通信電路原理：第5章 正弦波振蕩器 2

1、笫5章 正弦波振蕩器 5.1 引 言5.2 LC 振蕩器的基本工作原理5.3 LC 振蕩器的電路分析5.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定度5.5 晶體振蕩器5.6 負(fù)阻振蕩器（*）5.7 RC 振蕩器與開關(guān)電容振蕩器（*）5.8 特殊振蕩現(xiàn)象（*）15.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定度 5.4.1 頻率穩(wěn)定度的計(jì)量 5.4.2 相位噪聲 5.4.3 導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因 5.4.4 主要穩(wěn)頻措施5.5 晶體振蕩器 5.5.1 石英諧振器的基本特性 5.5.2 晶體振蕩電路提高諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性削弱不穩(wěn)定因素對(duì)諧振特性的影響選用石英諧振器等固體諧振系統(tǒng)代替由電感、電容構(gòu)成的電磁諧振系統(tǒng)并聯(lián)型晶體振蕩電路串聯(lián)型晶體振

2、蕩電路泛音晶體振蕩電路振蕩器小結(jié)25.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定度5.4.1 頻率穩(wěn)定度的計(jì)量 頻率準(zhǔn)確度 頻率穩(wěn)定度 頻率準(zhǔn)確度又稱頻率精度： 表示振蕩頻率 f 偏離標(biāo)稱頻率 f0 的程度。相對(duì)頻率準(zhǔn)確度：為了合理評(píng)價(jià)不同標(biāo)稱頻率振蕩器的 頻率偏差，頻率準(zhǔn)確度也可用其相對(duì)值表示。35.4.1 頻率穩(wěn)定度的計(jì)量（續(xù)1）頻率穩(wěn)定度則是指在一定觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，由于各種因素變化，引起振蕩頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率的變化程度。（1）長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度（長(zhǎng)穩(wěn)）：觀測(cè)時(shí)間為一天以上的穩(wěn)定度稱為長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度。一般高精度的頻率基準(zhǔn)、時(shí)間基準(zhǔn)（如天文觀測(cè)臺(tái)、國(guó)家計(jì)時(shí)臺(tái)等）均采用長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度來(lái)計(jì)量頻率源的特性。（2）短期頻率穩(wěn)定度

3、（短穩(wěn)）：觀測(cè)時(shí)間在一天以內(nèi)如以小時(shí)計(jì)量的頻率穩(wěn)定度。大多數(shù)電子設(shè)備和儀器均采用短穩(wěn)來(lái)衡量。（3）瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度（秒級(jí)頻率穩(wěn)定度）：瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度用于衡量秒或毫秒時(shí)間內(nèi)頻率的隨機(jī)變化。這些變化均由設(shè)備內(nèi)部噪聲或各種突發(fā)性干擾所引起。45.4.1 頻率穩(wěn)定度的計(jì)量（續(xù)2）RC振蕩器10-3LC振蕩器10-3 10-4普通信號(hào)發(fā)生器10-3 10-4中波廣播臺(tái)210-5短波通信機(jī)10-4 10-5電視發(fā)射臺(tái)510-7標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器10-7 10-9時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)10-11 10-135相位噪聲：實(shí)際振蕩器的輸出不只是一根譜線，還有 兩個(gè)邊帶，這就是相位噪聲；5.4.2 相位噪聲ffct相位噪聲的影響：

4、頻譜不純的發(fā)射信號(hào)會(huì)對(duì)鄰道信號(hào)產(chǎn)生干擾； 接收機(jī)中的本振信號(hào)不純降低了中頻信號(hào)的信噪比； 本振的相位噪聲也干擾數(shù)字通信，增大了誤碼率。6單位是dBc/Hz ，dBc 表示相對(duì)于平均載波功率的大小。單邊相位噪聲功率可用頻譜分析儀來(lái)測(cè)量。相位噪聲的計(jì)量：在頻域是用單邊相位噪聲功率來(lái)表示，單邊相位噪聲是指偏離載頻一定量處，單位頻帶內(nèi)的噪聲功率相對(duì)于平均載波功率的分貝數(shù)。5.4.2 相位噪聲（續(xù)一）無(wú)線通信系統(tǒng)中，一般對(duì)相位噪聲的要求，偏離載頻10KHz時(shí)為： -80 to -110 dBc/Hz。 75.4.3 導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因能使環(huán)路相位平衡條件得以滿足的頻率，即為該振蕩器的振蕩頻率 f0

5、1其與回路自然振蕩頻率 f0、回路有效 Q 值以及環(huán)路附加相移 h 的關(guān)系可寫成：外因：環(huán)境因素變化、負(fù)載變化等。內(nèi)因：相位平衡條件。三途徑85.4.3 導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因（續(xù)1）1. 影響 （或 ）的主要因素各種環(huán)境因素如溫度、濕度、大氣壓力、振動(dòng)等因素對(duì)回路電感和電容的影響；晶體管或其它器件的輸入、輸出阻抗的變化；電路元件間分布電容的變化；負(fù)載電抗參數(shù)的變化。95.4.3 導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因（續(xù)2）2. 影響環(huán)路 Q 值的因素器件輸入、輸出阻抗中的有功部分；負(fù)載電阻的變化；回路損耗電阻尤其是電抗元件的高頻損耗，環(huán)路元器件的高頻響應(yīng)等。105.4.3 導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因（續(xù)

6、3）3. 影響 的因素反饋?zhàn)儔浩鞯姆抢硐腚娍挂蛩刂协h(huán)境因素；晶體管的輸入阻抗和輸出阻抗或其它器件的輸入、輸出阻抗；晶體管的值可為復(fù)數(shù)；環(huán)路內(nèi)各種噪聲源引起的相差抖動(dòng)等。 事實(shí)上，還有許多其它原因，通過上述三途徑對(duì)振蕩頻率的穩(wěn)定性起著不良影響。115.4.4 主要穩(wěn)頻措施1. 提高諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性 回路的標(biāo)準(zhǔn)性是指在外界因素如溫度、濕度、大氣壓力等變化時(shí)，諧振回路保持其諧振頻率固定不變的能力。 提高回路標(biāo)準(zhǔn)性的主要措施是選用高品質(zhì)因數(shù)、高穩(wěn)定性和低溫度系數(shù)、低吸水性的電容器與電感器。負(fù)號(hào)表示頻率變化的方向與電抗變化的方向相反。所以有: 125.4.4 主要穩(wěn)頻措施（續(xù)1）引起電抗元件電感量和電容

7、量變化最明顯的環(huán)境因素是溫度的變化，因此常采用溫度補(bǔ)償法和溫度隔離法。溫度補(bǔ)償法：用具有負(fù)溫度系數(shù)的瓷介電容器，接入由普通的具有正溫度系數(shù)的電感和電容組成的諧振回路。溫度隔離法：將電抗元件置于特制的恒溫槽內(nèi)，使槽內(nèi)的溫度基本上不隨外界環(huán)境溫度的變化。選用石英諧振器等固體諧振系統(tǒng)代替由電感、電容構(gòu)成的電磁諧振系統(tǒng)。 由于這類諧振系統(tǒng)構(gòu)成的振蕩器，不但頻率穩(wěn)定性、頻率準(zhǔn)確度高，而且體積、耗電均很小，因此，在許多領(lǐng)域已被廣泛地采用。1. 提高諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性（續(xù)1）135.4.4 主要穩(wěn)頻措施（續(xù)2）2. 削弱不穩(wěn)定因素對(duì)諧振特性的影響晶體管的參數(shù)穩(wěn)定：晶體管參數(shù)（輸入輸出阻抗等）受工作點(diǎn)的影響較大

8、，注意選擇工作點(diǎn)穩(wěn)定的電路與良好的穩(wěn)壓電路。選擇回路與器件間的接入系數(shù)：晶體管的輸入輸出阻抗、外接負(fù)載阻抗、分布電容和引線電感都是影響回路標(biāo)準(zhǔn)性的重要因素。因此選擇合適的回路與器件間的接入系數(shù)，選擇合適的回路與負(fù)載間的耦合系數(shù)，對(duì)提高頻率穩(wěn)定性是十分重要的。例：為了阻止負(fù)載對(duì)振蕩器的影響，振蕩器一般都是通過具有高輸入阻抗的跟隨器輸出。如必須直接連接時(shí)，也常采用變比較大的降壓變壓器，或分壓比很小的電容分壓網(wǎng)絡(luò)再與其它負(fù)載相聯(lián)接。145.4.4 主要穩(wěn)頻措施（續(xù)3）改進(jìn)電路：減小振蕩管的輸入、輸出阻抗對(duì)回路振蕩頻率的影響，是提高振蕩頻率穩(wěn)定性的一個(gè)非常重要的課題。 在三點(diǎn)式振蕩電路中，器件三個(gè)端口

9、的等效阻抗 直接與回路三個(gè)電抗元件相連接，由于器件端口等效阻抗隨工作狀態(tài)改變而改變，由它構(gòu)成的振蕩器其頻率穩(wěn)定度的提高也必然會(huì)受到嚴(yán)重的影響。為了改善普通三點(diǎn)振蕩電路的頻率穩(wěn)定性而提出的兩種改進(jìn)型的電路（克拉潑振蕩器和西勒振蕩器） 。2. 削弱不穩(wěn)定因素對(duì)諧振特性的影響（續(xù)1）15舉例:（1）考畢茨電路 ，求 ，若 求由此引起的 及 。（2）克拉潑電路 ，已選C=60pF，求若 ，求由此引起的 及 。給定電容反饋三點(diǎn)式振蕩電路 ：若選F=1/5，對(duì)以下兩種電路分別計(jì)算并比較。即比較同樣的輸入電容變化給兩種電路帶來(lái)的頻率變化。16舉例(續(xù)1)解：（1）計(jì)算考畢茨電路 的元件值和參數(shù)17舉例(續(xù)2

10、)（2）計(jì)算克拉潑電路 的元件值和參數(shù)185.5 晶體振蕩器利用石英晶體的壓電和反壓電效應(yīng)對(duì)正弦振蕩頻率進(jìn)行控制的振蕩器稱為晶體振蕩器。石英晶體的物理性能和化學(xué)性能十分穩(wěn)定，對(duì)周圍環(huán)境條件（如溫度、濕度、大氣壓力）的變化不敏感。晶體振蕩器突出的優(yōu)點(diǎn)是可以組成頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度很高的正弦波振蕩器： 10-410-6； 10-710-8 （加恒溫控制）； 10-1210-13（極限） 。19壓電和反壓電效應(yīng)：石英是一種具有晶體結(jié)構(gòu)、外形呈角椎形六棱體的礦物質(zhì)。當(dāng)按某種方式將其切割成一定厚度的薄片時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)它具有一種特殊的物理現(xiàn)象：當(dāng)石英晶體沿某一電軸受到交變電場(chǎng)作用時(shí)，就能沿機(jī)械軸產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，

11、反過來(lái)，當(dāng)機(jī)械軸受力時(shí)，就能在電軸方向產(chǎn)生電場(chǎng)。我們稱之為壓電和反壓電效應(yīng)。 石英晶體和其他彈性體一樣，具有慣性和彈性，因而存在著固有振動(dòng)頻率，并與其物理特性、幾何尺寸和外形有關(guān)。在諧振頻率處，換能效率最高。石英晶體實(shí)際上是一個(gè)能把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能，又能把電場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的可逆換能器，205.5.1 石英諧振器的基本特性1. 石英諧振器的等效電路石英諧振器還存在各種奇次泛音振動(dòng)模式，用基音振動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率控制的晶體稱為基音晶體，其余稱為泛音晶體。采用AT切割石英片的基頻頻率一般都限制在20MHz以下。因?yàn)榇藭r(shí)石英片的厚度僅有0.041mm，頻率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的強(qiáng)度。2

12、15.5.1 石英諧振器的基本特性（續(xù)1）2. 石英諧振器的諧振頻率225.5.1 石英諧振器的基本特性（續(xù)2）02. 石英諧振器的諧振頻率233. 石英諧振器的基本特性很高的等效品質(zhì)因數(shù)（104106）： 石英諧振器最大的特點(diǎn)是具有很大的等效電感量和很小 的損耗電阻。很小的接入系數(shù) P（10-310-4）： 當(dāng)外界電抗元件與之相連接時(shí)，對(duì)石英諧振器的固有諧 振特性的影響是十分微弱的。具有兩個(gè)諧振頻率，且兩個(gè)諧振頻率十分接近：5.5.1 石英諧振器的基本特性（續(xù)3） 書上例題，52.5Hz245.5.2 晶體振蕩電路三種反饋振蕩器：晶體在電路中作為等效電感元件用，為并聯(lián)型晶體振蕩電路。晶體在振

13、蕩環(huán)路中起著高 Q 電感器的作用。電路中當(dāng)串聯(lián)諧振元件用，為串聯(lián)型晶體振蕩電路。晶體則起著具有高 Q 短路器作用。泛音晶體振蕩器：利用石英諧振器的振蕩器稱為泛音晶體振蕩器。石英諧振器構(gòu)成振蕩器可以有兩種工作方式：高Q短路線（f=fq）：串聯(lián)型晶體振蕩器；等效L（fqffp）：并聯(lián)型晶體振蕩器。0251. 并聯(lián)型晶體振蕩電路（1）皮爾斯電路RFCCBE如令 ， 是 和（ + ）的串聯(lián)。CEB261. 并聯(lián)型晶體振蕩電路（續(xù)1）石英晶體參數(shù)具有高度穩(wěn)定性，q 穩(wěn)定，0 也很穩(wěn)定；由于Cq q ，石英諧振器是等效為電感 L 用；回路振蕩頻率近似等于q ，可通過CL微調(diào)，但范圍很小。271. 并聯(lián)型晶

14、體振蕩電路（續(xù)2）注意三種頻率：石英諧振器的振蕩頻率；振蕩回路的振蕩頻率；并聯(lián)型晶體振蕩電路的振蕩頻率 （考慮h的影響）。（2）密勒（Miller）電路石英晶體 JT 被晶體管輸入阻抗所并聯(lián)，降低了有載品質(zhì)因數(shù) Q ，降低了頻率穩(wěn)定度，故密勒電路使用不多。282. 串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)諧振型，晶體為高 Q 短路器作用。L0作用：去除C0的不良影響。293. 泛音晶體振蕩器要求較高的工作頻率時(shí)，一般均是泛音晶體，其泛音次數(shù)通常選為37次泛音。泛音次數(shù)太高，晶體的性能也將顯著下降。石英晶體中的機(jī)械諧波（泛音）和電路中諧波的區(qū)別：電路中諧波是基波的整數(shù)倍，是同時(shí)并存。泛音是基波的奇數(shù)倍，不能同時(shí)并存

15、。泛音晶體振蕩器的振蕩環(huán)路中，必須包含兩個(gè)振蕩回路： 振蕩器的振蕩回路泛音選擇振蕩回路泛音選擇頻率處能夠滿足相位平衡條件和幅度平衡條件。泛音選擇頻率設(shè)計(jì)在 n 次泛音和（n-2） 次泛音之間。303. 泛音晶體振蕩器（續(xù)1）泛音選擇電路： 設(shè)石英晶體泛音為 5次泛音晶體，f為晶體的基音頻率。泛音選擇電路在振蕩頻率處等效為電容。315-15：某廣播發(fā)射機(jī)的主振器實(shí)際電路如圖所示。試畫出該電路的交流等效電路，并分析該電路采用了哪幾種穩(wěn)頻措施。舉例1：習(xí)題5-15（晶體當(dāng)?shù)刃щ姼性茫┓€(wěn)壓輸出 恒溫槽32舉例2：習(xí)題5-16 （當(dāng)?shù)刃щ姼性茫?-16：某通信接收機(jī)的本振電路如圖所示。試畫出其交

16、流等效電路，并說明是什么形式的電路。33舉例3：（高 Q 短路器作用）12P36P10P6800P6800P30K2.7K5.6P輸出10P36P12P34振蕩器小結(jié)：振蕩器的起振 、平衡和穩(wěn)定條件的分析。振蕩器的頻率穩(wěn)定度的討論：導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因：f0，Q，h。主要穩(wěn)頻措施：電路形式；諧振回路的選擇；溫度補(bǔ)償法和溫度隔離法；選擇回路與器件間的接入系數(shù)；減小負(fù)載對(duì)振蕩器的影響。振蕩器的電路形式：互感耦合 LC 振蕩電路；三點(diǎn)式振蕩器；晶體振蕩器；負(fù)阻振蕩器；RC 振蕩器與開關(guān)電容振蕩器。35習(xí)題十：5-15，5-16，5-17 CAD6 ：5-2036CAD6 ： 5-20 題圖5。1

17、7是實(shí)驗(yàn)一：電容串聯(lián)改進(jìn)型三點(diǎn)式振蕩電路（克拉潑電路）的電路圖，其中 ， 通常是可變電容。 振蕩頻率主要由決定， 。由于電路中串入了比 小很多的電容 ，故晶體管集電極與振蕩回路的耦合比電容三點(diǎn)式反饋電路要弱很多。分析不同靜態(tài)工作電流，不同反饋系數(shù)對(duì)振蕩器特性的影響。37CAD6：5-20 （續(xù)1）設(shè)晶體管參數(shù)為：（1）調(diào)節(jié)電阻 ，使 ；（2）調(diào)節(jié) ，計(jì)算振蕩頻率的變化范圍 ，并確定 =6.5MHz時(shí) 的取值。（3） 和 取如下不同值（反饋系數(shù) ），研究它們對(duì)起振點(diǎn)的影響。 ； ； ； 。（4）改變電路靜態(tài)工作電流，例如取0.5mA，1mA，3mA，5mA時(shí)研究它對(duì)振蕩頻率 和振蕩幅度的影響；38CAD6：5-20 （續(xù)2）（5）改變負(fù)載電阻 ，例如取33k、10k、4.7k，研究它對(duì)振蕩頻率 和振蕩幅度的影響。題圖5。17 克拉潑振蕩器返回39某廣播發(fā)射機(jī)的主振器實(shí)際電路如圖所示。試畫出該電路的交流等效電路，并分析該電路采用了哪幾種穩(wěn)頻措施。 舉例：習(xí)題5-15返回輸出 恒溫槽穩(wěn)頻措施：晶體；克拉潑電路形式；恒溫槽；穩(wěn)壓；跟隨器輸出。40舉例：習(xí)題5-16返回某通信接收機(jī)的本振電路如圖所示。試畫出其交流等效電路，并說明是什么形式的電路。 西勒電路41有關(guān)振蕩器的頻率穩(wěn)定振蕩器的平衡條件：振幅平衡條件： AF =1。相位平衡條件：振蕩器的穩(wěn)定條