射頻模擬電路電子教案：3-11 晶體振蕩器

1、上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展如何產(chǎn)生一個(gè)振蕩？電容中存儲的電能和電感中存儲的磁能就會交替轉(zhuǎn)換而形成振蕩?；芈冯妷悍匠袒芈返乃p系數(shù) 回路的無阻尼振蕩角頻率 +V-V+上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展LC反饋正弦波發(fā)生器原理回路的衰減系數(shù) 回路的無阻尼振蕩角頻率 增幅振蕩 阻尼振蕩等幅振蕩在電路中引入正反饋就相當(dāng)于引入了負(fù)電阻。振蕩頻率為： 上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展LC反饋正弦波發(fā)生器原理(1)具有放大能力的有源器件。它的作用是不斷地向振蕩系統(tǒng)補(bǔ)充能量，以維持等幅振蕩并輸出給負(fù)載。(2)由儲能元件組成的選頻網(wǎng)絡(luò)。選頻網(wǎng)絡(luò)決定著振蕩器的振蕩頻率。(3)控制能量補(bǔ)充的正反饋網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)控制能量適時(shí)、適度地補(bǔ)充給振蕩系統(tǒng)。振蕩器的

2、工作原理與LC諧振回路的自由振蕩類似，它至少應(yīng)由以下三部分組成。上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展LC反饋正弦波發(fā)生器原理放大器 振蕩器限幅放大器的放大倍數(shù)（開環(huán)增益） 反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù) 正反饋：閉環(huán)增益：上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展LC反饋正弦波發(fā)生器原理放大器 振蕩器閉環(huán)增益： 建立等幅振蕩器的條件 （振蕩平衡條件）上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展LC反饋正弦波發(fā)生器起振條件振蕩器的偏置電路VBVEV b (t)VQ工作狀態(tài)發(fā)生改變，由甲類到丙類！讓A由大變小。上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展LC反饋正弦波發(fā)生器振幅平衡條件振幅平衡振幅平衡上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展LC反饋正弦波發(fā)生器振幅平衡條件 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，如果靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)不當(dāng)，振蕩特性可能

3、不是單調(diào)下降的。 這種振蕩器電路一般不能自行起振，而必須給以一個(gè)較大幅度的初始激勵(lì)，使動態(tài)點(diǎn)越過不穩(wěn)定平衡點(diǎn)M才能起振，這叫硬激勵(lì)起振，設(shè)計(jì)電路要力加避免。振幅平衡的穩(wěn)定條件是平衡點(diǎn)的位置必須滿足：上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展LC反饋正弦波發(fā)生器振幅平衡條件相位平衡若遭到破壞，產(chǎn)生一個(gè)正的相位增量反饋電壓 超前原來輸入電壓 (前一次反饋電壓)一個(gè)相角相位超前導(dǎo)致頻率升高，相位滯后導(dǎo)致頻率降低，振蕩器本身的某一機(jī)構(gòu)應(yīng)有恢復(fù)相位平衡的能力什么電路結(jié)構(gòu)具有此種相位特性？上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展LC反饋正弦波發(fā)生器相位平衡條件諧振回路的相頻特性曲線在工作頻率附近具有負(fù)的斜率，能保證相位平衡的穩(wěn)定性。上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展

4、LC反饋正弦波發(fā)生器振幅平衡條件上節(jié)內(nèi)容回顧與擴(kuò)展LC反饋正弦波發(fā)生器振幅平衡條件？起振條件？振幅平衡的穩(wěn)定條件？相位平衡的穩(wěn)定條件？第三章 波形發(fā)生與變換電路 （P218)3.1 LC反饋正弦波振蕩器的工作原理3.2 反饋型晶體管LC振蕩器電路3.3 頻率穩(wěn)定度及改進(jìn)型電容三端式振蕩電路3.5 石英晶體振蕩器 三端式LC振蕩電路是經(jīng)常被采用的，其工作頻率約在幾MHz到幾百M(fèi)Hz的范圍，頻率穩(wěn)定度也比變壓器耦合振蕩電路高一些，約為103104量級，采取一些穩(wěn)頻措施后，還可以再提高一點(diǎn)。三端式LC振蕩器有多種形式，主要有：電感三端式，又稱哈特萊振蕩器(Hartley)；電容三端式，又稱考畢茲振蕩

5、器(Coplitts)；串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱克拉潑振蕩器(Clapp)；并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱西勒振蕩器(Selier)。LC三端式振蕩器組成法則(相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則)3.2.2 三端式振蕩器3.2.2 三端式振蕩器回路諧振時(shí)，電抗之和為零。+-vi-+vo-+Vf 在三端式電路中, 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)。這就是三端式電路組成的相位判據(jù), 或稱為三端式電路的相位平衡判別準(zhǔn)則。以此準(zhǔn)則可迅速判斷振蕩電路組成是否合理，能否起振。也可用于分析復(fù)雜電路與寄生振蕩現(xiàn)象。 與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗元件同為電容時(shí)的三端式電路, 稱為電容

6、三端式電路, 也稱為考畢茲(Colpitts)電路。 與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗元件同為電感時(shí)的三端式電路, 稱為電感三端式電路, 也稱為哈特萊(Hartley)電路。相位平衡判別準(zhǔn)則應(yīng)用舉例ecbL3L1L2C振蕩能產(chǎn)生的條件？L3與C組成的串聯(lián)諧振回路呈現(xiàn)何種電抗特性？若振蕩頻率為f，則L3與C組成的串聯(lián)諧振回路的謝振頻率f3與f的關(guān)系為？L3與C組成的串聯(lián)諧振回路呈現(xiàn)電容特性3.2.2 電感三端式振蕩電路共射電路交流等效電路矢量圖哈特萊(Hartley)電路3.2.2 電感三端式振蕩電路此電路的實(shí)際電路如何畫？哈特萊(Hartley)電路共基電路3.2.2 電感三端式振蕩電路起振條件振蕩頻

7、率起振條件回路折合到ce端的諧振電阻 p=L1/(L1+L2)在壓控振蕩器中，哈特萊(Hartley)電路出現(xiàn)較多！3.2.3 電容三端式振蕩電路考畢茲(Colpitts)電路高頻振蕩時(shí)使用較多振蕩頻率 起振條件 優(yōu)點(diǎn)：振蕩頻率高，輸出波形好！ 結(jié)電容的影響及作用！C1可由結(jié)電容Coe代替， 結(jié)電容受偏壓控制，則可變?yōu)榭烧{(diào)電容。缺點(diǎn)：C改變時(shí)，B也變化，不易起振。3.2.3 電容三端式振蕩電路考畢茲(Colpitts)電路高頻振蕩時(shí)使用較多共射電路共基電路振蕩頻率 3.2.3 電容三端式振蕩電路第三章 波形發(fā)生與變換電路 （P218)3.1 LC反饋正弦波振蕩器的工作原理3.2 反饋型晶體管L

8、C振蕩器電路3.3 頻率穩(wěn)定度及改進(jìn)型電容三端式振蕩電路3.5 石英晶體振蕩器3-3 振蕩器的頻率穩(wěn)定度與 改進(jìn)型電容三端振蕩器準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度是振蕩器頻率的主要指標(biāo)。 振蕩器實(shí)際工作頻率f與標(biāo)稱頻率 f 0之間的偏差，稱為振蕩頻率準(zhǔn)確度，又稱為頻率精度。頻率穩(wěn)定度分為時(shí)間頻率穩(wěn)定度和溫度頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度：是表明在一定時(shí)間內(nèi)或一定溫度、電源電壓等變化范圍內(nèi)的相對頻率變化量3.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義振蕩器的頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一個(gè)重要性能指標(biāo)。1、各種無線電設(shè)備的性能穩(wěn)定與振蕩器的頻率穩(wěn)定度有著極為 密切的關(guān)系。（發(fā)射： 載波；接收端：本地振蕩信號）2、多路通信中發(fā)射頻率的穩(wěn)定度決定著所占頻

9、帶的寬窄，從而 決定了通信的路數(shù)和抗干擾能力的強(qiáng)弱。 (穩(wěn)定度達(dá)不到要求可能會使通信中斷）3、通信系統(tǒng)中的頻率穩(wěn)定度是能否正常通信的關(guān)鍵。 （穩(wěn)定度達(dá)不到要求可能會使通信中斷）4、各種測量儀器的頻率穩(wěn)定度決定了測量的誤差大小。 （例如數(shù)字式時(shí)鐘）5、數(shù)字頻率計(jì)中，振蕩頻率的穩(wěn)定度決定了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的精確度。3.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義溫度頻率穩(wěn)定度：溫度頻率穩(wěn)定度是指當(dāng)溫度每變化l，頻率的相對準(zhǔn)確度的變化情況。頻率準(zhǔn)確度的單位一般是“ppm”(一百萬分之一)，溫度頻率穩(wěn)定度的單位是ppm。 舉例：3.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義時(shí)間頻率穩(wěn)定度：時(shí)間頻率穩(wěn)定度是指在室溫下，觀察時(shí)間內(nèi) 的變化情況。 觀察

10、時(shí)間間隔內(nèi)的最大頻率偏移。 時(shí)間頻率穩(wěn)定度長期頻率穩(wěn)定度短期頻率穩(wěn)定度3.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義3.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義長期頻率穩(wěn)定度是指較長時(shí)間間隔內(nèi)相對頻率準(zhǔn)確度的變化，這個(gè)時(shí)間間隔指幾個(gè)月，幾天，幾小時(shí)，分秒以上。 長期頻率不穩(wěn)定的原因主要是電壓、電流變化，電路參數(shù)的不穩(wěn)定，老化等。測量次數(shù) n 第i所測的相對頻率準(zhǔn)確度 n個(gè)測量數(shù)據(jù)的相對平均值 統(tǒng)計(jì)值表征3.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義短期頻率穩(wěn)定度電路內(nèi)部噪聲主要來源于電阻的熱噪聲及有源器件內(nèi)部的哄聲。例如，晶體管的內(nèi)部噪聲除了熱噪聲之外，還有散粒噪聲以及閃爍噪聲。 指秒或毫秒內(nèi)的隨機(jī)頻率變化，是頻率瞬間的無規(guī)則變化。短穩(wěn)在頻域上

11、又稱為相位抖動或相位噪聲。引起短穩(wěn)不穩(wěn)的原因：頻率源內(nèi)部噪聲3.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義短期頻率穩(wěn)定度理想的輸出信號是純凈的正弦信號 均為常數(shù)實(shí)際上不是理想的，有寄生調(diào)幅與調(diào)相。相位噪聲可以用相位噪聲測試儀，例如HP3047測得。3.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義寄生調(diào)幅 寄生調(diào)相 一般較小，可以采用限幅的辦法消除。 引起短穩(wěn)指標(biāo)惡化的主要根源 隨機(jī)相位噪聲 3.3.1 頻率穩(wěn)定度的定義時(shí)域瞬時(shí)相位瞬時(shí)頻率 瞬時(shí)頻偏 定義短期頻率穩(wěn)定度無法直接測量，測到的只是某一段時(shí)間內(nèi)的平均值。短期頻率穩(wěn)定度的指標(biāo)在頻域用“相位噪聲功率譜密度” 表示在處的噪聲功率譜密度，單位：rad2/Hz振蕩頻率 3.3.2

12、改進(jìn)型電容三端振蕩電路振蕩頻率 3.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路如何減少Ci和Co的影響？增大減弱由于 ， 的變化對振蕩頻率的影響。但Q下降，A減少，頻穩(wěn)度下降。如何保證Q提高,又使Ci和Co的影響下降？3.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路如何保證Q提高,又使Ci和Co的影響下降？減弱有源器件與LC諧振回路之間的耦合有利于提高諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù)減小Pce？Pce=C2/(C1+C2)Pbe=C1/(C1+C2)上升！若C1減小，C2增加！，PCE下降！如何同時(shí)減小Pce和Pbe?3.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路如何同時(shí)減小Pce和Pbe?改進(jìn)型電容三端振蕩電路, clapp振蕩電路。 3

13、.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路 clapp振蕩電路振蕩頻率 起振條件 高頻端不宜起振！3.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路 波段覆蓋系數(shù)clapp振蕩電路的缺點(diǎn)：在波段內(nèi)輸出幅度不均勻 波段覆蓋系數(shù)小不易起振進(jìn)一步改進(jìn)：西勒振蕩電路3.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路 西勒振蕩電路其一， 改變成固定的小電容其二，L上并聯(lián)可變電容 振蕩頻率 起振條件 3.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路 西勒振蕩電路seiler電路改變振蕩頻率時(shí)， 是固定值。從頻率穩(wěn)定的角度看， 愈小愈好， 的選擇原則就是保證起振條件的情況下，盡可能減小 的值。seiler電路在頻率高端更易起振太小，起振條件難滿足不能選得太小振蕩

14、頻率 起振條件 3.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路 實(shí)例交流等效電路？3.3.2 改進(jìn)型電容三端振蕩電路 振蕩器設(shè)計(jì)實(shí)例1、L、C的數(shù)值與頻率的關(guān)系？電容量高于數(shù)百PF后，在10MHz F以后，會呈現(xiàn)電感特性。電感線圈上的雜散電容將使電感成為電容。改進(jìn)方法？選用高Q電感在旁路電容和耦合電容上并100-300PF的低值電容。2、元件的選??？BJT,fT大于5f0。LC振蕩器中，C選高Q值及穩(wěn)定的溫度特性Npo電容。L多選用單層螺旋結(jié)構(gòu)，數(shù)值多在H,nH，若用磁芯，則環(huán)狀可具有較高Q值。3.5 石英晶體振蕩器提高長期頻率穩(wěn)定度，可采取的主要措施有：減小外界因素的變化，主要是溫度的變化，可用恒溫槽；

15、提高諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù)。即提高諧振回路的空載品質(zhì)因數(shù)，減小晶體管、負(fù)載與諧振回路之間的鍋合，采用部分接人，使用小接入系數(shù)方法。 提高有載品質(zhì)因數(shù)！ 不同用途對頻率穩(wěn)定度的要求不一樣：普通信號發(fā)生器：104105精密信號發(fā)生器：107109中波廣播電臺發(fā)射機(jī)：2105電視發(fā)射機(jī)：5107超短波小功率移動電臺：104 105單邊帶電臺：1063.5 石英晶體振蕩器LC諧振回路的空載品質(zhì)因數(shù)很難超過300。長期頻穩(wěn)度 。Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。1. 頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度一般由 來衡量頻率偏移量。振蕩頻率。LC振蕩電路 Q 數(shù)百石英晶體振蕩電路 Q 10000 5000003.5 石

16、英晶體振蕩器2. 基本特性1. 結(jié)構(gòu)：極板間加電場極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場壓電效應(yīng)交變電壓機(jī)械振動交變電壓機(jī)械振動的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率 = 固有頻率時(shí)，振幅最大 壓電諧振3.5 石英晶體振蕩器3.5 石英晶體振蕩器 (1)具有極高的空載品質(zhì)因數(shù)，可達(dá)百萬數(shù)量級。 (2)具有極小的接入系數(shù)，有載品質(zhì)因數(shù)也很高。電路特性：石英晶體振蕩器具有很高的頻率穩(wěn)定度物理性質(zhì)：石英晶體的材料的物理化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定3.5.2 石英諧振器的特性 石英晶體及橫斷面二. 晶體的選型方法1. 選擇合適的外形和尺寸，找到相對應(yīng)的型號2. 選擇您需要的頻點(diǎn)3. 選擇您需要的頻率偏差

17、范圍4. 確認(rèn)產(chǎn)品的負(fù)載容值或電壓范圍3.5.2 石英諧振器的特性3.5.2 石英諧振器的特性石英諧振器的總阻抗為： 石英諧振器串聯(lián)支路的諧振頻率 并聯(lián)諧振頻率 3.5.2 石英諧振器的特性石英諧振器串聯(lián)支路的諧振頻率 并聯(lián)諧振頻率 3.5.2 石英諧振器的特性石英諧振器串聯(lián)支路的諧振頻率 并聯(lián)諧振頻率 石英諧振器的理想電抗曲線3.5.2 石英諧振器的特性石英諧振器的理想電抗曲線 在 與 之間是感抗，其他區(qū)域是容抗 。忽略的 影響 與 之間的等效電感 是從接入端看進(jìn)去的等效電感L3.5.2 石英諧振器的特性石英諧振器的理想電抗曲線L石英晶體具有對頻率變化的補(bǔ)償能力！石英諧振器串聯(lián)支路的諧振頻率

18、 并聯(lián)諧振頻率 石英晶體只工作于兩種方式：1、等效電感 2、 短路元件3.5.3 石英晶體振蕩器電路晶體振蕩器的電路形式主要分為兩類：石英晶體在電路中作為等效電感元件使用并聯(lián)型晶體振蕩器；石英晶體作為串聯(lián)諧振元件使用，工作在串聯(lián)諧振頻率上，稱為串聯(lián)型晶體振蕩器 。并聯(lián)型晶體振蕩器；（晶體作為等效電感元件使用）類似于克拉潑電路晶體振蕩器的諧振回路與振蕩管 之間的耦合非常弱， 從而使頻率穩(wěn)定性 大為提高。非常小晶體支路等效為電感，振蕩電路的諧振頻率往往由晶體外的電容來確定。并聯(lián)型晶體振蕩器1；（晶體作為等效電感元件使用）晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值。晶體元件的負(fù)載電容是指在電路中跨接在晶

19、體兩端的總的外界有效電容。選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。例如一個(gè)晶振的負(fù)載電容為15p或12.5p ，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個(gè)22p的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。 皮爾斯振蕩電路3.5.3 石英晶體振蕩器電路并聯(lián)型晶體振蕩器；（晶體作為等效電感元件使用）并聯(lián)型晶體振蕩器電路舉例1交流等效電路？3.5.3 石英晶體振蕩器電路并聯(lián)型晶體振蕩器電路舉例1在晶振工作頻率 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，晶體等效為電感，容量為 3 10 的可變電容起微調(diào)作用，使振蕩器工作在晶振的標(biāo)稱頻率上 。 3.5.3 石英晶體振蕩

20、器電路并聯(lián)型晶體振蕩器電路舉例2振蕩頻率=？3.5.3 石英晶體振蕩器電路并聯(lián)型晶體振蕩器電路舉例23.5.3 石英晶體振蕩器電路并聯(lián)型晶體振蕩器2；（晶體作為等效電感元件使用）密勒晶振電路 密勒振蕩電路通常不采用晶體管，采用輸入阻抗高的場效應(yīng)管來提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性和頻率的穩(wěn)定性。場效應(yīng)管密勒振蕩電路。3.5.3 石英晶體振蕩器電路串聯(lián)型晶體振蕩器；（晶體工作在串聯(lián)諧振頻率上）3.5.3 石英晶體振蕩器電路串聯(lián)型晶體振蕩器電路舉例1交流等效電路？3.5.3 石英晶體振蕩器電路串聯(lián)型晶體振蕩器電路舉例1交流等效電路振蕩頻率=？調(diào)整時(shí)，先短路石英晶體，調(diào)整頻率比fq略低，再于短路處串入晶體，可振蕩在

21、fq。3.5.3 石英晶體振蕩器電路3.5.2 石英諧振器的特性一個(gè)晶體是否只有一個(gè)諧振頻率？石英晶體不僅只有基頻串聯(lián)諧振頻率，還存在其它與基頻成奇數(shù)倍的串聯(lián)諧振頻率，我們稱之為泛音。奇數(shù)倍的關(guān)系不是嚴(yán)格的奇數(shù)倍，是近似的奇數(shù)倍關(guān)系 。泛音晶體振蕩器用于振蕩頻率較高的場合。這是因?yàn)橛捎谥圃旃に嚨南拗?，基頻太高時(shí)晶片的厚度太薄，很容易破損。有時(shí)在同等條件下，泛音晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度比基頻振蕩器更好?；襞c泛音不能同時(shí)存在！3.5.3 石英晶體振蕩器電路3.5.3 石英晶體振蕩器電路3、泛音晶體振蕩器如何讓振蕩器振蕩在泛音頻率上？ 串聯(lián)型晶振電路，將晶體短路后，調(diào)整振蕩頻率至泛音頻率上！再接上晶體即成泛音振蕩器。串聯(lián)型泛音晶體振蕩器3.5.3 石英晶體振蕩器電路3、泛音晶體振蕩器如何讓振蕩器振蕩在泛音頻率上？ 在泛音晶振電路中 ，為了保證振蕩器能準(zhǔn)確地振蕩在所需要的奇次泛音上 ，不但必須有效地抑制掉基頻和低次泛音上的寄生振蕩 而且必須正確地調(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。3.5.3 石英晶體振蕩器電路3、