1、第4章 正弦波振蕩器,4.1 反饋型振蕩器 4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器 4.3 石英晶體振蕩器 4.4 RC正弦波振蕩器 4.5 集成電路振蕩器 4.6 實(shí)訓(xùn)4：LC與晶體振蕩器,第4章 正弦波振蕩器,振蕩器是指在沒(méi)有外加信號(hào)作用下的一種自動(dòng)將直流電源的能量轉(zhuǎn)換為具有一定波形參數(shù)的交流振蕩信號(hào)的裝置。 正弦波振蕩器在電子技術(shù)領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)用。例如，在無(wú)線電通信、廣播、電視發(fā)射機(jī)中用來(lái)產(chǎn)生所需的載波和本機(jī)振蕩信號(hào);在電子測(cè)量?jī)x器中用來(lái)產(chǎn)生各種頻段的正弦信號(hào)等。對(duì)這些振蕩器的主要要求是振蕩頻率和振蕩幅度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，其中振蕩頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性最為重要。,下一頁(yè),返回,第4章 正弦波振蕩器,

2、振蕩器的種類(lèi)很多。從所采用的分析方法和振蕩器的特性來(lái)看，可以把振蕩器分為反饋式振蕩器和負(fù)阻式振蕩器兩大類(lèi)。根據(jù)振蕩器所產(chǎn)生的波形，又可以把振蕩器分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。,返回,上一頁(yè),4.1 反饋型振蕩器,4.1.1反饋型振蕩器的工作原理 反饋型振蕩器是通過(guò)正反饋連接方式實(shí)現(xiàn)等幅正弦振蕩的電路。由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)閉合環(huán)路，放大器通常是以某種選頻網(wǎng)絡(luò)(如振蕩回路)作負(fù)載，是一調(diào)諧放大器，反饋網(wǎng)絡(luò)一般是由無(wú)源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)。圖4一1所示為反饋型振蕩器的組成方框圖及相應(yīng)電路。,下一頁(yè),返回,4.1 反饋型振蕩器,作為反饋型振蕩器，當(dāng)它剛接通電源時(shí)，振蕩電壓是不會(huì)立即建立起來(lái)的

3、，而必須經(jīng)歷一段振蕩電壓從無(wú)到有逐步增長(zhǎng)的過(guò)程，直到進(jìn)入平衡狀態(tài)，使振蕩電壓的振幅和頻率維持在相應(yīng)的平衡值上。即使有外界不穩(wěn)定因素的影響，振幅和頻率仍應(yīng)穩(wěn)定在原平衡值附近，而不會(huì)產(chǎn)生突變或者停止振蕩。因此要保證閉合環(huán)路成為反饋振蕩器的條件是:保證接通電源后從無(wú)到有建立起振蕩的起振條件，保證進(jìn)入平衡狀態(tài)、輸出等幅持續(xù)振蕩的平衡條件以及保證平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素影響而受到破壞的穩(wěn)定條件。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 反饋型振蕩器,4.1.2平衡條件、起振條件和穩(wěn)定條件 1.平衡條件 當(dāng)反饋信號(hào)uf等于放大器的輸入信號(hào)ui，或者反饋信號(hào)uf等于產(chǎn)生輸出電壓uo所需的輸入電壓ui，這時(shí)振蕩電路的

4、輸出電壓不再發(fā)生變化，電路達(dá)到平衡狀態(tài)，因此將ui=uf稱為振蕩的平衡條件。因這是一個(gè)復(fù)數(shù)方程，可見(jiàn)，振蕩的平衡條件應(yīng)包括振幅平衡條件和相位平衡條件兩個(gè)方面。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 反饋型振蕩器,振幅平衡條件 AF=1 (4. 1) 相位平衡條件 (4. 2) 式中,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 反饋型振蕩器,式(4.1)說(shuō)明，由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)閉合環(huán)路中，其環(huán)路傳輸系數(shù)應(yīng)等于1，以使反饋電壓與輸入電壓相等。 式(4. 2)說(shuō)明，放大器與反饋網(wǎng)絡(luò)的總相移必須等于 的整數(shù)倍，使反饋電壓與輸入電壓相位相等，以保證環(huán)路構(gòu)成正反饋。 反饋型振蕩器要穩(wěn)定振蕩，其振幅條件和相位條件必須同

5、時(shí)滿足，利用相位平衡條件確定振蕩頻率振幅，利用平衡條件確定振蕩輸出信號(hào)的幅值。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 反饋型振蕩器,2.起振條件 上面講的振蕩平衡條件是假定振蕩已經(jīng)產(chǎn)生，而為了維持振蕩平衡所需的要求。但是剛一開(kāi)機(jī)時(shí)振蕩是如何產(chǎn)生的呢? 振蕩器閉合電源后，各種擾動(dòng)，如晶體管電流的突然增長(zhǎng)、電路的熱噪聲，是振蕩器起振的初始激勵(lì)。突變的電流包含著許多諧波成分，擾動(dòng)噪聲也包含各種頻率分量，它們通過(guò)LC諧振回路，在它兩端產(chǎn)生電壓，由于諧振回路的選頻作用，只有接近于LC回路諧振頻率的電壓分量才能被選出來(lái)，但是電壓的幅度很微小，不過(guò)由于電路中正反饋的存在，經(jīng)過(guò)反饋和放大的循環(huán)過(guò)程，幅度逐漸增長(zhǎng)，這就

6、建立了振蕩。圖4 -2所示為振蕩的建立過(guò)程。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 反饋型振蕩器,振蕩器起振條件是指為產(chǎn)生自激振蕩所需放大倍數(shù)A和反饋系數(shù)F的乘積最小值。必須滿足: 振幅起振條件 AF1 (4. 3) 相位起振條件 (4. 4) 相位條件是構(gòu)成振蕩電路的關(guān)鍵，振蕩閉合環(huán)路必須是正反饋。相位起振條件和相位平衡條件是一致的。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 反饋型振蕩器,3.穩(wěn)定條件 振蕩器的穩(wěn)定條件是說(shuō)在某種擾動(dòng)下，使振蕩器的原平衡條件遭到破壞時(shí)，能在原平衡點(diǎn)附近重新建立新的平衡狀態(tài)，當(dāng)擾動(dòng)消失后，能自動(dòng)恢復(fù)原來(lái)的平衡狀態(tài)時(shí)電路所要滿足的條件。穩(wěn)定條件分為振幅和相位條件。 (1)振幅平衡穩(wěn)

7、定條件 振幅平衡的穩(wěn)定條件為 (4. 5),下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 反饋型振蕩器,圖4一3所示為輸入電壓與電壓增益A及1/F之間的關(guān)系曲線，曲線的左半部反映了當(dāng)uo較小時(shí)，隨著uo的增大電壓增益A增大，達(dá)到最大值后又將隨著uo增大而減小。曲線與1/F有兩個(gè)交點(diǎn)B與Q。在這兩個(gè)點(diǎn)都滿足振幅平衡條件AF=1，所以，都是平衡點(diǎn)。但B點(diǎn)為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。假若在B點(diǎn)，由于某種因素使uo增大，A增大，此時(shí)A1,即AF1，振蕩會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。再看Q點(diǎn)，假定由于某種因素使uo增大，而增益A反而下降，使A1,即AF1，振蕩會(huì)自動(dòng)減弱，從而使振蕩穩(wěn)定。所以，Q點(diǎn)為穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。在曲線B處的斜率為正，Q處的斜率為負(fù)

8、。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 反饋型振蕩器,(2)相位平衡穩(wěn)定條件 相位平衡的穩(wěn)定條件為 (4. 6),下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 反饋型振蕩器,在振蕩器的振幅平衡條件受到破壞的同時(shí)，相位平衡條件也會(huì)遭到破壞，從而使振蕩器不能正常工作。要保持振蕩器的相位平衡的穩(wěn)定，就必須保證當(dāng)外界的擾動(dòng)引起振蕩頻率發(fā)生變化從而產(chǎn)生新的相移時(shí)，振蕩器應(yīng)該有恢復(fù)相位平衡的能力。也就是說(shuō)，在振蕩頻率發(fā)生變化時(shí)，振蕩器能夠產(chǎn)生一個(gè)相移，該相移若與擾動(dòng)引起的相移大小相等，方向相反，則可以保證電路的相位平衡條件。圖4 -4所示為振蕩器相頻特性曲線。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.1 反饋型振蕩器,假設(shè)初始的振蕩頻率為c

9、，由于外界干擾產(chǎn)生新的相移時(shí)，破壞了原來(lái)工作于c的平衡條件，使頻率提高到c ，頻率的變化量為 c ，該變化量 c引起的相位的變化量為該相移若完全抵消干擾產(chǎn)生的相移，則振蕩器c達(dá)到新的平衡?？梢?jiàn)，相位平衡的穩(wěn)定條件是振蕩器的相頻特性具有負(fù)的斜率。,返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,LC振蕩器就是采用LC諧振回路做選頻網(wǎng)絡(luò)的一類(lèi)振蕩器。在振蕩頻率的穩(wěn)定度不是很高的情況下，此類(lèi)振蕩器應(yīng)用非常廣泛。三點(diǎn)式LC振蕩器是指LC回路的3個(gè)端點(diǎn)與晶體管的3個(gè)電極分別連接而組成的一種振蕩器，它可分為電容三點(diǎn)式振蕩器和電感三點(diǎn)式振蕩器兩種基本類(lèi)型。,下一頁(yè),返回,4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,4. 2. 1三點(diǎn)

10、式振蕩器的基本工作原理 三點(diǎn)式振蕩器的基本結(jié)構(gòu)如圖4一5所示。圖中放大器采用晶體管三極管， 3個(gè)電抗元件X1、X2、X3組成LC諧振回路，回路3個(gè)引出端分別與晶體管3個(gè)電極相連，諧振回路既是晶體管的集電極負(fù)載，又是正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,電路要產(chǎn)生振蕩，首先滿足相位平衡條件，即電路應(yīng)構(gòu)成正反饋。為便于說(shuō)明，忽略電抗元件的損耗及管子輸入、輸出阻抗的影響。 當(dāng)X1、X2、X3組成的諧振回路諧振時(shí)，即X1 + X2 + X3 =0，回路等效阻抗為純電阻，放大器的輸出電壓uo與ui反相，電抗X2上的壓降uf必須與uo反相， uf才會(huì)與ui同相，使電路滿足相位平

11、衡條件。由此可知三點(diǎn)式振蕩電路的反饋系數(shù)。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,綜上所述， X1與X2的電抗性質(zhì)必須相同， X3與X1、 X2的電抗性質(zhì)必須相異。即與發(fā)射極相連的為同性質(zhì)電抗，不與發(fā)射極連接的為異性質(zhì)電抗。根據(jù)這個(gè)法則，構(gòu)成電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式振蕩器，如圖4一6所示。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,4. 2. 2電感三點(diǎn)式振蕩器 電感三點(diǎn)式振蕩器又稱哈脫萊(Hartley)振蕩器，其原理電路如圖4一7(a)所示。交流通路如圖4一7(b)所示。電路由L1、L2及C組成的諧振回路作為集電極的負(fù)載。晶體管的3個(gè)電極接LC回路的3個(gè)端點(diǎn)，反饋電壓取自電感

12、，也叫電感反饋振蕩器。電阻RB1 、 RB2為基極偏置電阻，使電路便于起振，并具有較高的電壓增益。 CB為旁路電容， CE為藕合電容，防止直流時(shí)電感將發(fā)射極對(duì)地短路。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,由圖4 -7 ( b)所示的交流通路圖可見(jiàn)，當(dāng)L1、L2及C組成諧振回路時(shí)，輸出電壓uo與輸入電壓ui反相，而反饋電壓uf與uo反相，所以u(píng)f與ui同相，電路在回路諧振頻率上構(gòu)成正反饋，滿足振蕩的相位條件。由此可得電路的振蕩頻率為 反饋系數(shù)為,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,電感三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是電路便于起振。其次用改變電容的方法調(diào)整振蕩頻率時(shí)，小會(huì)改變反饋系數(shù)，

13、因而也基本不會(huì)影響輸出電壓的幅度，故調(diào)整振蕩頻率方便。其缺點(diǎn)是由于反饋信號(hào)取自電感，而電感對(duì)于高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，故輸出波形的高次諧波成分較多，輸出波形不夠好。其次由于L1、L2上的分布電容及晶體管的結(jié)電容都與它們并聯(lián)，當(dāng)工作頻率很高時(shí)，分布參數(shù)的影響會(huì)很?chē)?yán)重，甚至可能使F衰減到不滿足起振條件。因此，振蕩頻率不宜過(guò)高。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,4. 2. 3電容三點(diǎn)式振蕩器 電容三點(diǎn)式振蕩器又稱考畢茲(Colpitts)振蕩器，其原理電路如圖4一8(a)所示交流通路如圖4-8 (b)所示。晶體管的3個(gè)電極分別接LC回路，反饋電壓取自電容C2,故也叫電容反饋振蕩器。,下一

14、頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,由圖可見(jiàn)C1 、 C2 、 L并聯(lián)諧振回路構(gòu)成反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，其中C1相當(dāng)于如圖4一5所示的X1, C2相當(dāng)于X2, L相當(dāng)于X3 ，并聯(lián)諧振回路3個(gè)端點(diǎn)分別與晶體管的3個(gè)電極相連接，且X1與X2為同性質(zhì)電抗元件， X3與X1、 X2為異性質(zhì)電抗元件，符合三點(diǎn)式振蕩電路組成法則，滿足振蕩的相位平衡條件。由此可得電路的振蕩頻率為 電路的反饋系數(shù)為,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,電容三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形好。這是由于反饋電壓取自電容支路，而電容對(duì)高次諧波的阻抗很小，因而輸出波形中因非線性產(chǎn)生的高次諧波的成分較小。當(dāng)振蕩頻率較高時(shí)，可

15、以直接利用晶體管的輸入電容及輸出電容作為回路元件，但振蕩頻率的穩(wěn)定度不會(huì)太高。該類(lèi)振蕩器的振蕩頻率高于電感三點(diǎn)式振蕩電路的振蕩頻率。其缺點(diǎn)是改變電容來(lái)調(diào)節(jié)振蕩頻率時(shí)，反饋系數(shù)F也會(huì)隨之改變，嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)影響輸出電壓的穩(wěn)定和起振條件。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,4. 2. 4改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器 由于晶體管極間存在寄生電容，它們均與諧振回路并聯(lián)，會(huì)使振蕩頻率發(fā)生偏移，而且晶體管極間電容的大小會(huì)隨晶體管工作狀態(tài)的變化而變化，這將引起振蕩頻率的不穩(wěn)定。為了減少晶體管極間電容的影響，可采用克拉潑電路(Clapp )，它為改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路。與電容三點(diǎn)式振蕩電路相比較，僅在

16、諧振回路電感支路增加了一個(gè)電容C3 ，其取值比較小，要求 。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,從圖4一9(b)所示的交流通路可知，Cce、 Cbe、Ccb分別為晶體管C、E和B、 E和C、B之間的極間電容，它們都并接在C1、C2上，而不影響C3的值，因此，諧振回路的總電容上量為 式中，略去晶體管極間電容的影響，則得并聯(lián)諧振回路的諧振頻率，即振蕩頻率為,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,由此可見(jiàn)， C1、C2對(duì)振蕩頻率的影響顯著減小，那么與C1、C2并接的晶體管極間電容的影響也就很小， C3越小，振蕩頻率的穩(wěn)定度就越高。但為了滿足相位平衡條件，L、 C3串聯(lián)支路應(yīng)呈

17、感性，所以實(shí)際振蕩頻率穩(wěn)定度提高了，改變C3 ，反饋系數(shù)可保持不變，但諧振回路接入C3后，使晶體管輸出端(C、 E)與回路的藕合減弱，晶體管的等效負(fù)載減小，放大器的放大倍數(shù)下降，振蕩器輸出幅度減小。 C3越小，放大倍數(shù)越小，如C3過(guò)小，那么振蕩器因不滿足振幅起振條件而會(huì)停止振蕩。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,4. 2. 5振蕩器的頻率穩(wěn)定和振幅穩(wěn)定 振蕩器除了它的輸出信號(hào)要滿足一定的頻率和幅度外，還必須保證輸出信號(hào)頻率和幅度的穩(wěn)定，頻率穩(wěn)定度和振幅穩(wěn)定度是振蕩器兩個(gè)重要的性能指標(biāo)。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,1.頻率穩(wěn)定 1)頻率穩(wěn)定度 它是指在規(guī)定時(shí)

18、間內(nèi)，規(guī)定的溫度、濕度、電源電壓等變化范圍內(nèi)，振蕩頻率的相對(duì)變化量。 (1)絕對(duì)頻率穩(wěn)定度 它是指在一定條件下實(shí)際振蕩頻率f 與標(biāo)準(zhǔn)頻率f0的偏差f f= f - f0,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,(2)相對(duì)頻率穩(wěn)定度 它是指在一定條件下，絕對(duì)頻率穩(wěn)定度與標(biāo)準(zhǔn)頻率之間的比值 f/ f0=( f - f0 ) / f0 頻率穩(wěn)定度常用的是相對(duì)頻率穩(wěn)定度，簡(jiǎn)稱頻率穩(wěn)定度。例如，一個(gè)振蕩頻率為1 MHz的振蕩器，實(shí)際工作在0. 999 99 MH，上，它的相對(duì)頻率穩(wěn)定度為f/ f0=( f - f0 ) / f0 = 10 Hz/1 MHz=110-5 。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),

19、4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,f/ f0越小，頻率穩(wěn)定度越高。上面所說(shuō)的一定條件可以分為以下幾種情況。 短期穩(wěn)定度1h內(nèi)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度，一般用來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)量?jī)x器和通信設(shè)備中主振器的頻率穩(wěn)定指標(biāo)。 中期穩(wěn)定度1大內(nèi)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度。 長(zhǎng)期穩(wěn)定度數(shù)月或1年內(nèi)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,頻率穩(wěn)定度用10的負(fù)幾次方表示，次方絕對(duì)值越大，穩(wěn)定度越高。中波廣播電臺(tái)發(fā)射機(jī)的中期穩(wěn)定度是10 -5數(shù)量級(jí)，電視發(fā)射機(jī)的為10 -7數(shù)量級(jí)，普通信號(hào)發(fā)生器的為(10 -510-3)數(shù)量級(jí)，作為頻率標(biāo)準(zhǔn)振蕩器的則要求達(dá)到(10-910-8)數(shù)量級(jí)。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)

20、式LC振蕩器,2)造成頻率不穩(wěn)定的因素 振蕩器的頻率主要取決于回路的參數(shù)，也與晶體管的參數(shù)有關(guān)，這些參數(shù)不可能固定不變，所以振蕩頻率也不能絕對(duì)穩(wěn)定。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,(1)LC回路參數(shù)的不穩(wěn)定 溫度變化是使LC回路參數(shù)不穩(wěn)定的主要因素。溫度改變會(huì)使電感線圈和回路電容幾何尺寸變形，因而改變電感L和電容C的數(shù)值。一般L具有正溫度系數(shù)，即L隨溫度的升高而增大。而電容由于介電材料和結(jié)構(gòu)的不同，電容器的溫度系數(shù)可正可負(fù)。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,(2)晶體管參數(shù)的不穩(wěn)定 當(dāng)溫度變化或電源變化時(shí)，必定引起靜態(tài)工作點(diǎn)和晶體管結(jié)電容的改變，從而使振蕩頻率

21、不穩(wěn)定。 3)高頻率穩(wěn)定度的主要措施 振蕩器的頻率穩(wěn)定度好壞決定振蕩電路的穩(wěn)頻性能。為了提高頻率穩(wěn)定度，一方面應(yīng)選用高質(zhì)量的電感/電容構(gòu)成諧振回路，使回路有較高的品質(zhì)因數(shù)，其次在電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)力求使電路的振蕩頻率接近回路的諧振頻率。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,引起頻率不穩(wěn)定的原因是外界因素的變化。但是引起頻率不穩(wěn)定的內(nèi)因則是決定振蕩頻率的諧振回路對(duì)外因變化的敏感性，因此要提高振蕩頻率的穩(wěn)定度，可以從兩方面入手: (1)減小外界因素的變化 減小外界因素變化的措施很多。例如，減小溫度的影響;采用穩(wěn)定電源電壓;減小負(fù)載的影響等。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,

22、(2)提高諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性 采用參數(shù)穩(wěn)定的回路電感器和電容器;采用溫度補(bǔ)償法，改進(jìn)安裝工藝，縮短引線、加強(qiáng)引線機(jī)械強(qiáng)度。元件和引線安裝牢固，可減小分布電容和分布電感及其變化量。晶體管與回路之間的連接采用松藕合。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.2 三點(diǎn)式LC振蕩器,2.振幅穩(wěn)定 振蕩器在外界因素的影響下，輸出電壓將會(huì)發(fā)生波動(dòng)。為了維持輸出電壓的穩(wěn)定，振蕩器應(yīng)具有自動(dòng)穩(wěn)幅性能，即當(dāng)輸出電壓增大時(shí)，振蕩器的環(huán)路增益AF應(yīng)自動(dòng)減小，迫使輸出電壓下降，反之亦然。為了衡量振蕩器穩(wěn)幅性能的好壞，常引用振幅穩(wěn)定度這一性能指標(biāo)。即在規(guī)定的條件下，輸出信號(hào)幅度的相對(duì)變化量。如振蕩器輸出電壓標(biāo)稱值為Uo，實(shí)際輸出電壓與

23、標(biāo)稱值之差為U，則振幅穩(wěn)定度為U/Uo。提高輸出幅度穩(wěn)定度的措施有外穩(wěn)幅、內(nèi)穩(wěn)幅和采用高穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源供電等。,返回,上一頁(yè),4.3 石英晶體振蕩器,現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)正弦波振蕩器的穩(wěn)定度要求越來(lái)越高。作為頻率標(biāo)準(zhǔn)的振蕩器的頻率穩(wěn)定度要求達(dá)到10-8以上，而對(duì)于LC振蕩器，盡管采取各種穩(wěn)頻措施，但理論分析和實(shí)踐都表明，其頻率穩(wěn)定度一般只能達(dá)到10-5，究其原因主要是LC回路的Q值不能做得很高(約200以下)。石英晶體振蕩器是以石英晶體諧振器取代LC振蕩器中構(gòu)成諧振回路的電感、電容元件所組成的正弦波振蕩器，它的頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-1110-10數(shù)量級(jí)，所以得到極為廣泛的應(yīng)用。 石英晶體振蕩

24、器之所以具有極高的頻率穩(wěn)定度，關(guān)鍵是采用了石英晶體這種具有高Q值的諧振元件。,下一頁(yè),返回,4.3 石英晶體振蕩器,4. 3. 1石英諧振器及其特性 石英是礦物質(zhì)硅石的一種，化學(xué)成分是SiO2，形狀是呈角錐形的六棱結(jié)晶體。石英晶體具有壓電效應(yīng)。當(dāng)交流電壓加在晶體兩端，晶體先隨電壓變化產(chǎn)生應(yīng)變，然后機(jī)械振動(dòng)又使晶體表面產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時(shí)，它本身有一個(gè)固有的機(jī)械振動(dòng)頻率。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.3 石英晶體振蕩器,當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時(shí)，晶體片的機(jī)械振動(dòng)最大，晶體表面電荷量最多，外電路中的交流電流最強(qiáng)，于是產(chǎn)生了諧振。因此，將石英晶體按一定方位切割成片，

25、兩邊敷以電極，焊上引線，再用金屬或玻璃外殼封裝即構(gòu)成石英晶體諧振器(簡(jiǎn)稱石英晶振)。 石英晶體諧振器在電路中的符號(hào)如圖4一10 ( a)所示，其等效電路如圖4一10 (b)所示。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.3 石英晶體振蕩器,圖中是晶片的靜態(tài)電容，它相當(dāng)于一個(gè)平板電容，即由晶片作為介質(zhì)，鍍銀電極和支架引線作為極板所構(gòu)成的電容，它的大小與晶片的幾何尺寸和電極的面積有關(guān)，一般在幾個(gè)皮法到十幾個(gè)皮法之間圖中，Lq和Cq分別為晶片振動(dòng)時(shí)的等效動(dòng)態(tài)電感和電容，而rq等效為晶片振動(dòng)時(shí)的摩擦損耗晶片的等效電感Lq很大，約幾十到幾百毫亨，而動(dòng)態(tài)電容Cq很小，約百分之幾皮法，rq數(shù)值從幾歐到幾百歐，所以石英晶片

26、的品質(zhì)因數(shù)Q很高，一般可達(dá)105數(shù)量級(jí)以上。又由于石英晶片的力學(xué)性能十分穩(wěn)定，因此用石英諧振器作為選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成振蕩器就會(huì)有很高的回路標(biāo)準(zhǔn)性，因而有很高的頻率穩(wěn)定度。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.3 石英晶體振蕩器,若略去等效電阻rq的影響，可定性作出等效電路的電抗曲線當(dāng)加在回路兩端的信號(hào)頻率很低時(shí)，兩個(gè)支路的容抗都很大，因此電路總的等效阻抗呈容性;信號(hào)頻率增加，容抗減小，當(dāng)Cq的容抗與Lq感抗相等時(shí)，Cq、 Lq支路發(fā)生串聯(lián)諧振，回路總電抗X=0，此時(shí)的頻率用fs表示，稱晶片的串聯(lián)諧振頻率;當(dāng)頻率繼續(xù)升高時(shí)， Cq、 Lq串聯(lián)支路呈感性，當(dāng)感抗增加到剛好和Co的容抗相等時(shí)，回路產(chǎn)生并聯(lián)諧振，回路

27、總電抗趨于無(wú)窮大，此時(shí)的頻率用fp表示，稱晶片的并聯(lián)諧振頻率;當(dāng)f fp時(shí)， Co支路的容抗減小，對(duì)回路的分流起主要作用，回路總的電抗又呈容性，圖4一11所示為石英諧振器的電抗頻率特性曲線。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.3 石英晶體振蕩器,由此可見(jiàn)，石英諧振器具有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是串聯(lián)諧振頻率 另一個(gè)是并聯(lián)諧振頻率,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.3 石英晶體振蕩器,由于 ，所以fp與fs間隔很小，因而在fs fp感性區(qū)間，石英晶振具有陡峭的電抗頻率特性，曲線斜率大，利于穩(wěn)頻。若外部因素使諧振頻率增大，則根據(jù)晶振電抗特性，必然使等效電感L增大，但由于振蕩頻率與L的平方根成反比，所以又促使諧振頻率下降

28、，趨近于原來(lái)的值。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.3 石英晶體振蕩器,石英諧振器使用時(shí)必須注意以下幾點(diǎn): (1)石英晶片都規(guī)定要外接一定量的電容，稱為負(fù)載電容CL，標(biāo)在晶體外殼上的振蕩頻率(稱晶體的標(biāo)稱頻率)就是接有規(guī)定負(fù)載電容后晶片的并聯(lián)諧振頻率。通常對(duì)于基頻晶體， CL規(guī)定為30 pF或者50 pF。 (2)石英晶片工作時(shí)必須要有合適的激勵(lì)電平。激勵(lì)電平過(guò)大頻率穩(wěn)定度會(huì)顯著變壞，甚至可能將晶片振壞;如激勵(lì)電平過(guò)小，則噪聲影響加大，振蕩輸出減小，甚至可能停振所以在振蕩器中必須注意不超過(guò)晶片的額定激勵(lì)電平，并盡量保持激勵(lì)電平的穩(wěn)定。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.3 石英晶體振蕩器,4. 3. 2石英

29、晶體振蕩器 根據(jù)石英晶體在電路中的作用，電路可分為兩類(lèi):當(dāng)石英晶體作為等效電感時(shí)，電路為并聯(lián)型晶體振蕩器;而當(dāng)石英晶體作為短路元件并工作于串聯(lián)諧振頻率上時(shí)，電路為串聯(lián)型晶體振蕩器。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.3 石英晶體振蕩器,1.并聯(lián)型晶體振蕩器 圖4一12所示為并聯(lián)型晶體振蕩器的原理電路及其交流通路。石英晶體與外部電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，在回路中起電感作用，構(gòu)成改進(jìn)型電容三點(diǎn)式LC振蕩器。電路中C3用來(lái)微調(diào)電路的振蕩頻率，使振蕩器振蕩在石英晶體的標(biāo)稱頻率上。 2.串聯(lián)型晶體振蕩器 圖4一13所示為一串聯(lián)型晶體振蕩器的原理電路和交流通路。在串聯(lián)型晶體振蕩器中，晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點(diǎn)之間

30、，通常接在反饋電路中。,返回,上一頁(yè),4.4 RC正弦波振蕩器,采用RC選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩器，稱為RC振蕩器，它適用于低頻振蕩，一般用于產(chǎn)生1 Hz1 MHz的低頻信號(hào)，但是RC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻作用比LC諧振回路差很多，所以RC振蕩器輸出波形和頻率穩(wěn)定度都比LC振蕩器差。 常用的RC振蕩器有RC橋式振蕩器和移相振蕩電路。前者采用RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，后者采用RC超前或滯后移相電路,下一頁(yè),返回,4.4 RC正弦波振蕩器,4. 4. 1 R C橋式振蕩器 1. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò) 由圖4一14所示可寫(xiě)出RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸系數(shù): 式中,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.4 RC正弦波振蕩器,得 令 化簡(jiǎn)

31、得,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.4 RC正弦波振蕩器,從而得到RC選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性: 相頻特性:,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.4 RC正弦波振蕩器,對(duì)應(yīng)作出幅頻特性曲線和相頻特性曲線如圖4一15所示， 當(dāng) 時(shí)，F(xiàn)達(dá)最大值，等于1 /3 ,即輸出電壓是輸入電壓的1 /3;當(dāng) 時(shí)，相位角 ，即輸出電壓與輸入電壓同相位。所以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.4 RC正弦波振蕩器,2. R C橋式振蕩器 它由集成運(yùn)算放大器、RC串并聯(lián)正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋電路組成，如圖4一16 ( a)所示。把RC串并聯(lián)正反饋網(wǎng)絡(luò)中的Z1、Z2和負(fù)反饋電路中的R1、R2改畫(huà)成圖4一16 (b)所示

32、電路，它們構(gòu)成了文氏電橋電路，放大器的輸入端與輸出端分別接到電橋的兩對(duì)角線上，所以把這種RC振蕩器稱為文氏電橋振蕩器，簡(jiǎn)稱橋式振蕩器。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.4 RC正弦波振蕩器,4. 4. 2 RC移相振蕩器 采用集成運(yùn)算放大器與RC超前移相電路構(gòu)成的移相振蕩電路如圖4一17所示。三節(jié)RC超前移相電路構(gòu)成振蕩器的正反饋網(wǎng)絡(luò)。由于集成運(yùn)算放大器接成反相放大器產(chǎn)生相移1800，為滿足振蕩的相位平衡條件，要求反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)某頻率的信號(hào)再移相位1800，由于一節(jié)RC電路的最大移相趨于900，不滿足移相要求，二節(jié)RC電路的最大相移可趨于1800，但當(dāng)移相趨于1800時(shí)，輸出電壓已接近于零，故也不能滿足

33、起振的幅度條件，所以采用三節(jié)RC移相電路。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.4 RC正弦波振蕩器,盡管三節(jié)RC移相電路對(duì)不同頻率信號(hào)所產(chǎn)生的移相不同，但其中總有某一個(gè)頻率的信號(hào)，通過(guò)此移相電路產(chǎn)生的移相剛好為1800，使振蕩電路滿足相位平衡條件而產(chǎn)生振蕩，該頻率即為振蕩頻率f0。根據(jù)相位平衡條件可求得振蕩頻率為 RC移相振蕩器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn);主要缺點(diǎn)是輸出信號(hào)的頻率和幅度均不夠穩(wěn)定，波形比較差，且頻率調(diào)節(jié)不方便。所以一般用于振蕩頻率固定，穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。,返回,上一頁(yè),4.5 集成電路振蕩器,在集成電路振蕩器里，廣泛采用如圖4一18 ( a)所示的差分對(duì)管振蕩電路，其中V2管集電

34、極外接的LC回路調(diào)諧在振蕩頻率上。圖4一18(b)所示為其交流通路。Ree為恒流源I0的交流等效電阻?？梢?jiàn)，這是一個(gè)共集 - 共基反饋電路。由于共集電路與共基電路均為同相放大電路，且電壓增益可調(diào)至大于1，根據(jù)瞬時(shí)極性法判斷，在V1管基極斷開(kāi)，有ub1ue1(ue2) uc2 ub1，所以是正反饋。在振蕩頻率點(diǎn)，并聯(lián)LC回路阻抗最大，正反饋電壓uf(uo)最強(qiáng)，且滿足相位穩(wěn)定條件。綜上所述，此振蕩器電路能正常工作。,返回,4.6 實(shí)訓(xùn)4：LC與晶體振蕩器,1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?(1)了解電容三點(diǎn)式振蕩器和晶體振蕩器的基本電路及其工作原理。 (2)比較靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)，了解工作點(diǎn)對(duì)振蕩波形的影響。

35、(3)測(cè)量振蕩器的反饋系數(shù)、波段覆蓋系數(shù)、頻率穩(wěn)定度等參數(shù)。 (4)比較LC與晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。,下一頁(yè),返回,4.6 實(shí)訓(xùn)4：LC與晶體振蕩器,2.實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求。 實(shí)驗(yàn)前，預(yù)習(xí)教材:“高頻電子技術(shù)”第4章:正弦波振蕩器的有關(guān)章節(jié)。 3.實(shí)驗(yàn)設(shè)備 TKGPZ一2型高頻電子線路綜合實(shí)驗(yàn)箱。 雙蹤示波器。 萬(wàn)用表。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.6 實(shí)訓(xùn)4：LC與晶體振蕩器,4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)箱，在實(shí)驗(yàn)板上找到與本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的單元電路，并對(duì)照實(shí)驗(yàn)原理圖，認(rèn)清各個(gè)元器件的位置與作用，特別是要學(xué)會(huì)如何使用“短路帽”來(lái)切換電路的結(jié)構(gòu)形式。 作為第一次接觸本實(shí)驗(yàn)箱，特對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的具體線路作

36、如下分析，如圖4一19所示。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.6 實(shí)訓(xùn)4：LC與晶體振蕩器,電阻R101R106為三極管BG101，提供直流偏置工作點(diǎn)，電感L101，既為集電極提供直流通路，又可防止交流輸出對(duì)地短路，在電阻R105上可生成交、直流負(fù)反饋，以穩(wěn)定交、直流工作點(diǎn)。用“短路帽”短接切換開(kāi)關(guān)K101、 K102 、 K103的1和2接點(diǎn)(以后簡(jiǎn)稱“短接Kxxx-”)便成為L(zhǎng)C西勒振蕩電路，改變C107可改變反饋系數(shù)，短接K101、 K102 、 K103 2 - 3，并去除電容C107后，便成為晶體振蕩電路，電容K106起藕合作用， R111為阻尼電阻，用于降低晶體等效電感的Q值，以改善振蕩

37、波形。在調(diào)整LC振蕩電路靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，應(yīng)短接電感L102 (即短接K104 2 -3)。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.6 實(shí)訓(xùn)4：LC與晶體振蕩器,三極管BG102等組成射極跟隨電路，提供低阻抗輸出本實(shí)驗(yàn)中LC振蕩器的輸出頻率約為1. 5 MHz,晶體振蕩器的輸出頻率為10 MHz,調(diào)節(jié)電阻R110，可調(diào)節(jié)輸出的幅度。 經(jīng)過(guò)以上的分析后，可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作。接通交流電源，然后按下實(shí)驗(yàn)板上的+12 V的總電源開(kāi)關(guān)K，和實(shí)驗(yàn)單元的電源開(kāi)關(guān)K100 ，電源指示發(fā)光二極管D4和D101點(diǎn)亮。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),4.6 實(shí)訓(xùn)4：LC與晶體振蕩器,根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路完成以下幾組測(cè)試 1)調(diào)整和測(cè)量西勒振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)，并比較振蕩器射極直流電壓(Ue、 Ueq)和直流電流(Ie