高頻課件第三章3.4——授課老師賈志成

1、第第 3 章正弦波振蕩器章正弦波振蕩器3.4.1石英諧振器的電特性石英諧振器的電特性3.4.2晶體振蕩電路晶體振蕩電路3.4晶體振蕩器晶體振蕩器3.4晶體振蕩器晶體振蕩器 頻穩(wěn)度頻穩(wěn)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：晶體振蕩器：采用石英諧振器控制和穩(wěn)定振蕩頻率的采用石英諧振器控制和穩(wěn)定振蕩頻率的振蕩器。振蕩器。 3.4.1石英諧振器的電特性石英諧振器的電特性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 ( (1) )結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)利用石英晶體利用石英晶體( (Quartz- -Crystal) )的壓電效應(yīng)制成的一

2、種的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件。諧振器件。( (a) )( (b) )( (c) )圖圖 3- -4- -1石英諧振器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)石英諧振器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)( (2) )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(guān)，且十分穩(wěn)定。有關(guān)，且十分穩(wěn)定。將其接到振蕩器的閉合環(huán)路中，利用其將其接到振蕩器的閉合環(huán)路中，利用其固有頻率固有頻率，能有，能有效地控制和穩(wěn)定效地控制和穩(wěn)定振蕩頻率振蕩頻率。 壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)：機(jī)械與電的相互轉(zhuǎn)換效應(yīng)。機(jī)械與電的相互轉(zhuǎn)換效應(yīng)。 正壓電效應(yīng)：外正壓電效應(yīng)：外加力，產(chǎn)生電荷現(xiàn)象加力，產(chǎn)生電荷現(xiàn)象 逆壓電效應(yīng)：外加逆壓電效

3、應(yīng)：外加電壓，產(chǎn)生機(jī)械振動現(xiàn)象。電壓，產(chǎn)生機(jī)械振動現(xiàn)象。 振動特性：振動特性：具有具有多諧性多諧性，除基頻除基頻( (Fundamental Frequency) )振動外還有振動外還有奇次諧波的泛音奇次諧波的泛音( (Overtones) )振動振動。 ( (3) )等效電路等效電路 C0：靜態(tài)電容和支架引線分布電容之和；靜態(tài)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 當(dāng)外加交變電壓與石英晶片的機(jī)械振動發(fā)生共振時(shí)，石當(dāng)外加交變電壓與石英晶片的機(jī)械振動發(fā)生共振時(shí)，石英晶片兩極上的交變電

4、荷量即通過的交變電流量最大，因而英晶片兩極上的交變電荷量即通過的交變電流量最大，因而具有具有串聯(lián)諧振特性。串聯(lián)諧振特性。2電抗特性電抗特性可證：忽略可證：忽略 rq 時(shí)，晶體兩端呈現(xiàn)純電抗，其值近似為時(shí)，晶體兩端呈現(xiàn)純電抗，其值近似為220qqqq011CC1C1LC1LC1XZ)()(1jjj)(jps0crcr-0q0qqpqqsCCCCL1CL1并并聯(lián)聯(lián)諧諧振振頻頻率率串串聯(lián)聯(lián)諧諧振振頻頻率率圖圖 3- -4- -3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，呈之間為正值，呈感感性性；其他頻段內(nèi)為負(fù)值，呈；其他頻段內(nèi)為負(fù)值，呈容性。容性。 在在 s 上上 Xcr=

5、 0，為，為串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振；在在 p 上上 Xcr ，為，為并聯(lián)諧振。并聯(lián)諧振。又又0qs0q0qqqqqq0q0qqp111CCCCCCLCLCLCCCCL應(yīng)用應(yīng)用 xx2111則則)211(0qspCC 或或0qssP21CC - - 因?yàn)橐驗(yàn)?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(jié)：小結(jié)： 晶振體兩個(gè)諧振頻率：晶振體兩個(gè)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(lián)諧振。電感，并聯(lián)諧振。 工作于工作于 fs 附近為串聯(lián)諧振，對附近為串聯(lián)諧振，對 fs

6、，相當(dāng)于短路。，相當(dāng)于短路。 晶振體只能工作于上述兩種方式晶振體只能工作于上述兩種方式，否則頻穩(wěn)度下降否則頻穩(wěn)度下降。0qssP21CC - - 3.4.2晶體振蕩電路晶體振蕩電路一、并聯(lián)型晶體振蕩電路一、并聯(lián)型晶體振蕩電路1電路電路 皮爾斯皮爾斯( (Pirece) )晶體振蕩電路晶體振蕩電路 ( (a) )實(shí)際電路實(shí)際電路( (b) )交流通路交流通路圖圖 3- -4- -1皮爾斯振蕩電路皮爾斯振蕩電路RB1、RB2 和和 RE ：分壓偏置電路分壓偏置電路，LC：高頻扼流圈高頻扼流圈，CB： 旁路電容旁路電容，CC：耦合電容耦合電容。2原理原理由等效電路，它與由等效電路，它與 Clapp

7、電路電路十分相似十分相似( (Cq 類似于類似于C3 ) )。3頻率準(zhǔn)確度微調(diào)頻率準(zhǔn)確度微調(diào)實(shí)際頻率實(shí)際頻率與與標(biāo)稱頻率標(biāo)稱頻率往往有偏差，若要求準(zhǔn)確度高，往往有偏差，若要求準(zhǔn)確度高，必須設(shè)置必須設(shè)置頻率微調(diào)元件，如頻率微調(diào)元件，如C C3 3。4提高頻穩(wěn)度的措施提高頻穩(wěn)度的措施 圖圖 3- -4- -6采用微調(diào)電容的晶體振蕩電路采用微調(diào)電容的晶體振蕩電路( (1) )恒溫槽恒溫槽將晶體或振蕩器置于恒溫將晶體或振蕩器置于恒溫槽內(nèi)，槽內(nèi)溫度控制在晶體拐槽內(nèi)，槽內(nèi)溫度控制在晶體拐點(diǎn)溫度點(diǎn)溫度( (在該溫度范圍內(nèi)，晶在該溫度范圍內(nèi)，晶振溫度系數(shù)為振溫度系數(shù)為 0) )附近。頻穩(wěn)度附近。頻穩(wěn)度可達(dá)可達(dá)

8、 10- -10 數(shù)量級。數(shù)量級。 ( (2) )變?nèi)莨艿臏囟妊a(bǔ)償電路變?nèi)莨艿臏囟妊a(bǔ)償電路 電路電路 T1 Pirece 晶體振蕩電路晶體振蕩電路 原理原理溫度控制電路中，熱敏元件使溫度控制電路中，熱敏元件使 Vi 反映了溫度的變化，反映了溫度的變化，作用到變?nèi)荻O管，使其電容改變，補(bǔ)償因溫度引起振蕩作用到變?nèi)荻O管，使其電容改變，補(bǔ)償因溫度引起振蕩頻率的變化。頻率的變化。 T Rt1vCjCj fsfs+vCj-5泛音振動泛音振動 基波和低次泛音的抑制基波和低次泛音的抑制( (1) )電路電路將將 Pirece 電路中電路中 C1 用用 LC1 諧振回路取代。諧振回路取代。( (2) )原理

9、原理 假設(shè)取五次泛音晶體，標(biāo)稱頻率假設(shè)取五次泛音晶體，標(biāo)稱頻率 5 MHz，為了抑制基波和三次泛音的寄生振，為了抑制基波和三次泛音的寄生振蕩，蕩，LC1 應(yīng)調(diào)諧在三次和五次泛音之間，應(yīng)調(diào)諧在三次和五次泛音之間，例如例如 3.5 MHz 。圖圖 3- -4- -8在在 5 MHz 頻率上，頻率上，LC1 呈容性，滿足呈容性，滿足電容三點(diǎn)式；電容三點(diǎn)式；對基頻、三次泛音，對基頻、三次泛音， LC1 呈感性，呈感性，組組成法則成法則不滿足；不滿足；對高于七次以上泛音，雖對高于七次以上泛音，雖 LC1 呈呈容性容性，但但分壓比分壓比 n 過小過小，不滿足，不滿足起振條件起振條件。)MHz5LC1MHz

10、3(1二、串聯(lián)型晶體振蕩電路二、串聯(lián)型晶體振蕩電路1電路電路 1當(dāng)當(dāng) f = fs 時(shí)，晶體串聯(lián)諧振，等效為短路元件，時(shí)，晶體串聯(lián)諧振，等效為短路元件，T1、T2管和外接晶體構(gòu)成正反饋放大器，滿足管和外接晶體構(gòu)成正反饋放大器，滿足相位平衡條件相位平衡條件，且，且反饋?zhàn)顝?qiáng)，滿足反饋?zhàn)顝?qiáng)，滿足起振條件起振條件。圖圖 3- -4- -9XK76 集成晶體振蕩的內(nèi)部電路集成晶體振蕩的內(nèi)部電路諧振頻率諧振頻率 fsf fs 時(shí)，晶體呈高阻抗，反饋顯著減弱，不能滿足振時(shí)，晶體呈高阻抗，反饋顯著減弱，不能滿足振幅和相位起振條件，所以這種振蕩器的振蕩頻率受晶體串幅和相位起振條件，所以這種振蕩器的振蕩頻率受晶體串聯(lián)諧振頻率的控制，具有很高的頻穩(wěn)度。聯(lián)諧振頻率的控制，具有很高的頻穩(wěn)度。2電路電路 2 晶體在串聯(lián)諧振頻率上，等效為短路元件，電路符合晶體在串聯(lián)諧振頻率上，等效為短路元件，電路符合三三點(diǎn)式組成法則