通信電子線路 課件 第5章 LC 正弦波振蕩器

第5章LC正弦波振蕩器5.1概述5.2反饋式振蕩器的基本原理5.3LC

正弦波振蕩器5.4振蕩器的頻率穩(wěn)定度5.5石英晶體振蕩器5.6LC

正弦波振蕩器設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例

【應(yīng)用背景】

正弦波振蕩器在通信、廣播電視、自動(dòng)控制、電子測(cè)量以及其他電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。無(wú)線電通信或廣播中，作為發(fā)射機(jī)的高頻振蕩器(如圖5-1所示的陰影框圖)產(chǎn)生高頻載波信號(hào)；作為接收機(jī)的本地振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)；在各種定時(shí)系統(tǒng)中，用來(lái)作為時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)；各種電子測(cè)量設(shè)備，如高頻信號(hào)源、Q表等，其核心部分都是正弦波振蕩器。

圖5-1高頻LC正弦波振蕩器應(yīng)用示例

5.1概述

常用的正弦波振蕩器主要由決定頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)和維持振蕩的正反饋放大電路兩部分組成。按選頻回路所采用的元件不同，正弦波振蕩器可分為L(zhǎng)C、RC及石英晶體振蕩器等，這類(lèi)振蕩器統(tǒng)稱(chēng)為反饋振蕩器。其中，RC振蕩器已在“低頻電路”課程中講授，故本章主要介紹LC正弦波振蕩器的基本理論、各種LC正弦波振蕩電路以及石英晶體振蕩器、頻率穩(wěn)定度概念及穩(wěn)頻措施。

5.2反饋式振蕩器的基本原理

5.2.1平衡條件所謂平衡條件，是指振蕩已經(jīng)建立，為了維持自激振蕩，電路必須滿足的幅度與相位關(guān)系。圖5-2是反饋式振蕩器的原理框圖。

圖5-2反饋式振蕩器原理方框圖

即振幅起振條件和相位起振條件分別為

式(5-4)說(shuō)明起振時(shí)反饋信號(hào)的幅度應(yīng)當(dāng)大于輸入信號(hào)幅度，同時(shí)電路的連接必須是正反饋形式。

假設(shè)反饋系數(shù)F是常數(shù)，則振蕩器的環(huán)路增益AF的特性如圖5-3所示。由圖可見(jiàn)，一開(kāi)始Ui很小，為了滿足起振條件AF>1，調(diào)諧放大器必須有足夠的增益，因此，靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在放大區(qū)。此時(shí)，放大器工作在小信號(hào)狀態(tài)，放大倍數(shù)A恒定不變，即AF恒定不變。

圖5-3振蕩器的環(huán)路增益AF的特性

當(dāng)Ui較大時(shí)，有兩個(gè)原因使得振蕩器由起振過(guò)渡到平衡：一是放大器固有的非線性特性。隨著輸入電壓增大，放大器進(jìn)入非線性區(qū)，放大倍數(shù)A開(kāi)始下降，AF由AF>1下降到AF=1，進(jìn)入到平衡狀態(tài)(如圖5-3所示的平衡點(diǎn)Q)。二是放大器的自給偏置效應(yīng)，將加快這種過(guò)渡。具有自給偏置效應(yīng)的振蕩管偏置電路如圖5-4所示，當(dāng)振蕩電路未起振時(shí)，三極管的基極電流IB0和發(fā)射極電流IE0分別為靜態(tài)工作電流IBQ和IEQ

，則發(fā)射結(jié)電壓UBEQ=EC-IBQRB-IEQRE。當(dāng)振蕩器起振后，振蕩電壓逐漸加大，三極管的基極電流和發(fā)射極電流也逐漸加大，使得發(fā)射結(jié)電壓減小，放大管由導(dǎo)通區(qū)向截止區(qū)移動(dòng)，放大倍數(shù)降低，振蕩器的起振狀態(tài)將比固定偏置時(shí)更快地過(guò)渡到平衡狀態(tài)，如圖5-5所示。

圖5-4自給偏置電路圖

圖5-5-在自給偏置效應(yīng)下AF隨Ui的變化特性

5.2.3穩(wěn)定條件

1.振幅穩(wěn)定條件

要使振幅穩(wěn)定，振蕩器在它的平衡點(diǎn)必須具有自動(dòng)阻止幅度變化的能力。下面分析如圖5-3所示的環(huán)路增益特性中Q平衡點(diǎn)是否穩(wěn)定?若因某種外界原因使Ui

>UiQ，由于振蕩器具有如圖5-3所示的環(huán)路增益特性，因此電路的放大倍數(shù)A會(huì)隨之減小(由于反饋系數(shù)F是常數(shù))，振蕩幅度就會(huì)衰減，驅(qū)使Ui自動(dòng)減小而回到Q點(diǎn)；反之，若因某種原因使Ui

<UiQ，則因放大倍數(shù)A隨之增大而引起增幅振蕩，也迫使Ui

自動(dòng)增大而回到Q點(diǎn)。

因此，該Q點(diǎn)是穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。可見(jiàn)，放大倍數(shù)A應(yīng)具有隨著輸入電壓Ui增大而減小的特性，也即在平衡點(diǎn)處特性曲線應(yīng)為負(fù)斜率，即

式(5-5)就是振蕩器振幅穩(wěn)定條件。需要說(shuō)明的是，在實(shí)際的振蕩電路中，當(dāng)晶體管工作在大信號(hào)狀態(tài)時(shí)，放大倍數(shù)A恰好具有這種隨幅度增強(qiáng)而下降的特性，自然振蕩器也就具有這種自動(dòng)穩(wěn)定振幅的功能。

下面觀察圖5-6，圖中有兩個(gè)平衡點(diǎn)A和B，那么哪一個(gè)是穩(wěn)定的平衡點(diǎn)呢?由圖可見(jiàn)，當(dāng)Ui很小時(shí)，AF<1，電路不能起振，但是如果給一個(gè)大于UiB的擾動(dòng)電壓，例如，在基極用金屬棒敲擊一下，使得AF>1，那么電路開(kāi)始起振，然后過(guò)渡到A點(diǎn)，而該點(diǎn)處的曲線斜率小于零，因此振蕩器能夠在A點(diǎn)處穩(wěn)定地、持續(xù)地工作。因此，A點(diǎn)是穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，B點(diǎn)是不穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)檎袷幤鞯撵o態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在緊靠截止區(qū)的位置，當(dāng)接通電源時(shí)，是不會(huì)自行起振的，必須施以大的外力才可能振蕩，將這種振蕩稱(chēng)為硬激勵(lì)。一個(gè)合格的振蕩器，必須避免硬激勵(lì)狀態(tài)。那么，具有如圖5-3所示的環(huán)路增益AF特性的振蕩稱(chēng)為軟激勵(lì)，即當(dāng)電源接通時(shí)，振蕩器能夠自行起振。

圖5-6硬激勵(lì)狀態(tài)下的環(huán)路增益特性

實(shí)際振蕩電路中有兩種穩(wěn)幅方法：

一種就是前面講的振幅穩(wěn)定條件，這是內(nèi)穩(wěn)幅；

另一種，就是可以在振蕩環(huán)路中插入非線性環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅，這是外穩(wěn)幅。

2.相位穩(wěn)定條件(頻率穩(wěn)定條件)

相位穩(wěn)定條件實(shí)際上也是頻率穩(wěn)定條件，因?yàn)檎袷幍慕穷l率就是相位的變化率所以當(dāng)振蕩器的相位穩(wěn)定時(shí)，頻率也必然穩(wěn)定。

圖5-7滿足相位穩(wěn)定條件所需的相頻特性

5.2.4反饋式振蕩器的基本組成及其分析方法

任何一種反饋式正弦波自激振蕩器，最少應(yīng)包括以下三個(gè)基本組成部分：

(1)有源器件。

(2)選頻網(wǎng)絡(luò)。

(3)正反饋網(wǎng)絡(luò)。

首先，檢查實(shí)際振蕩電路組成是否合理，包括直流通路、交流通路(相位平衡條件)是否正確。其次，分析起振條件。由于振蕩器開(kāi)始時(shí)Ui很小，放大管工作在特性的線性區(qū)域，因此可以用小信號(hào)微變等效電路來(lái)分析和推導(dǎo)環(huán)路增益AF的表示式，并由此求出振幅起振條件。如果實(shí)際振蕩器電路是合理的，而且又滿足起振條件，那么振蕩器必然能夠進(jìn)入穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，產(chǎn)生持續(xù)的等幅振蕩。最后，分析振蕩器的頻率穩(wěn)定度，并提出改進(jìn)的措施。

5.3LC正弦波振蕩器

5.3.1LC正弦波振蕩器的組成原則(相位平衡條件)根據(jù)正反饋網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型，LC正弦波振蕩器包括變壓器耦合反饋式振蕩器、電感分壓式振蕩器(又稱(chēng)為電感三點(diǎn)式振蕩器)、電容分壓式振蕩器(又稱(chēng)為電容三點(diǎn)式振蕩器)。首先介紹變壓器耦合反饋式振蕩器電路及其相位平衡條件的判別方法。

1.變壓器耦合反饋式振蕩器

變壓器耦合反饋式振蕩器是一種常用的振蕩電路。例如，在收音機(jī)中就常遇到這類(lèi)電路。它采用變壓器作為反饋網(wǎng)絡(luò)。典型變壓器耦合反饋式振蕩器如圖5-8所示。圖中采用LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)，變壓器Tr的次級(jí)線圈作為反饋網(wǎng)絡(luò)。圖5-8變壓器耦合反饋式振蕩器

變壓器耦合反饋式振蕩電路的特點(diǎn)是容易起振，輸出電壓較大，調(diào)節(jié)頻率方便，即調(diào)反饋量時(shí)基本不影響工作頻率。但是由于變壓器分布電容大，頻率穩(wěn)定性差，振蕩頻率不能很高，一般為幾千赫到幾兆赫，常用于中波和短波波段。

2.LC三點(diǎn)式振蕩器

LC三點(diǎn)式振蕩器采用電容分壓或電感分壓電路作為反饋網(wǎng)絡(luò)。首先看圖5-9(a)所示的振蕩器，圖中電抗X1、X2和X3組成選頻網(wǎng)絡(luò)，從選頻網(wǎng)絡(luò)引出三個(gè)引線分別與放大管的三個(gè)電極b、e、c相連接(是指交流連接)，三點(diǎn)式振蕩器由此得名。那么，電抗X1、X2和X3分別選取什么電抗元件才能使電路滿足相位平衡條件呢?當(dāng)振蕩器工作時(shí)，選頻網(wǎng)絡(luò)對(duì)振蕩頻率諧振，則諧振回路的總電抗為零，即

由圖5-9(a)可知，當(dāng)忽略基極電流時(shí)，反饋電壓Uf為輸出電壓Uo通過(guò)電抗X1、X2分壓所得，并結(jié)合式(5-7)，得到

圖5-9三點(diǎn)式振蕩器

綜上分析，得到LC三點(diǎn)式振蕩電路相位平衡條件為：晶體管的c、e極之間和b、e極之間元件的電抗性質(zhì)是相同的，而它們與c、b極之間元件的電抗性質(zhì)總是相反的，簡(jiǎn)稱(chēng)“射同基反”。因此，LC三點(diǎn)式振蕩電路有兩種，分別如圖5-9(b)、(c)所示，其中，圖5-9(b)為電容三點(diǎn)式振蕩器，圖5-9(c)為電感三點(diǎn)式振蕩器。

運(yùn)用“射同基反”的原則，很容易判斷LC三點(diǎn)式振蕩電路的組成是否合理，也有助于在分析復(fù)雜電路時(shí)，找出哪些元件是振蕩回路元件，還可以利用它去分析寄生振蕩現(xiàn)象，以便想法消除。

例5-1利用相位平衡條件判斷如圖5-10所示的電路是否可能振蕩?有條件的需說(shuō)明條件，并指出振蕩器名稱(chēng)。圖5-10例5-1圖

5.3.2LC三點(diǎn)式振蕩器電路分析

1.電容三點(diǎn)式振蕩器

電容三點(diǎn)式振蕩器又稱(chēng)為考畢茲振蕩器(ColpittsOscillator)，其典型電路如圖5-11所示。圖中，CB為基極旁路電容，CC為隔直流電容，均對(duì)振蕩頻率呈現(xiàn)短路狀態(tài)。

圖5-11電容三點(diǎn)式振蕩器電路

1)直流、交流等效電路的分析

直流等效電路如圖5-12(a)所示。圖中，RB1、RB2、RE組成分壓式偏置電路，保證振蕩器靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)。

交流等效電路如圖5-12(b)所示。圖中可見(jiàn)三極管是共基極組態(tài)，C1、C2、L組成選頻網(wǎng)絡(luò)。電路從電容C1、C2串聯(lián)支路引出三個(gè)端點(diǎn)分別與晶體管的三個(gè)電極e、b、c交流

連接，反饋信號(hào)從電容C2兩端取出。由交流通路可見(jiàn)振蕩器滿足“射同基反”的原則，屬于電容三點(diǎn)式振蕩器。

圖5-12交直流等效電路

2)振蕩頻率和反饋系數(shù)分析計(jì)算

電路的實(shí)際振蕩頻率不僅與選頻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)，而且與三極管分布電容和負(fù)載有關(guān)。實(shí)際中常采用工程近似計(jì)算，近似認(rèn)為振蕩頻率等于選頻網(wǎng)絡(luò)的固有諧振頻率，即

由于C1和C2是串聯(lián)的，則總電容為

可見(jiàn)，調(diào)節(jié)電容C1或C2或電感L的大小，可以改變振蕩頻率fo的大小。

由圖5-12(b)可見(jiàn)，輸出信號(hào)Uo從集電極到“地”之間取出，反饋信號(hào)Uf從電容C2兩端取出。如果忽略三極管分布電容和輸入電阻，可近似認(rèn)為Uf是Uo通過(guò)電容C1和C2串聯(lián)分壓得到的，因此由反饋系數(shù)F定義可知

可見(jiàn)，調(diào)節(jié)電容C1或C2，可以改變反饋系數(shù)大小。

3)振幅起振條件分析

振幅起振條件是AF>1，由于反饋系數(shù)F已經(jīng)求出，下面要分析放大倍數(shù)A，然后再看它們的乘積是否大于1，從而得出電路起振的具體條件。

圖5-13電容三點(diǎn)式振蕩器微變等效電路及其簡(jiǎn)化

下面分析影響起振條件的因素。若忽略線圈損耗RP，將式(5-12)代入式(5-14)并整理，得到起振條件的另一種表現(xiàn)形式，即

由式(5-15)可得到影響起振條件的因素為：

(1)晶體管的跨導(dǎo)gm越大越容易起振，即靜態(tài)工作電流IEQ越大，越容易起振，但是如果IEQ過(guò)大，re就過(guò)小，R'i過(guò)小，R'L過(guò)小，放大倍數(shù)下降，反而不容易起振。因此，靜態(tài)工作電流IEQ取值要適中，一般在小功率振蕩器中取IEQ=(1~5)mA。

2.電感三點(diǎn)式振蕩器

電感三點(diǎn)式振蕩器又稱(chēng)為哈特萊振蕩器(HartleyOscillator)，其典型電路如圖5-14(a)所示。圖中CB、CC1、CC2為隔直流電容，CE為射極旁路電容，LC為高頻扼流圈。RB1、RB2、RE組成分壓式偏置電路，保證振蕩器靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)。

電感三點(diǎn)式振蕩器的交流等效電路如圖5-14(b)所示。圖中可見(jiàn)三極管為共射極組態(tài)，L1、L2、C組成選頻網(wǎng)絡(luò)。它從電感L1、L2串聯(lián)支路引出三個(gè)端點(diǎn)分別與晶體管的三個(gè)電極e、b、c交流連接。反饋信號(hào)從電感L2兩端取出。由交流通路可見(jiàn)電感三點(diǎn)式振蕩器滿足“射同基反”的原則。圖5-14電感三點(diǎn)式振蕩器

若忽略三極管分布電容、負(fù)載和互感，振蕩頻率近似等于選頻網(wǎng)絡(luò)的固有諧振頻率，即

可見(jiàn)，改變選頻網(wǎng)絡(luò)的電感或電容，可以改變振蕩頻率f0的大小。

由圖5-14(b)可見(jiàn)，輸出信號(hào)Uo從集電極到“地”之間取出，即從電感L1兩端取出，反饋信號(hào)Uf從電感L2兩端取出。如果忽略三極管分布電容和輸入電阻，則反饋系數(shù)F可以表示為

可見(jiàn)，調(diào)節(jié)電感L1或L2，可以改變反饋系數(shù)大小。

3.電感三點(diǎn)式振蕩器與電容三點(diǎn)式振蕩器的比較

電感三點(diǎn)式振蕩器的特點(diǎn)是：①當(dāng)改變電感大小來(lái)調(diào)節(jié)反饋量時(shí)，并不影響振蕩頻率，故便于做成頻率可調(diào)節(jié)的波段振蕩器。

②振蕩波形不好，原因是反饋電壓取自電感L2兩端，L2對(duì)高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，故高次諧波反饋強(qiáng)，使振蕩波形中含諧波成分多，波形失真大。

③工作頻率不高。由于在高頻工作時(shí)，分布電容和晶體管結(jié)電容與線圈L1和L2并聯(lián)，影響反饋系數(shù)，頻率越高，分布參數(shù)影響越大，以至于分布電容和晶體管結(jié)電容起主要作用，反饋的性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，使得在高頻端出現(xiàn)停振。所以振蕩器的工作頻率不高，一般在幾十兆赫以下。

電容三點(diǎn)式振蕩器的特點(diǎn)是：①輸出波形好。因?yàn)榉答伻∽噪娙軨2兩端，對(duì)高次諧振阻抗小，因此高次諧波的反饋弱，反饋電壓中諧波分量小，輸出波形中諧波分量也很小，正弦波質(zhì)量好。②頻率穩(wěn)定度較高。由于不穩(wěn)定電容(管子結(jié)電容、分布電容等)與回路電容并聯(lián)，適當(dāng)加大回路電容就可削弱不穩(wěn)定電容的影響，從而提高了頻率穩(wěn)定度。③工作頻率較高。高頻時(shí)，可用器件的輸入、輸出電容作回路電容，故頻率可高達(dá)上千兆赫。④缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)頻率不方便，因?yàn)橛每勺冸娙菡{(diào)節(jié)時(shí)，會(huì)同時(shí)改變反饋系數(shù)，會(huì)影響起振條件。所以電容三點(diǎn)式振蕩器多用于頻率固定的、頻率較高的振蕩器中。

5.3.3改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器

1.一般電容三點(diǎn)式振蕩器存在的問(wèn)題

一般電容三點(diǎn)式振蕩器因具有波形質(zhì)量好、工作頻率高、頻率穩(wěn)定度較高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，但是其頻率調(diào)節(jié)不方便，而且振蕩頻率穩(wěn)定度還不夠高，尤其受晶體管極間電容影響較大。

如圖5-15-所示，Cie和Coe分別為晶體管輸入、輸出電容，是不穩(wěn)定的極間電容，由電路可以求出Coe對(duì)回路的接入系數(shù)，即

Cie對(duì)回路的接入系數(shù)，即

圖5-15-晶體管極間電容對(duì)振蕩器的影響

2.克拉潑(Clapp)振蕩器

圖5-16(a)是克拉潑振蕩器交流等效電路，它與一般電容三點(diǎn)式振蕩器的主要不同點(diǎn)是在回路的電感支路中串入了一個(gè)小電容C3，且滿足C3?C1且C3?C2。顯然，由C1、C2、C3串聯(lián)的回路總電容近似為CΣ≈C3。

圖5-16克拉潑振蕩器

1)提高頻率穩(wěn)定度的原因

在圖5-16(b)的交流等效電路中給出了晶體管的輸入電容Cie和輸出電容Coe，由電路可以求出Coe對(duì)回路的接入系數(shù)

Cie對(duì)回路的接入系數(shù)由于C3?C1且C3?C2，接入系數(shù)Pce和Pbe遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，因此克拉潑電路通過(guò)減弱晶體管與諧振回路的耦合程度，提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，并且C3越小，頻率穩(wěn)定度越高。

2)振蕩頻率與反饋系數(shù)的計(jì)算

若忽略晶體管電容效應(yīng)，振蕩頻率近似等于選頻網(wǎng)絡(luò)的固有諧振頻率，即

由圖5-16(a)可知反饋系數(shù)F為

可見(jiàn)，調(diào)節(jié)電容C3可以改變振蕩頻率且不影響反饋系數(shù)的大小。因此，克拉潑電路克服了一般電容三點(diǎn)式振蕩器調(diào)節(jié)頻率影響反饋的缺點(diǎn)。

3)克拉潑振蕩器存在的問(wèn)題

根據(jù)前面分析可知，從提高頻率穩(wěn)定度角度考慮，C3越小，越有利于頻率穩(wěn)定度提高，但卻不利于起振。為了分析這個(gè)問(wèn)題，假設(shè)振蕩器的負(fù)載為RL、電感線圈損耗為RP，如圖5-17所示。那么折合到集電極回路的等效負(fù)載為圖5-17考慮負(fù)載的克拉潑電路

3.西勒(Seiler)振蕩器

圖5-18是西勒振蕩器的交流等效電路。由圖可見(jiàn)，西勒電路是在回路電感L支路中，除了串聯(lián)小電容C3外，還在回路電感L兩端并聯(lián)了一個(gè)可變電容C4，其中，C3的容量依然滿足C3?C1且C3?C2。顯然，電路中回路的總電容近似為CΣ≈C3+C4。

圖5-18西勒振蕩器的交流等效電路

由圖5-18可知西勒振蕩器的振蕩頻率近似為

可見(jiàn)，當(dāng)調(diào)節(jié)可變電容C4改變頻率時(shí)，不會(huì)改變接入系數(shù)Pce，因此，這種電路除了與克拉潑電路一樣具有較高的頻率穩(wěn)定度之外，還具有波段范圍內(nèi)輸出幅度平穩(wěn)、波段覆蓋面較寬的優(yōu)點(diǎn)。

5.4振蕩器的頻率穩(wěn)定度

5.4.1頻率穩(wěn)定度的定義頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一個(gè)重要指標(biāo)。衡量振蕩器的頻率穩(wěn)定度有兩種表示方法：絕對(duì)頻率穩(wěn)定度和相對(duì)頻率穩(wěn)定度。

1.絕對(duì)頻率穩(wěn)定度

絕對(duì)頻率穩(wěn)定度是在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)頻率準(zhǔn)確度變化的最大值，又稱(chēng)為最大頻率偏差，用Δfmax表示。例如，一個(gè)振蕩器的標(biāo)稱(chēng)頻率為1MHz，一天內(nèi)頻率最低變?yōu)?/p>

0.99999MHz，則Δfmax=(1-0.99999)×106=10Hz。

2.相對(duì)頻率穩(wěn)定度

相對(duì)頻率穩(wěn)定度是指最大頻率穩(wěn)定度Δfmax與標(biāo)稱(chēng)頻率f0的比值，表示振蕩器在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)振蕩頻率相對(duì)變化量的大小。用δ表示，即

為此，可求出上述例子中的振蕩器相對(duì)頻率穩(wěn)定度δ=1×10-5。

在實(shí)際電路中，一般提到頻率穩(wěn)定度，若不加說(shuō)明，都是指相對(duì)頻率穩(wěn)定度。按規(guī)定的時(shí)間長(zhǎng)短的不同，頻率穩(wěn)定度可分為長(zhǎng)期、短期和瞬間穩(wěn)定度三種。長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度是指一天以上乃至幾個(gè)月內(nèi)，因元件老化而引起的相對(duì)頻率變化量；短期頻率穩(wěn)定度是指一天之內(nèi)，因溫度、電源電壓等外界因素變化而引起的相對(duì)頻率變化量；瞬間頻率穩(wěn)定度是指秒或毫秒數(shù)量級(jí)之內(nèi)隨機(jī)的頻率變化，即頻率的瞬間無(wú)規(guī)則變化，它是由干擾或起伏噪聲引起的。通常所講的頻率穩(wěn)定度大多是指短期穩(wěn)定度。

對(duì)頻率穩(wěn)定度的要求視振蕩器的用途而不同。各類(lèi)振蕩器頻率穩(wěn)定度的大致數(shù)量級(jí)為：一般收音機(jī)的本振頻率穩(wěn)定度為10-2~10-3，電視機(jī)的本振頻率穩(wěn)定度為10-3~10-4，中波電臺(tái)載波振蕩的頻率穩(wěn)定度為10-5，短波電臺(tái)載波振蕩的頻率穩(wěn)定度為10-6，電視發(fā)射臺(tái)載波振蕩的頻率穩(wěn)定度為10-7，普通信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度為10-4~10-5，高精度信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度為10-7~10-9。

5.4.2頻率不穩(wěn)定的原因及穩(wěn)頻措施

1.振蕩頻率不穩(wěn)定的原因

振蕩器的頻率主要決定于諧振回路的參數(shù)，也與晶體管的參數(shù)有關(guān)。由于這些參數(shù)不可能固定不變，所以振蕩頻率不會(huì)絕對(duì)穩(wěn)定。其影響因素主要有以下幾個(gè)方面：

(1)LC回路參數(shù)的不穩(wěn)定。

(2)晶體管參數(shù)的不穩(wěn)定。

2.提高頻率穩(wěn)定度的措施

(1)減小外界因素的變化。外界因素除了溫度、濕度、大氣壓力、電源電壓和機(jī)械振動(dòng)外，還有周?chē)姶艌?chǎng)和負(fù)載變化等。它們都會(huì)直接引起晶體管和回路元件的參數(shù)變化，其中溫度的變化則是諸因素中最主要的。

(2)提高選頻網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)性。具體措施包括：

①提高回路元件參數(shù)的穩(wěn)定性：采用低溫度系數(shù)、高穩(wěn)定度的元件，如優(yōu)質(zhì)云母電容、空氣電容器、在高頻陶瓷骨架上制成高穩(wěn)定電感元件等；

②采用溫度補(bǔ)償法：選用合適的負(fù)溫度系數(shù)陶瓷電容器來(lái)補(bǔ)償電感的正溫度系數(shù)變化；

③減弱選頻回路與晶體管的耦合，如采用克拉潑、西勒電路；

④提高回路的Q值，如采用多股繞制和鍍銀線圈等；

⑤縮短元器件引線，采用機(jī)械強(qiáng)度高的引線并安裝牢靠以減小分布參數(shù)的變化。

(3)電路系統(tǒng)方面的穩(wěn)頻措施。采用自動(dòng)頻率控制(AFC)電路以及振蕩與倍頻組合電路。前者在后面的章節(jié)中還會(huì)討論，后者使振蕩器振蕩于較低的工作頻率，以保證頻率穩(wěn)定度，然后用倍頻器將頻率提高到規(guī)定值。

5.5

石英晶體振蕩器

5.5.1石英晶體振蕩器的電抗特性1.晶體的物理特征石英諧振器是利用二氧化硅的正反壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-19所示，即在一塊石英晶體(正方形、圓形或長(zhǎng)方形，簡(jiǎn)稱(chēng)晶體)的兩面涂上銀層作為電極，電極上焊出兩根引線固定在管腳上。

圖5-19石英諧振器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

石英晶體具有以下物理特征：

(1)具有正反壓電效應(yīng)。

(2)具有多諧性。

(3)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)特性。

2.晶體的電路符號(hào)及其等效電路

石英晶體的電路符號(hào)如圖5-20(a)所示。就其電抗特性而言，當(dāng)外加交變電壓頻率與晶體固有振動(dòng)頻率相等時(shí)，晶體產(chǎn)生共振，電極上產(chǎn)生的交變電荷最大，通過(guò)晶體的交變電流最大，因此晶體的壓電效應(yīng)可以等效為串聯(lián)等效電路?；l晶體的等效電路如圖5-20(b)所示。其中，Lq等效于機(jī)械振蕩的慣性，其值為10-3~10-2H；Cq等效于晶片的彈性，其值在0.005~0.1pF之間；rq等效于機(jī)械摩擦損耗，約為幾百歐姆；C0為靜態(tài)電容，它是以石英諧振片為介質(zhì)在兩個(gè)極板之間形成的電容，又稱(chēng)為支架電容，其值在幾皮法到幾十皮法之間，因此C0?Cq。

圖5-20晶體的電特性

由圖5-20(b)所示的串聯(lián)等效電路，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，可得出其電抗(忽略rq)為

式中，ωs為串聯(lián)諧振頻率；ωp為并聯(lián)諧振頻率。

由此可得到石英晶體的電抗特性為：

(1)石英晶體有兩個(gè)諧振頻率，分別為

由于C0?Cq，可見(jiàn)fp略大于fs。

(2)等效電路的電抗特性曲線如圖5-20(c)所示。

3.石英晶體振蕩器的穩(wěn)頻原因

用石英晶體組成晶體振蕩器，為什么具有很高的頻率穩(wěn)定度呢?具體有以下兩個(gè)原因：

(1)石英晶體的品質(zhì)因數(shù)Q值極高，故穩(wěn)頻作用很強(qiáng)。由圖5-20(b)所示的等效電路能夠得到其品質(zhì)因數(shù)Q為

由于Lq很大，而Cq又很小，因此Q值極高，可達(dá)105~106。

(2)石英晶體與外電路的接入系數(shù)很小。假設(shè)其連接形式如圖5-21(a)所示，將石英晶體(圖中虛線框所示)接在晶體管的c、b之間(圖中外接電容CL為晶體管的c、b之間的負(fù)載電容)，也可改畫(huà)成如圖5-21(b)所示的形式，因此從c、b端看進(jìn)去的接入系數(shù)為

由于C0?Cq，因此Pcb很小，大約為10-3~10-4，即晶體與晶體管耦合很松，這樣就大大減輕了外電路中不穩(wěn)定因素對(duì)晶體參數(shù)的影響。

圖5-21石英晶體接入外電路示意圖

綜上所述，晶體具有很大的Lq、很小的Cq、很高的Q值以及很小的外電路接入系數(shù)，因此晶體具有很高的回路標(biāo)準(zhǔn)性(這是普通的