高频电子线路第四章正弦波振荡器

1、第四章 正弦波振荡器 1 第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 概述概述 4.2 反馈振荡原理反馈振荡原理 4.3 LC振荡器振荡器 4.4 晶体振荡器晶体振荡器 4.5 压控振荡器压控振荡器 4.6 集成电路振荡器集成电路振荡器 4.7 实例介绍实例介绍 第四章 正弦波振荡器 2 4.1 4.1 概述概述 振荡器振荡器是一中是一中能自动地将直流能源转换为一定波形的交能自动地将直流能源转换为一定波形的交 变振荡信号能量的转换电路变振荡信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于，无需。它与放大器的区别在于，无需 外加激励信号，就能产生具有一定频率、一定波形和一定振外加激励信号，就能产生具

2、有一定频率、一定波形和一定振 幅的交流信号。幅的交流信号。 根据所产生的波形不同，可将振荡器分成根据所产生的波形不同，可将振荡器分成正弦波振荡器正弦波振荡器和和 非正弦波振荡器非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波，后者能产生矩两大类。前者能产生正弦波，后者能产生矩 形波、三角波、锯齿波等。形波、三角波、锯齿波等。 按照选频网络所采用元件的不同，正弦波振荡器可分为按照选频网络所采用元件的不同，正弦波振荡器可分为LCLC 振荡器振荡器、RCRC振荡器振荡器和和晶体振荡器晶体振荡器等类型。其中等类型。其中LCLC振荡器和振荡器和 晶体振荡器用于产生高频正弦波，晶体振荡器用于产生高频正弦波，RCRC

3、振荡器用于产生低频振荡器用于产生低频 正弦波。正弦波。 按照产生振荡的方法，分为按照产生振荡的方法，分为反馈振荡器反馈振荡器和和负阻振荡器负阻振荡器。 各个频段的振荡器（举例）各个频段的振荡器（举例） 第四章 正弦波振荡器 3 4.2 反馈振荡原理 4.2.1并联谐振回路中的自由振荡现象 Us 12 S uc uL iLiR uR Re0 ic 图图 4.2.1 RLC电路与电压源的连接电路与电压源的连接 uc(t) 0 t e t 图图 4.2.2 RLC欠阻尼振荡波形欠阻尼振荡波形 第四章 正弦波振荡器 4 4.2反馈振荡原理 4.2.2 振荡过程及其中的三个振荡条件 一个反馈振荡器必须满

4、足三个条件：起振条件（保证 接通电源后能逐步建立起振荡），平衡条件（保证进入维 持等幅持续振荡的平衡状态）和稳定条件（保证平衡状态 不因外界不稳定因素影响而受到破坏）。 反馈振荡器的组成 主 网 络 反 馈 网 络 o U f U i U f U 第四章 正弦波振荡器 5 1.起振过程与起振条件 要使振幅不断增长的条件： 环路增益： 也可写成： 1 0 T n T 2 0 （n=0,1,2,） )()()()( 0000 iif UUTU 1)( 0 T FA U U T i f )( 第四章 正弦波振荡器 6 2.平衡过程与平衡条件 反馈振荡器的平 衡条件为： 1 0 T 又可写成： 1 0

5、 T n T 2 0 （n=0,1,2,） 满足起振和平衡条件的环路增益特性 第四章 正弦波振荡器 7 3.平衡状态的稳定性和稳定条件 0 0 iAi UU i U T 相位的稳定条件： 0 0 T 动画演示动画演示 第四章 正弦波振荡器 8 4.2.3 反馈振荡电路的判断方法 根据上述反馈振荡电路的基本原理和应当满足的起振、 平衡和稳定三个条件，判断一个反馈振荡电路能否正常工 作，需考虑以下几点： 1.可变增益放大器件（晶体管，场效应管或集成电路） 应有正确的直流偏置，开始时应工作在甲类状态，便于起 振。 2.开始起振时，环路增益幅值AF(0)应大于1。由于反 馈网络通常由无源器件组成，反馈

6、系数F小于1，故A(0)必 须大于1。共射、共基电路都可以满足这一点。为了增大 A(0) ，负载电阻不能太小。 第四章 正弦波振荡器 9 3.环路增益相位在振荡频率点应为2的整数倍，即环 路应是正反馈。 4.选频网络应具有负斜率的相频特性。因为在振荡频 率点附近，可以认为放大器件本身的相频特性为常数， 而反馈网络通常由变压器、电阻分压器或电容分压器组 成，其相频特性也可视为常数，所以相位稳定条件应该 由选频网络实现。 请看例题： 第四章 正弦波振荡器 10 例例4.1 判断图例判断图例4.1所示各反馈振荡电路能否正常工作。所示各反馈振荡电路能否正常工作。 其中（其中（）、（）、（）是交流等效电

7、路）是交流等效电路, （）是实用电路。）是实用电路。 图例4.1 Re2 V 2 CL Re1 (a) Re1 V 1 Rc1 L C Re2 V 2 Rc2 (b) Re2 Re1 Rb2 Cb Ce1 V 1 LC Re3 Ce2 R1 Re4 V 2 Rb1 Rc1 Rc2 UCC (c) V 1 第四章 正弦波振荡器 11 Re2 V 2 CL Re1 (a) Re1 V 1 Rc1 L C Re2 V 2 Rc2 (b) Re2 Re1 Rb2 Cb Ce1 V 1 LC Re3 Ce2 R1 Re4 V 2 Rb1 Rc1 Rc2 UCC (c) V 1 第四章 正弦波振荡器 12

8、 1. LC并联回路阻抗并联回路阻抗的相频特性和的相频特性和LC串联回路串联回路 导纳导纳的相频特性是的相频特性是负斜率。负斜率。 2. LC并联回路导纳并联回路导纳的相频特性和的相频特性和LC串联回路串联回路 阻抗阻抗的相频特性是正斜率。的相频特性是正斜率。 注 意 第四章 正弦波振荡器 13 串联谐振曲线并联谐振曲线 第四章 正弦波振荡器 14 4.2.4 4.2.4 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 1 1、频率稳定度定义、频率稳定度定义 反馈振荡器如满足起振、平衡、稳定三个条件反馈振荡器如满足起振、平衡、稳定三个条件 ，就能，就能 够产生等幅持续的振荡波形。当受到外界不稳定因素影响

9、够产生等幅持续的振荡波形。当受到外界不稳定因素影响 时，振荡器的相位或振荡频率可能发生变化，虽然能自动时，振荡器的相位或振荡频率可能发生变化，虽然能自动 回到平衡状态，但振荡频率在平衡点附近随机变化这一现回到平衡状态，但振荡频率在平衡点附近随机变化这一现 象却是不可避免的。象却是不可避免的。 通常所讲的频率稳定度一般指通常所讲的频率稳定度一般指短期频稳度短期频稳度，定义为：，定义为： n i i n f f f f nf f 1 2 0 0 0 0 0 0 1 lim 第四章 正弦波振荡器 15 2 2、提高、提高LCLC振荡器频率稳定度的措施振荡器频率稳定度的措施 （1 1）减少外界因素变化

10、的影响）减少外界因素变化的影响 （2 2）提高电路抗外界因素变化影响的能力）提高电路抗外界因素变化影响的能力 其中其中 是第是第i i次测试时的绝对频率偏差次测试时的绝对频率偏差。 00 fff ii n i i n ff n f 1 00 1 lim 是绝对频率偏差的平均值，也就是是绝对频率偏差的平均值，也就是 绝对频率准确度。绝对频率准确度。 可见，频率稳定度是用可见，频率稳定度是用均方误差值均方误差值来表示的相对频率来表示的相对频率 偏差程度。偏差程度。 第四章 正弦波振荡器 16 4.3 LC振荡器 定义 采用采用LC谐振回路作为谐振回路作为 选频网络的反馈振荡器选频网络的反馈振荡器

11、统称为统称为LC振荡器振荡器 LC振荡器可以用来产生几十千振荡器可以用来产生几十千 赫到几百兆赫的正弦波信号赫到几百兆赫的正弦波信号 第四章 正弦波振荡器 17 本节介绍以单个晶体管作为放大器，以本节介绍以单个晶体管作为放大器，以LC分立分立 元件作为选频网络的元件作为选频网络的LC振荡器。其中晶体管也可以振荡器。其中晶体管也可以 改用场效应管，工作原理基本相同。改用场效应管，工作原理基本相同。 LC振荡器按其振荡器按其 反馈网络的不同反馈网络的不同 互感耦合互感耦合 电容耦合电容耦合 自耦变压器耦合自耦变压器耦合 统称为统称为 三端式振荡器三端式振荡器 第四章 正弦波振荡器 18 4.3.1

12、互感耦合振荡器 此电路采用共发射极组态，此电路采用共发射极组态，LC回路回路接在集电极上。接在集电极上。 互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈正反馈， 所以，应注意耦合线圈所以，应注意耦合线圈同名端同名端的的正确位置。同时，耦合系正确位置。同时，耦合系 数数MM要选择合适，使之满足振幅起振条件。要选择合适，使之满足振幅起振条件。 集电级调谐型互感耦合集电级调谐型互感耦合 振荡电路如图示振荡电路如图示: 请看例题： M CeRe Rb2 Rb1 Cb UCC C L 第四章 正弦波振荡器 19 【例例4.2】 判断图例判断图例4.2所示两级互

13、感耦合振荡电路能否所示两级互感耦合振荡电路能否 正常工作。正常工作。 C 1 L1L2 V1 R e C 2 L3R L V2 图 例4.2 第四章 正弦波振荡器 20 第四章 正弦波振荡器 21 4.3.2三端式振荡器 电路组成法则 三端式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三 个电极分别连接而组成的一种振荡器。 三端式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替 互感耦合，可以克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点， 是一种广泛应用的振荡电路，其工作频率可达到几百兆 赫。 三端式振荡器的原理电路 如动画所示 第四章 正弦波振荡器 22 图图4.3.2 三端式振荡器的原理电路三端式振荡器的原理电路

14、 i U XbeXce f U c U Xbc o U 第四章 正弦波振荡器 23 假定假定LC回路由纯电抗元件组成，其电抗值分别为回路由纯电抗元件组成，其电抗值分别为Xce、 Xbe和和Xbc，同时不考虑晶体管的电抗效应，则当回路谐振，同时不考虑晶体管的电抗效应，则当回路谐振 (=0)时，回路成纯阻性，有：时，回路成纯阻性，有：Xce+Xbe+Xbc=0，因此，因此- Xce=Xbe+Xbc，由于，由于Uf是是Uc在在Xbe、 、Xbc支路分配在 支路分配在Xbe上的电上的电 压，有压，有 因为这是一个由反相放大器组成的正反馈电路，因为这是一个由反相放大器组成的正反馈电路，U Ui i与与U

15、 Uf f 同相，同相，U Uc c与与U Ui i反相，所以反相，所以 c ce be bcbe c be fU X X XXj UjX U 即即Xbe与与Xce必须是必须是同性质电抗同性质电抗，因而，因而Xbc必须必须是是异性质电异性质电 抗抗。 0 ce be X X 第四章 正弦波振荡器 24 结论： 在三端式电路中，LC回路中与发射极相连接的 两个电抗元件必须为同性质，另外一个电抗元件必须 为异性质。这就是三端式电路组成的相位判据或称为 三端式电路的组成法则。 与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三 端式电路，称为电容三端式电路，也称为考毕兹电 路。 与发射极相连接的两个电抗元件

16、同为电感时的三 端式电路，称为电感三端式电路，也称为哈特莱电 路。 第四章 正弦波振荡器 25 电容三端式（考毕兹电路）电容三端式（考毕兹电路） 电感三端式（哈特莱电路）电感三端式（哈特莱电路） 第四章 正弦波振荡器 26 2.电容三端式电路（又称为考毕兹电路，Coplitts） (a) (b) 高频等效电路高频等效电路 第四章 正弦波振荡器 27 (a) (b) (c) 电容三端式振荡器的交流等效电路 本电路的反馈系数： 21 1 CC C nF 第四章 正弦波振荡器 28 在图在图.（）中的双电容耦合电路里（）中的双电容耦合电路里, 可把次级可把次级 电路元件电路元件re、Re、Cbe等效

17、到初级中等效到初级中, 如图如图.（） 所示。所示。 其中接入系数其中接入系数n= eb CCC 2 2 eeee r n Rr n r 22 1 )/( 1 ff U n U 1 (因为因为reRe) 21 1 CC C 第四章 正弦波振荡器 29 21 21 21 21 CC CC CC CC C jBG Ug U im f ff UnU 因为因为 图图4.3.（）又可以进一步等效为图）又可以进一步等效为图4.3.4（）。）。 其其 中等效电导中等效电导G=gL+g e。等效电纳。等效电纳B=C-1(L), 第四章 正弦波振荡器 30 L Cjgg ng jBG ng U U T eL m

18、m i f 1 振荡角频率振荡角频率 LC 1 0 由此可求得由此可求得振幅起振条件振幅起振条件为为: 1 . eL m gg ng 所以环路增益所以环路增益 第四章 正弦波振荡器 31 即即 eLeLm ngg n gg n g 1 )( 1 其中其中 eeb e eL L rr g RR g 11 , / 1 0 本电路的本电路的反馈系数反馈系数 21 1 CC C nF 的取值一般为的取值一般为1/81/2。 第四章 正弦波振荡器 32 由式（由式（4.3.1）可知）可知, 为了使电容三端式电路易于起振为了使电容三端式电路易于起振, 应选择应选择跨导跨导gm较大、较大、rbe较大的晶体管

19、较大的晶体管, 其负载其负载RL和回路和回路 谐振电阻谐振电阻Re0也要大也要大, 而接入系数而接入系数要合理选择。要合理选择。 实践表明实践表明, 如果选用截止频率如果选用截止频率fT大于振荡频率五倍以大于振荡频率五倍以 上的晶体管作放大器上的晶体管作放大器, 负载负载RL不要太小（不要太小（k以上）以上）, 接接 入系数入系数取值合适取值合适, 一般都能满足起振条件。一般都能满足起振条件。 第四章 正弦波振荡器 33 3.电感三端式电路（也称为哈特莱电路，Hartley） 本电路的反馈系数： MLL ML nF 2 21 2 (a) (b) 第四章 正弦波振荡器 34 两种三端式振荡电路优

20、缺点的比较： 1.电容三端式振荡器 优点是：反馈电压取自C2,而电容对晶体管非线性特 性产生的高次谐波呈现低阻抗，所以反馈电压中高次谐 波分量很小，因而输出波形好，接近于正弦波。 缺点是：反馈系数因与回路电容有关，如果用改变回 路电容的方法来调整振荡频率，必将改变反馈系数，从 而影响起振。 第四章 正弦波振荡器 35 电感三端式振荡器 优点:便于改变电容的方法来调整振荡频率，而不会影响 反馈系数； 缺点：反馈电压取自L2,而电感线圈对高次谐波呈现高阻 抗，所以反馈电压中高次谐波分量很多，输出波形较差 两种振荡器共同的缺点是：晶体管输入输出电容分别 和两个回路电抗元件并联，影响回路的等效电抗元件

21、参 数，从而影响振荡频率。 由于晶体管输入输出电容值随环境温度、电源电压等 因素而变化，所以三点式电路的频率稳定度不高，一般 在10-3量级。 第四章 正弦波振荡器 36 例例. 在图例在图例4.3所示振荡器交流等效电路中所示振荡器交流等效电路中, 三个三个并并 联回路的谐振频率分别是：联回路的谐振频率分别是： , 试问试问1、2、3满足什么条件时该振荡器满足什么条件时该振荡器 能正常工作？且相应的振荡频率是多少？能正常工作？且相应的振荡频率是多少？ 解解: 由图可知由图可知, 只要满足三端式组成法则只要满足三端式组成法则, 该振荡器就能正常该振荡器就能正常 工作。工作。 若组成电容三端式若组

22、成电容三端式, 则在振荡频率则在振荡频率01处处, 11回路与回路与22 回路应呈现容性回路应呈现容性, L3C3回路应呈现感性。回路应呈现感性。 所以应满足所以应满足1201 3或或21013。 )2/(1),2/(1 222111 CLfCLf )2/(1 333 CLf 第四章 正弦波振荡器 37 图例4.3 X 0 f1 (或 f2) f2(或 f1) f01f3 f X 0f3 f02 f1(或 f2) f f2(或 f1) (c)(b) L1C1 C3 C2 L3 L2 (a) 第四章 正弦波振荡器 38 在两种情况下在两种情况下, 振荡频率的表达式均为振荡频率的表达式均为: CL

23、 ff 2 1 0201 32 32 1 321 321 )( CC CC CC LLL LLL L 第四章 正弦波振荡器 39 4.克拉波(Clapp)电路 (a)克拉波电路的实用电路(b)高频等效电路 电容三端式电路比电感三端式电路性能要好些电容三端式电路比电感三端式电路性能要好些, 但但如何减小如何减小 晶体管输入输出电容对频率稳定度的影响晶体管输入输出电容对频率稳定度的影响仍是一个必须解决的问仍是一个必须解决的问 题题, 于是出现了于是出现了改进型的电容三端式电路改进型的电容三端式电路克拉泼电路克拉泼电路。 第四章 正弦波振荡器 40 各电容取值必须满足：各电容取值必须满足：31, 3

24、 2, 这样可使电路的振荡频率近似只与这样可使电路的振荡频率近似只与3、有关。有关。 先不考虑晶体管输入输出电容的影响。先不考虑晶体管输入输出电容的影响。 因为因为3远远小于远远小于1或或 2, 所以所以1、2 、3三个电容串联后的等效电容三个电容串联后的等效电容 3 2 3 1 3 3 313221 321 1 C C C C C C CCCCCC CCC C 3 0 11 LCLC 结论：结论： 克拉泼电路的振荡频率几乎与克拉泼电路的振荡频率几乎与1、2无关无关。 振荡角频率振荡角频率 第四章 正弦波振荡器 41 现在分析晶体管结电容现在分析晶体管结电容ce、be 对振荡频率的影响。对振荡

25、频率的影响。 由图由图4.3.6（）可以看到）可以看到, , ce ce与谐振回路的接入系数 与谐振回路的接入系数 21 3 21 2 323121 32 32 32 1 32 32 321 32 )( CC C CC C CCCCCC CC CC CC C CC CC CCC CC n 串 串 第四章 正弦波振荡器 42 与电容三点式电路中与电容三点式电路中ce ce与谐振回路的接入系数 与谐振回路的接入系数n=n=C C2 2( (C C1 1+ +C C2 2) ) 比较比较, , 由于由于3 31 1, , 3 3 2 2, , 所以所以。 由于由于ce ce的接入系数大大减小 的接入

26、系数大大减小, , 所以它等效到回路两端所以它等效到回路两端 的电容值也大大减小的电容值也大大减小, , 对振荡频率的影响也大大减小。对振荡频率的影响也大大减小。 同理同理, ,be be对振荡频率的影响也极小。 对振荡频率的影响也极小。 因此因此, , 克拉泼电路的频率稳定度比电容三点式电路要好。克拉泼电路的频率稳定度比电容三点式电路要好。 在实际电路中在实际电路中, ,根据所需的振荡频率决定根据所需的振荡频率决定、3 3的值的值, , 然后取然后取1 1、2 2远大于远大于3 3即可。但是即可。但是3 3不能取得太小不能取得太小, ,否则否则 将影响振荡器的起振。将影响振荡器的起振。 第四

27、章 正弦波振荡器 43 晶体管c 、b两端与回路A、B两端之间的接入系数 所以，A、B两端的等效电阻 RL=RL/Re0 ，折算到c、 b两端后为： 1 1 213 21 3 21 21 3 1 CCC CC C CC CC C n 0 2 213 21 2 1 1 1 eLL LLLL RRR RR CCC CC RnR 第四章 正弦波振荡器 44 5.西勒(Seiler)电路 (a)实用电路 (b)高频等效电路 第四章 正弦波振荡器 45 针对克拉泼电路的缺陷针对克拉泼电路的缺陷, , 出现了另一种改进型电容三端出现了另一种改进型电容三端 式电路式电路西勒电路。图西勒电路。图4.3.74.

28、3.7（）是其实用电路）是其实用电路, , （） 是其高频等效电路。是其高频等效电路。 西勒电路是在克拉泼电路基础上西勒电路是在克拉泼电路基础上, , 在电感在电感两端并联了两端并联了 一个小电容一个小电容4, , 且满足且满足1 、2远大于远大于3 , 1 、2远大于远大于 4, 所以其回路等效电容所以其回路等效电容 434 323121 321 CCC CCCCCC CCC C 振荡频率为：振荡频率为： )(2 1 2 1 43 0 CCLLC f 西勒电路可用作波段振荡器西勒电路可用作波段振荡器, ,其波段覆盖系数为其波段覆盖系数为1.61.61.8左右。左右。 结论：结论： 第四章 正

29、弦波振荡器 46 电容、电感两种三点式振荡电路优缺点：电容、电感两种三点式振荡电路优缺点： 1.电容三点式振荡器电容三点式振荡器 优点是：优点是： 反馈电压取自反馈电压取自C2,C2,而电容对晶体管非线性而电容对晶体管非线性 特性产生的高次谐波呈现低阻抗，所以反特性产生的高次谐波呈现低阻抗，所以反 馈电压中高次谐波分量很小，因而输出波馈电压中高次谐波分量很小，因而输出波 形好，接近于正弦波。形好，接近于正弦波。 缺点是：缺点是： 反馈系数因与回路电容有关，如反馈系数因与回路电容有关，如 果用改变回路电容的方法来调整果用改变回路电容的方法来调整 振荡频率，必将改变反馈系数，振荡频率，必将改变反馈

30、系数， 从而影响起振从而影响起振 回顾：回顾： 4.4 4.4 晶体振荡器晶体振荡器 第四章 正弦波振荡器 47 2.电感三点式振荡器电感三点式振荡器 优点优点: : 便于改变电容的方法来调整便于改变电容的方法来调整 振荡频率，而不会影响反馈振荡频率，而不会影响反馈 系数；系数； 缺点：缺点： 反馈电压取自反馈电压取自L2,L2,而电感线圈对高次而电感线圈对高次 谐波呈现高阻抗，所以反馈电压中高谐波呈现高阻抗，所以反馈电压中高 次谐波分量很多，输出波形较差次谐波分量很多，输出波形较差 共同的缺点：共同的缺点： 两种振荡器晶体管输入输出电容分别和两个回路电两种振荡器晶体管输入输出电容分别和两个回

31、路电 抗元件并联，影响回路的等效电抗元件参数，从而影抗元件并联，影响回路的等效电抗元件参数，从而影 响振荡频率。且电容值随环境温度、电源电压等因素响振荡频率。且电容值随环境温度、电源电压等因素 而变化，所以三点式电路的频率稳定度不高，一般在而变化，所以三点式电路的频率稳定度不高，一般在 1010-3 -3量级。 量级。 第四章 正弦波振荡器 48 由分析可知：电容三点式电路比电感三点式电路性能要好由分析可知：电容三点式电路比电感三点式电路性能要好 些些, 但但如何减小晶体管输入输出电容对频率稳定度的影响如何减小晶体管输入输出电容对频率稳定度的影响仍是仍是 一个必须解决的问题一个必须解决的问题,

32、 于是出现了于是出现了改进型的电容三点式电路改进型的电容三点式电路 克拉泼电路克拉泼电路。 优点：由于优点：由于 3.克拉泼电路克拉泼电路 3 2 3 1 3 3 313221 321 1 C C C C C C CCCCCC CCC C 3 0 11 LCLC 克拉泼电路的振荡频率几乎与克拉泼电路的振荡频率几乎与1、2无关，所以，稳定。无关，所以，稳定。 缺点：缺点：不适合于作波段振荡器，不适合于作波段振荡器，C3不能太小，否则影响起振。不能太小，否则影响起振。 第四章 正弦波振荡器 49 4.西勒电路西勒电路 针对克拉泼电路的缺陷针对克拉泼电路的缺陷, , 出现的另一种改出现的另一种改 进

33、型电容三点式电路进型电容三点式电路 434 323121 321 CCC CCCCCC CCC C )(2 1 2 1 43 0 CCLLC f 结论：结论： 西勒电路可用作波段振荡器西勒电路可用作波段振荡器,其波段覆盖系数为其波段覆盖系数为1.61.8左右。左右。 第四章 正弦波振荡器 50 4.4 4.4 晶体振荡器晶体振荡器 4.4.1石英晶体及其阻抗频率特性 1、石英晶体谐振器 石英是矿物质硅石的一种，化学成分是SiO2，形状 是呈角锥形的六棱结晶体。石英晶体具有压电效应。 当交流电压加在晶体两端, 晶体先随电压变化产生 应变, 然后机械振动又使晶体表面产生交变电荷。 当晶体几何尺寸和

34、结构一定时, 它本身有一个固有 的机械振动频率。 工作原理 第四章 正弦波振荡器 51 当外加交流电压的频率等于晶体的固有频 率时, 晶体片的机械振动最大, 晶体表面电荷量 最多, 外电路中的交流电流最强, 于是产生了谐 振。 因此, 将石英晶体按一定方位切割成片, 两边敷以电极, 焊上引线, 再用金属或玻璃外壳封装即构成石英晶体谐振 器（简称石英晶振）。 32.768KHz 第四章 正弦波振荡器 52 2）.石英晶振的振动具有石英晶振的振动具有多谐性多谐性, 即除了即除了基频振动基频振动外外, 还有还有 奇次谐波奇次谐波泛音泛音振动振动。 对于石英晶振对于石英晶振, 既可利用其基频振动既可利

35、用其基频振动, 也可利用其泛音振也可利用其泛音振 动。动。 基频振动称为基频晶体基频振动称为基频晶体,奇次谐波泛音振动称为泛音晶体。奇次谐波泛音振动称为泛音晶体。 3）.工作频率较低时（小于工作频率较低时（小于20MHz ）常采用基频晶体，工）常采用基频晶体，工 作频率较高时（大于作频率较高时（大于20 MHz ）, 常采用泛音晶体。常采用泛音晶体。 特点：特点： 1 1）. .石英晶振的固有频率十分稳定石英晶振的固有频率十分稳定, , 它的温度系数（温它的温度系数（温 度变化度变化所引起的固有频率相对变化量）在所引起的固有频率相对变化量）在1010-6 -6以下； 以下； 第四章 正弦波振荡

36、器 53 2、石英晶振的阻抗频率特性 图4.1是石英晶振的符号和等效电路。 图图 4.4.1 石英晶体谐振器石英晶体谐振器 (a) 符号；符号； (b) 基频等效电路；基频等效电路； (c) 完整等效电路完整等效电路 (a)(b)(c) 第四章 正弦波振荡器 54 封装电容C0约1pF10pF 动态电感Lq约10-3H102H 动态电容Cq约10-4pF10-1pF 动态电阻rq约几十欧到几百欧 由以上参数可以看到： (1)石英晶振的Q值和特性阻抗都非常高。Q值可以 达到几万到几百万，因为Lq较大,Cq与rq很小的缘故。 q q q q C L r Q 1 第四章 正弦波振荡器 55 综合以上

37、两点，不难理解石英晶振的频率稳定度是 非常高的。 (2)由于石英晶振的接入系数n=Cq/(C0+Cq)很小，所以外 接元器件参数对石英晶振的影响很小。 串联谐振频率 并联谐振频率 qq s CL f 2 1 0 0 0 0 0 1 2 1 C C f CC C f CC CC L f q s q s q q q p 第四章 正弦波振荡器 56 晶振的频率特性曲线晶振的频率特性曲线 第四章 正弦波振荡器 57 4.4.2 4.4.2 晶体振荡器电路晶体振荡器电路 将晶振作为高 Q值谐振回路元件接入正反馈电路中， 就组成了晶体振荡器。 1. 将晶振作为等效电感元件作用在三端式电路中，工 作在感性区

38、，称为并联型晶体振荡器； 2. 将晶振作为一个短路元件串接于正反馈支路上，工 作在它的串联谐振频率上，称为串联型晶体振荡器。 根据晶振在振荡器中的作用原理分类根据晶振在振荡器中的作用原理分类 第四章 正弦波振荡器 58 1 1、皮尔斯（、皮尔斯（PiercePierce）振荡电路）振荡电路 使石英晶体等效于电容三端式中的电感使石英晶体等效于电容三端式中的电感 皮尔斯电路是最常用的振荡电路之一。 图4.4.3（）是皮尔斯电路, （）是其高频等效电路, 其中虚线框内是晶振的等效电路。 Rb1 Rb2 Cb Re C1 C2 UCC Lc (a)(b) Cc RL Lq Cq rq Re 晶体 RL

39、 C1 C2 C0 第四章 正弦波振荡器 59 皮尔斯（皮尔斯（PiercePierce）振荡电路分析）振荡电路分析 (1)(1)振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管c c、 b b端，端，c c、e e端和端和e e、b b端的接入系数分别是：端的接入系数分别是： Lq q cb CCC C n 0 21 21 CC CC CL cbce n CC C n 21 2 cbeb n CC C n 21 1 由图由图4.（）可以看出）可以看出, 皮尔斯电路类似于克拉泼皮尔斯电路类似于克拉泼 电路电路, 但由于石英晶振中但由于石英晶振中q极小极小

40、, q极高极高, 所以皮尔斯电路所以皮尔斯电路 具有以下一些特点：具有以下一些特点： 结论：结论：以上三个接入系数一般均小于以上三个接入系数一般均小于10-310-4, 所以外电路中所以外电路中 的不稳定参数对振荡回路影响很小的不稳定参数对振荡回路影响很小, 提高了回路的标准性。提高了回路的标准性。 第四章 正弦波振荡器 60 (2)(2)振荡频率几乎由石英晶振的参数决定，而石英晶振本振荡频率几乎由石英晶振的参数决定，而石英晶振本 身的参数具有高度的稳定性。身的参数具有高度的稳定性。 振荡频率振荡频率 L q s Lq Lq q CC C f CCC CCC L f 0 0 0 0 1 2 1

41、 其中，其中，C CL L是和晶振两端并联的外电路各电容的等效值，是和晶振两端并联的外电路各电容的等效值， 即根据产品要求的负载电容。即根据产品要求的负载电容。 在实用时，一般需加入微调电容，用以微调回路的谐振在实用时，一般需加入微调电容，用以微调回路的谐振 频率，保证电路工作在晶振外壳上所注明的标称频率频率，保证电路工作在晶振外壳上所注明的标称频率f fN N上。上。 第四章 正弦波振荡器 61 (4)由于晶振的Q值和特性阻抗 都很高，所 以晶振的谐振电阻也很高，一般可达1010以上。 qq CL / (3)由于振荡频率f0一般调谐在标称频率fN上，位于晶振 的感性区内，电抗曲线陡峭，稳频性

42、能极好。 结论：结论：即使外电路接入系数很小，此谐振电阻等效到即使外电路接入系数很小，此谐振电阻等效到 晶体管输出端的阻抗仍很大，使晶体管的电压增益能晶体管输出端的阻抗仍很大，使晶体管的电压增益能 满足振幅起振条件的要求。满足振幅起振条件的要求。 第四章 正弦波振荡器 62 例例 4.5 图例图例4.（）是一个数字频率计晶振电路）是一个数字频率计晶振电路, 试分试分 析其工作情况。析其工作情况。 20 k C 5 MHz 5.6 k 20 p 535 p 200 p 330 p 0.01 4.7 2.7 k V1 1.5 k V2 UCC 20 p 535 p 200 p V 1 330 p4

43、.7 (a)(b) 20 k C 5 MHz 5.6 k 20 p 535 p 200 p 330 p 0.01 4.7 2.7 k V1 1.5 k V2 UCC 20 p 535 p 200 p V 1 330 p4.7 (a)(b) 图 例4.5 第四章 正弦波振荡器 63 解解: 先画出先画出V1管高频交流等效电路管高频交流等效电路, 如图例如图例4.（） 所示所示, 0.01F电容较大电容较大, 作为高频旁路电路作为高频旁路电路, V2管作射随器。管作射随器。 由高频交流等效电路可以看到由高频交流等效电路可以看到, V1管的管的c、e极之间有极之间有 一个一个LC回路回路, 其谐振频

44、率为其谐振频率为: MHzf0 . 4 10330107 . 42 1 126 0 所以在晶振工作频率所以在晶振工作频率5MHz处处, 此回路等效为一此回路等效为一 个电容。可见个电容。可见, 这是一个皮尔斯振荡电路这是一个皮尔斯振荡电路, 晶振等效为电晶振等效为电 感感, 容量为容量为5pF35pF的可变电容起微调作用的可变电容起微调作用, 使振荡器工使振荡器工 作在晶振的标称频率作在晶振的标称频率5MHz上。上。 第四章 正弦波振荡器 64 2.2.密勒（密勒（MillerMiller）振荡电路）振荡电路 石英晶体等效于电感三端式中的电感石英晶体等效于电感三端式中的电感 密勒振荡电路 密勒

45、振荡电路为什么通常密勒振荡电路为什么通常 不采用晶体管？不采用晶体管？ 原因是：原因是：正向偏置时高频正向偏置时高频 晶体管发射结电阻太小晶体管发射结电阻太小, , 虽然晶振与发射结的耦合虽然晶振与发射结的耦合 很弱很弱, , 但也会在一定程度但也会在一定程度 上降低回路的标准性和频上降低回路的标准性和频 率的稳定性。率的稳定性。 结论：结论：采用输入阻抗高的采用输入阻抗高的 场效应管。场效应管。 第四章 正弦波振荡器 65 3.3.泛音晶振电路泛音晶振电路 (a)(a)并联型泛音晶体振荡电路并联型泛音晶体振荡电路 (b)LC(b)LC1 1回路的电抗特性回路的电抗特性 (a) (b) 在工作

46、频率较高的晶体振荡器中在工作频率较高的晶体振荡器中, 多采用泛音晶体振荡电路。多采用泛音晶体振荡电路。 第四章 正弦波振荡器 66 分析：图（）并联型泛音晶体振荡电路分析：图（）并联型泛音晶体振荡电路 假设泛音晶振为五次泛音假设泛音晶振为五次泛音, 标称频率为标称频率为5MHz， 基频为基频为1MHz。 问：问：L1回路必须调谐在什么频率之间？回路必须调谐在什么频率之间？ 答：答：1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。 分析：分析： 由由1回路的电抗特性曲线可知：频率在回路的电抗特性曲线可知：频率在3.57 MHz之间之间 为电容性，且在为电容性，且在5

47、MHz 频率上频率上, 1回路呈容性回路呈容性, 振荡电路满足振荡电路满足 组成法则和幅度条件。组成法则和幅度条件。 对于基频和三次泛音频率来说对于基频和三次泛音频率来说, 1回路呈感性回路呈感性, 电路不符电路不符 合组成法则合组成法则, 不能起振。不能起振。 第四章 正弦波振荡器 67 4.4.串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器 概念：概念： 将石英晶振用于正反馈支路中将石英晶振用于正反馈支路中, , 利用其串利用其串 联谐振时等效为联谐振时等效为短路元件短路元件, , 电路反馈作用电路反馈作用 最强最强, , 满足振幅起振条件满足振幅起振条件, , 使振荡器在晶使振荡器在晶 振串联谐振频率

48、振串联谐振频率fs上起振。上起振。 图图 4.4.6 4.4.6 串联型晶体振荡电路串联型晶体振荡电路 第四章 正弦波振荡器 68 特点：特点： 1.1.在振荡电路的正反馈支路上增加了一个晶振；在振荡电路的正反馈支路上增加了一个晶振； 2.、1 1、2 2和和3 3组成并联谐振回路，而且调组成并联谐振回路，而且调 谐在振荡频率上。谐在振荡频率上。 3. 振荡频率与晶振的串联谐振频率相同，这时晶振荡频率与晶振的串联谐振频率相同，这时晶 振呈现为一个小电阻，相移为零。振呈现为一个小电阻，相移为零。 4.串联型晶体振荡器的振荡频率受晶振控制，具串联型晶体振荡器的振荡频率受晶振控制，具 有很高的频率稳

49、定度有很高的频率稳定度。 结论：结论：晶体振荡器的频率稳定度很高晶体振荡器的频率稳定度很高, , 但振荡频率的可调范但振荡频率的可调范 围很小。采用变容二极管组成的压控振荡器可使振荡频率随围很小。采用变容二极管组成的压控振荡器可使振荡频率随 外加电压而变化外加电压而变化, , 在调频和锁相环路里有很大的用途。在调频和锁相环路里有很大的用途。 第四章 正弦波振荡器 69 4.5 压控振荡器压控振荡器 4.5.1变容二极管变容二极管 变容二极管是利用变容二极管是利用PNPN结的结电容随反向电压变化这一特结的结电容随反向电压变化这一特 性制成的一种压控电抗元件。变容二极管的符号和结电容变化性制成的一

50、种压控电抗元件。变容二极管的符号和结电容变化 曲线如图曲线如图4.5.14.5.1所示。所示。 变容二极管变容二极管结电容结电容可表示为可表示为: : n B j j U u C C 1 )0( (4.5.1) 压控振荡器（压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator）简称）简称VCO，在频，在频 率调制、频率合成，锁相环电路、电视调谐器、频谱分析仪率调制、频率合成，锁相环电路、电视调谐器、频谱分析仪 等方面都有应用。等方面都有应用。 第四章 正弦波振荡器 70 变容二极管必须工作在变容二极管必须工作在反向偏压反向偏压状态状态, , 所以所以工作时需工作时需 加负的静

51、态直流偏压加负的静态直流偏压UQ。若交流控制电压。若交流控制电压u为正弦为正弦 信号信号, , 变容管上的电压为变容管上的电压为: : u=-(UQ+u)=-(UQ+Um cost) 其中其中为变容指数为变容指数, , 其值随半导体掺杂浓度和其值随半导体掺杂浓度和PNPN结的结的 结构不同而变化结构不同而变化, , j（0）为外加电压为外加电压u0时的结电容值时的结电容值, , UB为为PN结的内建电位差。结的内建电位差。 第四章 正弦波振荡器 71 图图 4.5.1 变容二极管变容二极管 (a) 符号；符号； (b) 结电容结电容-电压曲线电压曲线 t 0u u00 CjCj(t) Cj(0

52、) CjQ UQ Umt (a)(b) 第四章 正弦波振荡器 72 代入式代入式(4.5.1), ), 则有则有: : n jQ n QB jQ j tm C UU u C C )cos1 ( 1 其中其中静态结电容静态结电容 n B Q j jQ U U C C 1 )0( 结电容调制度结电容调制度 1 QB m UU U m 第四章 正弦波振荡器 73 4.5.24.5.2变容二极管压控振荡器变容二极管压控振荡器 将变容二极管作为压控电容接入将变容二极管作为压控电容接入LC振荡器中，就组振荡器中，就组 成了成了LC压控振荡器。压控振荡器。 需要注意的是需要注意的是, , 为了使变容二极管能

53、正常工作为了使变容二极管能正常工作, , 必须正必须正 确地给其提供静态负偏压和交流控制电压确地给其提供静态负偏压和交流控制电压, , 而且要抑制高而且要抑制高 频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干扰频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干扰, , 所以所以, , 在电在电 路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路电容、隔直流电容路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路电容、隔直流电容 等。等。 无论是分析振荡器还是压控振荡器都必须正确画出振荡无论是分析振荡器还是压控振荡器都必须正确画出振荡 器的直流通路和高频振荡回路。对于后者器的直流通路和高频振荡回路。对于后者, , 还须画出变容还须画出变容 二极管的

54、直流偏置电路与低频控制回路。二极管的直流偏置电路与低频控制回路。 例例4.64.6说明了具说明了具 体方法与步骤。体方法与步骤。 第四章 正弦波振荡器 74 例例4.6 画出图例画出图例4.6(a)所示中心频率为所示中心频率为360MHz的变的变 容二极管压控振荡器中晶体管的直流通路和高频振荡容二极管压控振荡器中晶体管的直流通路和高频振荡 回路回路, , 变容二极管的直流偏置电路和低频控制回路。变容二极管的直流偏置电路和低频控制回路。 解: 画晶体管直流通路, 只需将所有电容开路、电感 短路即可, 变容二极管也应开路, 因为它工作在反偏状态, 如图(b)所示。 画变容二极管直流偏置电路, 需将

55、与变容二极管有关 的电容开路, 电感短路, 晶体管的作用可用一个等效电阻 表示。由于变容二极管的反向电阻很大, 可以将其它和它 相连的电阻作近似处理。如本例中变容二极管的负端可 直接与15 V电源相接, 见图(c)。 第四章 正弦波振荡器 75 1000 p C4 1 p C1 R4 1000 p C3R3 470 15 V 0.5 p C2 Cj 1000 p C5 R2 R1 10 V u 15 V (a) 15 V R4 R3 15 V (b) 15 V 10 V R1 R2 L Cj C2 C1 (c)(d ) Cj u (e) L Cj R4 第四章 正弦波振荡器 76 图图 例例4

56、.6 1000 p C4 1 p C1 R4 1000 p C3R3 470 15 V 0.5 p C2 Cj 1000 p C5 R2 R1 10 V u 15 V (a) 15 V R4 R3 15 V (b) 15 V 10 V R1 R2 L Cj C2 C1 (c)(d ) Cj u (e) L Cj R4 1000 p C 4 1 p C 1 R 4 1000 p C 3 R 3 470 15 V 0.5 p C 2 C j 1000 p C 5 R 2 R 1 10 V u 15 V (a) 15 V R 4 R 3 15 V (b) 15 V 10 V R 1 R 2 L C

57、j C 2 C 1 (c)(d ) C j u (e) L C j R 4 （b） 第四章 正弦波振荡器 77 1000 p C 4 1 p C 1 R 4 1000 p C 3 R 3 470 15 V 0.5 p C 2 C j 1000 p C 5 R 2 R 1 10 V u 15 V (a) 15 V R 4 R 3 15 V (b) 15 V 10 V R 1 R 2 L C j C 2 C 1 (c)(d ) C j u (e) L C j R 4 1000 p C 4 1 p C 1 R 4 1000 p C 3 R 3 470 15 V 0.5 p C 2 C j 1000

58、p C 5 R 2 R 1 10 V u 15 V (a) 15 V R 4 R 3 15 V (b) 15 V 10 V R 1 R 2 L C j C 2 C 1 (c)(d ) C j u (e) L C j R 4 第四章 正弦波振荡器 78 压控振荡器的压控振荡器的主要性能指标主要性能指标是是压控灵敏度压控灵敏度和和线性度线性度。其。其 中压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的增量中压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的增量, , 用用S表示表示, , 即即 u f S (4.5.3) 图图4.5.2时变容二极管压控制震荡器的频率时变容二极管压控制震荡器的频率电压特性。一

59、电压特性。一 般情况下，这一特性是非线性的，其非线性程度与变容指数和般情况下，这一特性是非线性的，其非线性程度与变容指数和 电路结构有关。电路结构有关。在中心频率附近较小区域内线性较好，灵敏度在中心频率附近较小区域内线性较好，灵敏度 也较高也较高. . 第四章 正弦波振荡器 79 图图4.5.2 变容二极压控振荡器的频率变容二极压控振荡器的频率电压特性电压特性 f f0 0U 第四章 正弦波振荡器 80 【例例 47】 在图例在图例4.6()所示电路中所示电路中, 若调整若调整2使变容二使变容二 极管静态偏置电压为极管静态偏置电压为-6, 对应的变容二极管静态电容对应的变容二极管静态电容jQ2

60、0 pF, 内建电位差内建电位差UB0.6, 变容指数变容指数n3。求振荡回路的。求振荡回路的电感电感 和交流控制信号和交流控制信号u为振幅为振幅Um=1V的正弦波时对应的的正弦波时对应的压控灵敏度。压控灵敏度。 解解: 由图例由图例4.6（）可知）可知, 谐振回路总等效电容由三个电容谐振回路总等效电容由三个电容 串联而成串联而成, 所以静态时总电容为所以静态时总电容为 第四章 正弦波振荡器 81 jQ Q CCC C 111 1 21 pF3279. 0 20 1 5 . 0 1 1 1 中心振荡频率中心振荡频率 MHz LC f Q 360 2 1 0 所以 H Cf L Q 596. 0