第5章正弦波振蕩器

教學(xué)基本要求

1.掌握反饋式正弦波振蕩器的基本工作原理。2.掌握LC振蕩器、晶體振蕩器的電路組成、工作原理和性能特點(diǎn)。3.了解頻率穩(wěn)定度的概念和影響頻率穩(wěn)定度的因素。掌握改善頻率穩(wěn)定度的措施。4.了解負(fù)阻振蕩原理。

本章教學(xué)內(nèi)容5.1概述5.2反饋型LC振蕩原理5.3反饋型LC振蕩電路5.4振蕩器的頻率穩(wěn)定原理5.5高穩(wěn)定度LC振蕩器5.6晶體振蕩器5.7負(fù)阻振蕩器5.8集成壓控振蕩器5.1概述

5.1.1振蕩電路的功能

振蕩電路的功能是在沒有外加輸入信號的條件下，電路自動將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交變振蕩信號輸出。

正弦波振蕩電路的功能是在沒有外加輸入信號的條件下，電路自動將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為具有一定頻率、一定振幅的波形為正弦波的信號輸出。電路在沒有輸入信號的條件下，接通電源VCC后，電路輸出的信號或

5.1.2振蕩電路的分類及用途

RC振蕩器

反饋型振蕩器LC振蕩器正弦波振蕩器晶體振蕩器振蕩電路負(fù)阻型振蕩器(100MHz以上)

非正弦波振蕩器

用途：發(fā)射機(jī)中,用來產(chǎn)生運(yùn)載信息的載波信號；超外差接收機(jī)中，用來產(chǎn)生“本地振蕩”信號與接收的高頻信號進(jìn)行混頻；測量儀器中，作為信號發(fā)生器、時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)、頻率標(biāo)準(zhǔn)等應(yīng)用。

5.1.3振蕩電路的主要技術(shù)指標(biāo)

振蕩頻率、頻率穩(wěn)定度、振蕩幅度和振蕩波形等按振蕩原理分按波形分按振蕩元件分5.2反饋型LC振蕩原理

反饋型振蕩器的基本組成：由調(diào)諧放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。5.2.1振蕩的建立與起振條件

圖5.2.2是調(diào)諧放大器經(jīng)互感耦合反饋的振蕩電路。

設(shè)放大器的諧振頻率為ω0，

諧振電壓增益為A,是L1C回路兩端的輸出電壓和輸入電壓的比值，即

其中A為電壓增益的模，為與的相位差。圖5.2.2互感耦合反饋振蕩線路反饋網(wǎng)絡(luò)是由L1通過互感M耦合到L2上的電壓為，令反饋系數(shù)為其中F為反饋系數(shù)的模，為和的相位差。開環(huán)條件下的放大與反饋(開關(guān)S合到1)

當(dāng)滿足AF=1；時(shí),則表明與大小相等相位相同。

問題1：若在此條件下,將開關(guān)S合到2,電路會產(chǎn)生什么樣的變化?

結(jié)論：因?yàn)樵瓉硪延型饧虞斎腚妷?電路維持等幅振蕩。

問題2：如果AF=1；,而沒有輸入激勵(lì)電壓時(shí),開關(guān)S合到2,電路能否振蕩?注意：電源接通后的過程!問題1問題2題

在振蕩電路接通電源的瞬間，晶體三極管的電流將從零躍變到某一數(shù)值，集電極電流的躍變在諧振回路中將激起振蕩。因?yàn)榛芈肪哂羞x頻作用，回路兩端只建立振蕩頻率等于回路諧振頻率的正弦電壓，但是這個(gè)數(shù)值很小。通過互感耦合得到反饋電壓，加至晶體三極管的輸入端，這就是振蕩器的原始輸入電壓。通過放大得到的與電流躍變產(chǎn)生的相等，其數(shù)值很小是不可能得到振蕩輸出電壓的。

結(jié)論：電路僅滿足AF=1；的條件是不能實(shí)現(xiàn)自激振蕩的。只有當(dāng)電路滿足；時(shí),振蕩才能建立。其中，A0為當(dāng)電源接通時(shí)放大器的電壓增益。

因?yàn)锳0F>1是增幅振蕩,故振蕩能建立起來。所以,自激振蕩的起振條件是振幅起振條件相位起振條件

5.2.2振蕩的平衡與平衡條件

1.自激振蕩的平衡與平衡條件自激振蕩器起振時(shí)A0F＞1是增幅振蕩，由增幅振蕩達(dá)到等幅振蕩，稱為振蕩達(dá)到平衡。維持等幅振蕩的條件是自激振蕩的平衡條件,即振幅平衡條件相位平衡條件

問題3：自激振蕩電路是怎樣保證由起振時(shí)的A0F＞1達(dá)到振蕩平衡的AF=1呢?即放大器電壓增益由A0怎樣變化到A呢?

注意：晶體管的非線性特性及電路中偏置電路的反饋?zhàn)饔?。增幅振蕩問題3正反饋正反饋等幅振蕩

*由晶體管內(nèi)部非線性決定的因素因?yàn)榫w管是非線性器件，起振時(shí)輸入振幅很小，可認(rèn)為放大器工作于線性區(qū)。由于A0F＞1，反饋回來的輸入振幅會不斷增大，諧振放大器的輸岀電壓也不斷増大，隨著信號電壓的不斷增大，放大特性從線性變成非線性。集電極電流iC從線性不失真到產(chǎn)生非線性失真。iC為失真電流時(shí)，由于諧振回路的濾波作用，諧振放大器的輸岀電壓是集電極電流iC的基波分量Ic1和諧振電阻RP的積，放大器的電壓增益A=Ic1mRP/Uim

。這表明進(jìn)入非線性放大的電壓增益A比線性放大時(shí)的電壓增益A0要有所下降，再經(jīng)正反饋、放大的多次循環(huán)達(dá)到AF=1。

*外部的偏置電路的反饋決定的因素由于外部的偏置電路的反饋?zhàn)饔?，在iC為失真電流時(shí)，發(fā)射極電流iE也為失真電流，其直流分量IE0流經(jīng)Re會產(chǎn)生附加的直流偏置電壓IE0Re，也使放大器的直流靜態(tài)工作點(diǎn)向非線性區(qū)偏移，也會使電壓增益下降。

2.非線性區(qū)放大的電壓增益與起振時(shí)電壓增益的關(guān)系由于振蕩在起振后的振幅不斷增大，使放大進(jìn)入非線性放大的大信號工作狀態(tài)。根據(jù)折線分析法，放大器的電壓増益為因?yàn)槠鹫駮r(shí)的A0是小信號放大,通角θc=180°,所以A0=gcRP。即可見,當(dāng)振幅增大進(jìn)入非線性工作狀態(tài)后,通角θc＜180°，故A與A0相比是要減小的。

3.電路參數(shù)確定后,振蕩器的平衡工作狀態(tài)的確定

問題4：當(dāng)放大器的A0和反饋系數(shù)F確定之后，振蕩器應(yīng)該平衡到什么狀態(tài)呢？起振時(shí)A0F>1,平衡時(shí)AF=1?？傻糜?jì)算確定工作狀態(tài)。例如：當(dāng)A0F=2時(shí)，

，平衡后的工作狀態(tài)為乙類；當(dāng)A0F＞2時(shí)，

,平衡后的工作狀態(tài)為丙類；當(dāng)1<A0F<2時(shí)，,平衡后的工作狀態(tài)為甲乙類。

問題4

4.平衡條件的另一種表示形式(分析電路常用的形式)平衡狀態(tài)時(shí)，放大器的電壓増益為可得平衡條件的另一表達(dá)形式，即振幅平衡條件相位平衡條件式中，稱為晶體管的平均正向傳輸導(dǎo)納，為集電極電流基波分量與基極輸入電壓的相位差；稱為諧振回路的基波阻抗，為與之間的相位差；稱為反饋系數(shù)，表示與之間的相位差。

用相位平衡條件說明振蕩頻率

當(dāng)振蕩器的頻率較低時(shí)，與、與都可認(rèn)為是同相的，即，。也就是說滿足相位條件時(shí)，則。振蕩器的實(shí)際工作頻率等于回路的固有的諧振頻率，為純電阻RP，與同相位。當(dāng)振蕩器的頻率較高時(shí)，總是滯后，即。而反饋系數(shù)相角也因頻率高使，即。若要保持相位平衡條件，只有回路工作于失諧狀態(tài)以產(chǎn)生一個(gè)相角。這樣振蕩器的實(shí)際工作頻率不等于回路的固有的諧振頻率

，也不呈現(xiàn)為純電阻。

5.2.3振蕩平衡狀態(tài)(AF=1)的穩(wěn)定條件

1.什么是穩(wěn)定平衡?所謂穩(wěn)定平衡是指因某一外因的變化，振蕩的原平衡條件遭到破壞，振蕩器能在新的條件下建立新的平衡，當(dāng)外因去掉后，電路能自動返回原平衡狀態(tài)。平衡的穩(wěn)定條件也包含振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。

2.振幅平衡的穩(wěn)定條件反饋型振蕩器的放大器的電壓增益

A與振幅Uc的關(guān)系,以及反饋系數(shù)與振幅Uc無關(guān)為常數(shù)的特性,如圖示。振幅平衡的穩(wěn)定條件：穩(wěn)定平衡點(diǎn)

當(dāng)放大器工作點(diǎn)偏低時(shí),會出現(xiàn)具有兩個(gè)平衡點(diǎn)的垠振蕩特性Q點(diǎn)滿足穩(wěn)定平衡條件為穩(wěn)定平衡點(diǎn)；B點(diǎn)不滿足穩(wěn)定平衡條件為非穩(wěn)定平衡點(diǎn)。

工作于非穩(wěn)定平衡點(diǎn)的振蕩器在外因變化時(shí),可能產(chǎn)生停振或振蕩到穩(wěn)定平衡點(diǎn)Q。改進(jìn)措施：

①提高放大器靜態(tài)工作點(diǎn)；

(增大A0,滿足A0F>1)②增大反饋系數(shù)F。

(滿足A0F>1)穩(wěn)定平衡點(diǎn)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)

3.相位平衡的穩(wěn)定條件相位平衡條件

相位平衡的穩(wěn)定條件：由于并聯(lián)諧振回路的相頻特性為負(fù)斜率,當(dāng)外因變化引起某一相位變化,則會引起振蕩頻率變化,振蕩頻率的變化會使并聯(lián)諧振回路的相位產(chǎn)生變化,保證振蕩器滿足相位平衡條件。5.3反饋型LC振蕩電路分類：互感耦合振蕩電路反饋型LC振蕩電路電容反饋振蕩電路電感反饋振蕩電路組成：放大器+選頻回路+正反饋網(wǎng)絡(luò)

選頻回路：LC并聯(lián)諧振回路

放大器：晶體管放大器；場效應(yīng)管放大器。共射(或共源)放大共基(或共柵)放大共集(或共漏)放大放大電路的偏置電路：通常采用分壓式偏置和自給偏置。

(使靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定，使振蕩器的自動穩(wěn)幅能力增強(qiáng)。)按反饋元件分諧5.3.1互感耦合振蕩電路

1.電路形式特點(diǎn)：①共基放大,集電極調(diào)諧；②反饋信號是通過L1與L2

之間的互感M來耦合；

③振蕩頻率

2.判斷振蕩(利用瞬時(shí)極法判斷是否正反饋,以地為參考點(diǎn))

3.其他形式的互感耦合振蕩電路互感耦合振蕩器一般工作于中、短波段,由于分布電容的影響,在頻率較高時(shí),很難保證變壓器的穩(wěn)定性。

5.3.2電容反饋振蕩電路

1.電路形式特點(diǎn)：①共射放大,選頻回路為并聯(lián)LC諧振回路；②反饋支路由回路電容

C1和C2組成；③由于晶體管的c、e、b分別接到回路電容的三端,稱為電容三點(diǎn)式振蕩器,也稱為

考比茲(Colpitts)振蕩器。高頻扼流圈諧振回路

2.相位平衡(滿足正反饋條件)路

3.起振條件(小信號放大狀態(tài))

討論的關(guān)鍵：振幅起振條件應(yīng)滿足A0F＞1。

分析小信號放大,原則上可以用y參數(shù)或h參數(shù)小信號等效電路。對于y參數(shù)小信號等效電路來說,分析振蕩電路時(shí),外電路的正反饋?zhàn)饔么?忽略晶體管內(nèi)部yre的反饋?zhàn)饔谩?/p>

(1)小信號電壓增益A0其中,gL=1/RL

,。

(2)電路的反饋系數(shù)F為(忽略各個(gè)g的影響)

(3)起振條件

對起振條件的說明：①輸出電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)對振蕩的影響，F(xiàn)越大，越容易振蕩；

②輸入電導(dǎo)對振蕩的影響，gie和F越大，越不容易起振,因而反饋系數(shù)F并不是越大越容易起振；

③在晶體管參數(shù)goe、gie、yfe一定的情況下，可以改變電路的gL、F來保證起振。F一般選取0.1～0.5。

4.振蕩頻率在忽略gie等的影響時(shí)，根據(jù)相位平衡條件可得其近似式為其中，。如果考慮gie

、goe

、gL等的影響，實(shí)際振蕩頻率ωc>ω0，只不過差值不大，通常就用ω0近似代替計(jì)算。

另一種形式的電容三點(diǎn)式振蕩電路5.3.3電感反饋振蕩電路

1.電路形式特點(diǎn)：①共射放大,選頻回路為并聯(lián)LC諧振回路；②反饋支路由回路電感

L1和L2組成；③由于晶體管的c、e、b分別接到回路電感的三端,稱為電感三點(diǎn)式振蕩器,也稱為

哈特萊(Hartley)振蕩器。諧振回路

2.相位平衡(滿足正反饋條件)

3.起振條件設(shè)在晶體管的ce兩端接有負(fù)載RL，若反饋系數(shù)不考慮gie、goe、Coe、Cie

的影響時(shí)可得由起振條件A0F＞1，同樣可得出當(dāng)線圈繞在封閉磁芯的磁環(huán)上時(shí)，線圈兩部分為緊耦合，反饋系數(shù)F近似等于兩線圈的匝比，即F≈N2/N1。

4.振蕩頻率對于工程計(jì)算來說，可近似表示為其中L=L1+L2+2M

5.電感三點(diǎn)式與電容三點(diǎn)式振蕩電路的比較

(1)兩種電路都較為簡單，容易起振。

(2)電容三點(diǎn)式振蕩電路的輸出電壓波形比電感三點(diǎn)式振蕩電路的輸出電壓波形好。

原因：

在電容三點(diǎn)式振蕩電路中，反饋是由電容產(chǎn)生的，高次諧波在電容上產(chǎn)生的反饋電壓降較小，輸出電壓中高頻諧波電壓小,波形好；而在電感三點(diǎn)式振蕩電路中，反饋是由電感產(chǎn)生的，高次諧波在電感上產(chǎn)生的反饋電壓降較大，輸出電壓中高頻諧波電壓大,波形好。

(3)電容三點(diǎn)式振蕩電路最高振蕩頻率一般比電感三點(diǎn)式振蕩電路要高。原因：

電感三點(diǎn)式振蕩電路中，晶體管的極間電容是與諧振回路電感并聯(lián)，在頻率較高時(shí)，電感與極間電容并聯(lián)，有可能其電抗性質(zhì)變成容抗，這樣就不能滿足電感三點(diǎn)式振蕩電路的相位平衡條件，電路不能振蕩。在電容三點(diǎn)式振蕩電路中，極間電容是與電容C1、C2并聯(lián)，頻率變高不會改變?nèi)菘沟男再|(zhì)，故能滿足相位平衡條件。

(4)電容三點(diǎn)式振蕩電路的頻率穩(wěn)定度要比電感三點(diǎn)式振蕩電路的頻率穩(wěn)定度高。原因：

電容三點(diǎn)式振蕩電路的比電感三點(diǎn)式振蕩電路的

要小。

5.3.4LC三點(diǎn)式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則不論電感三點(diǎn)式振蕩電路，還是電容三點(diǎn)式振蕩電路，其晶體管的集電極-發(fā)射極之間和基極-發(fā)射極之間回路元件的電抗性質(zhì)都是相同的，而與集電極-基極之間回路元件的電抗性質(zhì)總是相反的。

判斷準(zhǔn)則：①Xce與Xbe的電抗性質(zhì)相同。②Xcb與Xce、Xbe的電抗性質(zhì)相反。③對于振蕩頻率，滿足Xce+Xbe+Xcb=0。

這一判斷準(zhǔn)則是最常用的判斷三點(diǎn)式振蕩器能否滿足正反饋的方法。

5.4振蕩器的頻率穩(wěn)定原理5.4.1頻率穩(wěn)定度的定義

振蕩器的頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一個(gè)很重要的指標(biāo)。頻率穩(wěn)定度在數(shù)量上通常用頻率偏差來表示。

頻率偏差是指振蕩器的實(shí)際工作頻率和標(biāo)稱頻率之間的偏差。頻率偏差可分為絕對偏差和相對偏差。設(shè)f為實(shí)際振蕩頻率，fc為指定標(biāo)稱頻率，絕對偏差為相對偏差為

頻率穩(wěn)定度通常定義為在一定時(shí)間間隔內(nèi)，振蕩器頻率的相對偏差的最大值，

相對偏差的最大值的數(shù)值越小，頻率穩(wěn)定度越高。

按照時(shí)間間隔長短不同，通?？煞譃橄旅嫒N頻率穩(wěn)定度。

(1)長期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以上以至幾個(gè)月的時(shí)間間隔內(nèi)的頻率相對變化。這種變化通常是由振蕩器中元器件老化而引起的。

(2)短期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以內(nèi)，以小時(shí)、分或秒計(jì)算的時(shí)間間隔內(nèi)的頻率相對變化。產(chǎn)生這種頻率不穩(wěn)的因素有溫度、電源電壓等。

(3)瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度：一般指秒或毫秒時(shí)間間隔內(nèi)的頻率相對變化。這種頻率變化一般都具有隨機(jī)性質(zhì)并伴隨著有相位的隨機(jī)變化。引起這類頻率不穩(wěn)定的主要因素是振蕩器內(nèi)部噪聲。5.4.2振蕩器的頻率穩(wěn)定度的表示式振蕩器的振蕩頻率是由相位平衡條件決定的

(1)

由相頻特性滿足相位平衡條件可得

(2)振蕩器的工作頻率的表示式振蕩器的振蕩頻率ωc是ω0、和Q的函數(shù)，這三者的變化都將會引起頻率不穩(wěn)。

(3)實(shí)際振蕩頻率的變化由于Q較大,較小，，可得

(4)

LC振蕩器頻率穩(wěn)定度的一般表達(dá)式

考慮到

相對

較小，則

，可得圖5.4.1、、變化對的影響Q的變化的變化的變化

5.4.3振蕩器的穩(wěn)頻措施

1.引起頻率不穩(wěn)的原因

外因的變化(溫度變化、電源電壓的變化、振蕩器負(fù)載的變動、機(jī)械震動、濕度和氣壓的變化以及外界電磁場的影響等),對回路元件L、C和晶體管的參數(shù)產(chǎn)生變化,從而產(chǎn)生、和的變化,直接引起振蕩頻率不穩(wěn)。

2.穩(wěn)頻措施

(1)減小外因的變化溫度變化------恒溫；電源電壓變化-----穩(wěn)壓；

負(fù)載變化------射隨器；濕度變化-----密封或固化；

機(jī)械震動----減震；電磁場影響-----屏蔽措施等。

(2)提高電路參數(shù)抗外因變化的能力

①是取決于ΔL和

，可選用正溫度系數(shù)的電感和負(fù)溫度系數(shù)的回路電容進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

②減小晶體管極間電容的不穩(wěn)定量對

的影響，也就是將晶體管的極間電容通過電路的部分接入方式減小。這一點(diǎn)是高穩(wěn)定度振蕩器提高頻率穩(wěn)定度的主要方式。

③選用高Q的電感和參數(shù)穩(wěn)定的電容，能減小外因變化而引起的ΔQ。

(3)選用小的電路形式越小，頻率穩(wěn)定度越高。因?yàn)殡娙萑c(diǎn)式的反饋支路是電容，其比采用電感反饋的電感三點(diǎn)式要小，在高穩(wěn)定度的振蕩器中是選用電容三點(diǎn)式電路形式的。5.5高穩(wěn)定度的LC振蕩器5.5.1電容反饋振蕩電路的頻率穩(wěn)定性分析

幾個(gè)問題：1.振蕩頻率決定于電路中的哪些元件？

2.頻率的穩(wěn)定度考慮哪些因素？

3.怎樣分析說明頻率穩(wěn)定度？

1.振蕩頻率

2.頻率穩(wěn)定度表示形式越小,頻率穩(wěn)定度越高。即電路的和越小,振蕩電路的頻率穩(wěn)定度越高。

3.電容三點(diǎn)式(Colpitts)振蕩電路的頻率穩(wěn)定性分析

(以共射電容三點(diǎn)式為例)

(1)等效電路圖5.5.1電容三點(diǎn)式(Colpitts)等效電路設(shè)Coe、Cie沒變化時(shí)，回路總電容,其中

，

。

(2)電路的等于什么？考慮到有變量,有變量,

總電容的增量可得總電容增量相對于總電容的變化量為

(3)頻率穩(wěn)定性分析要提高頻率穩(wěn)定度必須減小。在L、

、ΔCo和ΔCi一定的條件下，應(yīng)同時(shí)減小p1和p2。對于一般電容三點(diǎn)式(Colpitts)振蕩器來說，增大C1或減小C2可使p1減少，而同時(shí)引起p2增大,不可能同時(shí)減小p1和p2,頻率穩(wěn)定度不可能太高。

垃5.5.2克拉潑(Clapp)振蕩電路

1.電路特點(diǎn)：

①共基放大；C1與C2構(gòu)成反饋。

②在振蕩回路中加一個(gè)與電感串接的小電容C3，并且滿足,。③回路總電容為

④振蕩頻率估算

2.頻率穩(wěn)定性分析

不穩(wěn)定電容和對總電容的影響p1為折合到電感L兩端的接入系數(shù)；p2為折合到電感L兩端的接入系數(shù)。不穩(wěn)定電容相對總電容的變化量為

因?yàn)镃3比C1和C2都小很多,故p1、

p2可以同時(shí)減小。因此克拉潑振蕩電路比電容三點(diǎn)式(Colpitts)振蕩電路的頻率穩(wěn)定度要高。

3.克拉潑電路的優(yōu)缺點(diǎn)

①克拉潑電路由于增加了C3，且保證C3<<C1,C3<<C2,使得不穩(wěn)定電容的變化對回路總電容的影響減小，且C1、C2可以增大,提高頻率穩(wěn)定度

。

②由于C3的接入,電感損耗電導(dǎo)g0折合到ce兩端的g0′增大，對起振是不利的。實(shí)際上是用對起振條件要求變得更嚴(yán),換取頻率穩(wěn)定度提高。

③因?yàn)楦淖僀3可以調(diào)節(jié)振蕩頻率，但還會引起p1、p2變化，影響頻率穩(wěn)定度,對電路是不利的。所以克拉潑電路的主要用作固定頻率振蕩器。

5.5.3西勒(Siler)振蕩電路圖5.5.3西勒振蕩電路及等效電路

1.主要特點(diǎn)：

①與電感L并聯(lián)一可變電容C4。

②保持電路中p1和p2可以同時(shí)減小的特點(diǎn)，頻率穩(wěn)定度高。

③用C4改變振蕩頻率，且接入系數(shù)p1以p2不受C4的影響，所以在整個(gè)波段中振蕩振幅比較平穩(wěn)。使西勒電路能在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)頻率，在實(shí)際運(yùn)用中較多采用這種電路。

2.振蕩頻率

3.頻率穩(wěn)定性

仲5.6晶體振蕩電路

引言：

克拉潑電路和西勒電路的頻率穩(wěn)定度較高是因?yàn)榻尤胄‰娙軨3。但C3的減小是有限的，不可能達(dá)到非常小。這是由于回路電感的Q值不可能做得很高，起振條件限制了C3數(shù)值的進(jìn)一步減小。因而這兩種電路的頻率度只能達(dá)10-4量級。對于穩(wěn)定度要求更高的振蕩器必然要進(jìn)一步減小C3到很小，同時(shí)要將電感的Q值提高到很高。

石英諧振器具有極高的Q值和良好的穩(wěn)定性，采用石英晶體作為振蕩回路的元件的石英晶體振蕩電路，它具有很高的頻率穩(wěn)定度，一般在10-5～10-11量級范圍內(nèi)。

研討問題：

(1)石英晶體具有什么樣的特性?(2)石英晶體是怎樣構(gòu)成振蕩電路的?(3)石英晶體振蕩電路為什么頻率穩(wěn)定度高?

5.6.1石英晶體的等效電路

1.石英晶體的特點(diǎn)

①石英晶體具有壓電效應(yīng)。當(dāng)晶片受某一方向施加的機(jī)械力(如壓力和張力)，就會在晶片的兩個(gè)面上產(chǎn)生異號電荷，這稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)在這兩個(gè)面上施加電壓時(shí)，晶體又會發(fā)生形變，稱為逆壓電效應(yīng)。這兩種效應(yīng)是同時(shí)產(chǎn)生的。

②在晶片兩端加上交變電壓，晶體就會發(fā)生周期振動，同時(shí)由于電荷的周期變化，又會有交流電流流過晶體。不同型號的晶體，具有不同的機(jī)械自然諧振頻率。

③當(dāng)外加電信號頻率等于晶體固有的機(jī)械諧振頻率時(shí)，晶體的振動幅度最強(qiáng)，感應(yīng)的電壓也最大，表現(xiàn)出電諧振。

④晶體的振動模式存在著多諧性。除了基頻振動外，還會產(chǎn)生奇次諧波的泛音振動。

2.石英晶體的等效電路

Lq1、Lq3、Lq5分別表示晶體的基頻、3次諧波和5次諧波動態(tài)電感；

Cq1、Cq3和Cq5分別表示基頻、3次諧波和5次諧波動態(tài)電容；rq1、rq3和rq5分別表示基頻、3次諧波和5次諧波動態(tài)電阻；電容Co稱為晶體的靜態(tài)電容。

晶體的動態(tài)電感很大，一般可從幾十毫亨到幾亨甚至幾百亨；

動態(tài)電容很小，一般為10-3pF量級；動態(tài)電阻很小，一般幾歐至幾百歐；品質(zhì)因數(shù)105～106量級；靜態(tài)電容約為2～5pF。

3.晶體基頻等效電路及特性晶體有兩個(gè)諧振頻率：串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率

因?yàn)镃o＞＞Cq，利用二項(xiàng)式展開，并忽略高次項(xiàng)，可得

ωP比ωq稍大，其差值ωP-ωq=ωqCq/(2Co）很小。5.6.2石英諧振器的阻抗特性石英諧振器等效電路的總阻抗為當(dāng)rq可以忽略時(shí)，上式可近似為電抗特性分析

①當(dāng)

時(shí)，，為容抗；

②當(dāng)時(shí)，，晶體為串聯(lián)諧振，相當(dāng)于短路；

③當(dāng)時(shí)，

，晶體等效為感抗(電感)；④當(dāng)

時(shí)，Xe→∞，晶體為并聯(lián)諧振。

⑤當(dāng)

時(shí)，，為容抗。

問題：

根據(jù)晶體的電抗特性,在振蕩電路中應(yīng)該怎樣利用晶體的特性構(gòu)成振蕩器?振

①晶體在振蕩電路中僅等效為容抗是不合理的。電容元件比晶體價(jià)格低得多。②晶體等效為高Q的電感元件接在振蕩電路中,即振蕩頻率在串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率之間。特別值得注意的是電感值隨頻率增大而增大,這對穩(wěn)頻有非常大的作用。③晶體等效為短路,工作在它的串聯(lián)諧振頻率,在振蕩電路中作為高Q的串聯(lián)諧振元件串接于正反饋支路。特別值得注意的是當(dāng)頻率高于串聯(lián)諧振頻率,晶體等效感抗,而低于串聯(lián)諧振頻率,晶體等效容抗,對穩(wěn)頻起到非常大的作用。結(jié)論：(1)晶體等效為高Q的電感,振蕩頻率為；(2)晶體等效為短路,振蕩頻率為。

并聯(lián)型晶振串聯(lián)型晶振

5.6.3晶體振蕩電路與泛音晶體振蕩電路

1.并聯(lián)型晶體振蕩器(1)兩種基本電路形式特點(diǎn)是

晶體在電路中等效為電感,振蕩頻率為

。圖5.6.3并聯(lián)型晶振的兩種基本類型圖(a)晶體接在晶體管cb間,稱為皮爾斯(Pierce)晶體振蕩器,是電容三點(diǎn)式振蕩器。圖(b)晶體接在晶體管be間,稱為密勒(Miller)晶體振蕩器，

是電感三點(diǎn)式振蕩器。(2)并聯(lián)型晶體振蕩線路的分析LP為高頻扼流圈,共基放大,晶體接在集電極與基極之間。C1和C2組成反饋支路。

問題：

晶體在電路中是否等效為電感?怎樣證明振蕩頻率為?令CL=C1C2/(C1+C2)稱為負(fù)載電容，則

因?yàn)镃q/(Co+CL)＜＜1，將上式展開為二項(xiàng)式，得振蕩角頻率為由于表明電路振蕩頻率在晶體的串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)諧振頻率之間，且與負(fù)載電容CL有關(guān)。

可見并聯(lián)型晶體振蕩電路的晶體在電路中等效為電感。

問題：

為什么并聯(lián)型晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度高?

振蕩頻率的穩(wěn)定性主要取決于晶體串聯(lián)諧振頻率的穩(wěn)定性，外電路元件對晶體振蕩回路的耦合極弱，因此晶體振蕩器回路有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。

晶體管不穩(wěn)定的極間電容對振蕩回路的影響令,,則

Cq很小,p1和p2都很小,耦合極弱，不穩(wěn)定電容影響極小，故頻率穩(wěn)定度高。

(3)實(shí)用并聯(lián)型晶體振蕩電路

圖5.6.5實(shí)用的皮爾斯晶體振蕩電路是典型的c-b型皮爾斯晶體振蕩電路，晶體等效為電感，C1和C2為回路的另外兩個(gè)電抗元件，組成反饋支路。

2.串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩的特點(diǎn)是晶體工作在串聯(lián)諧振頻率上.并作為短路元件串接在三點(diǎn)式振蕩電路的反饋支路中。圖5.6.6串聯(lián)型晶體振蕩電路圖5.6.6(a)為實(shí)用的5MHz串聯(lián)型晶體振蕩電路。電路的諧振回路的諧振頻率應(yīng)該等于晶體的串聯(lián)諧振頻率,晶體在此頻率相當(dāng)于短路。

串聯(lián)型晶體振蕩的穩(wěn)頻原理

輸入電壓經(jīng)同相放大器放大,輸出電壓為,電壓增益為A,相移為。經(jīng)(C1+C3)和C2分壓反饋得,反饋系數(shù)F1=Uxb/Ucb,相移。經(jīng)晶體與Re分壓反饋得,其反饋系數(shù)

F2=Uf/Uxb

,相移為。當(dāng)諧振回路的諧振頻率與晶體的串聯(lián)諧振頻率相等時(shí),晶體相當(dāng)于短路,即。振蕩器閉環(huán)的總相移為0,滿足正反饋的相位平衡條件,保證振蕩頻率為。當(dāng)外因變化時(shí)的穩(wěn)頻過程

若因某一外因(例如溫度變化)使諧振回路的元件產(chǎn)生微變,振蕩頻率偏離串聯(lián)諧振頻率時(shí)，晶體不再等效為短路。(1)當(dāng)頻率高于時(shí),晶體等效為電感,如圖所示。

Uxb經(jīng)電感與Re的分壓得Ueb,由矢量圖可知滯后,使反饋系數(shù)F2=Ueb/Uxb的,閉環(huán)總相移為負(fù)值,會產(chǎn)生振蕩頻率減小向趨近。,(2)當(dāng)頻率低于時(shí),晶體等效為電容,如圖所示。

Uxb經(jīng)電容與Re的分壓得Ueb,由矢量圖可知超前,使反饋系數(shù)F2=Ueb/Uxb的。閉環(huán)總相移為正值,會產(chǎn)生振蕩頻率增大向趨近。

串聯(lián)型晶體振蕩器在反饋支路中引入一個(gè)附加相移，將偏離頻率調(diào)整到串聯(lián)諧振頻率上，確保有較高的頻率穩(wěn)定度。

晶體靜態(tài)電容Co對串聯(lián)型晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定是有影響的,通常在振蕩頻率較高的電路中增加一個(gè)與晶體并聯(lián)的電感Ln,使其與Co組成并聯(lián)諧振回路,以抵消Co的作用,保證晶體工作在串聯(lián)諧振頻率上。圖5.6.7實(shí)用的串聯(lián)型晶體振蕩電路圖5.6.7給出20MHz的串聯(lián)型晶體振蕩電路。20MHz晶體的靜態(tài)電容Co約為7～10pF,與Ln并聯(lián)諧振于振蕩頻率。

3.泛音晶體振蕩器在工作頻率較高的晶體振蕩器中，多采用泛音晶體諧振器。

所謂泛音振蕩是指振蕩在基頻的3次、5次等奇次諧波上。泛音晶體振蕩器與基頻晶體振蕩器在電路上有很大的不同。

問題：

怎樣確保振蕩器的振蕩頻率準(zhǔn)確地振蕩在所需的奇次泛音頻率上?關(guān)鍵是在電路結(jié)構(gòu)上必須有效地抑制可能在基頻或低次泛音上產(chǎn)生的振蕩。解決辦法：利用滿足電容三點(diǎn)式振蕩器相位平衡條件的反饋電容用并聯(lián)LC回路等效代替,確保在振蕩的泛音頻率等效為容抗,而在基頻或低次泛音上等效為感抗。

兩種方式

L1C1等效為容抗L2C2等效為容抗例如圖示泛音振蕩電路圖5.6.8泛音晶體振蕩電路圖5.6.9高頻等效電路

4.7μH電感與330pF電容并聯(lián)組成電抗電路,作為反饋電路其諧振頻率為晶體的基頻為1MHz時(shí),只有5次及以上奇次諧波為容抗?jié)M足相位平衡條件。所以振蕩電路為5次泛音并聯(lián)型晶體振蕩器。而在基頻和3次泛音為感抗不滿足相位平衡條件,不能振蕩。5.7負(fù)阻振蕩器

5.7.1負(fù)阻的概念1.負(fù)阻器件是指它的增量電阻為負(fù)值的器件。2.圖示是隧道二極管的伏安特性。若將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在負(fù)阻區(qū)（AB段）的Q點(diǎn)，并加上微弱正弦信號電壓

管子兩端電壓為則流過管子的電流為 式中的負(fù)號表明，由于負(fù)阻特性，使交流電流與交流電壓呈現(xiàn)反相。

3.器件所消耗的平均功率為

可以看出，器件所消耗的功率由兩部分組成。第一部分是器件的工作點(diǎn)選在Q點(diǎn)時(shí)所消耗的直流功率VQIQ，這部分功率是由直流電源提供的。第二部分交流功率-UmIm/2，負(fù)號表明器件消耗的是負(fù)交流功率，即器件是向外輸出交流功率。這說明負(fù)阻器件的負(fù)阻區(qū)具有將直流功率的一部分轉(zhuǎn)換為交流功率的作用。4.負(fù)阻器件的類型（1）電壓控制型負(fù)阻器件（例如隧道二極管），電流i是電壓u的單值函數(shù)。負(fù)阻區(qū)電壓增大，電流減小。(2）電流控制型負(fù)阻器件（例如單結(jié)型晶體管），電壓u是電流i的單值函數(shù)。負(fù)阻區(qū)電流增大，電壓減小。

5.7.2負(fù)阻振蕩原理

1.負(fù)阻振蕩器的組成條件(1)負(fù)阻振蕩器一般由負(fù)阻器件和LC選頻網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。(2)建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn),使負(fù)阻器件工作于負(fù)阻特性區(qū)域內(nèi)。(3)負(fù)阻器件應(yīng)和LC振蕩回路正確聯(lián)接。電壓控制型負(fù)阻器件應(yīng)與并聯(lián)諧振回路相聯(lián)接，電流控制型負(fù)阻器件應(yīng)與串聯(lián)諧振回路相聯(lián)接。(4)電壓控制型負(fù)阻振蕩器，設(shè)回路諧振電阻為RP，負(fù)阻器件的負(fù)阻為-rd。顯然,rd<RP時(shí)為增幅振蕩。rd=RP時(shí)為等幅振蕩。rd>RP時(shí)為衰減振蕩。其起振條件是rd<RP，平衡條件是rd=RP。(5)電流控制型負(fù)阻振蕩器，設(shè)串聯(lián)諧振回路總損耗電阻為r，負(fù)阻器件的負(fù)阻為-rd。顯然，rd>r時(shí)為增幅振蕩，rd=r時(shí)為等幅蕩，rd<r時(shí)為衰減振蕩。其起振條件是rd>r，平衡條件rd=