3-11 晶体振荡器

上节内容回顾与扩展 a 共发电感反馈三端式振荡器电路 b 等效电路 电感三端式振荡电路 由h参数等效电路可以推导 电感反馈三端电路的起振条件 电感反馈三端电路的振荡频率为 电感反馈三端式振荡器 哈特莱电路 上节内容回顾与扩展 哈特莱电路的优点 1 L1 L2之间有互感 反馈较强 容易起振 电路的缺点 1 振荡波形不好 因为反馈电压是在电感上获得 而电感对高次谐波呈高阻抗 因此对高次谐波的反馈较强 使波形失真大 2 电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高 这是因为频率太高 L太小且分布参数的影响太大 2 振荡频率调节方便 只要调整电容C的大小即可 3 而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数 电感反馈三端式振荡器 哈特莱电路 上节内容回顾与扩展 电容三端式振荡电路 a b 可推导电容反馈三端电路的起振条件 电容反馈三端电路的振荡频率 电容反馈三端振荡器 考毕兹电路 上节内容回顾与扩展 考毕兹电路的优点 1 电容反馈三端电路的优点是振荡波形好 2 电路的频率稳定度较高 适当加大回路的电容量 就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响 3 电容三端电路的工作频率可以做得较高 可直接利用振荡管的输出 输入电容作为回路的振荡电容 它的工作频率可做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围 电路的缺点 调C1或C2来改变振荡频率时 反馈系数也将改变 但只要在L两端并上一个可变电容器 并令C1与C2为固定电容 则在调整频率时 基本上不会影响反馈系数 电容反馈三端振荡器 考毕兹电路 上节内容回顾与扩展 振荡器实际工作频率f与标称频率f0之间的偏差 称为振荡频率准确度 又称为频率精度 频率稳定度 上节内容回顾与扩展 温度频率稳定度 温度频率稳定度的单位是ppm 振荡器实际工作频率f与标称频率f0之间的偏差 称为振荡频率准确度 又称为频率精度 分辨率与精度的区别 精度用来描述物理量的准确程度的 分辨率描述刻度划分的 频率稳定度 上节内容回顾与扩展 频率稳定度 上节内容回顾与扩展 短期频率稳定度在频域上称为相位噪声或相位抖动相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc Hz值 串联型改进电容三端式振荡器 克拉泼电路 a 克拉泼电路的实用用电路 b 高频等效电路 因为C3远远小于C1或C2 所以三电容串联后的等效电容 振荡角频率 故克拉泼电路的振荡频率几乎与C1 C2无关 1 由于Cce Cbe的接入系数减小 晶体管与谐振回路是松耦合 2 调整C1C2的值可以改变反馈系数 但对谐振频率的影响很小 由于放大倍数与频率的立方成反比 故随着放大频率的升高振荡的幅度明显下降 上限频率受到限制 故 3 调整值可以改变系统的谐振频率 对反馈系数无影响 1 克拉泼电路的波段覆盖的范围窄 2 工作波段内输出波形随着频率的变化大 克拉泼电路的特点 并联型改进电容三端式振荡器 西勒 Seiler 电路 a 实际电路 b 高频等效电路 其回路等效电容 振荡频率 工作频率上升时放大倍数线性上升 电流放大倍数下降 其特点 1 波段覆盖率宽 2 工作波段内 输出波形随频率变化 场效应管振荡器 上节内容回顾与扩展 场效应管作为有源器件 第三章波形发生与变换电路 P218 3 1LC反馈正弦波振荡器的工作原理3 2反馈型晶体管LC振荡器电路3 3频率稳定度及改进型电容三端式振荡电路3 5石英晶体振荡器 优点 石英晶体振荡器具有很高的频率稳定度 从电路特性方面讲 1 具有极高的空载品质因数 可达百万数量级 2 具有极小的接入系数 有载品质因数也很高 缺点 一个石英晶体振荡几乎只有一个频率点 即单频性 石英晶体具有谐振电路的特性 有载品质因数极高 晶体与外电路之间的耦合非常弱 晶体产品分类及选型应用一 时钟产品1 晶体单元 CrystalUnit单晶体或无源晶振 这是一种晶体芯片封装在外包装中的晶体器件 根据晶体芯片不同的应用类型 晶体单元可以分为音叉型晶体 AT型晶体或SAW谐振器 2 晶体振荡器 Oscillator有源晶振 晶体振荡器是一种能够输出指定频率的晶体器件 晶体振荡器和晶体振荡电路 IC 被集成封装在一起 例如TCXO和VCXO等各类振荡器 3 滤波器滤波器是用于在频带中允许频率通过或切断频率范围的晶体器件 3 5 2石英谐振器的特性 二 晶体的选型方法1 选择合适的外形和尺寸 找到相对应的型号2 选择您需要的频点3 选择您需要的频率偏差范围4 确认产品的负载容值或电压范围 3 5 2石英谐振器的特性 3 5 2石英谐振器的特性 3 5 2石英谐振器的特性 石英谐振器串联支路的谐振频率 并联谐振频率 3 5 2石英谐振器的特性 石英谐振器串联支路的谐振频率 并联谐振频率 石英谐振器的理想电抗曲线 3 5 2石英谐振器的特性 石英谐振器的理想电抗曲线 3 5 2石英谐振器的特性 石英谐振器的理想电抗曲线 石英谐振器串联支路的谐振频率 并联谐振频率 并联型晶体振荡器 晶体作为等效电感元件使用 晶体支路等效为电感 振荡电路的谐振频率往往由晶体外的电容来确定 并联型晶体振荡器1 晶体作为等效电感元件使用 晶振有一个重要的参数 那就是负载电容值 晶体元件的负载电容是指在电路中跨接在晶体两端的总的外界有效电容 选择与负载电容值相等的并联电容 就可以得到晶振标称的谐振频率 例如一个晶振的负载电容为15p或12 5p 如果再考虑元件引脚的等效输入电容 则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择 皮尔斯振荡电路 3 5 3石英晶体振荡器电路 晶体振荡器的电路形式主要分为两类 石英晶体在电路中作为等效电感元件使用 并联型晶体振荡器 石英晶体作为串联谐振元件使用 工作在串联谐振频率上 称为串联型晶体振荡器 3 5 3石英晶体振荡器电路 并联型晶体振荡器 晶体作为等效电感元件使用 3 5 3石英晶体振荡器电路 并联型晶体振荡器 晶体作为等效电感元件使用 3 5 3石英晶体振荡器电路 串联型晶体振荡器 晶体工作在串联谐振频率上 并联型晶体振荡器电路举例1 交流等效电路 3 5 3石英晶体振荡器电路 并联型晶体振荡器电路举例1 在晶振工作频率 处 此 回路等效为一个电容 可见 这是一个皮尔斯振荡电路 晶体等效为电感 容量为3 10的可变电容起微调作用 使振荡器工作在晶振的标称频率上 3 5 3石英晶体振荡器电路 并联型晶体振荡器电路举例2 振荡频率 3 5 3石英晶体振荡器电路 并联型晶体振荡器电路举例2 3 5 3石英晶体振荡器电路 并联型晶体振荡器2 晶体作为等效电感元件使用 密勒晶振电路 密勒振荡电路通常不采用晶体管 采用输入阻抗高的场效应管来提高回路的标准性和频率的稳定性 场效应管密勒振荡电路 3 5 3石英晶体振荡器电路 串联型晶体振荡器 晶体工作在串联谐振频率上 3 5 3石英晶体振荡器电路 串联型晶体振荡器电路举例1 交流等效电路 3 5 3石英晶体振荡器电路 串联型晶体振荡器电路举例1 交流等效电路 振荡频率 3 5 3石英晶体振荡器电路 3 5 2石英谐振器的特性 一个晶体是否只有一个谐振频率 石英晶体不仅只有基频串联谐振频率 还存在其它与基频成奇数倍的串联谐振频率 我们称之为泛音 奇数倍的关系不是严格的奇数倍 是近似的奇数倍关系 泛音晶体振荡器用于振荡频率较高的场合 这是因为由于制造工艺的限制 基频太高时晶片的厚度太薄 很容易破损 有时在同等条件下 泛音晶体振荡器的频率稳定度比基频振荡器更好 3 5 3石英晶体振荡器电路 3 5 3石英晶体振荡器电路 3 泛音晶体振荡器 如何让振荡器振荡在泛音频率上 串联型晶振电路 将晶体短路后 调整振荡频率至泛音频率上 再接上晶体即成泛音振荡器 串联型泛音晶体振荡器 3 5 3石英晶体振荡器电路 3 泛音晶体振荡器 如何让振荡器振荡在泛音频率上 在泛音晶振电路中 为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上 不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡而且必须正确地调节电路的环路增益 使其在工作泛音频率上略大于1 满足起振条件 而在更高的泛音频率上都小于1 不满足起振条件 3 5 3石英晶体振荡器电路 3 泛音晶体振荡器 如何让振荡器振荡在泛音频率上 假设泛音晶振为五次泛音 标称频率为 MHz 基频为 MHz 则回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间 这样 在 MHz频率上 回路呈容性 振荡电路满足组成法则 对于基频和三次泛音频率来说 回路呈感性 电路不符合组成法则 不能起振 而在七次及其以上泛音频率 回路虽呈现容性 但等效容抗减小 从而使电路的电压放大倍数减小 环路增益小于1 不满足振幅起振条件 3 5 3石英晶体振荡器电路 AT切晶体 3 5 3石英晶体振荡器电路 对3 33M呈感性 对10M呈容性 SC切晶体 3 5 3石英晶体振荡器电路 对10 9M呈感性 对10M呈容性 对3 3M呈感性 对10M呈容性 3 5 3石英晶体振荡器电路 泛音晶体振荡器电路举例 交流等效电路 例 某一晶体振荡器如图所示 解 交流等效电路如图所示 1 说明和390pF组成的回路的作用 2 若把晶体换成8MHz和2 5MHz能否振荡 1 和390pF的并联谐振频率为 2 4 14MHz f0 2 5MHz 回路对于2 5MHz呈现感性 不满足三点法则 所以把晶体换为2 5MHz 该电路不能起振 4 14MHz f0 8MHz 回路对于8MHz呈现容性 满足三点法则 但等效的容抗太小 该电路不能起振 3 5 3石英晶体振荡器电路 3 5 3石英晶体振荡器电路 电路中C2 C1的比率影响频率特性 例如应C2 C1时 波形较好 晶体振荡器电路举例 C2值与波形失真有关 C2较大波形较好 但对电源电压有要求 要求电源稳定并电压不能太小 否则停振 考虑稳定性时 C2 C1的比值设定的较小些 重视波形失真时 C2 C1的比值设定的较大些 第二章小信号放大器部分习题评讲P215 2 1 2 3 4 5 6 2 1晶体管低频小信号放大器与高频小信号放大器的分析方法有什么不同 高频小信号放大器能否用静态特性曲线来分析 为什么 2 2高频小信号放大器为什么要考虑阻抗匹配问题 习题评讲 习题评讲 习题评讲 习题评讲 2 5交流等效电路如图所示 画出完整电路图 要求如下 三种情况的电路图 1 正电源供电 2 负电源供电 3 正负双电源供电 习题评讲 正电源供电 习题评讲 2 6二级级联中频小信号单调回路放大器的交流等效电路如习图所示 求放大器的输入导纳 第二章作业讲评功率放大器部分 第二章作业讲评 2 9丙类功率放大器为什么要用谐振回路作为负载 第二章作业讲评 2 11对于实际的丙类谐