通信電子電路 第四章 第6～9節(jié)課件

近代科學技術的發(fā)展對正弦波振蕩器的穩(wěn)定度要求愈來愈高。例如，作為頻率標準的振蕩器的頻率穩(wěn)定度要求達到以上，而對于LC振蕩器，盡管采用各種穩(wěn)頻措施，但理論分析和實踐都表明，其頻率穩(wěn)定度一般只能達到，究其原因主要是回路的Q值不能做得很高（約200以下）。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)定度可達數(shù)量級。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（石英晶體振子）構(gòu)成的振蕩電路通常叫“晶振電路”。晶體振蕩器電路的種類很多，但從晶體在電路中的作用來看分兩類：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及等效電路1.等效電路和符號(a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)等效電路

(c)符號

圖4-20石英諧振器的的結(jié)構(gòu)示意圖、等效電路和符號

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

；rq大約1歐姆到幾十歐姆；Q大約105；Lq大約100H（頻率約100kHz）；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）圖4-21石英諧振器的電抗特性3.電抗—頻率曲線（rq=0）不計動態(tài)電阻rq時的等效阻抗（4-40）由上式看出：當時，Lq

、Cq支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振，Z=0；當時，產(chǎn)生并聯(lián)諧振，或時，，電抗呈容性；時，，電抗呈感性。

4.考慮rq的晶體等效阻抗特性這時，晶體的等效阻抗Z表達式為（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，但是，如果它的電參數(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，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。

1.它的頻率溫度系數(shù)小，用恒溫設備后，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1.電路電路由晶體與外接電容器或線圈構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，按三點線路的連接原則組成振蕩器，晶體等效為?理論上可以構(gòu)成三種類型基本電路，但在實際應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（包括4.5／20pF與20pF兩個小電容）和C1、C2

組成并聯(lián)回路，其振蕩頻率應落在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由Cq、C0及外接電容C、C1、C2組合而成。由下式?jīng)Q定，即3．f0

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。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?？梢姡瑹o論怎樣調(diào)節(jié)C，f0

總是處于晶體fp與fs

的兩頻率之間。但是，只有在fp

附近，晶體才具有并聯(lián)諧振回路的特點。圖4-28串聯(lián)型晶體振蕩器的一種方框圖二、串聯(lián)型晶振電路圖4-29串聯(lián)型晶體振蕩器的實例（一）圖4-30串聯(lián)晶振實例（二）

所謂泛音，是指石英片振動的機械諧波。它與電氣諧波的主要區(qū)別是，電氣諧波與基頻是整數(shù)倍的關系，且諧波和基波同時并存；而泛音是在基頻奇數(shù)倍附近，且兩者不能同時并存。石英諧振器的頻率越高，則要求晶片越薄，則機械強度越差，用在電路中易于振碎。一般晶體頻率不超過30MHz。三、泛音晶振電路圖4－31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)三點式振蕩器的組成原則，該諧振回路應該呈容性阻抗。假如要求晶體工作在5次泛音，則調(diào)諧好的回路對3次泛音呈現(xiàn)感性阻抗，不滿足三點式電路的相位條件，電路不能起振；而對5次泛音，回路又相當一電容，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，具有頻率穩(wěn)定性好，選頻尖銳和調(diào)試簡單的優(yōu)點。但是其抗振性能較差。4.8陶瓷振子和陶瓷振子電路1．機械作用轉(zhuǎn)換成電效應2．電作用轉(zhuǎn)換成機械效應圖4-32壓電效應示意圖一、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單的陶瓷選頻元件，可用于要求不高的場合。廣泛應用的是三端陶瓷元件，它是由兩片陶瓷片和用導電膠粘合起來。由粘合面引出的端子作為公共端，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，其代表符號見圖4-34（b）。圖4-34三端陶瓷元件輸入信號

u加在片A上，它將電能轉(zhuǎn)換成機械能，并發(fā)生振動。振動通過粘合面?zhèn)鞯狡鼘C械能又轉(zhuǎn)換成電能，輸出給外接負載。同樣，當信號頻率與陶瓷片的固有頻率相等時，可以得到最大輸出。在共振的條件下，輸出和輸入信號間可能是同相位，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。

其集電極槽路調(diào)諧于陶瓷振子的頻率。副邊有兩個線圈，一個為輸出線圈，另一個為反饋線圈，通過三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，因為在此頻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（由于物體的振動可以有若干種不同的模式，如橫向振動，縱向振動，彎曲振動等，相應地，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。在實際工作中，當旨在應用某一振動模式時，應采取措施