第4章正弦波振荡器(本科)

1、第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器一、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4.14.1 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

2、、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。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、发射机的主振级：用来产生一个高频等幅的振荡信号，以备、发射机的主振级：用来产生一个高频等幅的振荡信号，以备 后面用于作为低频的后面用于作为低频的“载波信号载波信号”。即为调制作准备。即为调制作准备。 超外差式无线电收信设备的组成超外差式无线电收信设备的组成（2）接收设备）接收设备混频器混频

3、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mVfsfI=fs-fo三、主要技术指标：三、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: 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 3.振荡的幅度和稳定度振荡的幅度和稳定度第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器

4、四、振荡器的分类四、振荡器的分类 按振荡原理分：按振荡原理分： 反馈式振荡器：依靠外加正反馈而得到的自激振荡。反馈式振荡器：依靠外加正反馈而得到的自激振荡。 RC低频低频振荡器振荡器 LC高频高频振荡器振荡器 负阻式振荡器：负阻式振荡器：利用负阻器件所组成的电路来产生正弦波利用负阻器件所组成的电路来产生正弦波, 主要用在微波波段主要用在微波波段, 按振荡的波形分：按振荡的波形分：正弦波振荡器：正弦波振荡器：产生正弦波产生正弦波（本章内容）（本章内容） 非正弦波振荡器：非正弦波振荡器：产生矩形波、产生矩形波、 三角波、三角波、 锯齿波等锯齿波等第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器五、本章主要

5、内容五、本章主要内容反馈式振荡器的工作原理反馈式振荡器的工作原理2. 自激振荡的判断自激振荡的判断3.几种典型振荡电路的分析几种典型振荡电路的分析4.14.1 反馈型振荡器的工作原理反馈型振荡器的工作原理反馈振荡器的基本工作原理反馈振荡器的基本工作原理 一、一、 反馈式振荡器的组成：反馈式振荡器的组成： 放大器、反馈网络、选频网络、稳幅环放大器、反馈网络、选频网络、稳幅环节节。二二 、起振过程：、起振过程： 刚接通电源时，电路中存在各种电子的扰动，比如接通电刚接通电源时，电路中存在各种电子的扰动，比如接通电源瞬间引起的电流突变，电路中的热骚动引起的热噪声等等，源瞬间引起的电流突变，电路中的热骚

6、动引起的热噪声等等，这些扰动均具有很宽的频谱，包含着各种频率分量。由于选这些扰动均具有很宽的频谱，包含着各种频率分量。由于选频网络是由频网络是由Q值极高的值极高的LC并联谐振回路组成带宽极窄选频网并联谐振回路组成带宽极窄选频网络，这些扰动中只有频率为谐振频率的分量才能通过反馈产络，这些扰动中只有频率为谐振频率的分量才能通过反馈产生较大的反馈电压。生较大的反馈电压。4.14.1 反馈型振荡器的工作原理反馈型振荡器的工作原理三、起振条件和起振过程三、起振条件和起振过程起振过程：起振过程：被反馈到输入端的信号经过不断地被反馈到输入端的信号经过不断地 放大放大 选频选频 反馈反馈 其余信号被滤掉其余信

7、号被滤掉 若反馈电压与输入电压同相且具有更大的振幅，则经过线若反馈电压与输入电压同相且具有更大的振幅，则经过线性放大和反馈的不断循环，振荡电压振幅就会不断增大。性放大和反馈的不断循环，振荡电压振幅就会不断增大。起振条件起振条件: 相位起振条件相位起振条件 UF和和Ui同相，即同相，即 =2n 振幅起振条件振幅起振条件 UFUi ，即即AuFu1 (即环路增益即环路增益 1) FAUUUUUUT0fioif4.14.1 反馈型振荡器的工作原理反馈型振荡器的工作原理结论：结论： 反馈式振荡器的反馈网络为正反馈反馈式振荡器的反馈网络为正反馈四、四、自激振荡器的平衡过程和条件自激振荡器的平衡过程和条件

8、1.平衡过程：平衡过程： 为便于起振，必须给晶体管加较大的正向偏置，使放大为便于起振，必须给晶体管加较大的正向偏置，使放大器开始时工作在甲类工作状态，器开始时工作在甲类工作状态，随着振幅的增大，放大器随着振幅的增大，放大器由放大区进入饱和区或截止区，工作于非线性的丙类状态，由放大区进入饱和区或截止区，工作于非线性的丙类状态，其增益逐渐下降。其增益逐渐下降。当增益下降到反馈电压等于输入电压时，当增益下降到反馈电压等于输入电压时，即当放大器增益下降而导致环路增益下降到时即当放大器增益下降而导致环路增益下降到时, 振幅的增振幅的增长过程停止长过程停止, 振荡器达到平衡振荡器达到平衡, 进入等幅振荡状

9、态。进入等幅振荡状态。 振荡器振荡器进入平衡状态以后进入平衡状态以后, 直流电源补充的能量刚好抵消整个环路直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。消耗的能量。 4.14.1 反馈型振荡器的工作原理反馈型振荡器的工作原理2.自激振荡器的平衡条件自激振荡器的平衡条件平衡条件平衡条件: 相位条件相位条件 UF和和Ui同相，即同相，即 =2n 振幅条件振幅条件 UF=Ui ，即即AuFu=1 (即环路增益即环路增益T(w) =1)4.14.1 反馈型振荡器的工作原理反馈型振荡器的工作原理振荡建立的过程振荡建立的过程体会：体会：为了使振荡器能产为了使振荡器能产生自激振荡，起振阶段为生自激振荡，起振

10、阶段为小信号工作，在满足正反小信号工作，在满足正反馈条件的前提下，必须满馈条件的前提下，必须满足足AFAF 1 1的条件。随着振荡的条件。随着振荡幅度迅速增大，使晶体管幅度迅速增大，使晶体管工作进入到非线性区，以工作进入到非线性区，以致使放大器的增益致使放大器的增益A A下降，下降，直至直至AFAF = = 1 1，振荡幅度不再，振荡幅度不再增大，达到稳幅振荡。即增大，达到稳幅振荡。即平衡状态为大信号工作。平衡状态为大信号工作。六、反馈振荡电路的平衡稳定条件六、反馈振荡电路的平衡稳定条件实际背景：实际背景： 振荡器在工作过程中振荡器在工作过程中, 不可避免地要受到各种外界因不可避免地要受到各种

11、外界因素变化的影响素变化的影响, 如电源电压波动、如电源电压波动、 温度变化、温度变化、 噪声干扰等。噪声干扰等。 这这些不稳定因素将引起放大器和回路的参数发生变化些不稳定因素将引起放大器和回路的参数发生变化, 结果使振幅结果使振幅平衡或相位平衡变化平衡或相位平衡变化, 破坏原来的平衡条件。破坏原来的平衡条件。如果通过放大和反如果通过放大和反馈的不断循环馈的不断循环, 振荡器越来越偏离原来的平衡状态振荡器越来越偏离原来的平衡状态, 从而导致振从而导致振荡器停振或突变到新的平衡状态荡器停振或突变到新的平衡状态, 则表明原来的平衡状态是不稳则表明原来的平衡状态是不稳定的。定的。稳定过程的目标：稳定

12、过程的目标： 如果通过放大和反馈的不断循环如果通过放大和反馈的不断循环, 振荡器能够产生回到原平振荡器能够产生回到原平衡点的趋势衡点的趋势, 并且在原平衡点附近建立新的平衡状态并且在原平衡点附近建立新的平衡状态, 则表明原则表明原平衡状态是稳定的。平衡状态是稳定的。4.14.1 反馈型振荡器的工作原理反馈型振荡器的工作原理 振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说具体来说, 在平衡点在平衡点UiUiA附近附近, 当不稳定因素使输入振幅当不稳定因素使输入振幅Ui增大时增大时, 环路增环路增益幅值益幅值(0)应该减小应该减小, 使反馈电压振幅

13、使反馈电压振幅Uf减小减小, 从而阻止从而阻止Ui增大；增大；当不稳定因素使当不稳定因素使Ui减小时减小时, T(0)应该增大应该增大, 使使Uf增大增大, 从而阻止从而阻止Ui减减小。这就要求在平衡点附近小。这就要求在平衡点附近, T(0)随随Ui的变化率为负值。的变化率为负值。振幅平衡稳定的目标：振幅平衡稳定的目标：0UAFU)jw(TUFAUU)jw(TAiifif1的条件者下使电路起振，放大电的条件者下使电路起振，放大电路工作在甲类状态，起振后随着振荡幅度的迅速增大，管子路工作在甲类状态，起振后随着振荡幅度的迅速增大，管子进入非线性区，放大器的增益下降，直至进入非线性区，放大器的增益下

14、降，直至AF=1，输出振幅不，输出振幅不再增大，达到一定的幅值。当外界条件变化时，或者受到干再增大，达到一定的幅值。当外界条件变化时，或者受到干扰时，电路的平衡被破坏，电路通过自身的内稳幅或者外环扰时，电路的平衡被破坏，电路通过自身的内稳幅或者外环节能够重新回到原来的平衡状态，则振荡电路输出稳定的频节能够重新回到原来的平衡状态，则振荡电路输出稳定的频率和振幅的不失真正弦波信号。率和振幅的不失真正弦波信号。总体概念总体概念:4.14.1 反馈型振荡器的工作原理反馈型振荡器的工作原理4.2.1 互感耦合振荡电路互感耦合振荡电路LC反馈式振荡器的分类：反馈式振荡器的分类：根据引入反馈方式的不同可分为

15、根据引入反馈方式的不同可分为-变压器反馈式、电感反馈式、电容反馈式三种形式振荡电路。变压器反馈式、电感反馈式、电容反馈式三种形式振荡电路。 电路如图，电路如图，C、N1 为选频网络，为选频网络，N2为正反馈电路，正弦波信号由变为正反馈电路，正弦波信号由变压器附边绕组传送到负载。压器附边绕组传送到负载。利用瞬时极性法判断，利用瞬时极性法判断，是否满足相位平衡条件。是否满足相位平衡条件。引言：引言：LC反馈式振荡器是利用电感电容构成选频网络的振荡反馈式振荡器是利用电感电容构成选频网络的振荡 器，它能产生器，它能产生1MHZ的正弦波。的正弦波。4.24.2 LCLC正弦波振荡器正弦波振荡器LC振荡电

16、路起振的幅值条件为：振荡电路起振的幅值条件为：选择变压器原、附边匝数比，该条件容易满足。选择变压器原、附边匝数比，该条件容易满足。 ififOfiOUU1UUUUUU1AF该电路依靠放大电路自身和选频网络实现稳幅。该电路依靠放大电路自身和选频网络实现稳幅。 变压器反馈式振荡电路的特点变压器反馈式振荡电路的特点是结构简单，容易起振，改是结构简单，容易起振，改变电容大小可方便地调节振荡频率，但在应用时要特别注意线变电容大小可方便地调节振荡频率，但在应用时要特别注意线圈圈N2的极性不要接反。的极性不要接反。4.24.2 LCLC正弦波振荡器正弦波振荡器例例1：根据相平条件，判断下列电路能否产生正弦波

17、振荡。：根据相平条件，判断下列电路能否产生正弦波振荡。VCC例例2：根据相平条件，判断下列电路能否产生正弦波振荡。：根据相平条件，判断下列电路能否产生正弦波振荡。+VCCRRCCVCC例题：例题：P102 图图4.6.1课堂练习课堂练习：1.P104 4.1.4 2.P134 4.1；4.24.2.2 LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则三点式振荡器相位平衡条件的判断准则4.24.2 LCLC正弦波振荡器正弦波振荡器4.2.2 LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则三点式振荡器相位平衡条件的判断准则bebc+ce0bebc=-ce 假定回路由纯电抗元件组成假定回路由纯电抗元件组成, 其电抗值

18、分别为其电抗值分别为ce, be和和bc, 同时不同时不考虑晶体管的电抗效应考虑晶体管的电抗效应, 则当回路谐振（则当回路谐振（0）时）时, 回路呈回路呈纯阻性纯阻性。CcebebcbeCbefUXX)Xj(XUjXU0 xxcebe由于由于 是是 在在bebc支路分配在支路分配在Xbe上的电压上的电压, 有有fUcU因为这是一个正反馈反相放大器因为这是一个正反馈反相放大器, 与与 同相同相, 与与 反反相相, 所以所以 与与 反相。反相。iUfUcUiUcUfU结论：结论：be与与ce必须是同性质电抗必须是同性质电抗, 而而Xbc必须是异性质电抗。必须是异性质电抗。总结：总结：在三点式电路中

19、在三点式电路中, 回路中与发射极相连接的两个电回路中与发射极相连接的两个电 抗元件必须为同性质抗元件必须为同性质, 另外一个电抗元件必须为异性。另外一个电抗元件必须为异性。 这就是三点式电路组成的相位判据这就是三点式电路组成的相位判据, 或称为三点式电路或称为三点式电路 的组成法则。简称：的组成法则。简称：“射同基反射同基反” bece= -bc0XXcebe课堂练习：课堂练习：P115 4.2.2; P135 4.5 为了克服变压器反馈中选频与反馈回路间因磁路耦合造为了克服变压器反馈中选频与反馈回路间因磁路耦合造成的工作不稳定的缺陷，将电路作适当改进，便形成了电感成的工作不稳定的缺陷，将电路

20、作适当改进，便形成了电感反馈式振荡电路。反馈式振荡电路。4.2.3 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 晶体管三个极分别与晶体管三个极分别与LCLC回路的三个点相联接，且回路的三个点相联接，且反馈元件为电感反馈元件为电感， 故称为电感三点式。故称为电感三点式。隔直电容隔直电容旁路电容旁路电容反馈电压反馈电压（哈特莱振荡器）（哈特莱振荡器）隔直电容隔直电容UoICL21fo 2MLLL21 （M为为L1、L2间互感）间互感） 该电路常用于需经常改变振荡频率的场合，该电路常用于需经常改变振荡频率的场合， 它可以通过改变电容容量实现频率的改变。它可以通过改变电容容量实现频率的改变。反馈系数：反馈系

21、数：MLMLMLjIMLjIUUFOf1212显然：显然：只要调节反馈系数只要调节反馈系数F F，就可以使，就可以使Uf Ui, ,即可起振并即可起振并 进入平衡状态。进入平衡状态。+-2.电感三点式的优缺点电感三点式的优缺点（补充内容）（补充内容） 优点：优点：1.电感电感L1与电感与电感L2耦合很紧，耦合很紧，M可达可达1，故易起振。，故易起振。 2.改变电容改变电容C，则振荡频率可方便的调节，不影响反馈系数，则振荡频率可方便的调节，不影响反馈系数 且输出电压幅度大。且输出电压幅度大。 3.最高频率可达几十兆赫兹，频率稳定度最高频率可达几十兆赫兹，频率稳定度10-4至至10-2之间之间。缺

22、点：反馈信号取自电感，它对高次谐波呈现高阻抗，产生较大缺点：反馈信号取自电感，它对高次谐波呈现高阻抗，产生较大 的反馈电压，故不能抑制高次谐波的干扰，输出波形较差。的反馈电压，故不能抑制高次谐波的干扰，输出波形较差。4.24.2 LCLC正弦波振荡器正弦波振荡器4.2.4 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路 由于电感反馈式电路中反馈电压取自电感，使得输出波形中高次谐波由于电感反馈式电路中反馈电压取自电感，使得输出波形中高次谐波分量增多，波形变坏。如果将反馈电压取自电容，则可使输出波形得到改分量增多，波形变坏。如果将反馈电压取自电容，则可使输出波形得到改善（容抗随频率升高而减小）；按该思想设计

23、的电路称为电容三点式振荡善（容抗随频率升高而减小）；按该思想设计的电路称为电容三点式振荡电路。电路。反馈元件反馈元件（考毕兹振荡器）（考毕兹振荡器）4.2.4 考毕兹振荡器考毕兹振荡器2121oCCCCC,LC21f 2211ieoeie22oe11CCCCCC,CCC,CCC ，、 工程上一般忽略工程上一般忽略Coe、Cie影响频率稳定度。影响频率稳定度。反馈系数见教材反馈系数见教材P1072.电容三点式的优缺点（补充内容）电容三点式的优缺点（补充内容）优点：优点：1. 反馈电压取自反馈电压取自2, 而电容对晶体管非线性特性产生的高而电容对晶体管非线性特性产生的高 次谐波呈现低阻抗次谐波呈现

24、低阻抗, 所以反馈电压中高次谐波分量很小所以反馈电压中高次谐波分量很小, 因因 而输出波形好而输出波形好, 接近于正弦波。接近于正弦波。 2.C1 、C2电容可取很小，故输出振荡频率电容可取很小，故输出振荡频率fp较高，一般可达较高，一般可达 100Mhz以上。以上。缺点：缺点：1.反馈系数因与回路电容有关反馈系数因与回路电容有关, 如果用改变回路电容的方法如果用改变回路电容的方法 来调整振荡频率来调整振荡频率, 必将改变反馈系数必将改变反馈系数, 从而影响起振易停振从而影响起振易停振 故调节不方便且范围小。故调节不方便且范围小。 2.Coe、Cie影响频率稳定度。影响频率稳定度。4.24.2

25、 LCLC正弦波振荡器正弦波振荡器3.应用举例：见教材应用举例：见教材P109 3.两种振荡器共同的缺点是：两种振荡器共同的缺点是：（补充内容）（补充内容） 晶体管输入输出电容分别和两个回路电抗元件并联晶体管输入输出电容分别和两个回路电抗元件并联, 影响回影响回路的等效电抗元件参数路的等效电抗元件参数, 从而影响振荡频率。从而影响振荡频率。 由于晶体管输入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, 所以三点式电所以三点式电路的频率稳定度不高路的频率稳定度不高, 一般不超过一般不超过10-5数量级数量级。 4.24.2 LCLC正弦波振荡

26、器正弦波振荡器1.克拉泼振荡器克拉泼振荡器 条件：条件：C3 C1 , C3 C2三、改进型电容三点式振荡电路三、改进型电容三点式振荡电路 图中图中C3 C1 , C3 (C3, C4)4.24.2 LCLC正弦波振荡器正弦波振荡器西勒电路振荡回路的总电容西勒电路振荡回路的总电容C =(C1 /CO)串串( C2/Ci)串串 C3 / C4 C3 + C4振荡频率振荡频率43oCCL21LC21f西勒电路的优点：频率稳定度高，振荡频率高，覆盖频西勒电路的优点：频率稳定度高，振荡频率高，覆盖频 宽，振幅平稳，输出波形好。宽，振幅平稳，输出波形好。 条件：条件： (C1 , C2) (C3, C4

27、)4.24.2 LCLC正弦波振荡器正弦波振荡器例题：例题：P111 例例4.2.2 以上所介绍的五种振荡器均是采用元件作以上所介绍的五种振荡器均是采用元件作为选频网络。由于元件的标准性较差为选频网络。由于元件的标准性较差, 因而谐振回因而谐振回路的值较低路的值较低, 空载值一般不超过空载值一般不超过300, 有载值就更有载值就更低低, 所以振荡器的频率稳定度不高所以振荡器的频率稳定度不高, 一般为一般为10-3量级量级, 即使是克拉泼电路和西勒电路也只能达到即使是克拉泼电路和西勒电路也只能达到10-410-5数量数量级。如果需要频率稳定度更高的振荡器级。如果需要频率稳定度更高的振荡器, 可以

28、采用晶体可以采用晶体振荡器。振荡器。小结：小结：4.24.2 LCLC正弦波振荡器正弦波振荡器4.34.3 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为重要4.3.1频率准确度和频率稳定度：

29、频率准确度和频率稳定度：频率稳定度频率稳定度：是在指定时间间隔内频率准确度变化的是在指定时间间隔内频率准确度变化的 最大值最大值。分为分为: :绝对频率稳定度和相对频率稳定度绝对频率稳定度和相对频率稳定度。常用相对频率稳定度表示。常用相对频率稳定度表示。绝对频率准确度绝对频率准确度offf式中，式中，f为实际工作频率，为实际工作频率，fo为为标称频率。标称频率。时间间隔oofffmax|相对频率准确度相对频率准确度 频率稳定度按时间间隔分为频率稳定度按时间间隔分为: 长期频率稳定度长期频率稳定度数月或一年内数月或一年内的相对频率准确度的相对频率准确度; 短期频率稳定度短期频率稳定度一天内的相对

30、一天内的相对频率稳定度频率稳定度; 瞬时频率稳定度瞬时频率稳定度秒或毫秒内秒或毫秒内的相对频率稳定度。的相对频率稳定度。 通常指的的短期频率稳定度通常指的的短期频率稳定度 二、导致频率不稳定的因素：二、导致频率不稳定的因素：1.温度变化：改变谐振回路的电感线圈的电感量和电温度变化：改变谐振回路的电感线圈的电感量和电容器的电容量，同时改变晶体管的结电容和结电阻，容器的电容量，同时改变晶体管的结电容和结电阻，从而使得谐振回路的频率和品质因数发生改变。从而使得谐振回路的频率和品质因数发生改变。3.负载的变化：导致谐振回路的频率和品质因数改变。负载的变化：导致谐振回路的频率和品质因数改变。2.电源电压

31、的改变：导致晶体管的工作点和工作状态电源电压的改变：导致晶体管的工作点和工作状态发生改变。发生改变。三、提高频率稳定度的主要措施：见教材三、提高频率稳定度的主要措施：见教材P117四、振幅的稳定度：见教材四、振幅的稳定度：见教材P1184.44.4 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振荡器的频率稳定度最高只能达到振荡器的频率稳定度最高只能达到10-4 10-5数量级，若要获得数量级，若要获得10-5 数量级的频率稳定度就很难达到。数量级的频率稳定度就很难达到。由石英晶体构成的振荡器却可以达到由石英晶体构成的振荡器却可以达到10-11。5.6.1 石英

32、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：石英晶体的结构： 4.44.4 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： 4.44.4 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（温度变它的温度系数（温度变化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。另外以下。另外, , 石英石英晶振的振动具

33、有多谐性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奇次谐波泛音振动音振动。 对于石英晶振对于石英晶振, , 既可利用其基频振动既可利用其基频振动, , 也可利用其泛也可利用其泛音振动。音振动。 前者称为基频晶体前者称为基频晶体, , 后者称为泛音晶体。晶片厚度与后者称为泛音晶体。晶片厚度与振动频率成反比振动频率成反比, , 工作频率越高工作频率越高, , 要求晶片越薄要求晶片越薄, , 因而机械强因而机械强度越差度越差, , 加工越困难加工越困难, , 使用中也易损坏。使用中也易损坏。 由此可见由此可见, , 在同样的在同样的工作频率上工作频率上,

34、, 泛音晶体的切片可以做得比基频晶体的切片厚一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些。所以在工作频率较高时, , 常采用泛音晶体。常采用泛音晶体。 通常在工作频通常在工作频率小于率小于20MHz20MHz时采用基频晶体时采用基频晶体, , 大于大于20MHz20MHz时采用泛音晶体。时采用泛音晶体。4.44.4 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 H10102 2 H H 动态电容动态电容C Cq q约

35、约1010-4-4pFpF1010-1-1pFpF 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qqqqcLrQ14.44.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器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qqsCLf21并联谐振频率并联谐振频率0qsq00sq0q0pcc1fcccfccccLq21f4.44.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器结论：结论：由于

36、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fp10qcc 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, , 因而在因而在fs fp感性区间感性区间, , 石英晶振具有石英晶振具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

37、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

38、容, , 常用于串联型晶体振荡器常用于串联型晶体振荡器) )。 6.使用注意：使用注意：（补充内容）（补充内容）5.65.6 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

39、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。4.44.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器4.4.2 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器相并联型晶体振荡器的工作原理和三点式振荡器相同同, 只是将其中一个电感元件换成石英晶振。电容三点只是将其中一个电感元件换

40、成石英晶振。电容三点式电路中石英晶振接在晶体管式电路中石英晶振接在晶体管c、b极之间，所组成的电极之间，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、极之间在晶体管、极之间, 称为密勒振荡电路。称为密勒振荡电路。4.44.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器显然：皮尔斯电路类似于克拉泼电路显然：皮尔斯电路类似于克拉泼电路, ,4.44.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器1.克拉泼振荡器克拉泼振荡器 条件：条件：C3 C1 , C3 C24.44.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 振荡频率几乎由石英晶振的参数决定振荡频率几乎由石英晶

41、振的参数决定, , 而石英晶振本身的参而石英晶振本身的参数具有高度的稳定性。振荡频率一般调谐在标称频率数具有高度的稳定性。振荡频率一般调谐在标称频率f fN N上，位上，位于晶振的感性区，电抗曲线陡，稳频性好。于晶振的感性区，电抗曲线陡，稳频性好。振荡频率振荡频率L0qsL0qL0qq0ccc1fccc)c(cCL21f 其中其中L 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, , 即即根据产品要求的负载电容。根据产品要求的负载电容。 皮尔斯电路的特点皮尔斯电路的特点: :2121Lccccc4.44.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器在实用时在实用时, 一般

42、需加入微调电容一般需加入微调电容, 用以微调回路的谐振频率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保证电路工作在晶振外壳上所注明的标称频率N上。上。4.44.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反馈支路中串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反馈支路中, 利用利用其其串联谐振时等效为短路元件串联谐振时等效为短路元件, 电路反馈作用最强电路反馈作用最强, 满足振幅满足振幅起振条件起振条件, 使振荡器在晶振串联谐振频率使振荡器在晶振串联谐振频率fs上起振。上起振。4.4.3 串联性晶体振荡器串联性晶体振荡器 4.44.4 石英晶体振荡器石英晶体

43、振荡器优点：频率稳定度高优点：频率稳定度高,损耗小，非常高的的损耗小，非常高的的Q值，值， 选频性好。选频性好。缺点：单频性、加工困难缺点：单频性、加工困难石英晶体振荡器的优缺点石英晶体振荡器的优缺点(补充内容补充内容) 4.44.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器课堂练习：课堂练习： 2.教材教材P137 4.12 3.教材教材P135 4.6 1.教材教材P137 4.114.44.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器回忆：并联谐振回路的特点回忆：并联谐振回路的特点呈反比呈反比LCfLCf 213. 阻抗性质随频阻抗性质随频率变化的规律：率变化的规律： Is C L Rp B O电纳电纳感性感性

44、容性容性呈纯阻性；呈纯阻性；1) f fp时，时， 呈容性。呈容性。判断三点式的方法：射同基反的原则判断三点式的方法：射同基反的原则射同：射同：若回路若回路1和回路和回路2为感性为感性振荡器的频率为振荡器的频率为 ff01, ff02 fmin(f01, f02)基反：基反：回路回路3为容性为容性振荡器的频率为振荡器的频率为 f03f结论结论1：振荡器的频率为振荡器的频率为 f03 f min(f01, f02)习题：习题：P136 4.6回忆：并联谐振回路的特点回忆：并联谐振回路的特点呈反比呈反比LCfLCf 213. 阻抗性质随频阻抗性质随频率变化的规律：率变化的规律： Is C L Rp

45、 B O电纳电纳感性感性容性容性呈纯阻性；呈纯阻性；1) f fp时，时， 呈容性。呈容性。判断三点式的方法：射同基反的原则判断三点式的方法：射同基反的原则射同：射同：若回路若回路1和回路和回路2为容性为容性振荡器的频率为振荡器的频率为 ff01, ff02 fmax(f01, f02)基反：基反：回路回路3为感性为感性振荡器的频率为振荡器的频率为 ff03结论结论2：振荡器的频率为振荡器的频率为 max(f01, f02) f f03习题：习题：P136 4.6呈反比呈反比LCfLCf 21结论：结论：振荡器的频率为振荡器的频率为 max(f01, f02) f f03或者振荡器的频率为或者

46、振荡器的频率为 f03 f L2C2L3C3 f01 f02f03 振荡的频率范围为：振荡的频率范围为：f02 f f032.L1C1L2C2 f02f03 振荡的频率范围为：振荡的频率范围为： f03 f L3C3 f01= f02f03 振荡的频率范围为：振荡的频率范围为： f02 f f03 4.L1C1 f02=f03 电路不可能振荡电路不可能振荡上图是一个上图是一个数字频率计数字频率计晶振电路晶振电路, , 试分析其工试分析其工作情况。作情况。 课堂练习课堂练习（选讲选讲）4.44.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器解解: : 先画出先画出V1V1管高频交流等效管高频交流等效电路电路,

47、 , 如图（）所示如图（）所示, , 0.01F0.01F电容较大电容较大, , 作为高频作为高频旁路电路旁路电路, V2, 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, V1管的管的c c、 e e极之间有一个回路极之间有一个回路, , 其谐振频率为其谐振频率为: :4.0MHZ10330104.721f1260 所以在晶振工作频率所以在晶振工作频率MHzMHz处处, , 此此LCLC回路等效为一个电容。回路等效为一个电容。可见可见, , 这是一个皮尔斯振荡电路这是一个皮尔斯振荡电路, , 晶振等效为电感晶振等效为电感, , 容量为容量为3pF3

48、pF10pF10pF的可变电容起微调作用的可变电容起微调作用, , 使振荡器工作在晶振的标称频使振荡器工作在晶振的标称频率率5MHz5MHz上上。 4.44.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器回忆：回忆：在石英晶振的完整等效电路中在石英晶振的完整等效电路中, 不仅包含了基频串联谐振不仅包含了基频串联谐振支路支路, 还包括了其它奇次谐波的串联谐振支路还包括了其它奇次谐波的串联谐振支路, 这就是前面所说的这就是前面所说的石英晶振的多谐性。但泛音晶体所工作的奇次谐波频率越高石英晶振的多谐性。但泛音晶体所工作的奇次谐波频率越高, 可可能获得的机械振荡和相应的电振荡越弱。能获得的机械振荡和相应的电振荡越弱

49、。4.4.4 泛音晶振电路泛音晶振电路(补充内容补充内容)(选讲内容选讲内容) 本质思维：本质思维：在工作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, 多采用泛音晶体振多采用泛音晶体振荡电路。泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。在泛音晶振电荡电路。泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。在泛音晶振电路中路中, 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, 不但不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡, 而且必须正确而且必须正确地调节电路的环路增益地调节电路的环路增益, 使其在工作泛音频率上略大于使其在工作泛音频率上略大于1, 满足起满足起振条件振条件, 而在更高的泛音频率上都小于而在更高的泛音频率上都小于1, 不满足起振条件。不满足起振条件。4.44.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器本质：本质：在实际应用时在实际应用时, 可在三点式振荡电路中可在三点式振荡电路中, 用用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件一选频回路来代替某一支路上的电抗元件, 使这使这一支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满一支路在基频和低次泛音上呈现