振荡器频率稳定问题、晶体振荡器等.ppt

笫5章 正弦波振荡器,5.1 引 言 5.2 LC 振荡器的基本工作原理 5.3 LC 振荡器的电路分析 5.4 振荡器的频率稳定度 5.4.1 频率稳定度的计量 5.4.2 导致振荡频率不稳定的原因 5.4.3 主要稳频措施 5.5 晶体振荡器 5.5.1 石英谐振器的基本特性 5.5.2 晶体振荡电路 5.6 负阻振荡器（*） 5.7 RC 振荡器与开关电容振荡器（*） 5.8 特殊振荡现象（*）,5.4 振荡器的频率稳定度,5.4.1 频率稳定度的计量,对振荡器频率性能的要求，通常用频率准确度和频率稳定度 来衡量。,频率准确度又称频率精度,绝对频率准确度 f ：它表示振荡频率 f 偏离标称频率 的程度。,相对频率准确度：为了合理评价不同标称频率振荡器的 频率偏差，频率准确度也可用其相对值 来表示。,5.4.1 频率稳定度的计量（续1）,频率稳定度则是指在一定 观测时间内，由于各种因素 变化，引起振荡频率相对于 标称频率变化的程度。,（1）长期频率稳定度（长稳）,观测时间为一天以上的稳定度称为长期频率稳定度。一般高精 度的频率基准、时间基准（如天文观测台、国家计时台等）均 采用长期频率稳定度来计量频率源的特性。,（2）短期频率稳定度（短稳）,观测时间在一天以内如以小时计量的频率稳定度。大多数电子 设备和仪器均采用短稳来衡量。,（3）瞬时频率稳定度（秒级频率稳定度）,瞬时频率稳定度用于衡量秒或毫秒时间内频率的随机变化。 这些变化均由设备内部噪声或各种突发性干扰所引起。,5.4.1 频率稳定度的计量（续2）,举例：LC 普通信号 中波 短波 电视 标准信号 原子钟 振荡器 发生器 广播台 通信机 发射台 发生器 频率标准,5.4.2 导致振荡频率不稳定的原因,能使环路相位平衡条件得以满足的 频率即为该振荡器的振荡频率 与回路自然振荡频率 、回路有 效 Q 值以及环路附加相移 的关 系可写成：,外因：温度变化 、电压变化 、负载变化 。,内因：相位平衡条件。,5.4.2 导致振荡频率不稳定的原因（续1）,1. 影响 （或 ）的主要因素,各种环境因素如温度、湿度、大气 压力、振动等因素对回路电感L和电 容C的影响。,晶体管或其它器件的输入、输出阻 抗的变化。,电路元件间分布电容的变化。,负载电抗参数的变化。,5.4.2 导致振荡频率不稳定的原因（续2）,2. 影响环路 Q 值的因素,器件输入、输出阻抗中的有功 部分。,负载电阻的变化。,回路损耗电阻尤其是电抗元件 的高频损耗，环路元器件的高频 响应等。,5.4.2 导致振荡频率不稳定的原因（续3）,3. 影响 的因素,事实上，还有许多其它原因，通过上述三途径对振荡频率的稳定性起着不良影响。,反馈变压器的非理想电抗因素。,晶体管的输入阻抗和输出阻抗。,晶体管的值可为复数。,环路内各种噪声源引起的相差 抖动等。,5.4.3 主要稳频措施,1. 提高谐振回路的标准性,回路的标准性是指在外界因素如温度、湿度、大气压力等变化 时，谐振回路保持其谐振频率固定不变的能力。标准性越高， 回路自然谐振频率随环境条件变化的可能性就越小。,提高回路标准性的主要措施是选用高品质因数、高稳定性和 低温度系数、低吸水性的电容器与电感器。,等号右边的负号表示频率变化的方向与电抗变化的方向刚好 相反。如电感量加大，振荡频率将降低。,5.4.3 主要稳频措施（续1）,温度补偿法和温度隔离法：引起电抗元件电感量和电容量 变化最明显的环境因素是温度的变化。,温度补偿法：用具有负温度系数的瓷介电容器，接入由普 通的具有正温度系数的电感和电容组成的谐振回路。,温度隔离法：将关键电抗元件置于特制的恒温槽内，使槽内的 温度基本上不随外界环境温度的变化。,利用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容构成的电 磁谐振系统，它是高稳频率源的一个重要形式。 由于这种谐振系统构成的振荡器，不但频率稳定性、频率准确 度高，而且体积、耗电均很小，因此，在许多领域已被广泛地 采用。,5.4.3 主要稳频措施（续2）,2. 削弱不稳定因素对谐振特性的影响,晶体管的参数稳定：晶体管的参数（输入输出阻抗等）受 工作点的影响较大，因此注意选择工作点稳定电路与良好的 稳压电路。,选择回路与器件间的接入系数：晶体管的输入输出阻抗、 外接负载阻抗、各种分布电容和引线电感都是影响回路标准 性的重要因素。因此选择回路与器件间的接入系数，选择合 适的回路与负载间的耦合系数，尽可能减小不稳定的分布电 容和引线电感的影响，对于提高频率稳定性是十分重要的。,外接负载阻抗：为了减小负载对振荡器的影响，振荡器后一 般都接有缓冲级例如高输入阻抗的跟随器（发射极输出器）。 如必须直接连接时，也应采用变比较大的降压变压器，或分压 比很小的电容分压网络再与其它负载相联接。,5.4.3 主要稳频措施（续3）,采用改进型的电路（克拉泼和西勒电路）：减小振荡管自身的输入、输出阻抗对回路性能即振荡频率的影响。 特别是在三点式振荡电路中，器件三个端口的等效阻抗 、 、 直接与回路三个电抗元件相连接，由于器件端口等效阻抗的稳定性很差，且随工作状态改变而改变，其频率稳定度的提高受到严重的影响。,谐振回路的选择：选择高品质因数的谐振回路（石英谐振 器）。,5.5 晶体振荡器,压电和反压电效应：石英是一种具有晶体结构、外形呈角椎 形六棱体的矿物质。按某种方式将其切割成薄片，对薄片某两 侧面施加外力使其产生形变（压缩或伸长）则薄片另两侧将出现 正、负电荷的集聚，该正负电荷的电荷量相等，并与石英的形变 量成正比。反之，在晶片两侧加一电压使之形成电场，则石英 片晶格中偶极子由于电场力的作用，将使薄片产生机械形变。,晶体振荡器：利用石英晶体的压电和反压电效应对正弦振荡频率进行控制的振荡器。,石英谐振器(晶体）：利用石英晶体压电效应制成的谐振器件。在石英片两侧形成两个与外电路连接的电极，并把电极固定在支架上，再加以合适的封装。,晶体振荡器突出的优点是频率稳定度和准确度很高频率稳定度可以比较容易地实现 .对晶体施加恒温控制，还可提高到 数量级。目前晶体振荡器频率稳定度的极限是 。,晶体对振荡频率的控制 作用： 晶体接入振荡环路，并以一定频率的交变电压激发，使其产生机械形变时，该机械形变也会同时激发起频率相同的具有电荷性质的变化。而此电荷性质的变化以电压或电流的形式通过放大的反馈网络重新作用到石英片上，补充振荡过程中的能量消耗，则环路就可以建立一等幅的正弦振荡。这种以机械形变激发电振荡，以电振荡促成机械形变的过程就构成了晶体对振荡频率的控制 。,晶体振动具有多谐性，利用基音振动实现对频率控制的晶体称为基音晶体，其余称为泛音晶体。采用AT切割石英片的基频频率一般都限制在20MHz以下。因为此时石英片的厚度仅0.041mm，频率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的强度。,5.5.1 石英谐振器的基本特性,1. 石英谐振器的等效电路,晶体,其中： 大体反映石英片的质量；,几十几百亨；,反映其材料的刚性； ；,等效石英片产生机械形变时材料的能耗；几百欧；,称为石英谐振器的并联电容，它相当于以石英片为 介质、以两电极为极板的平板电容器的电容量和支 架电容、引线电容的总和。几几十 。,返回,5.5.1 石英谐振器的基本特性（续1）,2. 石英谐振器的谐振频率,0,如令 为不考虑晶体内部损耗（即 = 0）时石英谐振器的串联谐振频率；Q为石英谐振器的等效品质因数；p为接入系数，其数值分别为：,上图,返回,5.5.1 石英谐振器的基本特性（续2）,3. 石英谐振器的基本特性,很高的等效品质因数 Q ：石英谐振器最大的特点是具有很大 的等效电感量和很小的损耗电阻。或者说石英谐振是具有很高 的等效品质因数。（ ）,很小的接入系数 P：当外界电抗元件与之相连接时，对石英 谐振器的固有谐振特性的影响是十分微弱的。（ ）,具有两个谐振频率 和 ：,两个谐振频率十分接近：,举例： 2.5MHz石英谐振器的接入系数 p=4.210-5,故串并联谐振频率绝对频差为：,石英谐振器的两种工作方式：高 Q 短路线 ( ) ;等效 L 。,等效 L：两个谐振频率 和 之间。,上图,5.5.2 晶体振荡电路,三种反馈振荡器：,电路中当晶体代替三点式振荡器中的电感时，为并联型晶体振荡电路。晶体在振荡环路中起着高 Q 电感器的作用。,电路中当串联谐振元件用，为串联型晶体振荡电路。晶体 则起着具有高 Q 短路器作用。,泛音晶体振荡器：利用石英谐振器的泛音振动特性对频率 实行控制的振荡器称为泛音晶体振荡器。这种振荡器可以将 振荡频率扩展到甚高频以至超高频频段。,1. 并联型晶体振荡电路,（1）皮尔斯（C-B）电路,RFC,C,E,B,C,B,E,如令 ， 是 和（ + ）的串联。,1. 并联型晶体振荡电路（续1）,由于 ，（ ）,石英晶体参数具有高度稳定性， 很稳定， 也很稳定。,由于 ，石英谐振器是等效为电感 L 用。,振荡回路的振荡频率近似等于 。,讨论：,由于 ，振荡管与石英谐振器之间耦合很松。,1. 并联型晶体振荡电路（续2）,注意三种频率：,石英谐振器的,振荡频率：,振荡回路的振荡频率：,并联型晶体振荡电路的振荡频率 : 考虑 的影响。,（2）密勒（Miller）电路 石英晶体 被晶体管输入阻抗所并联,降低了有载品质因 数 Q ，降低了频率稳定度，故密勒电路使用不多。,2. 串联型晶体振荡器：晶体起着高 Q 短路器作用。,串联谐振，高 Q 短路器作用。,并联谐振，去除 的不良影响。,3. 泛音晶体振荡器,采用AT切割石英片的基频频率一般都限制在20MHz以下。 因为此时石英片的厚度仅有0041mm，频率再高，石英片的 厚度太薄，不足以提供必要的强度。,因此，要求更高的工作频率时，一般均是泛音晶体，其泛音 次数通常选为37次泛音。泛音次数太高，晶体的性能也将显 著下降。,石英晶体的机械谐波（泛音）和电路中谐波的区别：,电路中谐波是基波的整数倍，是同时并存的。,泛音是基波的奇数倍，不能同时并存的。,3. 泛音晶体振荡器（续）,f,X,1次 3次 5次 7次,泛音晶体振荡器的振荡环路中 必须包含两个振荡回路。,其中一个作为放大器的选择性 负载，即作泛音选择电路，该 电路使环路仅在所限定的泛音 振荡频率上符合振荡的相位平 衡条件或振幅平衡条件。,泛音选择电路设计在 n 次泛 音和（n-2） 次泛音之间。,泛音晶体振荡器的振荡频率 是5次泛音，泛音选择电路设 计在 5 次泛音和3 次泛音之间。,（5次泛音）,举例1：习题5-15（当等效电感元件用）,5-15：某广播发射机的主振器实际电路如图所示。试画出该电路的交流等效电路，并分析该电路采用了哪几种稳频措施。,稳压,输出,恒温槽,举例2：习题5-16 （当等效电感元件用）,5-16：某通信接收机的本振电路如图所示。试画出其交流等效电路，并说明是什么形式的电路。,举例3：（有高 Q 短路器作用）,10P,36P,12P,12P,36P,10P,6800P,6800P,30K,2.7K,5.6P,输出,举例：习题5-15,返回,某广播发射机的主振器实际电路如图所示。试画出该电路的交流等效电路，并分析该电路采用了哪几种稳频措施。,稳压,输出,恒温槽,举例：习题5-16,返回,某通信接收机的本振电路如图所示。试画出其交流等效电路，并说明是什么形式的电路。,本章要点 1、反馈式LC振荡器振荡的三大条件，这些条件与振荡电路哪些参数有关？ 2、如何利用相位平衡条件判断电路能否振荡。 3、分析实际振荡电路 会画交流等效电路 说出各主要元件的作用 计算振荡频率及反馈系数 电路中采取了哪些稳频措施 4、提高振荡器频率稳定度的方法。,习题：513 ， 5-15，5-17 522,