高頻電子技術第4章.ppt

1、第4章 正弦波振蕩器,4.1 反饋型振蕩器 4.2 三點式LC振蕩器 4.3 石英晶體振蕩器 4.4 RC正弦波振蕩器 4.5 集成電路振蕩器 4.6 實訓4：LC與晶體振蕩器,第4章 正弦波振蕩器,振蕩器是指在沒有外加信號作用下的一種自動將直流電源的能量轉換為具有一定波形參數(shù)的交流振蕩信號的裝置。 正弦波振蕩器在電子技術領域里有著廣泛的應用。例如，在無線電通信、廣播、電視發(fā)射機中用來產(chǎn)生所需的載波和本機振蕩信號;在電子測量儀器中用來產(chǎn)生各種頻段的正弦信號等。對這些振蕩器的主要要求是振蕩頻率和振蕩幅度的準確性和穩(wěn)定性，其中振蕩頻率的準確性和穩(wěn)定性最為重要。,下一頁,返回,第4章 正弦波振蕩器,

2、振蕩器的種類很多。從所采用的分析方法和振蕩器的特性來看，可以把振蕩器分為反饋式振蕩器和負阻式振蕩器兩大類。根據(jù)振蕩器所產(chǎn)生的波形，又可以把振蕩器分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。,返回,上一頁,4.1 反饋型振蕩器,4.1.1反饋型振蕩器的工作原理 反饋型振蕩器是通過正反饋連接方式實現(xiàn)等幅正弦振蕩的電路。由放大器和反饋網(wǎng)絡組成的一個閉合環(huán)路，放大器通常是以某種選頻網(wǎng)絡(如振蕩回路)作負載，是一調諧放大器，反饋網(wǎng)絡一般是由無源器件組成的線性網(wǎng)絡。圖4一1所示為反饋型振蕩器的組成方框圖及相應電路。,下一頁,返回,4.1 反饋型振蕩器,作為反饋型振蕩器，當它剛接通電源時，振蕩電壓是不會立即建立起來的

3、，而必須經(jīng)歷一段振蕩電壓從無到有逐步增長的過程，直到進入平衡狀態(tài)，使振蕩電壓的振幅和頻率維持在相應的平衡值上。即使有外界不穩(wěn)定因素的影響，振幅和頻率仍應穩(wěn)定在原平衡值附近，而不會產(chǎn)生突變或者停止振蕩。因此要保證閉合環(huán)路成為反饋振蕩器的條件是:保證接通電源后從無到有建立起振蕩的起振條件，保證進入平衡狀態(tài)、輸出等幅持續(xù)振蕩的平衡條件以及保證平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素影響而受到破壞的穩(wěn)定條件。,下一頁,返回,上一頁,4.1 反饋型振蕩器,4.1.2平衡條件、起振條件和穩(wěn)定條件 1.平衡條件 當反饋信號uf等于放大器的輸入信號ui，或者反饋信號uf等于產(chǎn)生輸出電壓uo所需的輸入電壓ui，這時振蕩電路的

4、輸出電壓不再發(fā)生變化，電路達到平衡狀態(tài)，因此將ui=uf稱為振蕩的平衡條件。因這是一個復數(shù)方程，可見，振蕩的平衡條件應包括振幅平衡條件和相位平衡條件兩個方面。,下一頁,返回,上一頁,4.1 反饋型振蕩器,振幅平衡條件 AF=1 (4. 1) 相位平衡條件 (4. 2) 式中,下一頁,返回,上一頁,4.1 反饋型振蕩器,式(4.1)說明，由放大器和反饋網(wǎng)絡組成的一個閉合環(huán)路中，其環(huán)路傳輸系數(shù)應等于1，以使反饋電壓與輸入電壓相等。 式(4. 2)說明，放大器與反饋網(wǎng)絡的總相移必須等于 的整數(shù)倍，使反饋電壓與輸入電壓相位相等，以保證環(huán)路構成正反饋。 反饋型振蕩器要穩(wěn)定振蕩，其振幅條件和相位條件必須同

5、時滿足，利用相位平衡條件確定振蕩頻率振幅，利用平衡條件確定振蕩輸出信號的幅值。,下一頁,返回,上一頁,4.1 反饋型振蕩器,2.起振條件 上面講的振蕩平衡條件是假定振蕩已經(jīng)產(chǎn)生，而為了維持振蕩平衡所需的要求。但是剛一開機時振蕩是如何產(chǎn)生的呢? 振蕩器閉合電源后，各種擾動，如晶體管電流的突然增長、電路的熱噪聲，是振蕩器起振的初始激勵。突變的電流包含著許多諧波成分，擾動噪聲也包含各種頻率分量，它們通過LC諧振回路，在它兩端產(chǎn)生電壓，由于諧振回路的選頻作用，只有接近于LC回路諧振頻率的電壓分量才能被選出來，但是電壓的幅度很微小，不過由于電路中正反饋的存在，經(jīng)過反饋和放大的循環(huán)過程，幅度逐漸增長，這就

6、建立了振蕩。圖4 -2所示為振蕩的建立過程。,下一頁,返回,上一頁,4.1 反饋型振蕩器,振蕩器起振條件是指為產(chǎn)生自激振蕩所需放大倍數(shù)A和反饋系數(shù)F的乘積最小值。必須滿足: 振幅起振條件 AF1 (4. 3) 相位起振條件 (4. 4) 相位條件是構成振蕩電路的關鍵，振蕩閉合環(huán)路必須是正反饋。相位起振條件和相位平衡條件是一致的。,下一頁,返回,上一頁,4.1 反饋型振蕩器,3.穩(wěn)定條件 振蕩器的穩(wěn)定條件是說在某種擾動下，使振蕩器的原平衡條件遭到破壞時，能在原平衡點附近重新建立新的平衡狀態(tài)，當擾動消失后，能自動恢復原來的平衡狀態(tài)時電路所要滿足的條件。穩(wěn)定條件分為振幅和相位條件。 (1)振幅平衡穩(wěn)

7、定條件 振幅平衡的穩(wěn)定條件為 (4. 5),下一頁,返回,上一頁,4.1 反饋型振蕩器,圖4一3所示為輸入電壓與電壓增益A及1/F之間的關系曲線，曲線的左半部反映了當uo較小時，隨著uo的增大電壓增益A增大，達到最大值后又將隨著uo增大而減小。曲線與1/F有兩個交點B與Q。在這兩個點都滿足振幅平衡條件AF=1，所以，都是平衡點。但B點為不穩(wěn)定平衡點。假若在B點，由于某種因素使uo增大，A增大，此時A1,即AF1，振蕩會越來越強。再看Q點，假定由于某種因素使uo增大，而增益A反而下降，使A1,即AF1，振蕩會自動減弱，從而使振蕩穩(wěn)定。所以，Q點為穩(wěn)定的平衡點。在曲線B處的斜率為正，Q處的斜率為負

8、。,下一頁,返回,上一頁,4.1 反饋型振蕩器,(2)相位平衡穩(wěn)定條件 相位平衡的穩(wěn)定條件為 (4. 6),下一頁,返回,上一頁,4.1 反饋型振蕩器,在振蕩器的振幅平衡條件受到破壞的同時，相位平衡條件也會遭到破壞，從而使振蕩器不能正常工作。要保持振蕩器的相位平衡的穩(wěn)定，就必須保證當外界的擾動引起振蕩頻率發(fā)生變化從而產(chǎn)生新的相移時，振蕩器應該有恢復相位平衡的能力。也就是說，在振蕩頻率發(fā)生變化時，振蕩器能夠產(chǎn)生一個相移，該相移若與擾動引起的相移大小相等，方向相反，則可以保證電路的相位平衡條件。圖4 -4所示為振蕩器相頻特性曲線。,下一頁,返回,上一頁,4.1 反饋型振蕩器,假設初始的振蕩頻率為c

9、，由于外界干擾產(chǎn)生新的相移時，破壞了原來工作于c的平衡條件，使頻率提高到c ，頻率的變化量為 c ，該變化量 c引起的相位的變化量為該相移若完全抵消干擾產(chǎn)生的相移，則振蕩器c達到新的平衡。可見，相位平衡的穩(wěn)定條件是振蕩器的相頻特性具有負的斜率。,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,LC振蕩器就是采用LC諧振回路做選頻網(wǎng)絡的一類振蕩器。在振蕩頻率的穩(wěn)定度不是很高的情況下，此類振蕩器應用非常廣泛。三點式LC振蕩器是指LC回路的3個端點與晶體管的3個電極分別連接而組成的一種振蕩器，它可分為電容三點式振蕩器和電感三點式振蕩器兩種基本類型。,下一頁,返回,4.2 三點式LC振蕩器,4. 2. 1三點

10、式振蕩器的基本工作原理 三點式振蕩器的基本結構如圖4一5所示。圖中放大器采用晶體管三極管， 3個電抗元件X1、X2、X3組成LC諧振回路，回路3個引出端分別與晶體管3個電極相連，諧振回路既是晶體管的集電極負載，又是正反饋選頻網(wǎng)絡。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,電路要產(chǎn)生振蕩，首先滿足相位平衡條件，即電路應構成正反饋。為便于說明，忽略電抗元件的損耗及管子輸入、輸出阻抗的影響。 當X1、X2、X3組成的諧振回路諧振時，即X1 + X2 + X3 =0，回路等效阻抗為純電阻，放大器的輸出電壓uo與ui反相，電抗X2上的壓降uf必須與uo反相， uf才會與ui同相，使電路滿足相位平

11、衡條件。由此可知三點式振蕩電路的反饋系數(shù)。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,綜上所述， X1與X2的電抗性質必須相同， X3與X1、 X2的電抗性質必須相異。即與發(fā)射極相連的為同性質電抗，不與發(fā)射極連接的為異性質電抗。根據(jù)這個法則，構成電感三點式和電容三點式振蕩器，如圖4一6所示。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,4. 2. 2電感三點式振蕩器 電感三點式振蕩器又稱哈脫萊(Hartley)振蕩器，其原理電路如圖4一7(a)所示。交流通路如圖4一7(b)所示。電路由L1、L2及C組成的諧振回路作為集電極的負載。晶體管的3個電極接LC回路的3個端點，反饋電壓取自電感

12、，也叫電感反饋振蕩器。電阻RB1 、 RB2為基極偏置電阻，使電路便于起振，并具有較高的電壓增益。 CB為旁路電容， CE為藕合電容，防止直流時電感將發(fā)射極對地短路。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,由圖4 -7 ( b)所示的交流通路圖可見，當L1、L2及C組成諧振回路時，輸出電壓uo與輸入電壓ui反相，而反饋電壓uf與uo反相，所以uf與ui同相，電路在回路諧振頻率上構成正反饋，滿足振蕩的相位條件。由此可得電路的振蕩頻率為 反饋系數(shù)為,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,電感三點式振蕩器的優(yōu)點是電路便于起振。其次用改變電容的方法調整振蕩頻率時，小會改變反饋系數(shù)，

13、因而也基本不會影響輸出電壓的幅度，故調整振蕩頻率方便。其缺點是由于反饋信號取自電感，而電感對于高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，故輸出波形的高次諧波成分較多，輸出波形不夠好。其次由于L1、L2上的分布電容及晶體管的結電容都與它們并聯(lián)，當工作頻率很高時，分布參數(shù)的影響會很嚴重，甚至可能使F衰減到不滿足起振條件。因此，振蕩頻率不宜過高。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,4. 2. 3電容三點式振蕩器 電容三點式振蕩器又稱考畢茲(Colpitts)振蕩器，其原理電路如圖4一8(a)所示交流通路如圖4-8 (b)所示。晶體管的3個電極分別接LC回路，反饋電壓取自電容C2,故也叫電容反饋振蕩器。,下一

14、頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,由圖可見C1 、 C2 、 L并聯(lián)諧振回路構成反饋選頻網(wǎng)絡，其中C1相當于如圖4一5所示的X1, C2相當于X2, L相當于X3 ，并聯(lián)諧振回路3個端點分別與晶體管的3個電極相連接，且X1與X2為同性質電抗元件， X3與X1、 X2為異性質電抗元件，符合三點式振蕩電路組成法則，滿足振蕩的相位平衡條件。由此可得電路的振蕩頻率為 電路的反饋系數(shù)為,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,電容三點式振蕩器的優(yōu)點是輸出波形好。這是由于反饋電壓取自電容支路，而電容對高次諧波的阻抗很小，因而輸出波形中因非線性產(chǎn)生的高次諧波的成分較小。當振蕩頻率較高時，可

15、以直接利用晶體管的輸入電容及輸出電容作為回路元件，但振蕩頻率的穩(wěn)定度不會太高。該類振蕩器的振蕩頻率高于電感三點式振蕩電路的振蕩頻率。其缺點是改變電容來調節(jié)振蕩頻率時，反饋系數(shù)F也會隨之改變，嚴重時，還會影響輸出電壓的穩(wěn)定和起振條件。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,4. 2. 4改進型電容三點式振蕩器 由于晶體管極間存在寄生電容，它們均與諧振回路并聯(lián)，會使振蕩頻率發(fā)生偏移，而且晶體管極間電容的大小會隨晶體管工作狀態(tài)的變化而變化，這將引起振蕩頻率的不穩(wěn)定。為了減少晶體管極間電容的影響，可采用克拉潑電路(Clapp )，它為改進型電容三點式振蕩電路。與電容三點式振蕩電路相比較，僅在

16、諧振回路電感支路增加了一個電容C3 ，其取值比較小，要求 。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,從圖4一9(b)所示的交流通路可知，Cce、 Cbe、Ccb分別為晶體管C、E和B、 E和C、B之間的極間電容，它們都并接在C1、C2上，而不影響C3的值，因此，諧振回路的總電容上量為 式中，略去晶體管極間電容的影響，則得并聯(lián)諧振回路的諧振頻率，即振蕩頻率為,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,由此可見， C1、C2對振蕩頻率的影響顯著減小，那么與C1、C2并接的晶體管極間電容的影響也就很小， C3越小，振蕩頻率的穩(wěn)定度就越高。但為了滿足相位平衡條件，L、 C3串聯(lián)支路應呈

17、感性，所以實際振蕩頻率穩(wěn)定度提高了，改變C3 ，反饋系數(shù)可保持不變，但諧振回路接入C3后，使晶體管輸出端(C、 E)與回路的藕合減弱，晶體管的等效負載減小，放大器的放大倍數(shù)下降，振蕩器輸出幅度減小。 C3越小，放大倍數(shù)越小，如C3過小，那么振蕩器因不滿足振幅起振條件而會停止振蕩。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,4. 2. 5振蕩器的頻率穩(wěn)定和振幅穩(wěn)定 振蕩器除了它的輸出信號要滿足一定的頻率和幅度外，還必須保證輸出信號頻率和幅度的穩(wěn)定，頻率穩(wěn)定度和振幅穩(wěn)定度是振蕩器兩個重要的性能指標。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,1.頻率穩(wěn)定 1)頻率穩(wěn)定度 它是指在規(guī)定時

18、間內(nèi)，規(guī)定的溫度、濕度、電源電壓等變化范圍內(nèi)，振蕩頻率的相對變化量。 (1)絕對頻率穩(wěn)定度 它是指在一定條件下實際振蕩頻率f 與標準頻率f0的偏差f f= f - f0,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,(2)相對頻率穩(wěn)定度 它是指在一定條件下，絕對頻率穩(wěn)定度與標準頻率之間的比值 f/ f0=( f - f0 ) / f0 頻率穩(wěn)定度常用的是相對頻率穩(wěn)定度，簡稱頻率穩(wěn)定度。例如，一個振蕩頻率為1 MHz的振蕩器，實際工作在0. 999 99 MH，上，它的相對頻率穩(wěn)定度為f/ f0=( f - f0 ) / f0 = 10 Hz/1 MHz=110-5 。,下一頁,返回,上一頁,

19、4.2 三點式LC振蕩器,f/ f0越小，頻率穩(wěn)定度越高。上面所說的一定條件可以分為以下幾種情況。 短期穩(wěn)定度1h內(nèi)的相對頻率穩(wěn)定度，一般用來評價測量儀器和通信設備中主振器的頻率穩(wěn)定指標。 中期穩(wěn)定度1大內(nèi)的相對頻率穩(wěn)定度。 長期穩(wěn)定度數(shù)月或1年內(nèi)的相對頻率穩(wěn)定度。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,頻率穩(wěn)定度用10的負幾次方表示，次方絕對值越大，穩(wěn)定度越高。中波廣播電臺發(fā)射機的中期穩(wěn)定度是10 -5數(shù)量級，電視發(fā)射機的為10 -7數(shù)量級，普通信號發(fā)生器的為(10 -510-3)數(shù)量級，作為頻率標準振蕩器的則要求達到(10-910-8)數(shù)量級。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點

20、式LC振蕩器,2)造成頻率不穩(wěn)定的因素 振蕩器的頻率主要取決于回路的參數(shù)，也與晶體管的參數(shù)有關，這些參數(shù)不可能固定不變，所以振蕩頻率也不能絕對穩(wěn)定。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,(1)LC回路參數(shù)的不穩(wěn)定 溫度變化是使LC回路參數(shù)不穩(wěn)定的主要因素。溫度改變會使電感線圈和回路電容幾何尺寸變形，因而改變電感L和電容C的數(shù)值。一般L具有正溫度系數(shù)，即L隨溫度的升高而增大。而電容由于介電材料和結構的不同，電容器的溫度系數(shù)可正可負。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,(2)晶體管參數(shù)的不穩(wěn)定 當溫度變化或電源變化時，必定引起靜態(tài)工作點和晶體管結電容的改變，從而使振蕩頻率

21、不穩(wěn)定。 3)高頻率穩(wěn)定度的主要措施 振蕩器的頻率穩(wěn)定度好壞決定振蕩電路的穩(wěn)頻性能。為了提高頻率穩(wěn)定度，一方面應選用高質量的電感/電容構成諧振回路，使回路有較高的品質因數(shù)，其次在電路設計時，應力求使電路的振蕩頻率接近回路的諧振頻率。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,引起頻率不穩(wěn)定的原因是外界因素的變化。但是引起頻率不穩(wěn)定的內(nèi)因則是決定振蕩頻率的諧振回路對外因變化的敏感性，因此要提高振蕩頻率的穩(wěn)定度，可以從兩方面入手: (1)減小外界因素的變化 減小外界因素變化的措施很多。例如，減小溫度的影響;采用穩(wěn)定電源電壓;減小負載的影響等。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,

22、(2)提高諧振回路的標準性 采用參數(shù)穩(wěn)定的回路電感器和電容器;采用溫度補償法，改進安裝工藝，縮短引線、加強引線機械強度。元件和引線安裝牢固，可減小分布電容和分布電感及其變化量。晶體管與回路之間的連接采用松藕合。,下一頁,返回,上一頁,4.2 三點式LC振蕩器,2.振幅穩(wěn)定 振蕩器在外界因素的影響下，輸出電壓將會發(fā)生波動。為了維持輸出電壓的穩(wěn)定，振蕩器應具有自動穩(wěn)幅性能，即當輸出電壓增大時，振蕩器的環(huán)路增益AF應自動減小，迫使輸出電壓下降，反之亦然。為了衡量振蕩器穩(wěn)幅性能的好壞，常引用振幅穩(wěn)定度這一性能指標。即在規(guī)定的條件下，輸出信號幅度的相對變化量。如振蕩器輸出電壓標稱值為Uo，實際輸出電壓與

23、標稱值之差為U，則振幅穩(wěn)定度為U/Uo。提高輸出幅度穩(wěn)定度的措施有外穩(wěn)幅、內(nèi)穩(wěn)幅和采用高穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源供電等。,返回,上一頁,4.3 石英晶體振蕩器,現(xiàn)代科學技術的發(fā)展對正弦波振蕩器的穩(wěn)定度要求越來越高。作為頻率標準的振蕩器的頻率穩(wěn)定度要求達到10-8以上，而對于LC振蕩器，盡管采取各種穩(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10-5，究其原因主要是LC回路的Q值不能做得很高(約200以下)。石英晶體振蕩器是以石英晶體諧振器取代LC振蕩器中構成諧振回路的電感、電容元件所組成的正弦波振蕩器，它的頻率穩(wěn)定度可達10-1110-10數(shù)量級，所以得到極為廣泛的應用。 石英晶體振蕩

24、器之所以具有極高的頻率穩(wěn)定度，關鍵是采用了石英晶體這種具有高Q值的諧振元件。,下一頁,返回,4.3 石英晶體振蕩器,4. 3. 1石英諧振器及其特性 石英是礦物質硅石的一種，化學成分是SiO2，形狀是呈角錐形的六棱結晶體。石英晶體具有壓電效應。當交流電壓加在晶體兩端，晶體先隨電壓變化產(chǎn)生應變，然后機械振動又使晶體表面產(chǎn)生交變電荷。當晶體幾何尺寸和結構一定時，它本身有一個固有的機械振動頻率。,下一頁,返回,上一頁,4.3 石英晶體振蕩器,當外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時，晶體片的機械振動最大，晶體表面電荷量最多，外電路中的交流電流最強，于是產(chǎn)生了諧振。因此，將石英晶體按一定方位切割成片，

25、兩邊敷以電極，焊上引線，再用金屬或玻璃外殼封裝即構成石英晶體諧振器(簡稱石英晶振)。 石英晶體諧振器在電路中的符號如圖4一10 ( a)所示，其等效電路如圖4一10 (b)所示。,下一頁,返回,上一頁,4.3 石英晶體振蕩器,圖中是晶片的靜態(tài)電容，它相當于一個平板電容，即由晶片作為介質，鍍銀電極和支架引線作為極板所構成的電容，它的大小與晶片的幾何尺寸和電極的面積有關，一般在幾個皮法到十幾個皮法之間圖中，Lq和Cq分別為晶片振動時的等效動態(tài)電感和電容，而rq等效為晶片振動時的摩擦損耗晶片的等效電感Lq很大，約幾十到幾百毫亨，而動態(tài)電容Cq很小，約百分之幾皮法，rq數(shù)值從幾歐到幾百歐，所以石英晶片

26、的品質因數(shù)Q很高，一般可達105數(shù)量級以上。又由于石英晶片的力學性能十分穩(wěn)定，因此用石英諧振器作為選頻網(wǎng)絡構成振蕩器就會有很高的回路標準性，因而有很高的頻率穩(wěn)定度。,下一頁,返回,上一頁,4.3 石英晶體振蕩器,若略去等效電阻rq的影響，可定性作出等效電路的電抗曲線當加在回路兩端的信號頻率很低時，兩個支路的容抗都很大，因此電路總的等效阻抗呈容性;信號頻率增加，容抗減小，當Cq的容抗與Lq感抗相等時，Cq、 Lq支路發(fā)生串聯(lián)諧振，回路總電抗X=0，此時的頻率用fs表示，稱晶片的串聯(lián)諧振頻率;當頻率繼續(xù)升高時， Cq、 Lq串聯(lián)支路呈感性，當感抗增加到剛好和Co的容抗相等時，回路產(chǎn)生并聯(lián)諧振，回路

27、總電抗趨于無窮大，此時的頻率用fp表示，稱晶片的并聯(lián)諧振頻率;當f fp時， Co支路的容抗減小，對回路的分流起主要作用，回路總的電抗又呈容性，圖4一11所示為石英諧振器的電抗頻率特性曲線。,下一頁,返回,上一頁,4.3 石英晶體振蕩器,由此可見，石英諧振器具有兩個諧振頻率，一個是串聯(lián)諧振頻率 另一個是并聯(lián)諧振頻率,下一頁,返回,上一頁,4.3 石英晶體振蕩器,由于 ，所以fp與fs間隔很小，因而在fs fp感性區(qū)間，石英晶振具有陡峭的電抗頻率特性，曲線斜率大，利于穩(wěn)頻。若外部因素使諧振頻率增大，則根據(jù)晶振電抗特性，必然使等效電感L增大，但由于振蕩頻率與L的平方根成反比，所以又促使諧振頻率下降

28、，趨近于原來的值。,下一頁,返回,上一頁,4.3 石英晶體振蕩器,石英諧振器使用時必須注意以下幾點: (1)石英晶片都規(guī)定要外接一定量的電容，稱為負載電容CL，標在晶體外殼上的振蕩頻率(稱晶體的標稱頻率)就是接有規(guī)定負載電容后晶片的并聯(lián)諧振頻率。通常對于基頻晶體， CL規(guī)定為30 pF或者50 pF。 (2)石英晶片工作時必須要有合適的激勵電平。激勵電平過大頻率穩(wěn)定度會顯著變壞，甚至可能將晶片振壞;如激勵電平過小，則噪聲影響加大，振蕩輸出減小，甚至可能停振所以在振蕩器中必須注意不超過晶片的額定激勵電平，并盡量保持激勵電平的穩(wěn)定。,下一頁,返回,上一頁,4.3 石英晶體振蕩器,4. 3. 2石英

29、晶體振蕩器 根據(jù)石英晶體在電路中的作用，電路可分為兩類:當石英晶體作為等效電感時，電路為并聯(lián)型晶體振蕩器;而當石英晶體作為短路元件并工作于串聯(lián)諧振頻率上時，電路為串聯(lián)型晶體振蕩器。,下一頁,返回,上一頁,4.3 石英晶體振蕩器,1.并聯(lián)型晶體振蕩器 圖4一12所示為并聯(lián)型晶體振蕩器的原理電路及其交流通路。石英晶體與外部電容構成并聯(lián)諧振回路，在回路中起電感作用，構成改進型電容三點式LC振蕩器。電路中C3用來微調電路的振蕩頻率，使振蕩器振蕩在石英晶體的標稱頻率上。 2.串聯(lián)型晶體振蕩器 圖4一13所示為一串聯(lián)型晶體振蕩器的原理電路和交流通路。在串聯(lián)型晶體振蕩器中，晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點之間

30、，通常接在反饋電路中。,返回,上一頁,4.4 RC正弦波振蕩器,采用RC選頻網(wǎng)絡構成的振蕩器，稱為RC振蕩器，它適用于低頻振蕩，一般用于產(chǎn)生1 Hz1 MHz的低頻信號，但是RC選頻網(wǎng)絡的選頻作用比LC諧振回路差很多，所以RC振蕩器輸出波形和頻率穩(wěn)定度都比LC振蕩器差。 常用的RC振蕩器有RC橋式振蕩器和移相振蕩電路。前者采用RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡，后者采用RC超前或滯后移相電路,下一頁,返回,4.4 RC正弦波振蕩器,4. 4. 1 R C橋式振蕩器 1. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡 由圖4一14所示可寫出RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的電壓傳輸系數(shù): 式中,下一頁,返回,上一頁,4.4 RC正弦波振蕩器,得 令 化簡

31、得,下一頁,返回,上一頁,4.4 RC正弦波振蕩器,從而得到RC選頻網(wǎng)絡的幅頻特性: 相頻特性:,下一頁,返回,上一頁,4.4 RC正弦波振蕩器,對應作出幅頻特性曲線和相頻特性曲線如圖4一15所示， 當 時，F(xiàn)達最大值，等于1 /3 ,即輸出電壓是輸入電壓的1 /3;當 時，相位角 ，即輸出電壓與輸入電壓同相位。所以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡具有選頻作用。,下一頁,返回,上一頁,4.4 RC正弦波振蕩器,2. R C橋式振蕩器 它由集成運算放大器、RC串并聯(lián)正反饋選頻網(wǎng)絡和負反饋電路組成，如圖4一16 ( a)所示。把RC串并聯(lián)正反饋網(wǎng)絡中的Z1、Z2和負反饋電路中的R1、R2改畫成圖4一16 (b)所示

32、電路，它們構成了文氏電橋電路，放大器的輸入端與輸出端分別接到電橋的兩對角線上，所以把這種RC振蕩器稱為文氏電橋振蕩器，簡稱橋式振蕩器。,下一頁,返回,上一頁,4.4 RC正弦波振蕩器,4. 4. 2 RC移相振蕩器 采用集成運算放大器與RC超前移相電路構成的移相振蕩電路如圖4一17所示。三節(jié)RC超前移相電路構成振蕩器的正反饋網(wǎng)絡。由于集成運算放大器接成反相放大器產(chǎn)生相移1800，為滿足振蕩的相位平衡條件，要求反饋網(wǎng)絡對某頻率的信號再移相位1800，由于一節(jié)RC電路的最大移相趨于900，不滿足移相要求，二節(jié)RC電路的最大相移可趨于1800，但當移相趨于1800時，輸出電壓已接近于零，故也不能滿足

33、起振的幅度條件，所以采用三節(jié)RC移相電路。,下一頁,返回,上一頁,4.4 RC正弦波振蕩器,盡管三節(jié)RC移相電路對不同頻率信號所產(chǎn)生的移相不同，但其中總有某一個頻率的信號，通過此移相電路產(chǎn)生的移相剛好為1800，使振蕩電路滿足相位平衡條件而產(chǎn)生振蕩，該頻率即為振蕩頻率f0。根據(jù)相位平衡條件可求得振蕩頻率為 RC移相振蕩器具有結構簡單、使用方便等優(yōu)點;主要缺點是輸出信號的頻率和幅度均不夠穩(wěn)定，波形比較差，且頻率調節(jié)不方便。所以一般用于振蕩頻率固定，穩(wěn)定性要求不高的場合。,返回,上一頁,4.5 集成電路振蕩器,在集成電路振蕩器里，廣泛采用如圖4一18 ( a)所示的差分對管振蕩電路，其中V2管集電

34、極外接的LC回路調諧在振蕩頻率上。圖4一18(b)所示為其交流通路。Ree為恒流源I0的交流等效電阻。可見，這是一個共集 - 共基反饋電路。由于共集電路與共基電路均為同相放大電路，且電壓增益可調至大于1，根據(jù)瞬時極性法判斷，在V1管基極斷開，有ub1ue1(ue2) uc2 ub1，所以是正反饋。在振蕩頻率點，并聯(lián)LC回路阻抗最大，正反饋電壓uf(uo)最強，且滿足相位穩(wěn)定條件。綜上所述，此振蕩器電路能正常工作。,返回,4.6 實訓4：LC與晶體振蕩器,1.實驗目的 (1)了解電容三點式振蕩器和晶體振蕩器的基本電路及其工作原理。 (2)比較靜態(tài)工作點和動態(tài)工作點，了解工作點對振蕩波形的影響。

35、(3)測量振蕩器的反饋系數(shù)、波段覆蓋系數(shù)、頻率穩(wěn)定度等參數(shù)。 (4)比較LC與晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。,下一頁,返回,4.6 實訓4：LC與晶體振蕩器,2.實驗預習要求。 實驗前，預習教材:“高頻電子技術”第4章:正弦波振蕩器的有關章節(jié)。 3.實驗設備 TKGPZ一2型高頻電子線路綜合實驗箱。 雙蹤示波器。 萬用表。,下一頁,返回,上一頁,4.6 實訓4：LC與晶體振蕩器,4.實驗內(nèi)容與步驟 開啟實驗箱，在實驗板上找到與本次實驗內(nèi)容相關的單元電路，并對照實驗原理圖，認清各個元器件的位置與作用，特別是要學會如何使用“短路帽”來切換電路的結構形式。 作為第一次接觸本實驗箱，特對本次實驗的具體線路作

36、如下分析，如圖4一19所示。,下一頁,返回,上一頁,4.6 實訓4：LC與晶體振蕩器,電阻R101R106為三極管BG101，提供直流偏置工作點，電感L101，既為集電極提供直流通路，又可防止交流輸出對地短路，在電阻R105上可生成交、直流負反饋，以穩(wěn)定交、直流工作點。用“短路帽”短接切換開關K101、 K102 、 K103的1和2接點(以后簡稱“短接Kxxx-”)便成為LC西勒振蕩電路，改變C107可改變反饋系數(shù)，短接K101、 K102 、 K103 2 - 3，并去除電容C107后，便成為晶體振蕩電路，電容K106起藕合作用， R111為阻尼電阻，用于降低晶體等效電感的Q值，以改善振蕩

37、波形。在調整LC振蕩電路靜態(tài)工作點時，應短接電感L102 (即短接K104 2 -3)。,下一頁,返回,上一頁,4.6 實訓4：LC與晶體振蕩器,三極管BG102等組成射極跟隨電路，提供低阻抗輸出本實驗中LC振蕩器的輸出頻率約為1. 5 MHz,晶體振蕩器的輸出頻率為10 MHz,調節(jié)電阻R110，可調節(jié)輸出的幅度。 經(jīng)過以上的分析后，可進入實驗操作。接通交流電源，然后按下實驗板上的+12 V的總電源開關K，和實驗單元的電源開關K100 ，電源指示發(fā)光二極管D4和D101點亮。,下一頁,返回,上一頁,4.6 實訓4：LC與晶體振蕩器,根據(jù)實驗電路完成以下幾組測試 1)調整和測量西勒振蕩器的靜態(tài)工作點，并比較振蕩器射極直流電壓(Ue、 Ueq)和直流電流(Ie