信號(hào)產(chǎn)生電路是一種不需外加激勵(lì)信號(hào)就能將直流能源轉(zhuǎn)換成具有一定頻率、一定幅度的正弦波、非正弦波信號(hào)輸出的電路。它在測(cè)量、通信、無線電技術(shù)、自動(dòng)控制和熱加工、音頻、視頻設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。圖6.0.1所示是一支普通的調(diào)頻無線話筒，取出其內(nèi)部的電路板，如圖6.0.2所示。

模塊四信號(hào)產(chǎn)生電路圖6.0.1無線話筒實(shí)物照片圖6.0.2話筒內(nèi)部電路板6.1正弦波振蕩電路的基本概念6.2RC正弦波振蕩電路6.3LC正弦波振蕩電路6.4石英晶體振蕩器6.5非正弦波發(fā)生器項(xiàng)目6簡(jiǎn)易信號(hào)產(chǎn)生電路的制作與測(cè)試1.掌握自激振蕩電路的組成，振幅平衡條件、相位平衡條件，會(huì)用起振條件判斷電路能否起振。2.了解RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)頻率特性，理解文氏橋式正弦波振蕩電路組成、特點(diǎn)及其起振條件，會(huì)估算振蕩頻率。3.了解LC并聯(lián)回路的頻率特性，理解變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式、電容點(diǎn)式振蕩電路組成、特點(diǎn)及其起振條件，會(huì)估算振蕩頻率。4.了解石英晶體結(jié)構(gòu)和晶體壓電效應(yīng)原理，熟悉石英諧振器電路符號(hào)和晶體振蕩電路組成。5.選學(xué)方波、矩形波、三角波、鋸齒波發(fā)生器。6.1正弦波振蕩電路

正弦波振蕩器（Sinusoidaloscillator）是一種不需外加激勵(lì)信號(hào)就能將直流能源轉(zhuǎn)換成具有一定頻率、一定幅度的正弦波信號(hào)的電路。它在測(cè)量、通信、無線電技術(shù)、自動(dòng)控制和熱加工、音頻、視頻設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。6.1.1產(chǎn)生正弦波振蕩的條件

正弦波振蕩電路框圖如圖6.1.1所示。

1．原理框圖圖6.1.1正弦波振蕩電路的框圖

其中A是放大電路，F(xiàn)是反饋網(wǎng)絡(luò)。由圖可知，產(chǎn)生振蕩的基本條件是反饋信號(hào)與輸入信號(hào)大小相等、相位相同。當(dāng)時(shí)，必有

2．振蕩平衡條件(1)振幅平衡條件（Amplitudeequilibriumcondition）∣∣=1稱為

振蕩電路產(chǎn)生振蕩時(shí)的振幅平衡條件，即放大倍數(shù)與反饋系數(shù)乘積的模為1。它表示反饋信號(hào)與原輸入信號(hào)的幅度相等。(2)相位平衡條件（Phaseequilibriumcondition）

(n=0,1,2,3…)稱為振蕩電路產(chǎn)生振蕩時(shí)的相位平衡條件，即放大電路的相移與反饋網(wǎng)絡(luò)的相移之和為2nπ，引入的反饋為正反饋，反饋端信號(hào)與輸入端信號(hào)同相。設(shè)，則得得到振蕩的兩個(gè)條件：振蕩電路中為什么要引入正反饋？

6.1.2振蕩電路的起振與穩(wěn)幅

1．起振條件

振蕩的平衡條件是指振蕩電路已進(jìn)入振蕩的穩(wěn)定狀態(tài)而言的，為使電路接通直流電源后能自動(dòng)起振，必須滿足振幅起振條件和相位起振條件：(1)振幅起振條件：幅度上，即∣∣(2)相位起振條件：反饋電壓與輸入電壓同相，即（n=0,1,2,3……）

2．起振穩(wěn)幅過程

當(dāng)振蕩電路接通電源時(shí)，電路中就會(huì)產(chǎn)生微小的不規(guī)則的噪聲和電源剛接通時(shí)的沖擊信號(hào)，它們包含從低頻到甚高頻的各種頻率的諧波成分，其中必有一種頻率信號(hào)f0能滿足相位平衡條件。

若又滿足∣

∣

的條件，則振蕩電路起振。起振后,振蕩幅度迅速增大,放大器會(huì)進(jìn)入非線性區(qū),使信號(hào)波形失真，為了保證產(chǎn)生不失真的正弦信號(hào)，電路中應(yīng)設(shè)置使放大倍數(shù)自動(dòng)下降的環(huán)節(jié)，使放大倍數(shù)

∣

∣下降，直到∣∣＝1,振蕩(幅度)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

振蕩電路的起振條件和平衡條件有什么不同？各適用于電路的什么狀態(tài)？6.1.3振蕩電路的組成與分析方法一、振蕩電路的組成

正弦波振蕩電路具有能自行起振且輸出穩(wěn)定的振蕩信號(hào)的特點(diǎn)，一般必須由以下幾部分組成。

1．放大電路具有信號(hào)放大作用，將電源的直流電能轉(zhuǎn)換成交變的振蕩能量。

2．反饋網(wǎng)絡(luò)形成正反饋以滿足振蕩平衡條件。

3．選頻網(wǎng)絡(luò)(Frequency-selectivenework)選擇某一頻率f0的信號(hào)滿足振蕩條件，形成單一頻率的振蕩。

4．穩(wěn)幅電路(Amblitudestabilitycircuit)使幅度穩(wěn)定并改善輸出波形。常用的有兩種穩(wěn)幅措施，一種是利用振蕩管特性的非線性（截止或飽和）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅，稱為內(nèi)穩(wěn)幅；另一種是利用外加穩(wěn)幅電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅，稱為外穩(wěn)幅，這時(shí)，振蕩管工作在線性放大區(qū)。二、振蕩電路的分析方法

對(duì)于一個(gè)振蕩電路，首先要判斷它能否產(chǎn)生振蕩。對(duì)于能振蕩的電路，其振蕩頻率可根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。為保證振蕩電路的起振，必須根據(jù)起振條件來確定電路元器件的參數(shù)。判斷電路能否產(chǎn)生振蕩的步驟如下：(1)檢查電路的基本環(huán)節(jié)，一般振蕩電路應(yīng)具有放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅電路等環(huán)節(jié)，缺一不可。(2)檢查放大電路的靜態(tài)工作是否合適。(3)檢查電路是否引入正反饋，即是否滿足相位平衡條件，如不能滿足，肯定不能產(chǎn)生振蕩。(4)判斷電路是否滿足振幅起振條件,具體方法是：分別求解電路和，然后判斷∣∣是否大于1。三、振蕩電路主要性能指標(biāo)

振蕩電路主要性能指標(biāo)有兩方面：①輸出信號(hào)幅度；②輸出信號(hào)頻率。此外要求波形失真越小越好。

1.信號(hào)產(chǎn)生電路的作用是什么？2.振蕩電路主要由哪幾部分組成？各起什么作用？3.對(duì)振蕩電路主要有哪些要求？6.2RC橋式正弦波振蕩電路6.2.1文氏橋式RC正弦波振蕩電路組成

RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路如圖6.2.1a所示。圖中集成運(yùn)放A構(gòu)成同相比例放大電路，反饋網(wǎng)絡(luò)由RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成，因它與Rf、R3構(gòu)成電橋形式，如圖6.2.1b所示，故稱文氏橋式RC振蕩電路(WienbridgeRCoscillator)。

1．電路組成

由瞬時(shí)極性法可知，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成正反饋電路，滿足相位平衡條件。Rf、R3將運(yùn)放接成同相比例放大電路，即電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，滿足振幅平衡條件。2．振蕩判斷

圖6.2.1RC文氏橋式振蕩器（a）電原理圖（b）等效電路

為了便于分析，將圖6.2.1中的選頻網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)畫在圖6.2.2上。圖中R1=R2=R，C1=C2=C。6.2.2RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性1．頻率特性分析圖6.2.2RC串聯(lián)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

RC并聯(lián)電路的阻抗為

RC串聯(lián)電路的阻抗為

圖6.2.3RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性(a)幅頻特性(b)相頻特性

當(dāng)輸入端輸入正弦波電壓時(shí)，電路的輸出電壓為，電路的傳輸函數(shù)（即振蕩電路中的反饋系數(shù)）為

令,ω

0

是電路的諧振角頻率。則上式可改寫為

(1)RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性

(2)RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的相頻特性為

6.2.3RC橋式正弦波振蕩電路分析

當(dāng)串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)在f=f0時(shí)，Uf最大，相移φ=0o，因此，采用同相放大器，就能滿足相位平衡條件。一、振蕩頻率計(jì)算

可見，改變R、C的參數(shù)值，就可調(diào)節(jié)振蕩頻率。為了同時(shí)改變圖6.2.1中的R1、R2值或C1、C2值，一般采用雙聯(lián)電位器或雙聯(lián)電容器來實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)R1=R2=R，C1=C2=C時(shí)，RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路的振蕩頻率為

二、起振條件

當(dāng)f=f0、

F

=||=1/3,根據(jù)起振條件||＞1，要求圖6.2.1所示Rf、R3構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路的電壓放大倍數(shù)Af=1+Rf/R3＞3。即Rf＞2R3就能順利起振。[例]圖6.2.1所示電路中，若R1=R2=100Ω，C1=C2=0.22μF，R3=10kΩ，求振蕩頻率以及滿足振蕩條件的Rf的值。解：由求振蕩頻率公式可得：

要滿足起振條件，則Rf＞2R3，故Rf

＞2×10kΩ=20kΩ，Rf取大于20kΩ電阻。

圖6.2.1所示RC文氏橋式振蕩器正反饋網(wǎng)絡(luò)起什么作用？由哪元器件組成？

穩(wěn)幅措施

圖6.2.1所示電路中的負(fù)反饋網(wǎng)路的反饋電阻Rf，應(yīng)選用具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。在起振瞬間，流過的Rf電流為零，熱敏電阻處于冷態(tài)，阻值較大，放大電路放大倍數(shù)Auf=1+Rf/R3大，使振蕩很快建立起來。隨著輸出電壓幅度增大，流過的Rf電流也增大，使Rf的溫度升高，Rf阻值下降，Auf自動(dòng)下降，最終達(dá)到振幅平衡條件，使輸出電壓保持穩(wěn)定。

1.負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻穩(wěn)幅

穩(wěn)幅措施

如圖6.2.4所示電路是利用二極管的非線性自動(dòng)完成穩(wěn)幅的。在負(fù)反饋電路中，二極管VD1、VD2與R4并聯(lián)，只要有信號(hào)輸出總有一個(gè)二極管導(dǎo)通，放大倍數(shù)為：2.二極管穩(wěn)幅

式中，rd為二極管VD1、VD2導(dǎo)通時(shí)的動(dòng)態(tài)電阻。

圖6.2.4利用二極管穩(wěn)幅RC振蕩電路

振蕩電路剛起振時(shí)，輸出電壓較小，二極管正向偏置電壓小，二極管正向交流電阻較大，負(fù)反饋較弱，使||大于3，滿足起振條件。當(dāng)輸出電壓增大時(shí)，通過二極管的電流相應(yīng)增大，導(dǎo)致二極管動(dòng)態(tài)電阻rd減小，負(fù)反饋增強(qiáng)，使||減小，從而達(dá)到自動(dòng)穩(wěn)定輸出幅度的目的。

電路如圖6.2.5所示。圖中，場(chǎng)效應(yīng)管V1的漏源電阻RDS和R3串聯(lián)后代替圖6.2.1中的R3，負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)由RP3、RDS、R3組成。輸出電壓經(jīng)二極管VD1整流和R4、C4濾波后，通過R5和RP4為場(chǎng)效應(yīng)管提供與振蕩振幅成比例的負(fù)柵壓UGS，調(diào)整RP4，使場(chǎng)效應(yīng)管工作在變阻區(qū)，它的RDS成為受UGS控制的可變電阻。當(dāng)振蕩電路輸出幅值增大，|UGS|也隨之增大（即UGS變負(fù)），管子的RDS增大，負(fù)反饋增強(qiáng)，放大倍數(shù)Au減小。

3.場(chǎng)效應(yīng)管穩(wěn)幅

圖6.2.5利用場(chǎng)效應(yīng)穩(wěn)幅文氏振蕩電路

RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路具有電路簡(jiǎn)單，易于起振的優(yōu)點(diǎn)，適用于f0＜1MHz的場(chǎng)合。缺點(diǎn)是頻率調(diào)節(jié)不方便，振蕩頻率不高。

6.2.4RC文氏橋式正弦波振蕩電路應(yīng)用示例

附錄B中圖B.2所示可燃?xì)怏w報(bào)警器中的音頻振蕩器，是由A3、RP2、R16、R15、C6、R14、C7、R13組成的RC橋式振蕩器。把數(shù)據(jù)代入（6.2.5）式可估算出該電路的振蕩頻率

Hz≈724Hz

＝

在電路調(diào)試過程中，要注意電路起振條件。若電位器RP1調(diào)整后的阻值為RP1，根據(jù)式(6.2.6)可知，當(dāng)(RP1+R16)>2R12時(shí)，即RP1>15kΩ時(shí)，電路才能起振。1.圖6.2.1所示RC文氏橋式振蕩電路要使振蕩頻率符合設(shè)計(jì)要求，應(yīng)調(diào)整什么元器件？2.RC文氏橋式振蕩電路裝接正確，不能起振，會(huì)是什么原因引起的？要使電路起振應(yīng)調(diào)整什么元器件？3.要使RC文氏橋式振蕩電路穩(wěn)定輸出幅度并減小波形失真，一般采取哪些措施？

6.3LC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)為L(zhǎng)C并聯(lián)回路，它主要用于產(chǎn)生高頻正弦波信號(hào)。6.3.1LC并聯(lián)回路的頻率特性LC并聯(lián)回路如圖6.3.1所示。圖中R表示電感和電路其它損耗的總等效電阻，IS為幅值不變、頻率可變的正弦波電流源信號(hào)。圖6.3.1LC并聯(lián)回路圖6.3.1中LC并聯(lián)回路總阻抗Z為一般情況下，ωL

＞＞

R，故上式可簡(jiǎn)化為一、諧振頻率

當(dāng)虛部為零時(shí)即ωL=1/(ωc)時(shí)，電路發(fā)生并聯(lián)諧振，電路呈純電阻性，令并聯(lián)諧振角頻率為ω0，即諧振頻率為并聯(lián)諧振時(shí)阻抗Z0為最大，且諧振回路品質(zhì)因數(shù)

故

LC并聯(lián)回路諧振時(shí)，阻抗呈純阻性，且Q值越大，諧振時(shí)阻抗Z0越大。

二、諧振時(shí)的回路阻抗三、LC并聯(lián)回路的選頻特性引入Q后，將Z改寫為

相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性如圖6.3.2所示。

1．頻率特性圖圖6.3.2LC并聯(lián)回路的頻率特性（a）幅頻特性（b)相頻特性2．選頻特性分析

由圖6.3.2可見，當(dāng)信號(hào)頻率f=f0時(shí)，Z最大且為純阻性，φ=0o。當(dāng)f≠f0時(shí)，Z減小。當(dāng)f/f0＜1，即f＜f0時(shí)，Z呈感性，φ＞0o。當(dāng)f＞f0時(shí)，Z呈容性，φ＜0。同時(shí)Q值越大，諧振阻抗Z0也越大，幅頻特性越尖銳，相位隨頻率變化的程度也越急劇，說明電路選擇有用信號(hào)（頻振頻率f0信號(hào)）的能力越強(qiáng)，即選頻效果越好。圖6.3.3變壓器反饋式LC正弦波振蕩器電路

6.3.2變壓器反饋式LC正弦波振蕩器

（1）放大電路圖中由V組成采用分壓式偏置的共射電路，耦合電容Cb和發(fā)射極旁路電容Ce容量較大，在振蕩頻率上，交流阻抗小，可視短路。（2）選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)由L1和C構(gòu)成。作為三極管集電極負(fù)載。（3）反饋網(wǎng)絡(luò)變壓器二次側(cè)繞組N2作為反饋繞組，將輸出的一部分，經(jīng)Cb反饋到輸入端。變壓器二次側(cè)繞組N3接輸出負(fù)載。

一、電路組成

變壓器反饋式LC正弦波振蕩器電路（Transformerfeedbackoscillator）如圖6.3.3所示。由下列三部分組成。1.相位平衡條件判斷在反饋輸入端K處斷開，用瞬時(shí)極性法進(jìn)行判斷。設(shè)V基極上的瞬時(shí)極性為正，則集電極為負(fù)，即L1的瞬時(shí)極性為上正下負(fù)。根據(jù)同名端的概念，N2上端瞬時(shí)極性為正，反饋至K處的瞬時(shí)極性為正，為正反饋。滿足振蕩的相位平衡條件。二、電路能否振蕩的判斷2.振幅起振條件的判斷本電路中，N1、N2同繞在一磁芯上為緊耦合。放大電路為共射電路，放大倍數(shù)較大，這種電路是利用三極管的非線性實(shí)現(xiàn)內(nèi)穩(wěn)幅的。實(shí)踐中，只要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，增減N2的匝數(shù)或改變同一磁棒上N1、N2的相對(duì)位置調(diào)節(jié)反饋系數(shù)的大小，使反饋量合適，即可滿足起振條件。

變壓器反饋式LC振蕩電路變壓器T中L1同名端接反了，能否產(chǎn)生自激振蕩？為什么？

振蕩器的振蕩頻率近似為L(zhǎng)C網(wǎng)絡(luò)的固有諧振頻率，可用下式估算四、振蕩頻率f0的估算其中，L為諧振回路總電感量，C為諧振回路總電容量。三、電路穩(wěn)幅環(huán)節(jié)這種電路是利用晶體管的非線性實(shí)現(xiàn)內(nèi)穩(wěn)幅的。

變壓器耦合LC振蕩電路易于起振，采用可變電容器可使輸出正弦波信號(hào)的頻率連續(xù)可調(diào)。缺點(diǎn)是振蕩頻率不太高，通常為幾兆赫至十幾兆赫。

輸出電壓通過耦合反饋到L4、C6，耦合回路，經(jīng)C4加到V的發(fā)射極上，采用抽頭式以減小三極管低輸入電阻對(duì)LC回路的影響，以保證回路有高Q值，并滿足起振條件。6.3.3電感三點(diǎn)式振蕩電路

電感三點(diǎn)式振蕩電路又稱哈脫萊（Hartley）振蕩電路，電路如圖6.3.4所示。一、電路組成

圖6.3.4電感三點(diǎn)式振蕩電路

(a)電路圖(b)交流通路

1.放大電路

本電路采用分壓式偏置，Cb為基極旁路電容，由于容量足夠大，對(duì)交流可視為短路。畫出電路的交流通路如6.3.6b所示?；鶚O是交流接地端，所以是共基極放大電路。2.選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)由L1、L2和C并聯(lián)而成。3.反饋網(wǎng)絡(luò)L2上的反饋電壓經(jīng)Ce送至三極管的輸入端發(fā)射極。

二、電路能否振蕩的判斷

在圖6.3.4b中，斷開反饋輸入端K，設(shè)三極管輸入端發(fā)射極的輸入信號(hào)對(duì)地瞬時(shí)極性為正，共基放大電路集電極電壓與射極同相，瞬時(shí)極性也為正，電感L2的反饋信號(hào)對(duì)地瞬時(shí)極性也為正，即與同相，滿足相位起振條件。

1．相位起振條件判斷

電感三點(diǎn)式振蕩器的L1、L2由同一電感線圈中間抽頭組成，耦合緊密，易于起振。2．振幅起振條件判斷

電感三點(diǎn)式振蕩電路的振蕩頻率近似等于LC并聯(lián)回路的諧振頻率，即其中，M是電感L1與L2間的互感。

三、諧振頻率f0估算

電感三點(diǎn)式振蕩電路簡(jiǎn)單，易于起振，但由于反饋信號(hào)取自感L1，電感對(duì)高次諧波的感抗大，因而輸出振蕩電壓的諧波分量增大，波形較差。常用于對(duì)波形要求不高的設(shè)備中，其振蕩頻率通常在幾十兆赫以下。6.3.4電容三點(diǎn)式振蕩電路

一、電容三點(diǎn)式振蕩電路組成

電容三點(diǎn)式振蕩電路又稱考畢茲（Colpittsoscillator）電路，電原理圖如圖6.3.5a所示。三極管V接成共射電路，Cb為耦合電容，Ce為旁路電容。該電路的交流通路如圖6.3.5b所示。

用瞬時(shí)極性法在圖b中標(biāo)出各點(diǎn)瞬時(shí)極性，由圖可知，反饋信號(hào)與輸入端信號(hào)同相，滿足相位平衡條件。1．相位起振條件判斷圖6.3.5電容三點(diǎn)式振蕩電路(a)電原理圖(b)交流通路

該電路的振蕩頻率為2．f0估算

電容三點(diǎn)式LC振蕩電路的反饋電壓為電容器C2的兩端電壓，反饋電壓中的高次諧波分量小，輸出波形較好。但晶體管的極間電容Cbc、Cce與C2、C1并聯(lián)，極間電容隨溫度變化，影響振蕩頻率的穩(wěn)定性。該電路的振蕩頻率可達(dá)100MHz以上。

比較圖6.3.4電感三點(diǎn)式電路和圖6.3.5電容三點(diǎn)式電路與晶體管相連的電抗元件的性質(zhì)有什么規(guī)律？1.變壓器反饋式LC振蕩電路反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)各由什么元件組成？振蕩頻率由哪些元件參數(shù)決定？2.電感三點(diǎn)式LC振蕩電路反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)各由什么元件組成？振蕩頻率由哪些元件參數(shù)決定？3.電容三點(diǎn)式LC振蕩電路反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)各由什么元件組成？振蕩頻率由哪些元件參數(shù)決定？4.電感三點(diǎn)式LC振蕩電路電、電容三點(diǎn)式LC振蕩電路哪一類電路頻率失真小？為什么？

LC振蕩因LC回路的Q值不高（僅在200以下），頻率的穩(wěn)定度很難突破10-5數(shù)量級(jí)，而用石英晶體（Quartzcrystal）作為振蕩回路，組成晶體振蕩器（Crystaloscllator）的Q值高達(dá)104以上，可將頻率穩(wěn)定度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，最高穩(wěn)定度可達(dá)10-10數(shù)量級(jí)。它在各類電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。6.4石英晶體振蕩器

石英晶體是從石英晶體柱上按一定方位角切割下來的薄片（稱之為晶片，可為圓形、正方形或矩形等），在表面上涂敷上銀層作為電極，加上引線后封裝而成。外殼可為金屬，也可為玻璃。它的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6.4.1所示。6.4.1石英晶體諧振器一、石英晶體的結(jié)構(gòu)圖6.4.1某石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖、實(shí)物圖二、晶體的壓電效應(yīng)

當(dāng)在晶片上施加外力，使之產(chǎn)生機(jī)械形變，則會(huì)在兩電極上產(chǎn)生極性相反、數(shù)值相等的電荷；反之，若在兩極間施加電壓，晶片會(huì)產(chǎn)生由電壓極性決定的機(jī)械形變，這種現(xiàn)象稱之為壓電效應(yīng)（Piezoelectriceffect）。

改變交變電壓頻率，晶片的振動(dòng)幅度和流過晶片回路的交變電流都會(huì)隨之改變。當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有振動(dòng)頻率（由晶片尺寸決定）相等時(shí)，晶片機(jī)械振動(dòng)的幅度將急劇增加，振動(dòng)最強(qiáng)，通過晶體的交變電流最大，這時(shí)稱為壓電諧振，故石英晶體又稱之為石英諧振器。

將石英諧振器接到振蕩電路的閉合環(huán)路中，利用它的固有振動(dòng)頻率，就能有效地控制和穩(wěn)定振蕩頻率。它的頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-6或更高數(shù)量級(jí)。

石英晶體的振動(dòng)具有多諧性，除基頻振動(dòng)外，還有奇次諧波的泛音振動(dòng)。石英諧振器若利用其基頻振動(dòng)的，稱之為基頻（Fundamentalfrenquency）晶體。若利用其泛音振動(dòng)的，稱之為泛音（Overtones）晶體。泛音晶體一般利用三次和五次的泛音振動(dòng)，而很少利用九次以上的泛音振動(dòng)。圖6.4.2石英諧振器的符號(hào)、等效電路及其電抗頻率特性(a)電路符號(hào)(b)基頻等效電路(c)電抗頻率特性(1)串聯(lián)諧振角頻率ωs（Seriesresonantangularfrequency）當(dāng)L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，XLq=XCq，X=0，串聯(lián)諧振角頻率為

由圖6.4.2c可見，石英諧振器有兩個(gè)諧振角頻率。2．諧振角頻率此時(shí)，C0忽略不計(jì)。

當(dāng)頻率高于ωs時(shí)，晶體Lq、Cq串聯(lián)支路呈電感性，電路發(fā)生并聯(lián)諧振，并聯(lián)諧振的角頻率為

在實(shí)際振蕩電路中，晶體兩端往往并接有負(fù)載電容CL，如圖6.4.3所示。此時(shí)，并接的總電容為(C0+CL)，相應(yīng)的并聯(lián)諧振頻率由fp減小到fN,fN值為(2)并聯(lián)諧振角頻率(Antiresonantangularfrequency)3．負(fù)載電容

CL越大，fN值就越接近fs。一般情況下，基頻晶體的負(fù)載電容為30pF或50pF，在晶體外殼上的振蕩頻率（晶體標(biāo)稱頻率）就是并接CL后的fN值。圖6.4.3并聯(lián)CL晶體等效電路

根據(jù)晶體在振蕩電路中的作用不同，晶體振蕩電路可分為并聯(lián)型晶體振蕩電路（Parallel-modecrystaloscillators）和串聯(lián)型晶體振蕩電路（Series-modecrystaloscillators）。

使晶體工作在略高于fs呈感性的頻段內(nèi)，用來代替三點(diǎn)式電路中的回路電感，相應(yīng)構(gòu)成的振蕩電路稱為并聯(lián)型晶體振蕩電路。

使晶體工作在fs上，等效為串聯(lián)諧振電路，用作高選擇性的短路元件，相應(yīng)構(gòu)成的振蕩電路稱為串聯(lián)型晶體振蕩電路。晶體只能工作在上述兩種方式，決不能工作在低于fs和高于fp呈容性的頻段內(nèi)，否則，頻率穩(wěn)定度將明顯下降。6.4.2晶體振蕩電路一、串聯(lián)型石英晶體振蕩電路

串聯(lián)型石英振蕩電路如圖6.4.4所示。圖中V1組成共基極放大器，V2組成共集極電路。設(shè)V1發(fā)射極瞬時(shí)極性為（+），集電極亦為（+），V2發(fā)射極為（+），經(jīng)石英晶體反饋到V1發(fā)射極瞬時(shí)極性為（+），石英晶體構(gòu)成正反饋電路，滿足相位起振條件。石英晶體產(chǎn)生串聯(lián)諧振時(shí)，即工作于串聯(lián)諧振頻率fs時(shí)，其等效阻抗很低，為純阻性。

1．電路組成及相位起振條件2．振幅起振條件

圖中可變電阻R5，用以改變正反饋信號(hào)的幅度，使之滿足振幅起振條件，使電路起振。R5不能過小，否則，振蕩波形會(huì)產(chǎn)生失真。圖6.4.4串聯(lián)型石英晶體振蕩電路

二、并聯(lián)型石英晶體振蕩電路

目前應(yīng)用最廣的并聯(lián)型晶體振蕩器是類似電容三點(diǎn)式的皮爾斯（Pirese）電路，如圖6.4.5a所示。其中，Cb為旁路電容，Cc為耦合電容，Lc為高頻扼流圈。三極管接成分壓式偏置的共基極電路，以穩(wěn)定直流工作點(diǎn)。在fs～fp的窄小范圍內(nèi)，石英諧振器起一個(gè)電感的作用。

圖6.4.5(a)中C1、C2串接后與石英晶體并聯(lián)，C1、C2串接后的等效電容為晶體的負(fù)載電容，若它們的等效電容值等于晶體規(guī)定的負(fù)載電容值，那么振蕩電路的振蕩頻率就是晶體的標(biāo)稱頻率。但實(shí)際上，振蕩器的頻率往往與標(biāo)稱頻率略有偏差。故工程上采用微調(diào)電容的晶體振蕩電路如圖6.4.5(b)所示。1．電路組成

圖6.4.5并聯(lián)型晶體振蕩電路(a)皮爾斯晶體振蕩電路(b)采用微調(diào)電容晶體振蕩電路

圖6.4.5b中，CT為微調(diào)電容，用來改變并接在晶體上的負(fù)載電容，從而改變振蕩頻率。CT和C3并聯(lián)與石英晶體串接，以減弱振蕩管與晶體的耦合，從而進(jìn)一步減小三極管參量變化對(duì)回路的影響。但CT的頻率調(diào)節(jié)范圍很小，故在實(shí)際電路中，還可采用微調(diào)電感或同時(shí)采用微調(diào)電容和微調(diào)電感。2．頻率微調(diào)方法(1)在頻率穩(wěn)定度要求很高的場(chǎng)合，為克服溫度變化對(duì)頻率的影響，將晶體或整個(gè)振蕩器設(shè)置于恒溫槽內(nèi)。采用恒溫措施可將頻率穩(wěn)定度提高到10-10數(shù)量級(jí)。(2)在使用過程中，石英晶體的激勵(lì)功率不能過大，否則會(huì)使頻率穩(wěn)定性、老化特性、寄生頻率特性等變差，甚至可能使晶片振毀。3.晶振電路應(yīng)用注意事項(xiàng)

隨著MOS集成工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了一種低功耗的CMOS晶體振蕩器。所謂CMOS電路是指NMOS管和PMOS管構(gòu)成的互補(bǔ)對(duì)稱的MOS電路，它具有靜態(tài)功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定性、開關(guān)速度高等優(yōu)點(diǎn)。

CMOS晶體振蕩器非常適合在功耗要求小的電子設(shè)備中使用，如電子表中的時(shí)間基準(zhǔn)振蕩器等，當(dāng)電源電壓VDD=1.5V時(shí)，其功耗僅為微瓦量級(jí)。三、CMOS晶體振蕩器CMOS微功耗晶體振蕩器如圖6.4.6所示。圖中V1、V2為組成互補(bǔ)倒相的N溝道和P溝道場(chǎng)效應(yīng)管，在振蕩過程中，V1、V2輪流導(dǎo)通對(duì)環(huán)路電容充電、放電。

V3為N溝道MOS管，工作于可變電阻區(qū)，給V1、V2提供電流通路。

C2用于微調(diào)振蕩頻率。為減小芯片面積，石英諧振器、C1、C2都為外接元件。圖6.4.6CMOS微功耗晶體振蕩器1.石英諧振器有什么基本特性？2.石英諧振器在串聯(lián)諧振電路、并聯(lián)諧振電路中的工作狀態(tài)有什么根本區(qū)別？3.圖6.4.4所示串聯(lián)型石英晶體振蕩電路中可變電阻R5起什么作用？R5過小，會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？

6.5.1方波發(fā)生器

※6.5非正弦波發(fā)生器

方波（Squarewave）發(fā)生器是非正弦發(fā)生器中應(yīng)用最廣的電路，數(shù)字電路和微機(jī)電路中時(shí)鐘信號(hào)就由方波發(fā)生器提供。1.

電路組成

方波發(fā)生器電路如圖6.5.1a所示。它由滯回比較器和具有延時(shí)作用的RC反饋網(wǎng)絡(luò)組成。

圖6.5.1方波發(fā)生器（a)電路圖（b)波形圖

2.工作原理

我們從滯回比較器原理可知，圖6.5.1所示滯回比較器的輸出電壓不是uo1=Uom=UZ+UD，就是uo2=－Uom=－(UZ+UD)，UD為二極管導(dǎo)通電壓，為討論方便，UD忽略不計(jì)。當(dāng)電源接通，在t=0時(shí)刻，電容兩端電壓uc=0，設(shè)uo1=+UZ，此時(shí)同相輸入端電壓（即閾值電壓）為

輸出電壓uo=UZ經(jīng)R3向C充電,

uc按指數(shù)規(guī)律上升,如圖6.5.1b曲線①.當(dāng)電容上電壓升至uc=Uth1時(shí),電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn),輸出電壓由uo1突變?yōu)閡o2=－UZ。此時(shí),同相端輸入電壓突變?yōu)?/p>

此時(shí)，電容C上電壓因放電而開始下降，如圖6.5.1（b）曲線②，放電完畢后電容反向充電，當(dāng)uc=u－=Uth2，電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)，uo=+UZ。電容反向放電，當(dāng)放電完畢進(jìn)行正向充電，當(dāng)uc=Uth1時(shí)，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出由+UZ突變?yōu)椋璘Z

。如此反復(fù)，在輸出端即產(chǎn)生方波波形。波形如圖6.5.1（b）所示。

3.振蕩頻率估算

從以上分析可知，方波的頻率與充放電時(shí)間常數(shù)有關(guān)，RC的乘積越大，充放電時(shí)間越長(zhǎng)，方波的頻率就越低。方波的周期和頻率可由下式估算：

由上式不難看出，適當(dāng)選取R1、R2值，使

則6.5.2占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器

將圖6.5.1電路稍加改造，就可組成占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器，電路如圖6.5.2（a）所示。

1.電路組成和工作原理

在脈沖電路中，將矩形波中高電平的時(shí)間TH與周期T之比稱為占空比D（），方波發(fā)生器高電平與低電平所占時(shí)間相等，占空比為

圖6.5.2占空比可調(diào)矩形波發(fā)生器

（a）電路圖（b）波形圖

振蕩周期估算：6.5.3三角波發(fā)生器圖6.5.3三角波發(fā)生器（a）電路圖（b）比較器傳輸特性（c）波形圖1、電路組成和工作原理

三角波發(fā)生器電