最新-第四章-第6～9節(jié)-PPT課件

1、 近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)正弦波振蕩器的穩(wěn)定度要求愈來愈高。例如，作為頻率標(biāo)準(zhǔn)的振蕩器的頻率穩(wěn)定度要求達(dá)到 以上，而對(duì)于LC振蕩器，盡管采用各種穩(wěn)頻措施，但理論分析和實(shí)踐都表明，其頻率穩(wěn)定度一般只能達(dá)到 ，究其原因主要是回路的Q 值不能做得很高（約200以下）。石英晶體振蕩器就是以石英晶體諧振器取代LC振蕩器中構(gòu)成諧振回路的電感、電容元件所組成的正弦波振蕩器，它的頻率穩(wěn)定度可達(dá) 數(shù)量級(jí)。4.6 石英晶體諧振器 石英晶體振蕩器之所以具有極高的頻率穩(wěn)定度，其關(guān)鍵是采用了石英晶體這種具有高Q 值的諧振元件。 由石英諧振器構(gòu)成的振蕩電路叫“晶振電路”。晶體振蕩器電路的種類很多，但根據(jù)晶體在電路中的作用來看

2、分兩類： 一類是工作在晶體并聯(lián)諧振頻率附近，晶體等效為電感的情況，叫做“并聯(lián)晶振電路”。 另一類是工作在晶體串聯(lián)諧振頻率附近，晶體近于短路的情況，叫做“串聯(lián)晶振電路”。一、石英晶體的壓電效應(yīng)及等效電路1. 等效電路和符號(hào)(a) 結(jié)構(gòu)示意圖(b)等效電路 (c)符號(hào) 圖4-20 石英諧振器的的結(jié)構(gòu)示意圖、等效電路和符號(hào) 2.石英諧振器的特點(diǎn) 等效電感Lq非常大，而Cq和rq都非常小，所以石英諧振器的Q 值非常高（ ），可以達(dá)幾萬到幾百萬，因此石英晶體諧振器的振蕩頻率穩(wěn)定度非常高。3. 等效參數(shù) 一般常用石英諧振器的等效參數(shù)大致是： Cq大約0.005 0.1pF ；C0大約2pF 5pF ； r

3、q大約1歐姆到幾十歐姆； Q大約105；Lq大約100H（頻率約100 kHz）；1H（頻率約1MHz）；10mH（頻率約10MHz）。 Lq的數(shù)值取決于晶片的厚度，低頻晶體較厚，質(zhì)量較大，動(dòng)態(tài)電感Lq 較大，而高頻晶體較薄，質(zhì)量較小，所以Lq較小。二、石英晶體的阻抗特性 從等效電路可看出，石英諧振器有兩個(gè)諧振頻率，串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率。1.串聯(lián)諧振頻率 fs 在等效電路中，Lq、Cq組成串聯(lián)諧振回路，串聯(lián)諧振頻率為2. 并聯(lián)諧振頻率 fp 如果將C0 也考慮進(jìn)去，則Lq、Cq與C0 組成并聯(lián)諧振回路，并聯(lián)諧振頻率為（4-38） 由于 ，所以fp 和fs 相隔很近， 由式（4-38）有當(dāng)

4、 時(shí),圖4-21 石英諧振器的電抗特性3. 電抗頻率曲線（rq =0） （4-40）由上式看出：當(dāng) 時(shí)，Lq 、Cq支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振，Z =0 ；當(dāng) 時(shí)，產(chǎn)生并聯(lián)諧振， 或 時(shí)， ，電抗呈容性； 時(shí)， ，電抗呈感性。 由于 與 兩諧振頻率與之差很小，所以呈感性的阻抗曲線非常陡峭。實(shí)用中，石英諧振器工作在頻率范圍窄的電感區(qū)（可以把它看成一個(gè)電感），只是在電感區(qū)，電抗曲線才有非常大的斜率（這對(duì)穩(wěn)定頻率很有利），電容區(qū)是不宜使用的。 4.考慮 rq 的晶體等效阻抗特性這時(shí)，晶體的等效阻抗 Z 表達(dá)式為（4-41）三、石英諧振器的頻率溫度特性 雖然石英諧振器等效回路具有高Q 的優(yōu)點(diǎn)，但是，如果它的電參

5、數(shù)不穩(wěn)定，仍然不能保證頻率穩(wěn)定度的提高。這還要看溫度變化時(shí)，它的頻率是否穩(wěn)定。 在一定的溫度范圍之內(nèi)，石英晶體的各電參量具有較小的溫度系數(shù)。具體情況與晶片切割類型有關(guān)。 1.它的頻率溫度系數(shù)小，用恒溫設(shè)備后，更可保證頻率穩(wěn)定。 2.石英諧振器的Q值非常高，在諧振頻率fp或 fs 附近，相位特性變化率很高（相頻特性的斜率很大），這有利于穩(wěn)頻。 3.石英諧振器的 ，使振蕩頻率基本上由Cq和 Lq 決定，外電路對(duì)振蕩頻率的影響很小。四、石英諧振器頻率穩(wěn)定度高的原因4.7 石英晶體振蕩器電路 并聯(lián)晶振電路工作在晶體并聯(lián)諧振頻率附近，晶體等效為電感； 串聯(lián)晶振電路工作在晶體串聯(lián)諧振頻率附近，晶體近于短路

6、。1. 電路 由晶體與外接電容器或線圈構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，按三點(diǎn)線路的連接原則組成振蕩器，晶體等效為電感 理論上可以構(gòu)成三種類型基本電路，但在實(shí)際應(yīng)用中常用的是圖所示的電路，稱“皮爾斯”電路。這種電路不需外接線圈，而且頻率穩(wěn)定度較高。圖4-25 并聯(lián)晶體振蕩器 原理電路圖一、并聯(lián)晶振電路圖4-26 并聯(lián)晶體振蕩器實(shí)例2振蕩頻率 f0的確定 這里，晶體等效為電感，晶體與外接電容(稱為晶體的負(fù)載電容,這里包括4.520pF與 20pF 兩個(gè)小電容以及C1、 C2 )，其振蕩頻率應(yīng)落在 fp 與 fs 之間。 圖4-27是圖4-26中諧振回路的等效電路。該諧振回路的電感就是Lq ，而諧振回路的總電容應(yīng)

7、由Cq 、 C0及外接電容 C 、 C1 、 C2 組合而成。 由下式?jīng)Q定，即 圖4-27 圖4-26中諧振回路的等效電路選擇電容時(shí)， 所以（4-49）3f0 總是處在 fp 與 fs 兩頻率之間 調(diào)節(jié)C 可使 f0 產(chǎn)生很微小的變動(dòng)。如果C 很大，取 代入式（4-49）可得f0 最小值為 即晶體串聯(lián)諧振頻率 若C 很小，取 代入式（4-49） 可得 f0 的最大值為 即晶體并聯(lián)諧振頻率。可見，無論怎樣調(diào)節(jié)C，f0 總是處于晶體fp 與 fs 的兩頻率之間。圖4-28 串聯(lián)型晶體振蕩器的一種方框圖 二、串聯(lián)型晶振電路 晶體工作在串聯(lián)諧振頻率附近，阻抗呈短路，構(gòu)成正反饋產(chǎn)生振蕩。 串聯(lián)型晶體振蕩

8、器的一種框圖如圖4-28所示。因?yàn)槭莾杉?jí)共發(fā)放大器,所以輸出電壓與輸入電壓同相。輸出經(jīng)石英諧振器和負(fù)載電容反饋到輸入端，這個(gè)反饋是正反饋。由于石英諧振器的選頻作用，只有在石英諧振器和負(fù)載電容所決定的串聯(lián)諧振頻率上，串聯(lián)阻抗最小，正反饋?zhàn)顝?qiáng)。因此，在這個(gè)頻率上產(chǎn)生振蕩。圖4-29 串聯(lián)型晶體振蕩器(9kHz)的實(shí)例（一）圖4-30 串聯(lián)晶振(1MHz)實(shí)例（二） 泛音是指石英片振動(dòng)的機(jī)械諧波。它與電氣諧波的主要區(qū)別是，電氣諧波與基頻是整數(shù)倍的關(guān)系，且諧波和基波同時(shí)并存；而泛音是在基頻奇數(shù)倍附近，兩者不能同時(shí)并存。 石英諧振器的頻率越高，則要求晶片越薄，則機(jī)械強(qiáng)度越差，用在電路中易于振碎。一般基音

9、晶體頻率不超過30MHz。三、泛音晶振電路 為了提高晶振電路的工作頻率可使電路振蕩頻率工作在晶體的諧波（一般在三次到七次諧波）頻率上，這是一種特制的晶體，叫做泛音晶體（例如JA12型）。 這樣就可利用幾十兆赫基頻的晶片產(chǎn)生上百兆赫的穩(wěn)定振蕩。圖431 并聯(lián)型泛音晶體振蕩器并聯(lián)型泛音晶體振蕩器如圖所示。 它與皮爾斯振蕩器不同之處是用諧振回路代替了電容，而根據(jù)三點(diǎn)式振蕩器的組成原則，該諧振回路應(yīng)該呈容性阻抗。假如要求晶體工作在5次泛音，則調(diào)諧好的回路對(duì)3次泛音呈現(xiàn)感性阻抗，不滿足三點(diǎn)式電路的相位條件，電路不能起振；而對(duì)5次泛音，回路又相當(dāng)一電容，即滿足了起振的相位條件，若又滿足了振幅條件，電路才可

10、以振蕩。 用泛音晶振也可以組成串聯(lián)型泛音晶體振蕩器其電路圖類似于圖4-30，不同的是回路應(yīng)調(diào)諧在需要的 n 次泛音上，其頻率穩(wěn)定度仍由晶體控制，可以做得很高。 采用壓電陶瓷元件作為振蕩槽路及選頻網(wǎng)絡(luò)，具有頻率穩(wěn)定性好，選頻尖銳和調(diào)試簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。但是其抗振性能較差。4.8 陶瓷振子和陶瓷振子電路1機(jī)械作用轉(zhuǎn)換成電效應(yīng)2電作用轉(zhuǎn)換成機(jī)械效應(yīng)圖4-32 壓電效應(yīng)示意圖一、壓電陶瓷元件的特性圖4-33 二端陶瓷元件的等效電路及其頻率特性 二、陶瓷振子 由一陶瓷片構(gòu)成的二端陶瓷元件是最簡(jiǎn)單的陶瓷選頻元件，可用于要求不高的場(chǎng)合。廣泛應(yīng)用的是三端陶瓷元件，它是由兩片陶瓷片和用導(dǎo)電膠粘合起來。由粘合面引出的端

11、子作為公共端，而由另兩面引出的端子分別作輸入和輸出端，如圖4-34（a）所示，其代表符號(hào)見圖4-34（b）。圖4-34 三端陶瓷元件 輸入信號(hào) u 加在片A 上，它將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，并發(fā)生振動(dòng)。振動(dòng)通過粘合面?zhèn)鞯狡?，它將機(jī)械能又轉(zhuǎn)換成電能，輸出給外接負(fù)載。同樣，當(dāng)信號(hào)頻率與陶瓷片的固有頻率相等時(shí)，可以得到最大輸出。在共振的條件下，輸出和輸入信號(hào)間可能是同相位，也可能有180相位差，這要視該元件是由陶瓷片的哪兩個(gè)面粘合起來而定。這樣的三端元件可用于振蕩器，并稱之為陶瓷振子。圖4-35 陶瓷振子振蕩電路 其集電極槽路調(diào)諧于陶瓷振子的頻率。 副邊有兩個(gè)線圈，一個(gè)為輸出線圈，另一個(gè)為反饋線圈，通過三

12、端陶瓷振子選頻反饋至的基極。其振蕩頻率基本上等于陶瓷振子的頻率，因?yàn)樵诖祟l率下的反饋量最大且相位可以滿足振蕩條件。 集電極槽路的調(diào)諧狀況對(duì)振蕩頻率有一定影響，但與振子比起來是次要的，可作頻率微調(diào)用。R1、C2 組成低通濾波器，有抑制陶瓷振子其他高頻模式的作用（由于物體的振動(dòng)可以有若干種不同的模式，如橫向振動(dòng)，縱向振動(dòng)，彎曲振動(dòng)等，相應(yīng)地，一片陶瓷元件可以具有若干種不同的串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率。在實(shí)際應(yīng)用于某一振動(dòng)模式時(shí)，應(yīng)采取措施將其他模式抑制下去）。C1 、C2亦可微調(diào)頻率。 單片集成振蕩器E1648是ECL中規(guī)模集成電路。 圖所示是利用E1648組成的正弦波振蕩器。振蕩頻率 4.9 單片集成振

13、蕩電路E1648Ci是10,12腳之間的輸入電容,約6pF圖4-36 利用E1648組成的正弦波振蕩器一.RC移相振蕩器 RC移相振蕩器是利用RC網(wǎng)絡(luò)的移相特性，使振蕩器的 最簡(jiǎn)單的RC移相網(wǎng)絡(luò)可用電阻和電容串聯(lián)構(gòu)成，如圖3.17所示。 圖所示是超前移相網(wǎng)絡(luò)。其傳輸特性為 RC正弦波振蕩器圖3.17 RC串聯(lián)移相網(wǎng)絡(luò) 其中，時(shí)常數(shù)=RC。幅頻特性為相頻特性為 (3.32) (3.33) 由上式可知，當(dāng)一定時(shí)，輸入信號(hào)頻率在0-之間變化時(shí)，該電路的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的相位差在90-00，即輸出信號(hào)相位超前輸入信號(hào)相位，不同頻率對(duì)應(yīng)不同的相移值；當(dāng)信號(hào)頻率一定時(shí)，調(diào)整值在0-之間變化時(shí)同樣也可

14、以產(chǎn)生90到0的相移。圖3.18 RC串聯(lián)超前網(wǎng)絡(luò)頻率特性 c稱為截止頻率 幅頻特性和相頻特性 如圖3.19所示。由圖可見，該電路也可實(shí)現(xiàn)0-90之間的相移，截止頻率 對(duì)應(yīng)的相移(C)=-45。圖3.17(b)所示是滯后相移網(wǎng)絡(luò)。其頻率響應(yīng)圖3.19 RC串聯(lián)滯后網(wǎng)絡(luò)頻率特性 圖3.19 由運(yùn)算放大器和RC超前移相網(wǎng)絡(luò) 構(gòu)成的振蕩器 RC移相式振蕩器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，種類較多，改變RC時(shí)間常數(shù)可調(diào)節(jié)頻率，其范圍在幾赫到幾十千赫茲，因選頻性能不強(qiáng)，故波形較差。3.2.2 RC選頻振蕩器 RC選頻振蕩器是利用具有選頻特性的RC網(wǎng)絡(luò)篩選出滿足起振條件的信號(hào)而實(shí)現(xiàn)振蕩。圖3.20為具有選頻特性的RC串并聯(lián)

15、網(wǎng)絡(luò)，其電壓傳輸系數(shù)為 圖3.20 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 其中幅頻特性和相頻特性表達(dá)式為 圖3.21 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線 根據(jù)以上兩式可畫出相應(yīng)的頻率特性曲線如圖3.21所示, 根據(jù)帶寬的定義,由式(3.2.3)可求得帶寬B3o,品質(zhì)因素Q=o/B=1/3, 與LC諧振電路相比，品質(zhì)因數(shù)很低，帶寬很寬，選頻性能不如LC選頻網(wǎng)絡(luò)好。這是RC網(wǎng)絡(luò)共有的特點(diǎn)，所以用RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩器波形質(zhì)量較差。 圖3.22 文氏電橋振蕩器 顯然該振蕩器的工作頻率g=o=1/RC。同相運(yùn)算放大器的增益A=1+Rf/R1，在=g時(shí)反饋系數(shù)F=1/3，根據(jù)起振幅度條件AF1，即 可求得該振蕩器的起振具體條件是 這種振蕩器由于采用了線性放大器, 故