第六章正弦波振蕩器N

1、 6.1 6.1 概述概述 6.2 6.2 反饋振蕩原理反饋振蕩原理 6.6 LC6.6 LC振蕩器振蕩器 6.7 6.7 振蕩器的頻率穩(wěn)定問題振蕩器的頻率穩(wěn)定問題 6.8 6.8 晶體振蕩器晶體振蕩器 6.9 6.9 負(fù)阻振蕩器負(fù)阻振蕩器 6.11 6.11 集成電路振蕩器集成電路振蕩器 6.12 RC6.12 RC振蕩器振蕩器 集成高頻正弦波振蕩電路的選用與實(shí)例介紹集成高頻正弦波振蕩電路的選用與實(shí)例介紹 章末小結(jié)章末小結(jié)第第6章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器返回主目錄第第 6 章章正正 弦弦 波波 振振 蕩蕩 器器6.1概 述 振蕩器是一種能自動(dòng)地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號(hào)能

2、量的轉(zhuǎn)換電路。它與放大器的區(qū)別在于, 無需外加激勵(lì)信號(hào), 就能產(chǎn)生具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交流信號(hào)。 根據(jù)所產(chǎn)生的波形不同, 可將振蕩器分成正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩大類。前者能產(chǎn)生正弦波, 后者能產(chǎn)生矩形波、 三角波、 鋸齒波等。 本章僅介紹正弦波振蕩器。 常用正弦波振蕩器主要由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)和維持振蕩的正反饋放大器組成, 這就是反饋振蕩器。按照選頻網(wǎng)絡(luò)分為:振蕩器、振蕩器和晶體振蕩器等類型。(其中振蕩器和晶體振蕩器用于產(chǎn)生高頻正弦波, 振蕩器用于產(chǎn)生低頻正弦波. )按放大器分為: 晶體管、 場(chǎng)效應(yīng)管和集成電路振蕩器本章介紹高頻時(shí)以分立器件為主, 介紹低頻振蕩器時(shí)以集成

3、運(yùn)放為主。 另外還有一類負(fù)阻振蕩器, 它是利用負(fù)阻器件所組成的電路來產(chǎn)生正弦波, 主要用在微波波段。 振蕩過程與振蕩條件振蕩過程與振蕩條件 利用正反饋方法來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, 如圖所示。 其主網(wǎng)絡(luò)一般由放大器和選頻網(wǎng)絡(luò)組成, 反饋網(wǎng)絡(luò)一般由無源器件組成。 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)）和穩(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）。 右圖是反饋放大右圖是反饋放大器的方框圖器的方框圖, ,由該圖知由該圖知:

4、 :oioifiioXFAXAXFXAXXAXAX&m&m&m& )( )(1) 1oiofiXAFAXXAAXAF6.2.1 當(dāng)放大器接成負(fù)反饋時(shí)，當(dāng)放大器接成負(fù)反饋時(shí)，6.2.1式中取正號(hào)，當(dāng)式中取正號(hào)，當(dāng)1FA負(fù)反饋?zhàn)兂勺约ふ袷幤?。其?fù)反饋?zhàn)兂勺约ふ袷幤鳌Ｆ?振幅條件為振幅條件為1|FAoXiXAFiX反饋放大器方框圖反饋放大器方框圖相位條件為相位條件為.0,1,2,.n 12 argnFA 而振蕩器往往直接引入的正反饋，如而振蕩器往往直接引入的正反饋，如 上圖上圖 (+)號(hào)所示。號(hào)所示。此時(shí)式此時(shí)式6.2.1式變?yōu)槭阶優(yōu)镕AAAf16.2.2當(dāng)其當(dāng)其1F

5、A時(shí)，時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。其。其振幅條件為：振幅條件為：相位條件為：相位條件為：.210 2arg1|，nnFAFAFA 要使振蕩器能夠起振要使振蕩器能夠起振，在剛接通電源后在剛接通電源后，1|FA，當(dāng)達(dá)當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)到平衡時(shí)，1|FA。這就是振蕩器振幅平衡條件這就是振蕩器振幅平衡條件。 6.6.1反饋振蕩電路判斷反饋振蕩電路判斷 根據(jù)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)： 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, 開始時(shí)應(yīng)工作在甲類狀態(tài), 便于起振。 開始起振時(shí), 環(huán)路增

6、益幅值A(chǔ)F(0)應(yīng)大于1。由于反饋網(wǎng)絡(luò)通常由無源器件組成, 反饋系數(shù)F小于1, 故A(0)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(0), 負(fù)載電阻不能太小。 環(huán)路增益相位在振蕩頻率點(diǎn)應(yīng)為2的整數(shù)倍, 即環(huán)路應(yīng)是正反饋。 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。 以上第點(diǎn)

7、可根據(jù)直流等效電路進(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 6.6.1 判斷圖例4.1所示各反饋振蕩電路能否正常工作。 其中（）、（）是交流等效電路, （）是實(shí)用電路。 解: 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。 （）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。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), 一定要注意應(yīng)采用其阻抗特性還是導(dǎo)納特性。 對(duì)于（）圖, 并聯(lián)回路

8、輸入是V2管集電極電流ic2, 輸出是反饋到V1管be兩端的電壓ube1, 所以應(yīng)采用其阻抗特性。 根據(jù)圖（b）, 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。 （）圖由共基共集兩級(jí)反饋組成。 根據(jù)瞬時(shí)極性判斷法, 如把并聯(lián)回路作為一個(gè)電阻看待, 則為正反饋。但并聯(lián)回路在諧振頻率點(diǎn)阻抗趨于無窮大, 正反饋?zhàn)钊酢?同時(shí)對(duì)于此并聯(lián)回路來說, 其輸入是電阻e2上的電壓, 輸出是電流, 所以應(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, 所以不滿足相位穩(wěn)定條件。綜上所述, （）圖電路不能正常工作。 （） 圖與（）圖不同之處在于用串聯(lián)回路置

9、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), 且其導(dǎo)納的相頻特性是負(fù)斜率, 滿足相位穩(wěn)定條件, 所以（）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。 例例2 2 用巴克好森準(zhǔn)則分析集電極調(diào)諧型反饋振蕩器的振蕩條用巴克好森準(zhǔn)則分析集電極調(diào)諧型反饋振蕩器的振蕩條件。件。 設(shè)工作頻率遠(yuǎn)小于振蕩器的特征頻率，忽略其內(nèi)部反饋設(shè)工作頻率遠(yuǎn)小于振蕩器的特征頻率，忽略其內(nèi)部反饋的影響，用平均參數(shù)畫出了圖的影響，用平均參數(shù)畫出了圖(a)(a)的大信號(hào)等效電路，如圖的大信號(hào)等效電路，如圖所示。它與變壓器耦合放大器區(qū)別在于次級(jí)負(fù)

10、載就是放大器所示。它與變壓器耦合放大器區(qū)別在于次級(jí)負(fù)載就是放大器輸入端的輸入端的G Gieie。其。其 為為oULjrGCjGUGUieoeimo12LjrCjGGUUAmio1故故6.4.1式中式中ieoeGGG2其中其中12NN互感耦合振蕩器大信號(hào)等效電路互感耦合振蕩器大信號(hào)等效電路而而LjrMjILjrIMjUUFLLof6.4.2 根據(jù)巴克好森準(zhǔn)則，根據(jù)巴克好森準(zhǔn)則，1FA即即11LjrMjLjrCjGGFAm6.4.3可得可得012mMGrCLGjLCrG6.4.4012rGLCjMGrCLGm即即0012mMGCrLGLCrG6.4.5解上述方程組得解上述方程組得MCrLGGrGL

11、Cm116.4.6 起振時(shí)，應(yīng)用微變參數(shù)代替平均參數(shù)，因此互感耦合振起振時(shí)，應(yīng)用微變參數(shù)代替平均參數(shù)，因此互感耦合振蕩器的起振條件是：蕩器的起振條件是：MLGCrggmmmin)(6.4.7 上式說明，上式說明，r越大越大，M越小越小，電路起振所需要的跨導(dǎo)電路起振所需要的跨導(dǎo)gm就越大就越大。當(dāng)當(dāng)M=0時(shí)時(shí)，起振需要的跨導(dǎo)起振需要的跨導(dǎo)gm為無窮大為無窮大。這表明這表明電路已不再是振蕩器了電路已不再是振蕩器了。 6.6.2三點(diǎn)式振蕩器三點(diǎn)式振蕩器 電路組成法則電路組成法則 三點(diǎn)式振蕩器是指回路的三個(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。 三點(diǎn)式振蕩器電路用電容耦合或自耦變壓器耦合代

12、替互感耦合, 可以克服互感耦合振蕩器振蕩頻率低的缺點(diǎn), 是一種廣泛應(yīng)用的振蕩電路, 其工作頻率可達(dá)到幾百兆赫。 圖432是三點(diǎn)式振蕩器的原理圖。 先分析在滿足正反饋相位條件時(shí), 回路中三個(gè)電抗元件應(yīng)具有的性質(zhì)。 假定回路由純電抗元件組成, 其電抗值分別為ce, be和bc, 同時(shí)不考慮晶體管的電抗效應(yīng), 則當(dāng)回路諧振（0）時(shí), 回路呈純阻性, 有： cebebc 由于 是 在bebc支路分配在Xbe上的電壓, 有 =fUcUfUCcebebCbeCbeUXXXXjUjX)(因?yàn)檫@是一個(gè)正反饋反相放大器, 與 同相, 與 反相, 所以 iUfUcUiU0cebexx 即be與ce必須是同性質(zhì)電抗

13、, 因而Xbc必須是異性質(zhì)電抗。 例.在圖例4.3所示振蕩器交流等效電路中, 三個(gè)并聯(lián)回路的諧振頻率分別是：f1=1( ), f2=1( ), f3=1( ), 試問1、 2、3滿足什么條件時(shí)該振蕩器能正常工作？且相應(yīng)的振蕩頻率是多少？ 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。 若組成電容三點(diǎn)式, 則在振蕩頻率01處, 11回路與22回路應(yīng)呈現(xiàn)容性, 33回路應(yīng)呈現(xiàn)感性。 所以應(yīng)滿足12013或21013。 11CL22CL33CL 若組成電感三點(diǎn)式, 則在振蕩頻率02處, 11回路與22回路應(yīng)呈現(xiàn)感性, 33回路應(yīng)呈現(xiàn)容性, 所以應(yīng)滿足12023或21023。 在兩

14、種情況下, 振蕩頻率0的表達(dá)式均為:CLf21032323213211,)(CCCCCCLLLLLLL 由上面的分析可知, 在三點(diǎn)式電路中, 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。 6.7 振蕩器的頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度是振蕩器非常重要的電氣指標(biāo)之一。例如電頻率穩(wěn)定度是振蕩器非常重要的電氣指標(biāo)之一。例如

15、電子鐘時(shí)鐘頻率不穩(wěn)，直接影響計(jì)時(shí)的精度；子鐘時(shí)鐘頻率不穩(wěn)，直接影響計(jì)時(shí)的精度；FMFM廣播如廣播如FMFM發(fā)射發(fā)射頻率非常穩(wěn)定，就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)播音，取代有線廣播。頻率非常穩(wěn)定，就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)播音，取代有線廣播。6.7.1 頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度 評(píng)價(jià)振蕩頻率的主要指標(biāo)是頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。評(píng)價(jià)振蕩頻率的主要指標(biāo)是頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。 頻率準(zhǔn)確度表明實(shí)際工作頻率偏離標(biāo)稱頻率的程度。它頻率準(zhǔn)確度表明實(shí)際工作頻率偏離標(biāo)稱頻率的程度。它可以分為絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度和相對(duì)頻率準(zhǔn)確度。可以分為絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度和相對(duì)頻率準(zhǔn)確度。定義：定義：絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度offf相對(duì)頻率準(zhǔn)確度相對(duì)頻率

16、準(zhǔn)確度ooofffff5.6.15.6.2 式中，式中，f f為實(shí)際工作頻率，為實(shí)際工作頻率，f fo o為標(biāo)稱頻率。為標(biāo)稱頻率。 頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度：是在指定時(shí)間間隔內(nèi)頻率準(zhǔn)確度變化的最是在指定時(shí)間間隔內(nèi)頻率準(zhǔn)確度變化的最大值大值。也分為絕對(duì)頻率穩(wěn)定度和相對(duì)頻率穩(wěn)定度也分為絕對(duì)頻率穩(wěn)定度和相對(duì)頻率穩(wěn)定度。常用相對(duì)。常用相對(duì)頻率穩(wěn)定度表示。頻率穩(wěn)定度表示。時(shí)間間隔oofffmax|5.6.3 頻率穩(wěn)定度按時(shí)間間隔分為頻率穩(wěn)定度按時(shí)間間隔分為: 長期頻率穩(wěn)定度長期頻率穩(wěn)定度數(shù)月或一年內(nèi)的相對(duì)頻率準(zhǔn)確度數(shù)月或一年內(nèi)的相對(duì)頻率準(zhǔn)確度; 短期頻率穩(wěn)定度短期頻率穩(wěn)定度一天內(nèi)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度一天內(nèi)的相對(duì)

17、頻率穩(wěn)定度; 瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度秒或毫秒內(nèi)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度。秒或毫秒內(nèi)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度。 頻率穩(wěn)定度數(shù)據(jù)處理方法有：頻率穩(wěn)定度數(shù)據(jù)處理方法有：1.1.均方根值表示法：它是用在指定的時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)得的各頻均方根值表示法：它是用在指定的時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)得的各頻率準(zhǔn)確度與其平均值的偏差的均方根值來表征的。即率準(zhǔn)確度與其平均值的偏差的均方根值來表征的。即 nioonffffn1215.6.4 式中式中,n為測(cè)量次數(shù)，為測(cè)量次數(shù)，off為為n個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。 二、頻率穩(wěn)定度分析二、頻率穩(wěn)定度分析 根據(jù)根據(jù)11rGLC，振蕩器的，振蕩器的主要取決于主要取決于回路的回路的L、C，

18、當(dāng)然也與晶體管的參數(shù)，當(dāng)然也與晶體管的參數(shù)(G)有關(guān)。有關(guān)。 如令如令代表外界不穩(wěn)定因素，由于振蕩器各相角都是外代表外界不穩(wěn)定因素，由于振蕩器各相角都是外界不穩(wěn)定因素界不穩(wěn)定因素和頻率的函數(shù)。所以相位平衡條件可以寫成：和頻率的函數(shù)。所以相位平衡條件可以寫成：0, ,FAFZY 當(dāng)當(dāng)變化時(shí)，變化時(shí)，也相應(yīng)變化，只要相位平衡條件重新得也相應(yīng)變化，只要相位平衡條件重新得0, ,FAFZY5.6.9到滿足，則到滿足，則0,對(duì)式對(duì)式5.6.9全微分全微分0,FZYFZY因而因而FZYFZY由于由于 、 對(duì)頻率變化的敏感性遠(yuǎn)小于對(duì)頻率變化的敏感性遠(yuǎn)小于 對(duì)頻率變化的對(duì)頻率變化的YFZ敏感性，即敏感性，即F

19、YZ又又0則上式可近似寫成則上式可近似寫成ZFZY005.6.10 從式從式5.6.10可知提高振蕩器頻率穩(wěn)定度的一般規(guī)律：可知提高振蕩器頻率穩(wěn)定度的一般規(guī)律：(1) 要小。要盡量減小外界不穩(wěn)定因素要小。要盡量減小外界不穩(wěn)定因素的變化，最主要的變化，最主要LC10的是減小振蕩回路固有頻率的是減小振蕩回路固有頻率的變化量的變化量(2) 分子分子FZY越小越好，在外界因素越小越好，在外界因素變化時(shí)，變化時(shí)，不完全同號(hào)，相互抵消。不完全同號(hào)，相互抵消。FZY、的變化量盡量小。或者設(shè)法使的變化量盡量小。或者設(shè)法使FZY、三個(gè)量三個(gè)量(3) 分母分母Z越大越好。即要求并聯(lián)諧振回路相頻特性的斜越大越好。即

20、要求并聯(lián)諧振回路相頻特性的斜率要大，在較小斜率增量作用下，能產(chǎn)生足夠的相位來補(bǔ)償率要大，在較小斜率增量作用下，能產(chǎn)生足夠的相位來補(bǔ)償外因所引起的外因所引起的 的相移。的相移。 由并聯(lián)振蕩回路的相頻特性可知，由并聯(lián)振蕩回路的相頻特性可知，Q越高，越高，越接近越接近0相頻特性就越大。因此應(yīng)盡量提高相頻特性就越大。因此應(yīng)盡量提高Q值，減小值，減小 相角。相角。 以上研究了提高頻率穩(wěn)定度的原則性措施，為了將上述以上研究了提高頻率穩(wěn)定度的原則性措施，為了將上述措施具體化，下面討論振蕩頻率與電路參量之間的關(guān)系。措施具體化，下面討論振蕩頻率與電路參量之間的關(guān)系。FY、Z由相位平衡條件：由相位平衡條件：02a

21、rctanQZ5.6.110YFZFYZ得得02arctan0YFQ則振蕩頻率則振蕩頻率為：為：YFQtan2110即即YFQtan2005.6.12 對(duì)式對(duì)式5.6.12全微分得：全微分得： 并聯(lián)諧振回路的相頻特性為：并聯(lián)諧振回路的相頻特性為：當(dāng)當(dāng)YFYFYFYFYFYFQQQQQQ2020000cos122tantan211 12tanQYF時(shí)，時(shí)，YFYFYFQQQ22000cos22tan5.6.13該式表明了該式表明了YFQ、0對(duì)頻率穩(wěn)定度影響的定量對(duì)頻率穩(wěn)定度影響的定量關(guān)系，可以看出：關(guān)系，可以看出：(1)YFQ、0均影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度；均影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度；(2)對(duì)頻率穩(wěn)

22、定度的影響最嚴(yán)重；對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響最嚴(yán)重；0(3) Q對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響要考慮到系數(shù)對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響要考慮到系數(shù)22tanQYF，Q越高，越高，YF越小，越小，Q的影響越弱；的影響越弱；(4)YF對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響要考慮到系數(shù)對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響要考慮到系數(shù)YFQ2cos21，Q越高，越高，YF越小，則越小，則YF的影響越弱。的影響越弱。 結(jié)論：要提高頻率穩(wěn)定度，首先要提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性。結(jié)論：要提高頻率穩(wěn)定度，首先要提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性。所謂回路的標(biāo)準(zhǔn)性就是指回路在外界因素變化時(shí)保持其固有所謂回路的標(biāo)準(zhǔn)性就是指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。諧振頻率不變的能力。|越小標(biāo)準(zhǔn)性越高

23、。此外，要求越小標(biāo)準(zhǔn)性越高。此外，要求Q值要高，值要高，YF要小。要小。6.7.3 6.7.3 提高頻率穩(wěn)定度的措施提高頻率穩(wěn)定度的措施 要提高頻率穩(wěn)定度可采取如下兩方面的措施：要提高頻率穩(wěn)定度可采取如下兩方面的措施：1.1.減小減?。?.2.減小外界因素對(duì)減小外界因素對(duì)0 0、Q Q、 的影響，即為外界因的影響，即為外界因素變化時(shí)，設(shè)法使素變化時(shí)，設(shè)法使0 0、Q Q、 盡可能小。盡可能小。 減小外界因素變化減小外界因素變化的措施的措施 影響振蕩頻率的外界因素主要有：機(jī)械振動(dòng)，環(huán)境溫度影響振蕩頻率的外界因素主要有：機(jī)械振動(dòng)，環(huán)境溫度的變化、濕度及大氣壓力的變化、電源電壓的變化、周圍電的變化、

24、濕度及大氣壓力的變化、電源電壓的變化、周圍電磁場(chǎng)的影響、負(fù)載不穩(wěn)定等。磁場(chǎng)的影響、負(fù)載不穩(wěn)定等。 (1)機(jī)械振動(dòng)：回路線圈、電容應(yīng)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，機(jī)械振動(dòng)：回路線圈、電容應(yīng)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，底板和屏蔽罩必須結(jié)實(shí)。元器件焊接牢固。加防震措施和調(diào)底板和屏蔽罩必須結(jié)實(shí)。元器件焊接牢固。加防震措施和調(diào)YFYF諧回路鎖定裝置。諧回路鎖定裝置。 (2)溫度：將主要元器件放在恒溫槽中。合理選擇回路元溫度：將主要元器件放在恒溫槽中。合理選擇回路元件的材料，如選用膨脹系數(shù)小的金屬材料和介質(zhì)材料。采用件的材料，如選用膨脹系數(shù)小的金屬材料和介質(zhì)材料。采用正負(fù)溫度補(bǔ)償。也可用熱敏電阻穩(wěn)定偏置。正負(fù)溫度補(bǔ)償。也可

25、用熱敏電阻穩(wěn)定偏置。 (3)濕度和大氣壓力：將振蕩器和主要元件密封，還可選濕度和大氣壓力：將振蕩器和主要元件密封，還可選用吸潮性較小的介質(zhì)和絕緣材料。用吸潮性較小的介質(zhì)和絕緣材料。 (4)電源電壓：采用性能好的穩(wěn)壓電源，振蕩器單獨(dú)供電。電源電壓：采用性能好的穩(wěn)壓電源，振蕩器單獨(dú)供電。 (5)周圍電磁場(chǎng)的影響：采用電磁屏蔽措施。周圍電磁場(chǎng)的影響：采用電磁屏蔽措施。 (6)負(fù)載變化：加緩沖級(jí)（跟隨器）。負(fù)載變化：加緩沖級(jí)（跟隨器）。 (7)老化：預(yù)先對(duì)元器件進(jìn)行老化處理。老化：預(yù)先對(duì)元器件進(jìn)行老化處理。2.2.提高電路抗外界因素影響的能力提高電路抗外界因素影響的能力 (1)提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性提高

26、振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性 所謂振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性就是指振蕩回路在外界因素變化所謂振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性就是指振蕩回路在外界因素變化時(shí)，保持諧振頻率不變的能力。因此，回路的標(biāo)準(zhǔn)性越高，時(shí)，保持諧振頻率不變的能力。因此，回路的標(biāo)準(zhǔn)性越高，0隨外界因素的變化越小。隨外界因素的變化越小。 在高在高Q時(shí)，回路的諧振頻率為時(shí)，回路的諧振頻率為LC10 對(duì)上式進(jìn)行全微分得：對(duì)上式進(jìn)行全微分得：LLCCLLCC000021即即LLCC21005.6.14 式中負(fù)號(hào)表示式中負(fù)號(hào)表示L或或C增加時(shí)，增加時(shí)，0降低?？梢娭C振頻率相降低?？梢娭C振頻率相對(duì)變化量的對(duì)變化量的L和和C的相對(duì)變化量之和成正比。因此，提高回路的相對(duì)變化量之和

27、成正比。因此，提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性，也就是當(dāng)外界因素變化時(shí)，減小的標(biāo)準(zhǔn)性，也就是當(dāng)外界因素變化時(shí)，減小L和和C的相對(duì)變化的相對(duì)變化量。量。 . 采用高質(zhì)量的回路元件采用高質(zhì)量的回路元件 目前使用較廣的是在高頻陶瓷上用燒滲銀的方法制成的目前使用較廣的是在高頻陶瓷上用燒滲銀的方法制成的電感線圈。其特點(diǎn)是損耗小且溫度膨脹系數(shù)小，吸水性小。電感線圈。其特點(diǎn)是損耗小且溫度膨脹系數(shù)小，吸水性小。高質(zhì)量的電容則采用膨脹系數(shù)小的金屬（如殷鋼）作極片的高質(zhì)量的電容則采用膨脹系數(shù)小的金屬（如殷鋼）作極片的空氣電容或云母電容器。還可以采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ā？諝怆娙莼蛟颇鸽娙萜?。還可以采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ā?. 減小分布電容

28、和引線電感。引線盡可能短，且應(yīng)有減小分布電容和引線電感。引線盡可能短，且應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，各引線和元器件的連接和安裝盡可能牢足夠的機(jī)械強(qiáng)度，各引線和元器件的連接和安裝盡可能牢靠?？俊?. 減小不穩(wěn)定電容對(duì)回路標(biāo)準(zhǔn)性的影響，即減小不穩(wěn)減小不穩(wěn)定電容對(duì)回路標(biāo)準(zhǔn)性的影響，即減小不穩(wěn)定電容在回路中所占的比重。可以有兩種方法，一是降低振定電容在回路中所占的比重?？梢杂袃煞N方法，一是降低振蕩頻率，可選的集中參數(shù)電容容量大，降低不穩(wěn)定電容占回蕩頻率，可選的集中參數(shù)電容容量大，降低不穩(wěn)定電容占回路總電容量的比重。所以，為了提高頻率穩(wěn)定度，在無線電路總電容量的比重。所以，為了提高頻率穩(wěn)定度，在無線電設(shè)備中總是

29、希望主振器工作在較低的頻段，然后采用倍頻的設(shè)備中總是希望主振器工作在較低的頻段，然后采用倍頻的方法達(dá)到規(guī)定的頻率。另外一種方法是在滿足起振的條件下方法達(dá)到規(guī)定的頻率。另外一種方法是在滿足起振的條件下盡量減小回路與負(fù)載、有源器件之間的耦合，即采用部分接盡量減小回路與負(fù)載、有源器件之間的耦合，即采用部分接入的方法。入的方法。 . 提高回路的有效提高回路的有效Q值。采用先進(jìn)工藝提高線圈本身值。采用先進(jìn)工藝提高線圈本身的的Q值。值。 (2) 減小相角減小相角 、 及其變化量及其變化量 . 是平均正向傳輸導(dǎo)納的相角，它主要由以下兩個(gè)是平均正向傳輸導(dǎo)納的相角，它主要由以下兩個(gè)原因產(chǎn)生：一是載流子在基區(qū)渡越

30、時(shí)間的影響。二是高次諧原因產(chǎn)生：一是載流子在基區(qū)渡越時(shí)間的影響。二是高次諧波的影響。前者可選用波的影響。前者可選用fT高的晶體管，使高的晶體管，使 減小，通常選減小，通常選fT=10f 。后者，主要是因?yàn)榛芈返?。后者，主要是因?yàn)榛芈返腝值有限，高次諧波在回值有限，高次諧波在回路上總有一定的壓降，使得回路電壓路上總有一定的壓降，使得回路電壓uC不是理想的正弦波而不是理想的正弦波而FYYY有畸變，通過反饋使集電極電流不是理想的尖頂余弦脈沖。有畸變，通過反饋使集電極電流不是理想的尖頂余弦脈沖。 . 反饋系數(shù)相角反饋系數(shù)相角 是回路電壓是回路電壓 與反饋電壓與反饋電壓 之間的之間的相角。產(chǎn)生這個(gè)相角的

31、主要原因是由于基極電流的存在及在相角。產(chǎn)生這個(gè)相角的主要原因是由于基極電流的存在及在振蕩回路中具有一定的損耗以及晶體管的振蕩回路中具有一定的損耗以及晶體管的Gie、Goe的存在。的存在。FCUfU68晶晶 體體 振振 蕩蕩 器器 6.8.1石英晶體及其特性石英晶體及其特性 石英晶體諧振器石英晶體諧振器 石英是礦物質(zhì)硅石的一種, 化學(xué)成分是i2, 形狀是呈角錐形的六棱結(jié)晶體。 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)生應(yīng)變, 然后機(jī)械振動(dòng)又使晶體表面產(chǎn)生交變電荷。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

32、最強(qiáng), 于是產(chǎn)生了諧振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)成石英晶體諧振器（簡稱石英晶振）。 石英晶振的固有頻率十分穩(wěn)定, 它的溫度系數(shù)（溫度變化所引起的固有頻率相對(duì)變化量）在-6以下。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, 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

33、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20 MHz時(shí)采用泛音晶體。 . 石英晶振的阻抗頻率特性石英晶振的阻抗頻率特性 圖4是石英晶振的符號(hào)和等效電路。其中： 安裝電容C0約pFF 動(dòng)態(tài)電感Lq約10-3H102 H 動(dòng)態(tài)電容Cq約10-4pF10-1pF 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： ） 石英晶振的值和特性阻抗都非常高。 值可達(dá)幾萬到幾百萬, 因?yàn)閝qqqcLrQ1 （ 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

34、。 由圖4（）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q, 則晶振兩端呈現(xiàn)純電抗, 其電抗頻率特性曲線如圖4中兩條實(shí)線所示。 串聯(lián)諧振頻率qqsCLf21并聯(lián)諧振頻率 fp=00000121ccfcccfccccLqqsqsqq 由于CqC0很小, 所以p與s間隔很小, 因而在sp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, 必然使等效電感增大, 但由于振蕩頻率與的平方根成反比, 所以又促使諧振頻率下降, 趨近于原來的值。 石英晶振產(chǎn)品還有一個(gè)標(biāo)稱頻率N。N的值位于s與p之間, 這是指石

35、英晶振兩端并接某一規(guī)定負(fù)載電容L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)品說明書中, 通常為30pF(高頻晶體), 或100pF(低頻晶體), 或標(biāo)示為(指無需外接負(fù)載電容, 常用于串聯(lián)型晶體振蕩器)。 6.8.2晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路 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。 皮爾斯（）振蕩電路皮爾斯（）振蕩電路 并聯(lián)型晶體

36、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、極之間或、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。 皮爾斯電路是最常用的振蕩電路之一。 圖443（）是皮爾斯電路, （）是其高頻等效電路, 其中虛線框內(nèi)是石英晶振的等效電路。 接入系數(shù)一般均小于-3-4, 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。 （） 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 LqsLqqcccfcccccCqLf001001)(21由圖4（）可以看出, 皮爾斯電路類似于克拉潑電路, 但由于石

37、英晶振中q極小, q極高, 所以皮爾斯電路具有以下一些特點(diǎn)： （） 振蕩回路與晶體管、負(fù)載之間的耦合很弱。 其中L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。 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N上。 （） 由于振蕩頻率0一般調(diào)諧在標(biāo)稱頻率N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。 （） 由于晶振的值和特性阻抗= 都很高, 所以晶振的諧振電阻也很高, 一般可達(dá)10以上。這樣即使外電路接入系數(shù)很小, 此諧振電阻等效到晶體管輸出端的阻抗仍很大, 使晶體管的電壓增益能滿足振幅起振條件的要求。

38、qqcL / 例 4.5 圖例4（）是一個(gè)數(shù)字頻率計(jì)晶振電路, 試分析其工作情況。 解: 先畫出V1管高頻交流等效電路, 如圖例4（）所示, F電容較大, 作為高頻旁路電路, V2管作射隨器。 由高頻交流等效電路可以看到, V1管的c、 e極之間有一個(gè)回路, 其諧振頻率為: f0=所以在晶振工作頻率MHz處, 此回路等效為一個(gè)電容?？梢? 這是一個(gè)皮爾斯振蕩電路, 晶振等效為電感, 容量為pFpF的可變電容起微調(diào)作用, 使振蕩器工作在晶振的標(biāo)稱頻率MHz上。 MHZf0 . 410330107 . 4211260 密勒（）振蕩電路密勒（）振蕩電路 圖444是場(chǎng)效應(yīng)管密勒振蕩電路。 石英晶體作為

39、電感元件連接在柵極和源極之間, 并聯(lián)回路在振蕩頻率點(diǎn)等效為電感, 作為另一電感元件連接在漏極和源極之間, 極間電容gd作為構(gòu)成電感三點(diǎn)式電路中的電容元件。由于gd又稱為密勒電容, 故此電路有密勒振蕩電路之稱。 密勒振蕩電路通常不采用晶體管, 原因是正向偏置時(shí)高頻晶體管發(fā)射結(jié)電阻太小, 雖然晶振與發(fā)射結(jié)的耦合很弱, 但也會(huì)在一定程度上降低回路的標(biāo)準(zhǔn)性和頻率的穩(wěn)定性, 所以采用輸入阻抗高的場(chǎng)效應(yīng)管。 泛音晶振電路泛音晶振電路 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 ， 泛音晶振電路與基頻晶振電路有些不同。 在泛音晶振電路中, 必須有效地抑制掉基頻和低次泛音上的寄生振蕩；在泛音晶振電

40、路中,必須正確地調(diào)節(jié)電路的環(huán)路增益, 使其在工作泛音頻率上略大于1, 滿足起振條件, 而在更高的泛音頻率上都小于1, 不滿足起振條件。在實(shí)際應(yīng)用時(shí), 可在三點(diǎn)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, 在所需要的泛音頻率上呈現(xiàn)的電抗性質(zhì)恰好滿足組成法則, 達(dá)到起振。 圖445（）給出了一種并聯(lián)型泛音晶體振蕩電路。 假設(shè)泛音晶振為五次泛音, 標(biāo)稱頻率為MHz, 基頻為MHz, 則1回路必須調(diào)諧在三次和五次泛音頻率之間。這樣, 在 MHz 頻率上, 1回路呈容性, 振蕩電路滿足組成法則。對(duì)于基頻和三次泛音頻率來說, 1回路呈感性, 電路不符合組成法則, 不能起振。 而在七次及其以上泛

41、音頻率, LC1回路雖呈現(xiàn)容性, 但等效容抗減小, 從而使電路的電壓放大倍數(shù)減小, 環(huán)路增益小于1, 不滿足振幅起振條件。 LC1回路的電抗性如(b)圖所示。 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s上起振。圖446（）給出了一種串聯(lián)型單管晶體振蕩器電路, （）是其高頻等效電路。 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。, 1 , 2和3組成并聯(lián)諧振回路而且調(diào)諧在振蕩頻率上。 章末小結(jié)章末小結(jié) 本章介紹了反饋振蕩原理和反饋型正弦波振蕩器的幾種常用電路類型, 要點(diǎn)如下： () 反饋振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的具有選頻能力的正反饋系統(tǒng)。 反饋振蕩器必須滿足起振、平