16振蕩器頻率穩(wěn)定和幅度穩(wěn)定

1、一、振蕩器頻率穩(wěn)定和幅度穩(wěn)定1、相位的穩(wěn)定性外界因素的變化會(huì)破壞相位平衡條件，使環(huán)路相移偏離2n。相位穩(wěn)定條件是指相位條件一旦被破壞時(shí)環(huán)路能自動(dòng)恢復(fù)T=2n所應(yīng)具有的條件。相位穩(wěn)定條件及滿足相位穩(wěn)定條件的T()特性曲線如圖所示。上式表示T()在0附近具有負(fù)斜率變化，其絕對(duì)值愈大，相位愈穩(wěn)定。 在LC并聯(lián)諧振回路中，振蕩環(huán)路T()=A()+F()，即T()由兩部分組成，其中,F()是反饋網(wǎng)絡(luò)相移，與頻率近似無關(guān)；A()是放大器相移，主要取決于并聯(lián)諧振回路的相頻特性Z()并聯(lián)振蕩電路中，是依靠具有負(fù)斜率相頻特性的諧振回路來滿足相位穩(wěn)定條件的，且越大，Z()隨增加而下降的斜率就越大，振蕩器的頻率穩(wěn)定

2、度也就越高。2、頻率的穩(wěn)定（1）影響振蕩器振蕩頻率變化的原因：溫度、濕度、電源電壓、負(fù)載的變化以及機(jī)械振動(dòng)、元件器的老化、周圍磁場(chǎng)等外部因素，都有可能引起決定振蕩頻率的回路元件參數(shù)（L、C、Qe、r）、管子的參數(shù)和相位（主要回路相位的變化）的變化，從而使振蕩頻率發(fā)生變化，后者是引起頻率不穩(wěn)定的內(nèi)因。（2）穩(wěn)頻措施為一是減少外界因素的變化。例如，將振蕩器或回路元件置于恒溫槽內(nèi)來減小溫度的變化，采用密封工藝來減小濕度的變化，采用高穩(wěn)定的穩(wěn)壓電源來減小電源電壓的變化，采用減振裝置來減小機(jī)械振動(dòng)，采用屏蔽罩來減小周圍磁場(chǎng)的影響，在振蕩器與負(fù)載之間插入跟隨器來減小負(fù)載變化等。二是合理選擇元器件。例如，選

3、擇fT高且性能穩(wěn)定可靠的振蕩管，不但有利于起振（因在振蕩頻率上較高），而且由于極間電容小，相移小，使振蕩頻率更接近回路的固有諧振頻率，有利于提高頻率穩(wěn)定度；選擇溫度系數(shù)小、Q值高的回路電感L（如在高頻瓷骨架上用燒滲銀法制成的電感）和電容C，一方面使L和C在溫度改變時(shí)變化很小，振蕩頻率的變化也很小，另一方面由于Q值高，其頻率穩(wěn)定度也高；采用貼片元器件，可減小分布參數(shù)的影響，有利于振蕩頻率的穩(wěn)定。此外，L一般具有正溫度系數(shù)，若選用適當(dāng)負(fù)溫度系數(shù)的電容（如陶瓷電容器）進(jìn)行溫度補(bǔ)償，就可以使溫度改變時(shí)振蕩頻率的變化大大減小。為了防止元器件老化帶來的振蕩頻率變化，在組裝電路前應(yīng)對(duì)元器件進(jìn)行老化處理。三是

4、合理設(shè)計(jì)振蕩電路。例如，減小管子與回路之間的耦合，如采用部分接入法，可有效減小管子參數(shù)和分布參數(shù)對(duì)回路的影響，使回路電感和電容變化小，且Q值下降很少，起到穩(wěn)定振蕩頻率的作用；適當(dāng)增加回路總電容，可減小管子的輸入、輸出電容在總電容中的比重，從而提高回路總電容的穩(wěn)定性，則頻率的穩(wěn)定度也提高了；采用穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的偏置電路，可減小振蕩管參數(shù)和工作狀態(tài)的變化，也可使振蕩頻率的變化減小。3、幅度的穩(wěn)定幅度穩(wěn)定度：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)際輸出電壓與標(biāo)稱值之差為U，則振幅穩(wěn)定度為U/UO。實(shí)現(xiàn)方法：內(nèi)穩(wěn)幅：利用放大器工作于非線性區(qū)來實(shí)現(xiàn)的方法，與晶體管的靜

5、態(tài)初始工作狀態(tài)、自給偏壓效應(yīng)以及起振時(shí)AF的大小有關(guān)。靜態(tài)時(shí)工作電流越小，起振時(shí)AF越大，自給偏壓效應(yīng)越靈敏，穩(wěn)幅效果越好，但波形失真也會(huì)越大。外穩(wěn)幅：使放大器工作在線性工作狀態(tài)，而另外接入非線性環(huán)節(jié)進(jìn)行穩(wěn)幅。二、石英晶體振蕩器在LC振蕩器中，盡管采取了各種穩(wěn)頻措施，但實(shí)踐證明，因?yàn)殡姼?、電容元件本身的?biāo)準(zhǔn)性和穩(wěn)定性的原因，它的頻率穩(wěn)定度一般很難突破10-5數(shù)量級(jí)。為了進(jìn)一步提高振蕩頻率的穩(wěn)定度，可采用一些特殊的振蕩器作為選頻網(wǎng)絡(luò)。1、 特點(diǎn)：一般用石英晶體代替LC諧振回路，通稱石英晶體振蕩器，其頻率穩(wěn)定度可高達(dá)10-610-11數(shù)量級(jí)。2、 分類：并聯(lián)型晶體振蕩器：晶體在振蕩電路中做電感元件

6、，構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩器。串聯(lián)型晶體振蕩器：晶體作為短路元件，工作在它的串聯(lián)諧振頻率上，接于反饋放大器的正反饋支路中。3、石英諧振器及特性（1）石英諧振器（簡(jiǎn)稱晶體）是利用石英晶體（二氧化硅）的壓電效應(yīng)而制成的一種諧振元件。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，在一塊石英晶片的兩面涂上銀層作為電極，并從電極上焊出引線固定于管腳上，通常做成金屬封裝的小型化元件。石英晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示：石英是一種各向異性的結(jié)晶體其化學(xué)成分是SiO2。從一塊晶體上切割成的薄片稱為晶片，它的形狀可以為正方形、矩形或圓形，然后在晶片的兩面涂上銀層作為電極，電極上焊出兩根引線固定在管腳上，就構(gòu)成了石英晶體振蕩器。它的外殼有金屬、玻璃、

7、膠殼等幾種。（2）壓電效應(yīng)：我們?cè)谇懊鎸W(xué)習(xí)集中選頻放大器中陶瓷片的結(jié)構(gòu)和性能時(shí)已經(jīng)講過什么是壓電效應(yīng)：若在晶體的兩個(gè)極板間加一電場(chǎng)，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在變形方向施加機(jī)械力，又會(huì)在極板上產(chǎn)生相應(yīng)的電場(chǎng)，這就是壓電效應(yīng)。如在極板間加的是交變電壓，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微弱，但當(dāng)外加交變電場(chǎng)的頻率與晶片的固有頻率（決定于晶片的幾何形狀、尺寸和切割方向）相等時(shí)，振幅就急劇增加（比其他頻率下的振幅大得多），這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。（3）等效電路及諧振頻率石英晶體在電路中的符號(hào)如圖所示。，等效電路如圖3所示，CO為

8、晶片的靜態(tài)電容，Cq和Lq分別為晶片振動(dòng)時(shí)的等效動(dòng)態(tài)電感和電容，rq等效為晶片振動(dòng)時(shí)的摩擦損耗。一般CO的大小與晶片的幾何尺寸和電極面積有關(guān)，在幾個(gè)皮法到幾十個(gè)皮法之間；Lq很大，約幾十到幾百毫亨Cq很小，約百分之幾皮法；rq的數(shù)值從幾歐到幾百歐，所以石英晶體的品質(zhì)因數(shù)Q值很高。如國(guó)產(chǎn)B45型1MHZ中等精度晶體參數(shù)：CO=23PF，Lq=4.00H，Cq=0.0063PF，rq=100200歐， Lq很大，Cq很小，且振動(dòng)損耗小，則振動(dòng)時(shí)的品質(zhì)因數(shù)為Qq=(Lq/Cq)1/2/rq(125000250000)，遠(yuǎn)大于LC振蕩回路的Q值。由圖3可求得石英晶體的等效阻抗為（忽略rq）式中，s為晶

9、體串聯(lián)諧振角頻率，p為晶體并聯(lián)諧振角頻率，因?yàn)镃q遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CO，則有p=(1+Cq/Co)1/2/LqCq=s(1+Cq/Co)1/2=s(1+Cq/2Co)（近似），兩個(gè)頻率之間的距離很小，晶片呈感性電抗的頻率寬度窄，兩個(gè)頻率之間的電抗曲線非常陡峭曲線的變化率大，電路的穩(wěn)頻效果越好。上面例題中的相對(duì)頻率寬度（p-s）/s=（1/2）（Cq/Co）=0.5(0.0020.003)=0.0010.0015屬于窄頻帶的范圍由于Cq/Co=0.0020.003，意味著電路的接入系數(shù)很小。當(dāng)工作與電容三點(diǎn)式時(shí)，接入系數(shù)越小，晶體對(duì)外電路的耦合就越弱很弱，頻率穩(wěn)定性就越高，諧振回路的品質(zhì)因數(shù)得到保障。（

10、4）泛音當(dāng)外加交變電壓的作用下，晶片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，其中除了基頻的機(jī)械振動(dòng)外，還有許多奇次（三次、五次等）頻率的機(jī)械振動(dòng)，這些機(jī)械振動(dòng)（諧波）統(tǒng)稱為泛音。晶體在不同頻率的機(jī)械振動(dòng)可以分別用一個(gè)LC串聯(lián)諧振回路等效如上面圖2。利用晶片的基頻可以得到較強(qiáng)的振動(dòng)，但在振蕩頻率很高時(shí)，晶體的厚度會(huì)變的很薄。薄的晶片加工困難，使用中也容易損壞，所以如果需要的頻率較高，一般使用晶體的泛音頻率，以使晶片的厚度加厚。利用泛音振動(dòng)的稱為泛音晶體。（5）使用注意事項(xiàng)石英晶體或者工作于感性區(qū)，或者工作在p附近，容性區(qū)域不適合；使用時(shí)一定要外接一定量的電容（負(fù)載電容CL），標(biāo)在晶體外殼上的振蕩頻率就是接有規(guī)定負(fù)載電容后

11、晶片的串聯(lián)諧振頻率。通常對(duì)于高頻晶體，CL為30PF或標(biāo)為無窮（即無須外接負(fù)載電容，常用于串聯(lián)型晶體震蕩器）；要注意合適的工作環(huán)境（電平或頻率）。4、石英晶體振蕩器（1）并聯(lián)型晶體振蕩器(皮爾斯晶體振蕩器)。并聯(lián)型晶振電路的工作原理和一般三點(diǎn)式LC振蕩器相同，只是把其中的一個(gè)電感元件用晶體置換，目的是保證反饋電壓中僅包含所需要的基音頻率或泛音頻率，而濾除其它的奇次諧波分量。（石英晶體接在B、E間的為密勒振蕩電路是電感三點(diǎn)式）。密勒振蕩電路與皮爾斯振蕩電路相比，頻率穩(wěn)定度低，原因是密勒電路石英晶體接在晶體管輸入阻抗較低的B、E之間，降低石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)性。（2）串聯(lián)型晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度完全取決于

12、晶體的穩(wěn)定度。 石英晶體串接在正反饋通路中，構(gòu)成電容三點(diǎn)式。當(dāng)反饋信號(hào)頻率等于石英晶體串聯(lián)諧振頻率時(shí)，石英晶體的阻抗最小，為純阻性，正反饋?zhàn)顝?qiáng)，電路滿足振蕩的相位和幅度條件而產(chǎn)生振蕩；當(dāng)偏離串聯(lián)諧振頻率時(shí)，石英晶體阻抗迅速增大并產(chǎn)生較大的相移，振蕩條件不能滿足而不能產(chǎn)生振蕩。（3）泛音振蕩器（哈特萊型振蕩器）電路中，L1C1并聯(lián)諧振回路代替三點(diǎn)式振蕩電路中的X1，根據(jù)三點(diǎn)式振蕩器組成法則，該諧振回路應(yīng)呈容性。設(shè)電路中石英晶體工作在五次泛音頻率上，標(biāo)稱頻率為50MHZ，為了抑制基頻和三次泛音的寄生振蕩，L1C1回路應(yīng)調(diào)諧在三次和五次泛音頻率之間，即3050MHZ之間，例如35MHZ。當(dāng)泛音振蕩器頻率低于L1C1回路諧振