晶體振蕩器1）泛音泛音 定義：石英片振動的機械諧波定義：石英片振動的機械諧波 與電氣諧波的區別：與電氣諧波的區別： 電氣諧波：與基波是整數倍關系，且與電氣諧波：與基波是整數倍關系，且與基波同時并存。基波同時并存。 泛音：與基波不呈整數倍關系，只是在泛音：與基波不呈整數倍關系，只是在基波奇數倍附近，且兩者不能同時并存。基波奇數倍附近，且兩者不能同時并存。2）抑制非工作諧波的泛音振蕩電路抑制非工作諧波的泛音振蕩電路關鍵：關鍵：用用LC1回路替代了回路替代了C1LC1回路必須設計回路必須設計在該

42、電路所利用的在該電路所利用的n次泛音和（次泛音和（n-2）次泛音之間次泛音之間6.9 負阻振蕩器負阻振蕩器負阻振蕩器：指一個呈現負阻特性的有源器負阻振蕩器：指一個呈現負阻特性的有源器件直接與諧振回路相接，可以件直接與諧振回路相接，可以產生等幅振蕩。主要工作在產生等幅振蕩。主要工作在 100 MHz 以上的超高頻段。以上的超高頻段。 1、什么是負阻？其物理意義是什么？、什么是負阻？其物理意義是什么？ 正電阻：電位降方向與電流方向相同，相當于電動正電阻：電位降方向與電流方向相同，相當于電動機作用，吸收功率。機作用，吸收功率。 負電阻：電位升方向與電流方向相同，相當于發電負電阻：電位升方向與電流方向

43、相同，相當于發電機作用，不消耗功率，反而向外界輸出功機作用，不消耗功率，反而向外界輸出功率。率。 說明：說明：1）正電阻消耗功率，負電阻產生功率）正電阻消耗功率，負電阻產生功率 2）正負電阻必須是對交流來說的）正負電阻必須是對交流來說的 3）負電阻提供的能量是從某種能量轉換而）負電阻提供的能量是從某種能量轉換而來的，而不是說負電阻本身能產生能量。來的，而不是說負電阻本身能產生能量。2、分類、分類電壓控制型負阻特性電壓控制型負阻特性電流控制型負阻特性電流控制型負阻特性 電流隨電壓單值變化。當電流隨電壓單值變化。當電壓升高到一定值時，電流迅電壓升高到一定值時，電流迅速下降。其等效電源類似于速下降。

44、其等效電源類似于交交流恒壓源流恒壓源。 電壓隨電流單值變化。當電壓隨電流單值變化。當電流升高到一定值時，電壓迅電流升高到一定值時，電壓迅速下降。其等效電源類似于速下降。其等效電源類似于交交流恒流源流恒流源。雙基極二極管和工作于雪崩擊穿狀態的三極管雙基極二極管和工作于雪崩擊穿狀態的三極管都具有負阻特性。都具有負阻特性。電壓控制型負阻：電壓控制型負阻：電流控制型負阻：電流控制型負阻：3、負阻振蕩器等效電路、負阻振蕩器等效電路rn為負阻器件的等效電阻，為負阻器件的等效電阻，LRC為諧振回路為諧振回路-rnr6.10幾種特殊振蕩現象幾種特殊振蕩現象7.10.1寄生振蕩寄生振蕩7.10.2間歇振蕩間歇振蕩 振蕩器除了能夠正常的振蕩，有時還會產生不希望出振蕩器除了能夠正常的振蕩，有