高频电子线路851

内容提要：

·通信系统的组成

·典型无线电发送设备的组成

·典型无线电接收设备的组成

·电磁波频段划分

1901年，英国科学家马可尼在英属牙买加的康沃尔建成170英尺(1英尺=0.3048米)高的无线电波发射塔，在加拿大的纽芬兰用几只风筝将接收天线升到400英尺的高空，实现了无线电波横跨大西洋的壮举，为人类打开了无线电通信的大门，给人类的生活和社会生产的发展带来了深刻的影响。高频电子技术源于无线电通信技术，它已被广泛地应用于经济、军事及日常生活的各个领域，人们每天通过看电视了解世界，通过手机联络朋友、完成自己的工作，这一切都建立在高频电子技术的基础之上。

1901年，英国科学家马可尼在英属牙买加的康沃尔建成170英尺(1英尺=0.3048米)高的无线电波发射塔，在加拿大的纽芬兰用几只风筝将接收天线升到400英尺的高空，实现了无线电波横跨大西洋的壮举，为人类打开了无线电通信的大门，给人类的生活和社会生产的发展带来了深刻的影响。高频电子技术源于无线电通信技术，它已被广泛地应用于经济、军事及日常生活的各个领域，人们每天通过看电视了解世界，通过手机联络朋友、完成自己的工作，这一切都建立在高频电子技术的基础之上。高频电子线路广泛应用于通信设备和各种电子设备中，在高频段完成一定的电路功能。本书讨论的高频电路包括正弦波振荡器、调制电路、解调电路、混频电路、高频功率放大器、小信号放大器及反馈控制电路。

高频电路是通信设备的基础，而通信设备又是应用在通信系统中的，因此要掌握高频电路的工作原理，必须先理解通信系统的工作原理。

1.通信系统的组成

信息在发送者和接收者之间传送称为通信，实现信息传送的系统称为通信系统。通信系统的组成如图0-1所示。图0-1通信系统的组成

发信者也称信息源，是要传送的原始信息，可以是语言、图像、文字等。

输入变换器的功能是将信息源提供的信息转换成电信号，该电信号被称为基带信号。日常生活中我们经常会用到转换器，比如话筒可以将声音信号转换成电信号，摄像头可以将光信号转换成电信号等。

发射机的功能是将基带信号变换成频带信号，并送入信道。

信道是传送信号的通道，可分为有线信道和无线信道两大类，信道将发送端和接收端连通。

有线信道利用各种导线传输信号，如电缆、双绞线、光纤等，而无线信道则利用空间、水等介质传输信号。信道为有线信道的通信系统称为有线通信系统，如电话通信系统；信道为无线信道的通信系统称为无线通信系统，如移动通信系统、卫星通信系统等。

接收机的功能是将从信道传过来的频带信号转换成基带信号。

输出变换器用于将接收机输出的基带信号变换成原始信号(如声音、图像等)。常用的输出变换器有扬声器、耳机、显示器等。

收信者也称信宿，是信息的最终接收者。

2.无线电发射机的组成

发射机在处理信号的过程中因采用了不同的调制方式，故电路组成也不尽相同。这里以典型调幅发射机的组成为例，介绍发射机的组成。

调幅发射机的组成如图0-2所示。图0-2调幅发射机的组成发射机的工作原理是：一方面话筒将声音信号转换成电信号，经音频放大器放大后送至调幅电路；另一方面振荡器产生高频正弦信号，经倍频器将振荡器输出的正弦信号的频

率成倍提高，产生载波信号，送至AM调幅电路，AM调幅电路将音频信号携带在载波的幅度上(调幅)，得到高频已调信号，高频功率放大器对高频已调信号进行功率放大，并输送

到天线上，经天线有效地辐射到天空中。

3.接收机的组成

典型调幅接收机的组成如图0-3所示。图0-3典型调幅接收机的组成接收机的工作原理是：天线从天空中接收到信号后送入高频放大器，经选频放大后送入混频器，混频器将本机振荡信号和高频放大器送来的信号求频率差，将高频信号变成中

频信号，经中频放大器放大，选频后送入检波器，检波器对其输入信号进行解调(检波)，最后将解调结果送入低频电路部分。AGC控制电路通过控制中频放大器的增益使接收机输出稳定。

4.无线电波的传输特点

无线电发射机和接收机是靠无线电波连通的，而无线电波就在天空中传播。在日常工作和生活中，有数不清的无线通信设备在同时工作，其中很多无线通信设备同时向天空发射信号，又有很多无线通信设备同时从天空中接收信号，但它们并没有相互干扰，而是井然有序地工作，这是为什么呢？这是因为不同的无线通信系统工作在不同的无线电波段，故能互不影响地同时工作，就如同我们将马路划分成多个车道，只要沿着自己的车道跑，就能保证多辆车同时在马路上并行行驶而不会发生撞车。

无线电波的波段划分见表0-1。常用的全波段收音机，其中波波段频率为525～1605kHz，其短波波段频率为2.2～26MHz，其调频波段频率为87.5～108MHz。而电视接收机的工作频段为48.5～870MHz。GSM手机的工作频率为900MHz。无线局域网采用2.4GHz频段。不同波段（频段）无线电波在传输过程中表现出不同的特点，因此用途也不相同。无线电波的传播方式主要有三种形式，如图0-4所示。图0-4无线电波的传播方式

1)地波

地波是沿着地面传播的无线电波。由于地面导电不理想，因此地波在传播时有能量损耗，损耗的大小与传播距离及频率有关，传播的距离越远，损耗越大；无线电波频率越高，波长越短，绕射能力越差，因此损耗越大。所以，只有中、长波适合以地波的方式传播。

由于地面的导电特性稳定，因此中、长波的传播比较稳定，在实际应用中多用于导航和传送标准时间信号。

2)天波

天波主要依靠电离层的折射、反射实现远距离传播。频率为1.5～30MHz范围的信号(即短波信号)沿地面传播时绕射能力差，且地面吸收损耗大，适合以天波的方式传播，实

现远距离的无线电通信。因为该频段通信成本低，所以该频段的广播、通信电台众多，频段最为拥挤。但因电离层的状态是变化的，故天波传播的稳定性较差。

3) 空间波

空间波沿着空间直线传播。由于地球表面是弯曲的，因此空间波的传播距离限于视线范围内，传播距离有限，一般通过高架天线、中继等方式增大传播距离。频率在30MHz以上的无线电波主要以空间波的方式传播。

需要说明的是，波段的划分是粗略的，各波段之间没有严格的分界线，因此波段之间的传输特性也无明显差异。

思考与练习

1.通信系统由几部分组成?各部分的作用是什么？

2.典型的调幅发射机由几部分组成?各部分的作用是什么？

3.典型的调幅接收机由几部分组成?各部分的作用是什么？

4.什么是地波？什么是天波？什么是空间波？

5.什么是有线通信系统？什么是无线通信系统？广播收音机系统是无线通信系统还是有线通信系统？

6.你用的手机是发射机还是接收机？收音机、电视机是发射机还是接收机？

1.1选频电路1.2阻抗变换电路1.3习题内容提要：

·选频电路的组成

·选频电路的作用

·阻抗变换电路的组成

·阻抗变换电路的作用天空中存在着各种各样的无线电波和干扰噪声(如闪电、热辐射等)，在通信中接收机只有能从众多的无线电波和干扰噪声中选出所需的有用信号，同时将其它无线通信设备发射的无线电波及干扰噪声滤除掉，才能可靠地通信。而选频电路恰恰具有选出有用信号、滤除干扰的功能，因此它是接收机必不可缺的电路之一。

选频电路的作用是从众多的无线电信号中选出有用信号，并滤除或抑制干扰。常用的选频电路有LC选频电路和集中选频滤波器。1.1选频电路

1.1.1选频电路的性能指标

选频电路性能的好坏，可用一系列的指标来衡量，理想选频电路和典型实际选频电路的电压传输特性如图1-1所示。图1-1(a)为选频电路的幅频特性，图1-1(b)为选频电路的相频特性。关于幅频特性和相频特性的概念在模拟电子技术课程中已经讲述过，这里不再重复。图1-1选频电路的电压传输特性

1.中心频率(f0)

在中心频率处，选频电路的电压传输系数最大(幅频特性出现最大值)，且相移为零。如果选频电路为LC并联选频电路，则中心频率为LC电路的固有谐振频率。

2. 通频带BW0.7

幅频特性下降到最大值(f0所对应的值)的时所对应的频率范围，称选频电路的通频带。通频带也可定义为幅频特性下降3dB()时所对应的频率范围，因此通频带又称

3dB带宽。选频电路的通频带应足够宽，以保证有用信号顺利通过，但也不能过宽，过宽虽有利于有用信号通过，但干扰也会顺利通过，使电路滤除干扰的能力变差。不同信

号对选频电路通频带的要求不同，因此选频电路通频带的大小应视具体要求而定。

3.选择性选择性是指放大器选出有用信号、滤除干扰的能力。通频带外幅频特性衰减越快，电路的选择性越好。通常用矩形系数描述选择性的好坏。矩形系数定义为电压传输系数下降至最大值的0.1倍时所对应的频率范围BW0.1与通频带之比值，即理想选频电路的幅频特性为矩形，其矩形系数为1，而实际选频电路的矩形系数大于1。矩形系数越接近1，电路的选择性越好。(1-1)

4.插入损耗

插入损耗定义为选频电路插入前负载获得的功率与插入后负载获得的功率之比，用L表示，即(1-2)由式(1-2)可见，理想情况下L=1，实际电路的插入损耗大于1。L越大，插入损耗越大。对于实际的选频电路，要求其插入损耗越小越好。

5.带内波动

带内波动指选频电路通频带内幅频特性的波动。在通频带内，幅频特性越平坦(波动越小)，引起的频率失真越小。频率失真指电路对不同频率的信号传输能力不同而引起的信号失真。

6.输入、输出阻抗选频电路的性能指标是在输入、输出端均匹配条件下的性能，在应用时必须知道其输入、输出阻抗，使其处于匹配状态，才能得到最佳的滤波效果。

7. 相频特性相频特性越接近线性越好，相频特性线性不好会产生相位失真。对于传输图像信号和数字信号的电路，要求其相频特性好。

1.1.2

LC选频电路

LC选频电路是高频电路中最基本、应用最广泛的选频电路。在电路基础课程中已建立了关于LC电路的基本概念，并详细分析了LC串并联电路的特点，这里从选频的角度再次讨论LC电路。

1.并联LC选频电路的组成并联LC选频电路如图1-2所示。其固有谐振频率，选频电路两端的电压为(1-3)图1-2并联LC选频电路在实际应用中，总是满足R＜＜ωL，故上式可化简为(1-4)因电路的品质因数，所以式(1-4)可表示为(1-5)

w＝w0时，LC选频电路谐振，谐振电压为(1-6)谐振阻抗为(1-7)将式(1-6)代入式(1-5)得(1-8)式中，Dw＝w－w0。将式(1-8)取模值，得并联LC选频电路的归一化幅频特性为(1-9)相频特性为(1-10)由式(1-9)和式(1-10)可分别画出并联LC选频电路的幅频特性及相频特性如图1-3所示，图中Q1＞Q2。图1-3并联LC选频电路的传输特性

2.并联LC选频电路主要指标的计算

(1)中心频率。并联LC选频电路的中心频率为

(2)通频带。依据通频带的定义，令式(1-9)等于，得(1-11)由式(1-11)可见，在谐振频率一定的条件下，Q值越大，通频带越窄。而且，由式(1-7)可知，在电感、电容值确定时，谐振阻抗越大，Q值越大，通频带越窄。

(3)选择性。依据选择性的定义，令式(1-9)等于0.1可计算得并联LC选频电路的矩形系数远大于1，因此其选择性差。需要指出，由图1-3(a)可见，LC并联选频电路的Q值越大，曲线越尖锐，通频带越窄，选择性越好，可知通频带与选择性是一对相互矛盾的指标。

3.信号源内阻及负载对LC选频电路的影响

图1-4中，给LC选频电路接上了输入信号和负载电阻，信号源内阻和负载电阻的接入会影响选频电路的性能吗？答案是会的。图1-4实际选频电路图1-4与图1-2的区别在于，图1-4所示电路中接入了信号源内阻Rs和负载电阻RL，这两个电阻的接入使电路的谐振阻抗变成了RP∥Rs∥RL，即总的谐振阻抗减小了。由式(1-7)可知，此时电路的Q值也随之减小，通频带变宽，选择性变差,且Rs和RL越小，对选频电路的影响越大，电路的选择性越差。1.1.3集中选频滤波器

集中选频滤波器可分为LC集中选频滤波器和固体滤波器(包括陶瓷滤波器和声表面滤波器)两大类。集中选频滤波器由厂家精心设计、生产，具有近似理想的选频特性。集中选频滤波器的使用，可简化电路的设计与调整，缩短线路和设备的设计与制作周期。

1.LC集中选频滤波器

LC集中选频滤波器通常由一节或多节LC电路组成，可根据系统要求精确设计，因此其选频特性更接近理想要求。其电路组成如图1-5所示。图1-5

LC集中选频滤波器

2.陶瓷滤波器

某些陶瓷材料经极化后，如果在其两面加上高频交流电压，便会产生机械形变，进而产生机械振动，机械振动又会在其两个面上产生交变电场，这种现象称为压电效应。当陶瓷片外加高频交流信号的频率等于陶瓷片的机械振动频率时，陶瓷片产生谐振，此时，陶瓷片的机械振动最强，两个面上产生的电荷量最大，外电路电流最大。陶瓷片具有谐振特性，因此具有选频滤波作用。两端陶瓷滤波器的电路符号及等效电路如图1-6所示。它相当于一个LC并联电路，由于工作频率稳定，选择性好，具有合适的带宽，常被用做固定的中频滤波器。三端陶瓷滤波器的电路符号及等效电路如图1-7所示。其中，1、3两端为输入端，2、3两端为输出端。三端陶瓷滤波器相当于一个双调谐回路，可用做中频变压器，目前广泛应用于集成接收机中。为了提高滤波效果，可将陶瓷谐振子组合，组成四端陶瓷滤波器，如图1-8所示。一般情况下，陶瓷片越多，滤波性能越好。图1-6两端陶瓷滤波器的电路符号及等效电路图1-7三端陶瓷滤波器的电路符号及等效电路图1-8四端陶瓷滤波器

3.表面滤波器声表面滤波器(SWAF)的电路符号如图1-9所示。在声表面滤波器中，信号经过电—声、声—电转换达到滤波的目的。它具有体积小、重量轻、性能稳定、工作频率高等优点，被广泛地应用在通信、电视、宇航等领域的电子设备中。图1-9声表面滤波器的电路符号思考与练习

1.选频电路的作用是什么？

2.选频电路通频带是如何定义的？选频电路的通频带越宽越好吗？

3.集中选频滤波器的性能优于LC选频电路，你知道哪些集中选频滤波器？

4.外电路的接入对LC选频电路的性能有影响吗？1.2阻抗变换电路

阻抗变换的目的是为了实现阻抗匹配。通过阻抗匹配，可为负载提供最大的功率，改善接收机前端电路的噪声系数，使滤波器性能更佳。常用的阻抗变换电路有变压器阻抗变换电路、部分接入阻抗变换电路等。1.2.1变压器阻抗变换电路在电路基础中，已经讲述了变压器的相关知识，理想变压器的阻抗变换关系为(1-12)式中：为变压器初级的输入电阻；N1/N2为变压器初次级匝数比；RL为变压器次级。图1-10变压器阻抗变换电路1.2.2部分接入阻抗变换电路

1.电容部分接入电路

电容部分接入电路如图1-11所示。图1-11电容部分接入电路理想的阻抗变换网络应该是无损耗的，故消耗的功率应等于RL消耗的功率，即。如果电路满足条件，则(1-13)式(1-13)中，U1、U2为输入、输出电压的有效值。由式(1-13)可见，负载RL经阻抗变换电路变换后，阻值变换为。

2.电感部分接入电路

电感部分接入电路如图1-12所示。与电容部分接入同样道理，如果电路满足条件RL＞＞jωL1，则所以(1-14)图1-12电感部分接入电路

3.L型阻抗变换电路在后面将要学习的高频功率放大电路中，最常用的阻抗匹配电路是L型阻抗变换电路。L型阻抗变换电路为窄带电路，它不仅有阻抗变换功能，还有滤波功能，其滤波性能的好坏取决于L型电路的Q值。常用的L型阻抗变换电路如图1-13所示。图1-13L型阻抗变换电路及其等效电路通过L型网络的阻抗变换，将负载RL变换成网络输入端的电阻，且只有(信号源内阻)时，才能实现阻抗匹配。可见，电路谐振时才能完成RL与之间的阻抗变换，所以L型网络为窄带网络。图1-13(a)中，L、C、RL组成LC并联电路，电路的谐振阻抗即为，由串并变换公式可知，，要实现匹配应满足:(1-15)由式(1-15)可见，当负载电阻小于信号源内阻时，适合用图1-13(a)中的L型网络实现阻抗匹配。图1-13(b)中，电路的谐振阻抗为，匹配即实现，由串并变换公式可知：由式(1-16)可见，当负载电阻大于信号源内阻时，适合用图1-13(b)中的L型网络实现阻抗匹配。(1-16)

4.p型和T型网络由以上分析可知：对L型网络，若负载电阻RL和信号源内阻确定，则Q值确定，而阻抗变换电路的滤波性能取决于Q值大小，这就使得阻抗变换电路实现匹配的同时，可能无法满足滤波性能的要求，此时可采用p型或T型网络。p型和T型网络如图1-14所示。图1-14p型和T型网络电路无论是p型还是T型网络，都可分解成L型网络，因此可用L型网络的分析方法分析它们。如图1-14(a)中左图，若将C分解成两个电容C1、C2并联，它便由两个L型网络级联而成。思考与练习

1.常用的阻抗变换电路有哪些？

2.阻抗变换电路的作用有哪些？

3.L型阻抗变换网络的缺点是什么？

4.请分别画一个L型和T型阻抗变换网络。

5.写出变压器阻抗变换网络的阻抗变换关系。

6.写出L型阻抗变换网络的阻抗变换关系。

7.写出部分接入阻抗变换网络的阻抗变换关系。1.3习题

1.1电路如图1-2所示，如果L=10μH，C=40pF,Q=100，求电路的固有谐振频率f0，谐振电阻RP，通频带BW0.7。(RP=

=50kW，f0=7.96MHz，BW0.7=79.6kHz)

1.2电路如图1-4所示，如果L=10mH，C=40pF，RP=50kW，Rs=25kW，RL=50kW，对信号源，求电路的谐振电阻R、电路的谐振频率f0、Qe及通频带BW0.7。将计算结果与1.1题结果比较，你能得到什么结论？（一般Q表示LC电路本身的品质因数，即空载品质因数，Qe表示外接电路后LC电路的品质因数，即有载品质因数）。(R=12.5kW，f0=7.96MHz，Qe=25，BW0.7=318.4kHz)

1.3电路如题1.3图所示。已知RL=10kW，RL断开时，电路的谐振电阻RP=10kW，变压器初次级匝数比为n=100，求电路谐振电阻。接入负载RL后，LC电路的性能有没有受到影响？(

)题1.3图

1.4电路如题1.4图所示，L1与L2之间无互感，即M=0，L1、L2、C组成的LC并联电路的谐振电阻RP=121kW，Rs=1kW，L1=100mH，L2=10mH，求接入信号源后电路的谐振电阻。电路是否匹配?(，匹配)题1.4图

1.5电路如题1.5图所示。L、C1、C2组成的LC电路Q=100，C1=C2=80pF，L=10mH，RL=12.5kW，求负载开路时电路的谐振电阻RP及接上负载时电路的谐振阻抗。负载对LC选频电路的性能有无影响？(RP＝50kW

，)题1.5图

1.6电路如题1.5图所示，电路中所有元件的参数已定，结果发现电路的通频带不够宽，如何在不改变现有电路的条件下加宽其通频带？(并联电阻)

1.7总结品质因数对选频电路性能指标的影响。

1.8某选频电路的通频带BW0.7=fH－fL=550kHz－500kHz，下列信号能不失真地通过选频电路吗？

(1)频率范围为510～530

kHz；

(2)频率范围为490～550kHz；

(3)频率范围为540～570kHz；

(4)频率范围为490～570kHz。

(能，不能，不能，不能)

1.9请画出一个适合负载电阻小于信号源内阻的L型阻抗变换电路。

1.10画出一个适合负载电阻大于信号源内阻的L型阻抗变换电路。

1.11画出一个T型阻抗变换网络。

1.12画出一个p型阻抗变换网络。2.1非线性器件

2.2器件噪声

2.3习题内容提要：

·线性与非线性的概念

·非线性器件的基本特点

·器件噪声2.1非线性器件

2.1.1线性与非线性器件

线性器(元)件的伏安特性是线性的，常用的线性元件，如电阻、电容、电感，它们的参数是一个常数，与加在元件上的电压和通过元件的电流大小无关。线性元件的参数与它们的几何尺寸及材料有关。线性元件两端的电压与流过元件的电流呈线性关系，如电阻两端的电压为U=RI。

非线性器(元)件的伏安特性是非线性的，如半导体二极管。通过模拟电子技术课程的学习已知半导体二极管的伏安特性是非线性的，其导通电阻不是常数，与二极管两端所加电压的大小及流过二极管的电流有关。实际应用中的电路元件都是非线性的，但在一定的应用条件下，如果元件主要表现出线性元件的特性，则称其为线性元件；如果元件主要表现出非线性元件的特性，则称其为非线性元件。如半导体三极管，在小信号应用时将其近似为线性元件，但大信号应用时，它是非线性元件。由线性元件组成的电路称为线性电路，线性电路的输出信号与输入信号之间满足线性关系，如放大器电路就是线性电路。电路中如果有非线性元件，则称该电路为非线性电路，非线性电路的输出信号与输入信号之间不满足线性关系，如调制电路、解调电路、混频电路等。2.1.2非线性器件的基本特点半导体二极管是大家最熟悉的非线性器件，也是最常用的非线性器件之一。下面以半导体二极管为例来讨论非线性器件共有的基本特点。二极管的伏安特性可表示为i=a0+a1u+a2u2+a3u3+…(2-1)式中:i为流过半导体二极管的电流；u为半导体二极管两端的电压；a0、a1等为常数，不同的二极管，a0、a1等系数的大小不同。

(1)线性应用。当式(2-1)中第3项及以后各项非常小，可以忽略时，二极管的电流与电压呈线性关系，则二极管可当做线性元件。

(2)可利用器件的非线性实现倍频，但会产生谐波干扰。当二极管的输入电压为u=Uicos(wt)时，由式(2-1)可得其电流为(2-2)由式(2-2)可见，如果此时将二极管当线性元件应用，其电流中除了有与输入电压频率相同的成分外，还产生了二次谐波等各次谐波，可以看出，谐波项是由表示式中的非线性项(二次方项、三次方项等)产生的，在线性应用时，器件的非线性是有害的。但非线性并不是时时处处有害的，当我们需要输出信号的频率是输入信号频率的整数倍时，即需要实现倍频时，就必须利用元件的非线性，如可利用式(2-1)中的二次方项实现二倍频，利用式(2-1)中的三次方项实现三倍频，此时非线性则是有利的。

(3)可利用非线性实现混频，但会产生组合频率等干扰。当二极管两端所加电压为u=U1cos(w1t)+U2cos(w2t)时，由式(2-1)可得其电流为

i=a0U1cos(w1t)+a0U2cos(w2t)+a1[U1cos(w1t)+U2cos(w2t)]2+a3[U1cos(w1t)+U2cos(w2t)]3+…(2-3)式(2-3)中，二次方项可展开为可见，二次方既会产生倍频2w1、2w2，还会产生两个输入信号频率的组合，即组合频率w1+w2和w1-w2。同样，可将式(2-3)中的三次方项展开，展开后会产生频率为w１、w2的基波分量，还会产生频率为3w1、3w2的三次谐波分量，也会产生频率为2w1+w2

、2w1-w2

、2w2+w1

、2w2-w1的组合频率分量。综上所述，非线性元件最主要的特点就是能进行频率变换。思考与练习

1．如何区分线性元件和非线性元件？举例说明在你学过的电子元件中哪些元件是线性元件，哪些元件是非线性元件。

2.说明什么是线性电路，什么是非线性电路。

3.非线性电路有哪些基本特性？其最主要的特点是什么？

4.在什么条件下，三极管可近似为线性元件？在什么条件下，它为非线性元件？

5.某电路元件伏安特性的数学表示式为i=10+5u，该元件是线性元件还是非线性元件？

6.某电路元件伏安特性的数学表示式为i=5u+0.1u2，该元件两端的电压满足什么条件时该元件可作线性元件应用？电压满足什么条件时可实现2倍频器？

7.某电路的输入、输出电压满足，该电路是线性电路还是非线性电路？

8.某电路的输入、输出电流满足，该电路是线性电路吗？

2.2器件噪声

我们经常会从收音机或其它接收设备中听到“沙沙”声，从电视图像的背景上看到黑白斑点等，这些都属于电子设备中的噪声。所谓噪声，就是除有用信号以外的一切信号及各种电磁扰动的总称，它是在电子设备中与有用信号同时存在的一种随机变化的电流或电压，没有有用信号时，它依然存在。噪声对电子设备的性能影响很大，研究如何降低噪声有十分重要的意义。根据噪声的来源不同，噪声可分为内部噪声和外部噪声。电路的内部噪声主要来源于包括输入阻抗在内的电阻热噪声和有源器件的噪声，外部噪声包括自然噪声和人为噪声。自然噪声主要有大气噪声、太阳噪声和银河噪声等；而人为噪声主要是指电气设备噪声，如无线电设备噪声、电力线噪声、工业电气噪声、汽车或其它发动机的点火噪声等。噪声和干扰是两个同义的术语，没有本质的区别。习惯上，将内部产生的噪声称为噪声，外部噪声称为干扰。本节主要讨论由电子器件所产生的内部噪声。至于外部干扰的产生以及抑制将在第7章讲解。

2.2.1电阻的噪声电阻中的带电微粒(自由电子)在一定温度下受到热激发后，会在电阻内部作大小和方向都无规则的运动(热骚动)，在电阻内部形成无规律的电流，而且温度越高，这种运动越剧烈，只有当温度下降到绝对零度时，运动才会停止。即使在导体两端不外加电压，导体中也会有由于热运动而产生的电流，这种电流呈杂乱起伏状态，故称为起伏噪声电流。起伏噪声电流通过电阻本身就会在其两端产生起伏噪声电压，因为这种噪声是由于电子的热运动产生的，故又称为热噪声，也称之为白噪声。

纯电抗成分是不会产生噪声的。因为纯电抗元件没有损耗电阻，所以它不会有自由电子的热运动。噪声的大小只与阻抗中的电阻大小有关。2.2.2晶体三极管的噪声晶体三极管的噪声主要有热噪声、散弹噪声、分配噪声和闪烁噪声四种。其中，热噪声和散弹噪声属于白噪声。

1.热噪声晶体管和电阻一样，在其内部由于电子不规则的热运动同样会产生热噪声。晶体管的热噪声主要是由晶体管的发射区、基区、集电区的体电阻和引线电阻产生的，其中以基区体电阻产生的热噪声为主，而发射区和集电区的热噪声一般比较小，可以忽略不计。

2.散弹噪声少数载流子通过PN结注入基区时，单位时间内注入基区的载流子数目是不同的，因而到达集电区的载流子数目也不同，或者说载流子数目是随机起伏的。这种现象可比拟为靶场上大量射击时子弹着点对靶心的偏离，故称为散弹噪声。散弹噪声具体表现为发射区电流以及集电区电流的起伏现象，这一点与电阻的热噪声相似。它是晶体管的主要噪声源。

3.分配噪声晶体管发射区注入到基区的载流子中的一部分经过基区到达集电极，由发射区发出的载流子分配到基区和集电区的数量随机变化引起的噪声称为分配噪声。分配噪声实际上也是一种散弹噪声，但它随频率变化，频率越高，噪声越大。

4.闪烁噪声(或称1/f噪声)

闪烁噪声主要在低频范围内产生影响。由于它的噪声频谱与频率f近似成反比，因此也称为1/f噪声。产生闪烁噪声的原因目前还不太清楚，但通过实践可以总结出闪烁噪声一般与半导体材料及制造工艺不好或缺陷有关，也与它的外加电压有关，同时还与半导体表面少数载流子的复合有关。其特点是噪声频率集中在低频(几千赫兹以下)范围内，因此在高频工作时通常不考虑它的影响。2.2.3降低噪声的方法

1．噪声系数

通常用信噪比来衡量噪声对有用信号的影响，信噪比是指在电路某一特定点上的信号功率与噪声功率之比，用符号Ps/Pn或S/N表示。显然，在信号功率一定的情况下，噪声功率越小，信噪比越大，通信质量越高，反之，噪声功率越大，信噪比越小，通信质量就越差。可见，要保证通信质量，就必须设法降低噪声功率。放大器的噪声系数Fn是指放大器输入端的信噪比Psi/Pni与输出端的信噪比Pso/Pno的比值，即噪声系数也可用分贝来表示，即噪声系数表示信号通过放大器后，信噪比变坏的程度。(2－4)(2－5)如果放大器是理想无噪声的线性网络，那么其输入端的信号与噪声会得到同样的放大，也就是说输出端的信噪比与输入端的信噪比相同，所以有Fn＝1或Fn(dB)=0dB。若放大器本身有噪声，则输出噪声功率等于放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声功率之和。显然，经放大器后，输出信噪比就比输入信噪比低，即Fn>1。值得注意的是，噪声系数的概念仅用于线性电路(线性放大器)，它是线性放大器的一个重要指标。

2.常用降低噪声的方法

(1)选用低噪声器件和元件。电子器件的内部噪声在放大器或其它电子电路中对有用信号的影响不可忽视，对通信质量的影响较大。所以，改善电子元件的噪声性能以及选用噪声较低的电子元件，是降低噪声的途径之一。接收机前端的放大器一定要选择低噪声元器件。

(2)正确选择放大器的直流工作点。晶体管放大器中的噪声和静态工作点有很大的关系。这是因为晶体管放大器的噪声系数和晶体管静态参数有关，而静态参数由静态工作点决定。

(3)放大器的输入电阻与信号源内阻要匹配，且通频带不宜过宽。放大器的输入电阻与信号源内阻匹配，可实现信号的高效率传输，但通频带过宽，会使更多的干扰噪声通过放大器到达放大器的输出端，不利于噪声的抑制。

(4)降低电子电路的工作温度，对减少噪声有一定的意义。热噪声是内部噪声的主要来源之一，所以降低放大器(特别是接收机前端主要器件)的工作温度，对于减少噪声是很有意义的。对于灵敏度要求特别高的设备来说，降低温度就是一个重要的措施。

思考与练习

1．噪声都有哪些？如何分类？

2．内部噪声有哪些种类？

3．外部噪声有哪些种类？

4．什么是热噪声？

5．电阻元件的主要噪声是哪类噪声？产生的原因是什么？

6．三极管的主要噪声有哪些？影响最大的噪声是哪类噪声？

7．什么是信噪比？噪声系数的物理意义是什么？2.3习题

2.1已知某非线性元件的伏安特性为i=a0+a1u+a2u2，a0、a1、a2为常数，设输入交流电u=u1+u2=U1mcosWt+U2mcoswct，试分析电流中含有哪些频率分量。(W、2W

、wc、2wc

、wc+W

、wc－W)

2.2若某一非线性元件的伏安特性为i=a0+a1u+a2u2，有两个信号分别为u1=cos2pf1t，u2=cos2pf2t，其中f1=90MHz，f2=70MHz，试分析能否利用该非线性元件产生频率为20MHz的输出信号。若可以实现，指出该信号由伏安特性的哪一项产生。(能，二次方项)

2.3已知非线性元件的伏安特性为i=a0+a1u+a2u2，a0、a1、a2为常数，设输入信号u1=cos2pft，试分析电流中有无电压的2倍频项，如果有，写出该项的幅度表示式。(有，)

2.4已知某元件的伏安特性为i=a0+a1u，u=u1+u2，f1=90MHz，f2=70MHz，试分析能否利用该元件产生频率为20MHz的输出信号。(不能)

2.5电阻噪声是如何产生的？查找资料，指出哪些电阻属低噪声电阻。

2.6晶体三极管噪声主要有哪几种？

2.7说明热噪声、散弹噪声、分配噪声和闪烁噪声产生的物理原因是什么？

2.8为什么要降低噪声？如何降低噪声？

2.9信号通过某线性电路后，信噪比变小，该电路的噪声系数如何变化？(增大)3.1反馈式振荡器的基本工作原理3.2

LC正弦振荡器

3.3振荡器的频率稳定度3.4石英晶体振荡器3.5集成电路振荡器3.6正弦波振荡器的仿真3.7习题内容提要：

·反馈式振荡器

·LC正弦波振荡器

·石英晶体振荡器

·频率稳定度正弦波振荡器是一种不需要外加激励，就能将直流电能自动转换成交流电能的电路。这种不需要外加激励，就可以将直流电能自动转换为一定频率、一定幅度的交流信号输出的现象称为自激振荡。正弦波振荡器有着非常广泛的用途，它是无线电发送、接收设备的重要组成部分。

例如，在广播、电视和通信设备的发射机中，正弦波振荡器被用来产生载波信号；在超外差接收机中，正弦波振荡器被用来产生本地振荡信号；在各种电子测量仪器(如信号发生器、频率计)中作为信号源，在数字系统中作为时钟源等。正弦波振荡器按工作原理可分成两大类：一类是反馈式振荡器；另一类是负阻式振荡器，负阻式振荡器主要工作在微波频段。本章主要讨论反馈式振荡器。3.1反馈式振荡器的基本工作原理

3.1.1反馈式振荡器的组成反馈式振荡器是指从振荡器输出端取出部分或全部信号通过反馈网络返回到振荡器的输入端，作为输入信号，而不必外加激励信号就能产生一定幅度和频率的正弦输出的振荡器。图3-1所示为反馈式振荡器的原理框图。图3-1反馈式振荡器的原理框图由图3-1可见，反馈式振荡器主要由放大器和反馈网络两大部分组成。其中放大器通常是以选频网络作负载，振荡器的振荡频率主要由选频网络决定；反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络，将放大器输出信号的部分或全部返回到输入端。在实际的振荡电路中，为了使振荡器产生的正弦波幅度稳定，还应有稳幅电路，所以，实际的反馈式振荡器电路应由以下四部分组成：

(1)放大电路。放大电路是能量转换装置，将直流能量转换为交流能量输出。

(2)选频网络。选频网络用于决定振荡器的振荡频率，同时起滤波作用。

(3)反馈网络。反馈网络用于实现正反馈。

(4)稳幅电路。稳幅电路用于稳定振荡器输出信号的幅度。图3-2所示为一典型的反馈式振荡器电路，其中三极管V构成共射极放大器；变压器初级电感L与电容C组成选频网络，决定了振荡器的振荡频率；反馈网络由变压器的次级电感Lf实现；图中未画出稳幅电路，可通过在放大电路中加负反馈来稳幅。注意图中同名端的标定，同名端标错了，反馈变成了负反馈，振荡器就无法振荡了。图3-2反馈式振荡器的典型电路3.1.2反馈式振荡器的起振条件与平衡条件

1.起振条件正弦波振荡器是一种将直流电能自动转换成所需交流电能的电路。它与放大器的区别在于这种转换不需外加信号的控制。那么振荡器是如何在没有外加输入信号的条件下，输出信号从无到有的呢？振荡电路在刚接通直流电源的瞬间，电路中存在着各种电扰动信号，这些电扰动具有很宽的频谱，它们经过振荡器的选频网络选频后，电扰动中只有与振荡器选频网络的固有谐振频率相同的成分在谐振回路两端产生较大的正弦电压，此正弦电压经过反馈网络作用到振荡器的输入端，作为放大器最初的激励信号，再经过放大、选频、反馈，再次作用到放大器的输入端。在经过“放大→选频→反馈”的多次循环后，输出信号从无到有，越来越大，振荡器便振荡起来，这个过程被称为振荡器的起振过程。能使振荡器起振的条件称起振条件。那么，振荡器起振需要满足什么条件呢？由图3-1可见，要使振荡器的输出电压越来越大，则输入电压就必须不断增大，而反馈电压就是下一个时刻的输入电压，因此振荡器的起振条件应为反馈电压大于输入电压，即下一个时刻的输入电压大于此时的输入电压：＞。

由于式中:为放大器的电压放大倍数；为反馈网络的电压传输系数。则起振条件可表示为＞1，即振幅起振条件为相位起振条件为

式中：为放大器放大信号时产生的附加相移；为反馈网络传输信号时产生的相移。应当指出，电路只有同时满足振幅起振条件和相位起振条件时才能起振。由起振条件可知，只有电路的反馈为正反馈，且反馈量足够大时，振荡器才能起振。2．平衡条件在实际应用中，我们需要的是幅度稳定的正弦信号，振荡器经过“放大→选择→反馈”不断循环，振荡器的输出信号幅度不会无休止增大，这是由于三极管的非线性会对信号产生限幅，最后使振荡器的输出信号幅度稳定。由图3-1可见，振荡器要达到平衡，即输出电压不再变化，就要求输入电压不再变化，即

由式(3-1)可知，平衡条件可表示为即振幅平衡条件为相位平衡条件为图3-3所示为利用Multisim2001仿真软件对振荡器的起振和平衡过程进行的仿真。可以明显看出，起振时，振荡器的振幅迅速增大，使晶体管工作状态由放大区进入到截止区和饱和区，导致放大器的增益A下降，直至时，振荡器的幅度不再增大，达到平衡。图3-3振荡器的起振和平衡过程

3.1.3反馈式振荡器的稳定条件

上面讨论的振荡器的平衡条件只能说明振荡器能达到平衡，而不能说明这个平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立振荡的必要条件，而非充分条件。已建立的振荡能否维持，还必须看已建立的平衡是否稳定。什么样的平衡是稳定的平衡呢？振荡器的稳定平衡是指在外因(如温度的变化、电源电压的波动或者外界电磁场的干扰等)的作用下，振荡器偏离原平衡点，在原平衡点附近重新建立新的平衡状态，一旦外因消失，它就能自动恢复到原来的平衡状态。图3-4所示的处于不同位置的两个处于平衡状态的小球就能够说明稳定平衡与不稳定平衡的区别。图3-4(a)中的小球，只要外力使它偏离了平衡位置B，小球不可能再回到原状态，所以它是不稳定的平衡；而图3-4(b)中的小球，外力使它偏离了平衡位置B，一旦外力消失，小球可以自动地回到原来的平衡状态，所以它是稳定的平衡。图3-4稳定平衡与不稳定平衡振荡器的稳定条件也包括振幅稳定条件和相位稳定条件。

1.振幅稳定条件振幅稳定条件可用图解法来进行分析。如图3-5所示，图中画出了振荡器的振荡特性和反馈特性。所谓振荡特性是指放大器的输出电压Ｕo与输入电压Ｕi的关系曲线；反馈特性是指反馈网络的输出电压Ｕf与放大器的输出电压Ｕo的关系曲线。图3-5中的反馈特性为一条直线，因为反馈网络一般由线性元件组成，所以反馈系数为一常数。振荡特性曲线各点上所对应的输出电压Ｕo与输入电压值Ｕi之比为放大器的放大倍数A。Ｕi较小时，放大器工作在线性区，振荡特性基本上是线性的；Ｕi较大时，放大器进入饱和区，A渐渐减小，振荡特性变化缓慢。图3-5振荡器的振荡特性和反馈特性

由图3-5可见，振荡特性和反馈特性交于A点。在A点，反馈电压等于输入电压，此时振荡器处于平衡状态。当振荡器接通直流电源后，由于电路中存在着各种电扰动信号(干扰信号)，因此在放大器的输入端产生Uia，经放大后产生Uoa，再经反馈产生Ufa(即新的输入Uic)；这样一直循环下去，且每次循环反馈电压Uf总是大于原输入电压Ui，即满足起振条件，振荡器起振。随着放大、反馈的不断循环，Uo不断增大，直到A点，，振荡器进入了平衡状态。在平衡点A处，当Ui减小，由平衡点处的UiA减小到图3-5中的Uid时，经放大后产生的输出电压为图3-5中的Uoc，Uoc经反馈网络产生的反馈电压(即新的输入电压)为图3-5中的Ufd，显然Ufd＞Uid，振荡器自己向平衡点靠近，最后会回到平衡点A。同理，当Ui增大，由平衡点处的UiA增大到图3-5中的时，经放大后产生的输出电压为图3-5中的，经反馈网络产生的反馈电压(即新的输入电压)为图3-5中的显然振荡器自己向平衡点靠近，最后会回到平衡点A。可见，平衡点A是稳定的平衡点。通过以上分析可知，在平衡点A附近，随着输入电压的增大，放大器的电压放大倍数反而减小，即满足：式(3-6)即为振幅稳定条件。(3-6)

2.相位稳定条件相位稳定条件是指相位平衡遭到破坏后，电路本身能重新建立起相位平衡的条件。可以证明，要使振荡电路具有相位稳定条件，振荡电路必须能够在振荡频率发生变化时，产生一个新的、与频率变化引起的相位变化方向相反的相位变化，用以抵消由外因引起的相位变化。所以振荡器相位稳定的条件是，相位对频率的变化率为负值，即(3-7)的值越大，说明相位稳定性越好。对于反馈式正弦波振荡器，相位稳定条件一般、都能满足。思考与练习

1.反馈式振荡器由哪几部分组成？各部分的功能是什么？

2.振荡器的起振条件是什么？试用语言来描述其起振条件。

3.振荡器与谐振放大器有什么区别？

4.振荡器的平衡条件和稳定条件各是什么？你是如何理解平衡条件和起振条件的。3.2

LC正弦振荡器

3.2.1三点式正弦振荡器的组成原则三点式振荡器是指选频网络LC回路的三个端点分别与晶体管的三个电极连接。如图3-6所示，X1、X2、X3

三个电抗元件两两之间的端点分别连接到了三极管的三个电极b、c、e，故称为三点式振荡器。X1、X2、X3三个电抗元件构成谐振回路，同时也构成了反馈网络，反馈电压取自电抗元件X1两端。图3-6三点式振荡电路的基本形式设回路谐振时的电流为则，。放大器输出电压与输入电压反相，只要X1、X2的电抗性质相同，就保证反馈电压与输入电压同相，即满足相位条件。另外，选频网络谐振时，X1+X2+X3＝0，也就是X3与X1(或X2)电抗性质相反。综上所述，三点式振荡器的组成原则是：与晶体管发射极相连接的电抗X1、X2性质相同；而不与晶体管发射极相连接的电抗X3的性质与X1、X2相反。

根据三点组成原则，三点式振荡器当与晶体管发射极相连接的电抗X1、X2性质同为容性时，为电容三点式振荡器；X1、X2性质同为感性时，为电感三点式振荡器。只要振荡器满足三点组成原则，就一定满足相位条件。但满足三点组成原则，并不代表振荡器能起振，只能说振荡器可能起振。

3.2.2电容三点式振荡器电容三点式振荡器又称考毕兹(Colpitts)振荡器，图3-7(a)为电容三点式振荡器原理电路。图中，RB1、RB2、RC和RE为直流偏置电阻，为振荡器提供合适的直流工作点；CE为发射极高频旁路电容，对交流相当于短路；CB为隔直通交电容，对直流相当于开路，对交流相当于短路；三极管V为放大管，L、C1、C2构成选频及反馈网络。图3-7(b)为电容三点式振荡器的交流通路(为了简化分析，未考虑电阻对交流信号的影响)，与三极管发射极相连接的电抗X1、X2同为电容，故为电容三点式振荡器，反馈电压取自C1。图3-7电容三点式振荡器

振荡器的振荡频率近似等于谐振回路的固有谐振频率f0，即

式中，为谐振回路的总电容。反馈系数为

式中，负号表示与反相。因为电容三点式振荡器的反馈信号取自C1，而C1对高次谐波的阻抗小，所以反馈信号中高次谐波分量小，故电容三点式振荡器的优点是输出波形好，且工作频率高。但电容三点式振荡器不易调整，尽管调节C1、C2的值可方便地改变振荡频率，但同时也改变了反馈系数，即改变了起振条件，容易引起振荡器停振。三点式振荡器的电路结构决定了它能够满足相位条件，在应用中可调整静态工作点及反馈系数使振荡器满足振幅起振条件。3.2.3电感三点式振荡器电感三点式振荡器又称哈特莱(Hartley)振荡器，图3-8(a)所示为电感三点式振荡器原理电路。图中，RB1、RB2、RC和RE为直流偏置电阻，为振荡器提供合适的直流工作点；CE为发射极高频旁路电容；CB为隔直电容，将三极管基极和集电极的直流电位隔开，对交流呈现短路；三极管V组成共射极放大电路；C、L1、L2构成选频网络及反馈网络。图3-8(b)是它的交流通路，与三极管发射极相连接的电抗X1、X2同为电感，故为电感三点式振荡器，反馈电压取自L1。图3-8电感三点式振荡器电感三点式振荡器的振荡频率近似等于谐振回路的固有谐振频率f0，即

式中，M为两部分电感之间的互感系数。反馈系数为

式中，负号表示与反相。(3-10)(3-11)电感三点式振荡器的缺点是由于反馈信号取自L1，它对高次谐波呈高阻抗，不能抑制高次谐波，高次谐波会被反馈到输入端，经放大后输出，故电感三点式振荡器的输出波形较差；优点是电感L1、L2两者之间有很好的耦合，所以容易起振。3.2.4改进型振荡器

LC振荡器的频率稳定度一般在10－3数量级，往往达不到实际应用对频率稳定度的要求，为了提高振荡器的频率稳定度，可采用改进型三点式振荡器。改进型振荡器是在电容三点式振荡器的基础上进行改进的，可分为串联改进型振荡器和并联改进型振荡器。1.串联改进型振荡器串联改进型振荡器又称克拉波(Clapp)振荡器，是在考比兹振荡器选频网络的电感支路串联了一个小容量的可调电容C3，通常C3取值应满足C3＜＜C1，且C3＜＜C2。克拉波振荡器原理电路如图3-9(a)所示。图3-9(b)为其交流通路。根据三点式振荡器的组成原则很容易知道，电感L和小电容C3串联支路的总电抗性质应呈感性。图3-9克拉波振荡器选频网络的总电容CΣ为

其振荡频率f0为

反馈系数为(3-12)由此可见,串联改进型振荡器的振荡频率主要由电感L和电容C3决定,通过调整C3来改变振荡频率时,反馈系数不受影响。但值得注意的是：小电容C3的接入,减小了三极管和选频网络之间的接入系数,减小了三极管的极间分布电容对选频网络的影响,提高了振荡器的频率稳定度。但C3取值过小,会使选频网络与放大器之间的接入系数过小,且使振荡器的输出电压过小而导致反馈电压过小,则振荡器因无法满足振幅起振条件而停振。

2.并联改进型振荡器并联改进型振荡器又称西勒(Seiler)振荡器，是在克拉波振荡器选频网络的电感支路再并联一个小容量的可调电容C4(一般与C3同数量级)，用来调整振荡频率。C3采用固定电容，且满足C3＜＜C1，C3＜＜C2。西勒振荡器原理电路如图3-10(a)所示,图3-10(b)所示为其交流通路。图3-10西勒振荡器

回路的总电容C为C≈C3+C4

振荡频率f0为反馈系数为(3-13)与克拉波振荡器相比，西勒振荡器不仅频率稳定度高，输出幅度稳定，频率调节方便，而且振荡频率范围宽，振荡频率高，是目前应用较为广泛的一种三点式振荡电路。思考与练习

1.三点式振荡器的组成原则是什么？

2.电容三点式和电感三点式振荡器各自的特点是什么？

3.西勒振荡器的优点是什么？

4.试画出电容三点式振荡器的交流通路和电感三点式振荡器的交流通路。

5.图3-7中，电容CB如果短路，对振荡器有什么影响？CB如果开路，对振荡器又有什么影响?

6.图3-8中，电容CB如果短路，对振荡器有什么影响？CB如果开路，对振荡器又有什么影响?如果CE断开，可能产生什么结果？3.3振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度是振荡器极其重要的技术指标。通信设备、电子测量仪器等电子、设备的工作是否稳定，与设备中振荡器的频率稳定度有关，因此提高振荡器的频率稳定度有极其重要的意义。

3.3.1频率稳定度的概念评价振荡器频率参数的主要技术指标有准确度和稳定度两个概念。频率准确度是指振荡器的实际工作频率f与标称频率f0之间的偏差，通常分为绝对频率准确度和相对频率准确度两种。绝对频率准确度为

相对频率准确度为

振荡器的频率稳定度是指在一定时间间隔内频率准确度的变化，实际上是指频率的“不稳定度”，但习惯上叫它“稳定度”。它是衡量通信系统质量好坏的重要指标。(3-14)(3-15)

3.3.2频率稳定度的表示方法根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。长期频率稳定度一般是指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值，是用来评价天文台或计量单位的高精度频率标准和计时设备的稳定指标。短期频率稳定度一般是指一天以内的相对频率变化的最大值，一般多用来评价测量仪器和通信设备中振荡器的频率稳定度。瞬间频率稳定度是指秒或毫秒内的随机频率变化，即频率的瞬间无规则变化，通常称为振荡器的相位抖动或相位噪声。频率稳定度的定量表示方法通常用建立在大量测量基础上的统计值来表征。经常采用的表征频率稳定度的方法之一是方均根值法，它是在指定的时间间隔内，用测得各频率准确度与其平均值的偏差的方均根值来表示的，即式中：n为测量次数；为第i次(1≤i≤n)所测得的相对频率稳定度；为n个测量数据的平均值。(3-16)频率稳定度的单位为ppm(partpermillion，百万分之一，即10－6)，如广播电台的日频率稳定度一般要求不劣于10－6，即±1ppm。对振荡器频率稳定度的要求视用途而异，一般短波、超短波发射机的相对频率稳定度为10－4～10－5

数量级；电视信号发射机为10－7

数量级；卫星通信发射机为10－9～10－11数量级；普通信号发生器为10－4～10－5

数量级；高精度信号发生器为10－7～10－9数量级；用于国家时间标准的频率源，要求在10－12数量级。思考与练习

1.什么是频率稳定度？什么是长期、短期和瞬间频率稳定度？

2.怎样表示频率稳定度？3.4石英晶体振荡器LC振荡器的频率稳定度大约为10－2～10－3数量级，如果要求的频率稳定度更高，就必须采用高稳定度振荡器，如石英晶体振荡器的稳定度可达10－9

～10－10数量级。3.4.1石英晶体的特性

将二氧化硅(SiO2)结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片，再将晶片两个对应的表面抛光，涂敷银层，并做两个电极引脚，加以封装，就构成了石英晶体谐振器。其结构示意图和符号如图3-11所示。图3-11石英晶体结构示意图和符号

石英晶体的等效电路如图3-12所示。图中，Co称为静态电容，其值取决于晶片的几何尺寸和电极面积，一般约为几皮法到几十皮法。石英晶体是靠压电效应工作的，关于压电效应，在第1章已讲解。将石英晶体机械振动的惯性等效为电感Lq，其值为几毫亨。晶片的弹性等效为电容Cq，其值仅0.01～0.1pF，因此，Cq＜＜Co。晶片的摩擦损耗等效为电阻Rq，其值约为100W。图3-12石英晶体等效电路当加在晶体两端的信号频率很低时，图3-12中两条支路的容抗都很大，电路总的等效阻抗为容性，随着信号频率的增加，容抗减小，当Cq的容抗等于Lq的感抗时，Lq、Cq支路发生串联谐振，此时的谐振频率称为晶体的串联谐振频率，用fs表示，其值为(3-17)随着频率继续升高，Lq、Cq支路呈感性，当串联总感抗刚好等于Co的容抗时，电路再次发生谐振，此时的谐振频率称为晶体的并联谐振频率，用fp表示，其值为(3-18)当频率继续升高时，总的电抗呈容性。根据以上分析可得石英晶体的频率—电抗特性曲线，如图3-13所示。由式(3-17)和式(3-18)可知，fs和fp几乎相等。图3-13石英晶体频率—电抗特性曲线3.4.2石英晶体振荡器的类型由石英晶体构成的振荡器称为石英晶体振荡器。根据石英晶体在振荡器中的连接方式不同，将其分为并联型石英晶体振荡器和串联型石英晶体振荡器。

1.并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器的工作原理和一般三点式LC振荡器相同，只是把其中的一个电感元件用晶体置换，并与回路其它元件一起按照三点组成原则组成振荡器。图3-14为一并联型石英晶体振荡器，图3-14(a)为其原理电路，图3-14(b)为其交流通路。可以看出，石英晶体在电路中等效成一个电感，此电路实质上是一个西勒电路。其中C3用来微调振荡频率，同时减小石英晶体与晶体管之间的耦合。石英晶体振荡器的振荡频率f0为

又知一般Cq(Co+C3)，故有f0≈fs。可见，该振荡器的频率近似等于晶体的串联谐振频率fs，与其它参数关系不大，因此并联型石英晶体振荡器的频率稳定度很高。(3-19)图3-14并联型石英晶体振荡器

2.串联型石英晶体振荡器

图3-15(a)所示是串联型石英晶体振荡器原理电路，图3-15(b)为它的交流通路。图3-15串联型石英晶体振荡器由图3-15可见，该电路与电容三点式振荡器十分相似，只是反馈信号要经过石英晶体后才送到三极管的输入端，电路的工作频率只有等于晶体的串联谐振频率fs时，才能满足相位条件，且正反馈最强烈。可见，振荡器的振荡频率以及振荡频率的稳定度完全取决于石英晶体，振荡器的频率稳定度大大提高了。3.4.3泛音晶体振荡器石英晶体的工作频率与其几何尺寸有关，其工作频率越高，要求晶片越薄。频率太高时，晶片的厚度太薄，使得加工困难，而且振荡过程中容易振碎。因此在要求更高的工作频率时，一种方法是通过倍频器提高频率，另一种常用的方法是让晶体工作在它的泛音频率上，构成泛音晶体振荡器。所谓泛音指石英晶片振荡的机械波。石英晶体在外加电压的作用下，除了产生基频的机械振动外，还有许多近似为基波频率奇数倍的机械波，通常被称为泛音。它与电气谐波的区别在于电气谐波是基波的整数倍，且谐波和基波同时并存；而泛音则与基波不成整数倍关系，只是在基波奇数倍附近，且它与基波不能同时存在。泛音晶体是一种特制的晶体，如果要求工作频率高于6MHz，大都采用泛音晶体振荡器。思考与练习

1.什么是压电效应？

2.为什么石英晶体的频率稳定度高？

3.若Lq＝9H，Cq＝4×10-2pF，Co＝3pF，Rq＝100Ω，C3＝3pF，试求出图3-14的振荡器频率。

4.图3-14(a)中，晶体的作用是什么？

5.图3-15(a)中，晶体的作用是什么？3.5集成电路振荡器

3.5.1集成振荡器E1648

1.E1648的引脚分布及引脚功能

E1648由振荡电路、放大电路和偏置电路组成，其引脚分布如图3-16所示。E1648各引脚的功能如下所述。

·引脚1：外加LC并联谐振电路，该电路应调谐在振荡器的振荡频率f0上。此LC并联谐振电路为高频功率放大器的选择性负载。

·引脚2、4、6、9、11、13：空引脚。

·引脚3：E1648的输出端。

·引脚5：接0.1μF的电容。

·引脚7、8：接地端。

·引脚10、12：外接LC并联电路，此处的LC值决定了振荡器的振荡频率。

·引脚14：接+15V电源电压图3-16

E1648引脚分布图

2.E1648正弦波振荡器

E1648正弦波振荡器电路如图3-17所示。其振荡频率为

式中，Ci为10、12引脚之间的输入电容。引脚1外接的LC电路频率应调谐在f0。E1648正弦波振荡器的最高频率可达225MHz。图3-17

E1648正弦波振荡器3.5.2

F733组成的高频正弦波振荡器

1.F733的引脚分布

F733分10引脚封装和14引脚封装，如图3-18所示。图3-18

F733引脚封装

F733组成的正弦波振荡器如图3-19所示。图中，LC网络决定了振荡器的振荡频率，其振荡频率可高达120MHz。图3-19

F733组成的正弦波振荡器思考与练习查找其它集成电路振荡器的相关资料及典型的振荡器电路。3.6正弦波振荡器的仿真电容三点式振荡器仿真电路如图3-20所示，其振荡波形如图3-21所示。图3-20电容三点式振荡器仿真电路图3-21电容三点式振荡器的振荡波形1.振荡器