第4章负阻振荡器

1、第4章负阻振荡器 o4.1 反馈振荡器的工作原理 o4.2 LC正弦波振荡器 o4.3 LC振荡器的频率稳定度 o4.4 晶体振荡器 o4.5 RC正弦波振荡器 o4.6 负阻正弦波振荡器 o4.7 寄生振荡、间歇振荡和频率占据 一、振荡器的定义一、振荡器的定义 二、正弦波振荡器的应用二、正弦波振荡器的应用 引言引言 振荡器振荡器就是自动地将就是自动地将直流能量直流能量转换为具有一定转换为具有一定波形波形 参数的交流振荡信号参数的交流振荡信号的装置。和放大器一样也是能量转换的装置。和放大器一样也是能量转换 器。它与放大器的区别在于，不需要外加信号的激励，其输器。它与放大器的区别在于，不需要外加

2、信号的激励，其输 出信号的频率，幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定。出信号的频率，幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定。 在发射机、接收机、测量仪器（信号发生器）、计算机、在发射机、接收机、测量仪器（信号发生器）、计算机、 医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器都有着广泛的应用。医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器都有着广泛的应用。 三、振荡器与放大器的区别三、振荡器与放大器的区别 相同点：均为能量转换器（将直流能量转换为交流能量的形式）。相同点：均为能量转换器（将直流能量转换为交流能量的形式）。 相异点：相异点： 1.放大器：必须外加激励信号才能进行能量转换。放大器：必须外加激励信号才能进行

3、能量转换。 振荡器：不需外加激励信号，靠电路本身进行能量转换振荡器：不需外加激励信号，靠电路本身进行能量转换 2. 放大器：将外加激励信号进行不失真的放大放大器：将外加激励信号进行不失真的放大。 振荡器：靠电路本身激发出要求的信号产生具有一定频率、振荡器：靠电路本身激发出要求的信号产生具有一定频率、 波形和幅度的交流信号波形和幅度的交流信号 2.2.振荡器的分类振荡器的分类 正弦波振荡器正弦波振荡器 非正弦波振荡器非正弦波振荡器 振荡器振荡器 波形波形 产生机理产生机理 反馈式振荡器反馈式振荡器 负阻式振荡器负阻式振荡器 反馈型反馈型LC振荡器振荡器 反馈型反馈型RC振荡器振荡器 本章主要介绍

4、反馈型本章主要介绍反馈型RC、LCLC振荡器和石英晶体振荡器振荡器和石英晶体振荡器 的工作原理。的工作原理。 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 振荡器频率和振幅稳定度振荡器频率和振幅稳定度 2.频率稳定度频率稳定度: 调频广播和电视发射机要求调频广播和电视发射机要求:10-510-7左右左右 标准信号源标准信号源:10-610-12 要实现与火星通讯要实现与火星通讯:10-11 要为金星定位要为金星定位:10-12 振荡器主要技术指标：振荡器主要技术指标： 1.振荡频率振荡频率f及频率范围及频率范围: 3.振荡的幅度和稳定度振荡的幅度和稳定度 注意：其中频率的稳定度尤为重要注意：其中频率的稳定度尤

5、为重要 低频低频 放大器放大器 高频高频 振荡器振荡器 高频谐振高频谐振 放大器放大器 振幅振幅 调制器调制器 高频高频 功放功放 换能器换能器 消息信号消息信号 （1）发送设备）发送设备 1、发射机主振级：产生高频等幅振荡信号，以、发射机主振级：产生高频等幅振荡信号，以 备备 后面用于作为低频后面用于作为低频 “载波信号载波信号”。 超外差式无线电收信设备超外差式无线电收信设备 （2）接收设备）接收设备 混频器混频器 中频中频 放大器放大器 检波器检波器 (解调解调) 低频低频 放大器放大器 高频谐振高频谐振 放大器放大器 1V左右左右 本地本地 振荡器振荡器 fo 几十几十v几几mV fs

6、 fI=fs-fo 第3章 正弦波振荡器 o简单的正弦波电信号如常见的50Hz工频交流电，是通 过发电机转子励磁产生交变磁场，将机械旋转变为交流 电信号。 o1903年，查尔斯.斯坦梅茨发明“高频机械交流发电机” 以产生无线电信号载波。 o1905年，加拿大雷金纳德.费森登利用“高频机械交流 发电机”发明了连续波语音发射机。 o现代电信号发生器为电子式，即通过电子电路产生。 正弦波振荡器就是模拟产生正弦波电信号的电子电路。 o分类：反馈振荡器：利用正反馈原理，应用最广； 负阻振荡器：利用负阻器件负电阻效应，微波。 第4章负阻正弦波振荡器 o正弦波振荡器的应用： 发射机中的载波信号； 超外差式接

7、收机中的本地（本机）振荡信号； 电子测量仪器中的正弦波信号源； 数字电路系统中的时钟信号源，等； 工业高频感应加热设备的正弦交变能源； 医用电疗仪器中的正弦交变能源，等等。 o正弦波振荡器的电路特点： 无输入信号，自输出信号。 性能要求 振荡频率和振幅 准确性和稳定性 大功率和高效率 4.1 反馈振荡器的工作原理 o反馈放大器： 比较器： 负反馈： 正反馈： 自激振荡： o正弦波振荡器： 无比较器、正反馈环： 自动产生自动产生、特定频率特定频率、等幅输出等幅输出 起振 选频 平衡 振幅条件振幅条件和和相位条件相位条件 基本放大器基本放大器 （主网络）（主网络） 反馈网络反馈网络 i X i X

8、 o X f X _ fi i XXX i i XX i i XX i i XX f ii , 0XXX fi XX 基本放大器基本放大器 （主网络）（主网络） 反馈网络反馈网络 o X f X i X 4.1.1 平衡和起振条件 o平衡条件 环路增益： 若在特定频率上满足： 则有振荡平衡条件振荡平衡条件： 振幅平衡条件：振幅平衡条件： 相位平衡条件：相位平衡条件： 主网络主网络 A(j) 反馈网络反馈网络 kf(j) i U o U f U + - - + - f U o f i o i f )j ( U U U U U U T )j ()j ( f kA fi UU 2)( oscT n

9、1)( osc T 1)()j ( )(j oscosc oscT eTT ), 2 , 1 , 0( n L C + + + + + + + +- - - - - - - Lf f U f U i U o U 主网络主网络反馈网络反馈网络 4.1.1 平衡和起振条件 o起振条件 振荡平衡条件描述了振荡器 等幅输出时的状态，但并没有 反映振幅的大小和如何达到要 求的振幅。 激发振荡的因素：激发振荡的因素：宽频谱脉动信号 接通电源瞬间的电扰动； 环路内电子器件的固有噪声； 建立振荡的条件：建立振荡的条件：反馈环路选频选频放大放大 振幅起振条件：振幅起振条件： 相位平衡条件：相位平衡条件： 主网络

10、主网络 A(j) 反馈网络反馈网络 kf(j) i U o U f U + - - + - f U 2)( oscT n 1)( osc T ), 2 , 1 , 0( n 1 A )( osc T O ViViA 非线性特性：非线性特性： T(osc)1 T(osc)=1 小信号起振小信号起振 大信号平衡大信号平衡 4.1.2 稳定条件 振荡频率和振幅抵御外界环境 变化和电路参数变化等因素影响， 自动保持不变的条件。 o振幅稳定条件振幅稳定条件 A点点： ViViAT(osc)1 Vf Vi ViViA Vi1 Vf Vi ViViA B点点： ViViBT(osc)1 Vf Vi T(os

11、c)1Vi ViViA ViViBT(osc)1 Vf Vi T(osc)0 Vf相位超前相位超前Vi ，oscT() 0 Vf相位滞后相位滞后Vi ，0 osc ； 相位相位(频率频率)稳定条件稳定条件： 4.1.2 稳定条件 t )( osc osc 0 )( osc T 环路增益的相位与振荡频率环路增益的相位与振荡频率 的大小成单调反比变化。的大小成单调反比变化。 4.1.3 电路基本组成及分析方法 o产生稳定振荡的条件 自起振条件、自平衡条件以及自稳定条件，“三自一 包” 。 o电路基本结构电路基本结构 环路增益随振幅增大而减小： 采用负斜率可变增益放大器负斜率可变增益放大器（非线性特

12、性非线性特性）。 环路相移随频率增大而减小： 采用负斜率相频特性网络负斜率相频特性网络（LC谐振回路、RC电路等）。 1)( osc T 2)( oscT n 1)( osc T 0 )( iA i osc U U T 0 )( osc T ), 2 , 1 , 0( n 包振荡。 4.1.3 电路基本组成及分析方法 o负斜率可变增益放大器 （非线性特性）。 1、放大器件(三极管)的非线性； 2、负载的非线性； o负斜率相频特性网络 (LC谐振回路、RC电路、石英晶体等)。 vCE/V iC/mA 0 L C )(j Z e )()j ( ZZO )( Z o )( 0 -45 -90 RC电

13、路电路 L C + + + +- - - Lf f U f U i U o U 4.1.3 电路基本组成及分析方法 o分析方法 1、根据相位平衡条件，判断是否可能产生振荡； 分析放大元件和选频网络，是否存在正反馈环路。是否存在正反馈环路。 2、根据振幅起振条件，判断能否自动产生振荡； 小信号等效模型下，分析计算环路增益是否大于环路增益是否大于1。 3、根据稳定条件，判断是否能够自动稳定振荡； 分析放大电路和选频网络，是否存在负斜率可变增益 放大环节以及负斜率相位特性。 4、放大器与选频网络的匹配； 放大环节的输出与负载的匹配； 环路输入输出的选择； 4.2 LC正弦波振荡器 o基本组成 可变增

14、益放大电路；LC谐振回路选频网络。 o主要类型 1、变压器耦合振荡电路 2、三点式振荡电路 电容三点式电容三点式，电感三点式；电感三点式； 3、差分对管振荡电路 L C + + + +- - - Lf f U f U i U o U CL L C + + + +- - - f U f U i U o U 自耦自耦 变压器变压器 L1 C L2 电感电感 分压分压C1 C2 L 电容电容 分压分压 4.2.1 三点式振荡电路 一、基本组成及组成法则 三极管三个电极分别接三个节点 电容三点式电容三点式(考毕兹)，电感三点式电感三点式(哈特莱）； o组成法则 “基异射同基异射同” 基极接相异性质电抗

15、节点；基极接相异性质电抗节点； 射极接相同性质电抗节点。射极接相同性质电抗节点。 证明1：(共射)忽略三极管对三个电抗的影响， 由振荡平衡条件 电路谐振时 , + + - - + Vi Vf Vo L1 C L2 + + - - + Vi Vf Vo - C1 C2 L X1 X3 X2 + + - - - + Vi VfVo iu 32 2 o 32 2 f )j ( jj j VA XX X V XX X V 1)j ( u 32 2 A XX X 0 321 XXX uIu )j (AA 0 1 uI1 2 32 2 AX X XX X X1与与X2为为 同性质电抗同性质电抗 X3与与X

16、1和和X2为为 异性质电抗异性质电抗 “栅异源同栅异源同” “异异同同” 4.2.1 三点式振荡电路 证明2：(共基)忽略三极管对三个电抗的影响， 由振荡平衡条件 得电路谐振 , o组成法则 “基异射同” 振荡频率就是LC回路谐振频率； 实际电路三极管的极间阻抗对外接电抗产生影响，将引 起附加的相移，振荡频率会稍偏离回路固有谐振频率。 X3 X1 X2 + + - + Vi VfVo iu 21 1 o 21 1 f )j ( jj j VA XX X V XX X V 1)j ( u 21 1 A XX X 0 321 XXX uIu )j (AA 0 1 uI3 1 21 1 AX X X

17、X X X1与与X2为为 同性质电抗同性质电抗 X3与与X1和和X2为为 异性质电抗异性质电抗 C1 C2 L + + - - - + Vi Vf Vo 4.2.1 三点式振荡电路 RE + Vo - C1 C2 LRL T C1 C2RB RC RL L + Vo - T CB CC CEC2 RB1 RB2 + Vo - RL RC RE LC1 VCC T RB1 RB2RE VCC CB LCC C1 C2 RL + Vo - T 电容三点式共射组态共射组态共基组态共基组态 二、电路及分析方法 o电路组成 能否放大？ 直流通路：静态偏置 交流通路：反馈环路 o振荡条件 能否振荡？ 相位

18、平衡条件： “基异射同” 振幅起振条件： 环路增益 o稳定条件 能否稳定振荡？ 负斜率可变增益 + Vi - + Vf - + Vi - + Vf - 4.2.1 三点式振荡电路 L1 L2 VCC RB1 RB2 RC RE CC CB C L1 L2 VCC RB1 RB2 RC RE RL CC CB CE C L1 L2 RC RB + Vo - C RCRL C L1 L2RE + Vo - 电感三点式电感三点式 共射组态共射组态 共基组态共基组态 + Vi - + Vi - + Vf - + Vf - 三、三点式振荡电路的稳定条件 o相位(频率)稳定条件： 由LC谐振回路性能保证；

19、 o振幅稳定条件： 1 1、内稳幅：三极管的非线性特性；、内稳幅：三极管的非线性特性； 2 2、外稳幅：、外稳幅：自给偏置电路自给偏置电路。 VBEQ=VBQVEQ= VBQIEQRE 4.2.1 三点式振荡电路 RB1 RB2RE VCC CB LCC C1 C2 RL + Vo - T + VBQ - + VEQ - + VBEQ - t OvBE iC Ot iC 1)( osc T三极管非线性 负半周幅值正半周幅值 IC0 ICQ VBEQ VBE0 vi 增大直流分量 C0C Ii 减小)( EC0BQBE0 RIVV 减小)( osc T 1)( osc T 谐振电路作用：谐振电路

20、作用： iC脉动电流脉动电流 vo、vi正弦电压正弦电压 三、三点式振荡电路的稳定条件 o环路增益特性： 自给偏压外稳幅电路可加速自给偏压外稳幅电路可加速 达到平衡状态，负斜率陡峭。达到平衡状态，负斜率陡峭。 输出幅度可调。输出幅度可调。 4.2.1 三点式振荡电路 RB1 RB2RE VCC CB LCC C1 C2 RL + Vo - T + VBQ - + VEQ - + VBEQ - OOvBEt t iC iC IC0 ICQ VBEQ VBE0 vi VBEQ1 VBEQ2 VBEQ3 )( osc T i V O 1 ViA 内稳幅内稳幅 外稳幅外稳幅 VBEQ1VBEQ2VBE

21、Q3 RE RL Re0 Zi C1 C2 L T RE + Vo - C1 C2 LRL T 四、电容三点式振荡电路的起振条件 o电路等效 1、断开反馈环路 开环输入Vi、输出Vf 2、输出考虑输入 负载Zi 3、L、C1、C2并联回 路固有谐振电阻Re0 Q0回路固有品质因数 o小信号等效 模型电路 三点式结构三点式结构： 4.2.1 三点式振荡电路 0e0 LQR Vi(j) + Vf(j) - RE re Cbe Zi gmVi(j) c b Vi(j) Vf(j) + Vo - c b e e Re0 RL L C1 C2 Cbere RE Zi Zi + Vo - Z1Z2 Z3

22、21 2 213im 21 2 of )()j ()j ()j ( ZZ Z ZZZVg ZZ Z VV + Vi - + Vf - o环路增益环路增益 式中 其中 o起振条件起振条件 即 则 4.2.1 三点式振荡电路 Vi(j) RE re Cbe Zi gmVi(j) c b e Re0 RL L C1 C2 Cbere RE Zi + Vo - Z1Z2 Z3 + Vf(j) - 22 m )( BA g T A B arctan)( T )/(/ 1 2 i1 2 Li L LCgCCgggA LLC C gg C CB 11 1 2 Li 1 2 2 C ii /1 gR L L

23、/1 gR 32 1 32 m i f 11)(j )j ( )j ( ZZ Z ZZ g V V T BA g j m )(j T e )( T 0B 0)( oscT 1)( m osc A g T o相位起振条件相位起振条件振荡角频率osc 由 整理得 其中 讨论： 1、 且还与 环路中输入、输出 负载电阻有关； 2、当 或 ，则近似认为 4.2.1 三点式振荡电路 Vi(j) RE re Cbe gmVi(j) c b e Re0 RL L C1 C2 Cbere RE + Vo - + Vf(j) - 2 C ii /1 gR L L /1 gR 0 11 osc1osc 2 Li

24、1osc 2osc LLC C gg C CB 21 2 0 Li 0 21 Li osc 1 1 CC gg CC gg LC 21 21 CC CC C (回路总电容)， LC 1 0 (回路固有谐振角频率) 0osc Li 21 2 0 ggCC LC 1 0osc i 21 2 0 1 L RR CC o振幅起振条件振幅起振条件放大管跨导gm 由由 ，即，即 工程近似估算，将工程近似估算，将osc osc= = 0 0带入，可得带入，可得 ，其中，其中 如果如果 ，则，则 放大倍数：放大倍数： 反馈系数：反馈系数： 讨论：讨论： kfvnAv(0)；IEQgmgi(且影响回路有载品质因

25、数且影响回路有载品质因数) 4.2.1 三点式振荡电路 Vi(j) RE re Cbe gmVi(j) c b e Re0 RL L C1 C2 Cbere RE + Vo - + Vf(j) - 2 C ii /1 gR L L /1 gR 1)( m osc A g T)/(/ 1 2 osci1 2 Li Lm LCgCCgggAg i L 21 1 i 1 21 Lm 1 ngg nCC C g C CC gg 21 1 CC C n ( (电容分压比电容分压比) ) 2i Cg i 2 L m 0v )( gng g A nk fv 1)()( 0fv0v i 2 L m TkAn

26、gng g 一般取一般取n=0.10.5，IEQ=15mA， RL1k，三极管，三极管fT5fosc. RE + Vo - C1 C2 LRL T o不同组态振荡电路的振幅起振条件 基极断开反馈环路，基极断开反馈环路， 等效为共射组态电路；等效为共射组态电路； 折算到集射极间负载电导：折算到集射极间负载电导： 回路谐振时的放大倍数：回路谐振时的放大倍数： 反馈系数：反馈系数： 4.2.1 三点式振荡电路 + Vi - + Vf - + Vi - + Vf - C1 C2 L T RLRe0 RE rbe Cbe ZiZi RL Re0 L C1 C2 rbeCbeRE + Vf(j) - +

27、Vi(j) - rbe Cbe gm Vi(j) + Vi(j) -rbe Cbe gm Vi(j) Lce gice g + Vf(j) - C1 L 2 C L 1 21 Lce )(g C CC g ) 11 )()( ebE 2 1 ib 2 1 ice rRC C g C C g bi 2 2 1 L 2 2 21 m 0) ( g C C g C CC g Av 2 1 200 20 f j/1j j/1 C C CL C k v 4.2.1 三点式振荡电路 RE + Vo - C1 C2 LRL T + Vi - + Vf - RE + Vo - C1 C2 LRL T + Vi

28、 - + Vf - ib 2 2 1 L 2 1 21 1 2 m g C C g C CC C C g eeb )1 (rr em /rg)1/( i L 21 1 i 1 21 Lm 1 ngg nCC C g C CC gg E 2 1 L 21 2 21 m 1)( RC C g CC CC g o不同组态振荡电路的振幅起振条件 振幅起振条件：振幅起振条件： 考虑考虑 ， ， 结论：结论： 1 1、闭环回路不论何处断开（不同组态），振幅起振条件、闭环回路不论何处断开（不同组态），振幅起振条件gm是相同的；是相同的； 2 2、不同组态电路仅放大器增益和反馈网络的反馈系数不同。、不同组态电

29、路仅放大器增益和反馈网络的反馈系数不同。 4.3 LC振荡器的频率稳定度 o频率稳定性：振荡电路保证持续产生振荡的能力； o频率稳定度(频稳度)：振荡器具体重要性能指标之一。 定义：在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压 等变化范围内，振荡频率的相对变化量。 o长期频稳度：一天以上乃至几个月内，因元器件老化而 引起振荡频率的相对变化量； o短期频稳度：一天内因温度、电源电压等外界因素变化 而引起振荡频率的相对变化量； o瞬时频稳度(秒级)：电路内部噪声引起振荡频率的相对变 化量。 o通常所讲的频稳度一般指短期频稳度。 4.3 LC振荡器的频率稳定度 o短期频稳度定义： 式中 n 将规定时间分

30、为等间隔的数量；i 第i个时间间隔； (fosc)i = fifosc 第i个时间间隔内实测的绝对频差； o绝对频率准确度：绝对频差的平均值。 越小，频率准确度越高； 越小，频稳度越高。 中波广播电台发射机10-5量级；电视发射机10-7量级； 普通信号发生器10-410-5；高精度信号发生器10-710-9。 n i i n f f f f nf f 1 2 osc osc osc osc osc osc )(1 Lim n i i n ff n f 1 oscosc )( 1 Lim osc f oscosc / ff 4.3.1 提高频率稳定度的基本措施 o影响频率稳定度的因素 o满足相

31、位平衡条件时 o可得 并联LC决定放大器相位，在振荡频率附近变化剧烈； 反馈网络对频率不敏感，在振荡频率附近近似常数。 而 所以，影响振荡频率有三个参数： 谐振回路谐振频率0 0、有载品质因数Qe、 反馈网络相移f。 )(jj fvvfvv )(j fAT e )(e )()()j ()j (e )()j ( kAkATT 0)()()( oscfoscAoscT foscZ )( )()( AZ ff )( 0 0 eZ )(2 arctan)( Q 0 Z(),f -f osc 4.3.1 提高频率稳定度的基本措施 o影响频率稳定度的因素 1 1、0 0引起振荡频率osc osc的变化 0

32、 0变化曲线水平移动，0 0=osc osc， 与Qe 、f无关。 2、Qe引起振荡频率osc osc的变化( 0 0不变) Qe大曲线斜率陡峭,f fosc oscCce，C2Cbe，且，且C1+C2Ccb； C310时) 有载品质因数： 振荡器频稳度：10-310-5 o进一步提高频稳度的途径 回路标准性：回路标准性：L、C稳定性继续提高有限稳定性继续提高有限另辟新径另辟新径(新器件新器件)； 回路有载品质因数：提高回路固有品质因数回路有载品质因数：提高回路固有品质因数Q0，另辟新径另辟新径(新器件新器件)； 新器件：石英晶体谐振器新器件：石英晶体谐振器 L L RL RL Rp C C

33、Rs Rs Is(j) Is(j) r L L R Q 0 0 P 0 r L P s P 0 e 1 R R R R Q Q rQR 2 0P 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 前言：前言：LC振荡器的缺点：振荡器的缺点： LC振荡器频率稳定度最高只能达到振荡器频率稳定度最高只能达到10-4 10-5数量级。数量级。 石英晶体振荡器却可以达到石英晶体振荡器却可以达到10-11。 石英晶体的基本知识石英晶体的基本知识 1.正压电特性与反压电特性正压电特性与反压电特性 正是因为压电特性和反压电特性，石英晶片可以做成谐振器。正是因为压电特性和反压电特性，石英晶片可以做成谐振器。 2.石英晶体的结构：石

34、英晶体的结构： 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 3.石英晶体的等效电路：石英晶体的等效电路： 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 4. 4.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, , 它的温度系数在它的温度系数在1010-6 -6以 以 下。另外下。另外, , 石英晶振的振动具有多谐性石英晶振的振动具有多谐性, , 即除了即除了基频振动基频振动外外, , 还有还有奇次谐波泛音振动奇次谐波泛音振动。 对于石英晶振对于石英晶振, , 既可利用其基频振既可利用其基频振 动动, , 也可利用其泛音振动。也可利用其泛音振动。 前者称为基频晶体前者称为基频晶体, , 后者称为泛后者称为泛 音晶体。

35、晶片厚度与振动频率成反比音晶体。晶片厚度与振动频率成反比, , 工作频率越高工作频率越高, , 要求要求 晶片越薄晶片越薄, , 因而机械强度越差因而机械强度越差, , 加工越困难加工越困难, , 使用中也易损使用中也易损 坏。坏。 由此可见由此可见, , 在同样的工作频率上在同样的工作频率上, , 泛音晶体的切片可以泛音晶体的切片可以 做得比基频晶体的切片厚一些。所以在工作频率较高时做得比基频晶体的切片厚一些。所以在工作频率较高时, , 常常 采用泛音晶体。采用泛音晶体。 通常在工作频率小于通常在工作频率小于20MHz20MHz时采用基频晶体时采用基频晶体, , 大于大于20MHz20MHz

36、时采用泛音晶体。时采用泛音晶体。 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 5. 5. 石英晶振的阻抗频率特性石英晶振的阻抗频率特性 其中：其中： 静态电容静态电容C C0 0约约pFpFF F 动态电感动态电感L Lq q约约1010-3 -3H H 10102 2 H H 动态电容动态电容C Cq q约约1010-4 -4pF pF1010-1 -1pF pF 动态电阻动态电阻r rq q约几十欧到几百欧约几十欧到几百欧 由以上参数可得：由以上参数可得： ） 石英晶振的值非常高。石英晶振的值非常高。 值可达几万到几百万值可达几万到几百万, , 因为因为 q q q q c L r Q 1 石英晶体振荡

37、器石英晶体振荡器 2) 石英晶振可以等效为一个串联谐振回路石英晶振可以等效为一个串联谐振回路 和一个并联谐振回路。和一个并联谐振回路。 串联谐振频率串联谐振频率 qq s CL f 2 1 并联谐振频率并联谐振频率 0 q s q0 0 s q0 q0 p c c 1f cc c f cc cc Lq2 1 f 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 结论：结论：由于由于CqC0很小，串联谐振频率很小，串联谐振频率fs小于而接近于小于而接近于fp 1 0 q c c 由于由于CqC0很小很小, , 所以所以fp与与fs间隔很小间隔很小, , 在在fs fp 感性区间感性区间, , 石英晶振具有石英晶振具

38、有陡峭的陡峭的 电抗频率特性电抗频率特性, , 曲线斜率大曲线斜率大, , 利于稳频利于稳频。若外部因素使谐振。若外部因素使谐振 频率增大频率增大, , 则根据晶振电抗特性则根据晶振电抗特性, , 必然使等效电感增大必然使等效电感增大, , 但由于但由于 振荡频率与的平方根成反比振荡频率与的平方根成反比, , 所以又促使谐振频率下降所以又促使谐振频率下降, , 趋近于原来的值。趋近于原来的值。 石英晶振产品还有一个标称石英晶振产品还有一个标称 频率频率N。N N的值位于的值位于s s与与p p之之 间间, , 这是指石英晶振两端并接某一这是指石英晶振两端并接某一 规定负载电容规定负载电容L L

39、时石英晶振的振时石英晶振的振 荡频率。荡频率。 C CL L的电抗频率曲线中虚的电抗频率曲线中虚 线所示。线所示。 负载电容负载电容C CL L的值载于生的值载于生 产厂家的产品说明书中产厂家的产品说明书中, , 通常为通常为 30pF(30pF(高频晶体高频晶体), ), 或或100pF(100pF(低频晶低频晶 体体), ), 或标示为或标示为(指无需外接负载指无需外接负载 电容电容, , 常用于串联型晶体振荡器常用于串联型晶体振荡器) )。 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 7.石英晶体振荡器的分类：石英晶体振荡器的分类： 将石英晶振作为高值谐振回路元件接入正反馈电路中将石英晶振作为高值谐振

40、回路元件接入正反馈电路中, 就组成了晶体振荡器。根据石英晶振在振荡器中的作用原理就组成了晶体振荡器。根据石英晶振在振荡器中的作用原理, 晶体振荡器可分成两类。晶体振荡器可分成两类。 一类是将其作为等效电感元件用在三点式电路中一类是将其作为等效电感元件用在三点式电路中, 工作在感性工作在感性 区区, 称为并联型晶体振荡器；即：工作在称为并联型晶体振荡器；即：工作在fsfp之间之间 另一类是将其另一类是将其作为一个短路元件作为一个短路元件串接于正反馈支路上串接于正反馈支路上, 工作在工作在 它的串联谐振频率上它的串联谐振频率上, 称为称为串联型串联型晶体振荡器。晶体振荡器。即：石英工作即：石英工作

41、 在串联谐振频率在串联谐振频率fs上，石英晶体呈电阻性。上，石英晶体呈电阻性。 并联性晶体振荡器并联性晶体振荡器 注意：注意：并联型晶体振荡器的工作原理和三点式振荡并联型晶体振荡器的工作原理和三点式振荡 器相同器相同, 只是将其中一个电感元件换成石英晶振。电只是将其中一个电感元件换成石英晶振。电 容三点式电路中石英晶振接在晶体管容三点式电路中石英晶振接在晶体管c、b极之间，极之间， 所组成的电路称为皮尔斯振荡电路；电感三点式电所组成的电路称为皮尔斯振荡电路；电感三点式电 路中石英晶振接在晶体管、极之间路中石英晶振接在晶体管、极之间, 称为密勒振称为密勒振 荡电路。荡电路。 显然：皮尔斯电路类似

42、于克拉泼电路显然：皮尔斯电路类似于克拉泼电路, , 1.克拉泼振荡器克拉泼振荡器 条件：条件：C3 C1 , C3 10-6，甚至零温系数，甚至零温系数。 石英片振动的多谐性振动的多谐性：基频振动、奇次谐波泛音振动。工作于不同 振动模式的石英谐振器分别称为基频基频晶体和泛音泛音晶体。 4.4.1 石英谐振器的特性 o石英谐振器的电特性 当外加交变电压的频率与石英片的机械振动 频率发生共振频率发生共振时，通过石英片的交变电流最大电流最大， 所以，具有串联谐振串联谐振特性。 等效电路： C0：石英片静态电容、支架和引线等分布电容， 以石英片静态电容为主。 Lq1Lq3Lq5 Cq1Cq3Cq5 r

43、q1rq3rq5 C0C0 Lq Cq rq 电路符号电路符号 XTL 隔直的隔直的 交流器件交流器件 4.4.1 石英谐振器的特性 表表4-4-1 频率范围频率范围5MHz2045MHz90130MHz 型型 号号JA8B04B04/L 频频 稳稳 度度510-9510-9510-9 温度系数温度系数(f/f)/110-7110-7110-7 Lq/H0.080.08 依照频率定依照频率定 Cq/pF0.0130.0001 rq/1040 C0/pF54.5 Qq501045010450104 负载电容负载电容CL/pF30,50, 30,50, 30,50, 振动方式振动方式基频基频三次泛

44、音三次泛音九次泛音九次泛音 4.4.1 石英谐振器的特性 o石英谐振器的阻抗特性 忽略rq，得阻抗 其中： 串联谐振角频率： 并联谐振角频率： 二频率的关系： C0 Lq Cq rq Zcr(j) )/(1 )/(11 jj)j ( p 2 s 0 crcr C XZ qq s 1 CL 0q 0q q p 1 CC CC L Xcr O s p 0 q s 0 q qq p 2 11 1 C C C C CL 4.4.1 石英谐振器的特性 o石英谐振器的频率 如表3-4-1中5MHz晶体的Cq/C0=0.013/5=2.610-3， 则fpfs6.5kHz，因而两频率间隔很小。 o晶体的标称

45、频率 石英谐振器两端并接规定负载电容负载电容 时的频率，也即晶体外壳上标出的振荡 频率。 显然，不论外接电容多大，fs fN fp。 C0 Lq Cq rq Zcr(j) Xcr O s p 0 q s sp s sp 2C C f ff CL L0 q sN 2 1 1 CC C ff N C1 C2 C0Lq Cq rq RL T RE 4.4.2 晶体振荡电路 o晶体振荡电路的类型 并联型电路并联型电路：晶体工作在 fsfNfp 感性区域，作为三点式电路中的极高Q 值的回路电感回路电感。 串联型电路串联型电路：晶体工作在串联谐振频率 fs 上，等效为具有频率高选择性 的交流短路线交流短路

46、线。 o并联型晶体振荡电路(Parallel-Mode Crystal Oscillators) 皮尔斯(Pirece)晶体振荡电路 CB CC C1 C2 RB1 RB2RE LC RL T VCC C1、C2满足晶体 负载电容要求， 振荡频率为标称 频率fN。 VCC 12V 5.7k16k C1 910 pF C2 220 pF 9k 6.2 k 0.022F 2k 1.5k 1000pF 16k Cj 470 k R1 R2 R3 Rt1 Rt2 t t V T1 T2 T3 344.2 晶体振荡电路 o并联型晶体振荡电路采用微调电容的晶体振荡电路 电容三点式振荡电路 调整C4使振荡频

47、率为标称频率。 C1C2 30k T 12V 30 6.8k 200 4700pF 750 120pF 320pF 20pF 533pF C3 C4 XTL 采用温度补偿电路稳定频率 4.4.2 晶体振荡电路 o并联型晶体振荡电路(Parallel-Mode Crystal Oscillators) 泛音晶体振荡电路：泛音晶体振荡电路：通常为三次、五次泛音。 忽略损耗电阻，LC1并联谐振回路阻抗为纯电抗 谐振时 当0时，X呈容性。 根据“基异射同”判据，0应小于工作的泛音 频率而大于低次泛音频率；更高泛音频率由于 等效电容量过小，而不满足环路起振振幅条件。 C1 C2 L X O 0 L C

48、L C X 1 1 j j 1 j 1 1 1 L C 0 10 1 1 0 1 LC q(2m-1) q(2m+1) 振荡频率振荡频率 R1R2 R3 R4 R5 R6 R7R8R9 VCC T1 T2 T3 T4 T5 4.4.2 晶体振荡电路 o串联型晶体振荡电路(Series-Mode Crystal Oscillators) 当晶体串联谐振时电阻最小，等效为交流短路线；偏离串联谐振频 率时，阻抗增大。串联谐振频率上等效为交流短路线串联谐振频率上等效为交流短路线。 图一T1、T2并联电压负反馈并联电压负反馈放大组成正反馈电路，晶体串联谐振选频； 图二为LC三点式振荡电路，频率等于晶体串

49、联谐振频率时振荡。 RB1 RB2 RE L C1 C2 C3 CB VCC 低阻低阻 低低 阻阻 4.5 RC正弦波振荡器 o采用RC电路作为移相选频网络的振荡器 导前移相电路导前移相电路滞后移相电路滞后移相电路串并联选频电路串并联选频电路 电电 路路 幅幅 频频 特特 性性 相相 频频 特特 性性 R RR R C C C C + V1 - + V1 - + V1 - + V2 - + V2 - + V2 - 0 0 /j1 / j)j ( A 0 /j1 )j ( R A 0 2 0 2 0 /j3/1 / j)j ( A )(A)(A)(A 0 / 0 / 0 / 0 / 0 / 0

50、/ 111 1 1 1 0 00 7 . 0 7 . 0 0 0 0 90 90 90 90 45 45 1 1 3/1 )()()( RC 1 0 4.5 RC正弦波振荡器 o导前移相RC振荡器 组成：反相放大器；三节RC导前移相网络； 环路增益环路增益 振荡频率振荡频率 振幅起振条件振幅起振条件 o滞后移相RC振荡器 R RR Rf + Vi - + Vf - ) 16( j5 )j ( 222333 333 f CRRCCR CR R R T RC6 1 osc 29 f R R RRR R Rf + Vo - + Vf - + Vi - + Vo - + Vf - + Vo - + V

51、f - R1 Rf R R C C 4.5 RC正弦波振荡器 o串并联RC振荡器（文氏电桥振荡器） 组成：同相放大器同相放大器；串并联串并联RC选频网络。 环路增益环路增益 振荡频率振荡频率 振幅起振条件振幅起振条件 或同相放大倍数 R R1 Rf R C C + Vf - + Vf - + Vo - + Vo - 0 2 0 2 0 1 f o f i o i f 3 j)1 ( j )1 ()j ( R R V V V V V V T RC 1 0osc 2 1 f R R 31 1 f R R 4.5 RC正弦波振荡器 oRC正弦波振荡器的稳幅电路 内稳幅：利用集成运放的非线性特性； 外

52、稳幅外稳幅：外电路附加的非线性元件，使 Rf电阻随信号幅度增大而减小， 从而Rf /R1减小。 1、热敏电阻稳幅(负温系数) 2、二极管稳幅 当振幅增大使二极管导通，Rf并联二极管 导通电阻rD，即 振幅平衡时 此时有 可得输出振幅 t R R R1 Rf C C R RR1 Rf D1 D2 C C Vf Vo Df ff rRRR 2/ 1 f RR D(on)o 1 f f f VV RR R VR D(on)o 5 . 1 VV f R V 4.6 负阻正弦波振荡器 o负阻的概念 对于负载： 对于电源： 可见，电源在回路中等效为负电阻，其值等于回路中的负载电阻。物理 实质是，负载消耗的

53、功率等于电源提供的功率。或者说具有负阻特性的 电路可以提供负载消耗功率。 o放大器的负阻等效 乙类互补对称功放管耗： 负载得到信号功率： 放大管提供给负载交流信号功率。 电源R + v - R i v i R i v i vo 1/R -1/R L 2 om L omCC C 2 2 2 R U R UU P L 2 om o 2R U P +UCC -UCC RL + uo - io 4.6.1 负阻器件 o指其伏安特性中增量电阻具有负值的物理器件。 例如，隧道二极管(Tunnel Diode) 将Q点设置在负阻区，即VQ、IQ。 当交流信号为 v=Vmsint 时， 二极管两端电压为 小信号时，通过管子电流近似为 增量电流 管子上平均功率 iD vDOtO iD IQ VQ Q ttIIiIisin mQQD tVVvVvsin mQQD tItVgvgisinsin)()( mmnn ttIItVV T dtiv T P T