(整理)5.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定度.

1、精品文檔5.4振蕩器的頻率穩(wěn)定度滿足起振、平衡和穩(wěn)定三個(gè)條件n產(chǎn)生等幅持續(xù)的振蕩波形。當(dāng)受到外界或振蕩器內(nèi)部不穩(wěn)定因素干擾n振蕩器的瞬時(shí)相位（或頻率）會(huì)在平衡點(diǎn)附近隨機(jī)變化。頻率穩(wěn)定度用于衡量實(shí)際振蕩頻率osc與標(biāo)稱頻率0偏離的程度。頻率穩(wěn)定度是振蕩器最為重要的性能指標(biāo)之一?，F(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)振蕩器的頻率穩(wěn)定度提出了越來(lái)越高的要求。通信系統(tǒng)的頻率不穩(wěn)定，就會(huì)因漏失信號(hào)而無(wú)法通信，如調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)的頻率不穩(wěn)，調(diào)頻接收機(jī)就不能準(zhǔn)確接收，如調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)的頻率準(zhǔn)確、穩(wěn)定，則接收機(jī)在不需要調(diào)諧的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)收聽(tīng)和轉(zhuǎn)播；在數(shù)字電路中，時(shí)鐘不穩(wěn)會(huì)引起時(shí)序關(guān)系的混亂；測(cè)量?jī)x器的頻率不穩(wěn)定會(huì)引起較

2、大的測(cè)量誤差；軍事保密通信及空間技術(shù)對(duì)頻率穩(wěn)定度提出了更為嚴(yán)格的要求。例如，要實(shí)現(xiàn)與火星通信，頻率的相對(duì)誤差不能大于10-11數(shù)量級(jí)。倘若給距離地球5600萬(wàn)千米衛(wèi)星定位，要求頻率的相對(duì)誤差不能大于10-12數(shù)量級(jí)。頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度評(píng)價(jià)振蕩頻率的主要指標(biāo)是頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度。頻率準(zhǔn)確度表明實(shí)際工作頻率偏離標(biāo)稱頻率的程度，分為絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度和相對(duì)頻率準(zhǔn)確度。絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度是實(shí)際工作頻率fosc與標(biāo)稱頻率f0的偏差5.4.1)Af=f-fosc0相對(duì)頻率準(zhǔn)確度是頻率偏差A(yù)f與標(biāo)稱頻率之比Af_f-f5.4.2)osc0丁00頻率穩(wěn)定度是在指定時(shí)間間隔內(nèi)頻率準(zhǔn)確度變化的最大值。也分為絕對(duì)頻

3、率穩(wěn)定度和相對(duì)頻率穩(wěn)定度。最常用的5是相對(duì)頻率穩(wěn)定度，簡(jiǎn)稱頻率穩(wěn)定度，以表示5.4.3)其中f0sc-f0是某一間隔內(nèi)的最大頻率偏移。如某振蕩osc0max器標(biāo)稱頻率為5MHz，在一天所測(cè)的頻率中，與標(biāo)稱值偏離最大的一個(gè)頻率點(diǎn)為4.99995mhz，則該振蕩器的頻率穩(wěn)定度為f-f(4.99995-5)x1065oscmax1x10-5/dayf5x16dayday在頻率準(zhǔn)確度與頻率穩(wěn)定度兩個(gè)指標(biāo)中，頻率穩(wěn)定度更為重要。因?yàn)橹挥蓄l率穩(wěn)定，才能談得上頻率準(zhǔn)確。頻率不穩(wěn)，準(zhǔn)確度也就失去了意義。下面主要討論頻率穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度按時(shí)間間隔分為長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度：以月甚至年為觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度，觀測(cè)的是長(zhǎng)時(shí)間的頻

4、率漂移。主要取決于構(gòu)成振蕩器的有源、無(wú)源器件和石英晶體的老化特性。它主要用于評(píng)價(jià)天文臺(tái)或國(guó)家計(jì)量單位高精度頻率標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)時(shí)設(shè)備；短期頻率穩(wěn)定度：以一天，小時(shí)、分鐘為測(cè)量時(shí)間間隔。短穩(wěn)主要取決于振蕩器的電源電壓、電路參數(shù)或環(huán)境溫度的穩(wěn)定性。用于評(píng)價(jià)通信電子設(shè)備和儀器中振蕩器頻率穩(wěn)定度。瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度：在秒級(jí)時(shí)間內(nèi)，主要是振蕩器內(nèi)部干擾和噪聲作用引起的頻率起伏，是頻率的瞬間無(wú)規(guī)則變化。瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度在頻域上又稱為相位抖動(dòng)或相位噪聲。通常用得較多的是短期頻穩(wěn)度。由于頻率的變化是隨機(jī)的，不同的觀測(cè)時(shí)段，測(cè)出的頻率穩(wěn)定度往往是不同的，而且有時(shí)還出現(xiàn)某個(gè)局部時(shí)段內(nèi)頻率的漂移遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它時(shí)間在相同間隔內(nèi)的漂移

5、值，因此用式(5.4.3)來(lái)表征頻率穩(wěn)定度不是十分合理，頻率穩(wěn)定度應(yīng)建立在大量觀測(cè)基礎(chǔ)上的統(tǒng)計(jì)值來(lái)表征較為合理，常用的方法之一是均方根值將指定的時(shí)間劃分為n個(gè)等間隔，測(cè)得的各頻率準(zhǔn)確度與其平均值的偏差的均方根值來(lái)表征的。即一紂=奇7匚齊丁仏可工(54-4)fi式中，i為第個(gè)間隔內(nèi)實(shí)測(cè)的頻率，（紂）i二ff0為第i個(gè)間隔內(nèi)實(shí)測(cè)的絕對(duì)誤差。國(guó)-f）（5.4.5）ni=1為絕對(duì)頻差的平均值。k越小，頻率準(zhǔn)確度就越高。頻率穩(wěn)定度當(dāng)然越高越好，但這樣的振蕩器造價(jià)高，使用者必須在性能和成本間折中考慮。不同場(chǎng)合，對(duì)振蕩器頻率穩(wěn)定度的要求不同。例如用于中波廣播電臺(tái)發(fā)射機(jī)的為10-5數(shù)量級(jí)，普通信號(hào)發(fā)生器的為1

6、05口104數(shù)量級(jí)，電視發(fā)射機(jī)的為107數(shù)量級(jí)，高精度信號(hào)發(fā)生器的為10-710-9數(shù)量級(jí)，在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí),天文測(cè)量和太空通信中，要求有很高的長(zhǎng)穩(wěn)和短穩(wěn)，相對(duì)頻10111013率變化不大于。頻率穩(wěn)定度一般由實(shí)測(cè)確定。普通的LC電路的日頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-210-3；采用改進(jìn)型的西勒振蕩電路，也只能達(dá)到104數(shù)量級(jí)，要求更高的話，采用石英諧振器。造成頻率不穩(wěn)定的因素（了解即可，不做要求）1）LC回路參數(shù)的不穩(wěn)定性溫度變化是使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

7、同，電容器的溫度系數(shù)可正可負(fù)。另外，機(jī)械振動(dòng)可使電感和電容產(chǎn)生變形，l和C的數(shù)值變化，因而引起振蕩頻率的改變。晶體管參數(shù)的不穩(wěn)定性當(dāng)溫度變化或電源電壓變化時(shí)，必定引起靜態(tài)工作點(diǎn)和晶體管結(jié)電容的改變，從而導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定。穩(wěn)頻措施1）減小溫度的影響為了減少溫度變化對(duì)振蕩頻率的影響，最根本的辦法是將整個(gè)振蕩器或振蕩回路置于恒溫槽內(nèi)，以保持溫度的恒定。這種方法適用于技術(shù)指標(biāo)要求較高的設(shè)備中。在要求不是特別高的情況下，為了減少溫度系數(shù)的影響，應(yīng)該采取溫度系數(shù)較小的電感、電容。例如，鐵氧體的溫度系數(shù)很大，當(dāng)對(duì)諧振回路的電感量提出高穩(wěn)定度要求的時(shí)候，應(yīng)該避免采用鐵氧體心。此時(shí)，電感線圈可用高頻磁鼓架，它

8、的溫度系數(shù)和損耗都較小。固定電容器比較好的是云母電容，它的溫度系數(shù)比其它類型電容的小?？勺冸娙菀撞捎脴O片和轉(zhuǎn)軸線膨脹系數(shù)小的金屬材料（如鐵鎳合金）制作。它們的溫度系數(shù)小，性能穩(wěn)定可靠。還可采用正、負(fù)溫度系數(shù)的元件相互補(bǔ)償。如瓷介電容具有正溫度系數(shù)，有的電容具有負(fù)溫度系數(shù)，而很多電感都具有正溫度系數(shù)。2）穩(wěn)定電源電壓電源電壓的波動(dòng)，會(huì)使晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化，從而改變晶體管的參數(shù)，降低頻率穩(wěn)定度。為了減小這個(gè)影響，采用性能良好的電壓源供電，并采取退耦措施避免高頻信號(hào)對(duì)電壓源穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。如果是制作高性能指標(biāo)的振蕩器，應(yīng)當(dāng)采用穩(wěn)壓電源。當(dāng)振蕩器與整機(jī)其它部分公用一個(gè)電源時(shí)，往往從公用電源取

9、出電壓，再經(jīng)一次單獨(dú)穩(wěn)壓，以避免整機(jī)其它部分耗電的變化影響電源電壓的穩(wěn)定。另外，應(yīng)采用具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的偏置電路。3）減少負(fù)載的影響振蕩器輸出信號(hào)需要加在負(fù)載上，負(fù)載的變動(dòng)必然會(huì)引起振蕩頻率變化。為了減小這一影響，可在主振級(jí)及其負(fù)載之間加一緩沖級(jí)。為使緩沖級(jí)最大限度的起到緩沖作用，緩沖級(jí)從主振級(jí)所獲取的功率應(yīng)盡可能的小。當(dāng)負(fù)載所要求的功率一定時(shí)，緩沖級(jí)的功率增益越高，則要求主振級(jí)提供的功率越小。因此緩沖級(jí)的電路形式及工作狀態(tài)的選擇，應(yīng)該從功率增益最大來(lái)考慮。即：a）緩沖放大級(jí)應(yīng)工作于甲類，因甲類工作狀態(tài)的功率增益最高；b）共射電路比共基和共集（射級(jí)跟隨器）電路的功率增益大，所以共射電路是緩沖

10、級(jí)電路優(yōu)先考慮的電路形式。共射電路不足之處在于，其輸入阻抗不如共集電路的高，但可以通過(guò)緩沖級(jí)的輸入端和諧振回路以部分接入方式連接，以提高緩沖級(jí)對(duì)諧振回路的等效引入阻抗。射級(jí)跟隨器也是比較常用的緩沖級(jí)。4）晶體管與諧振回路之間采用松耦合減小晶體管和諧振回路之間的耦合，可以減小晶體管輸出、輸入電容的變化對(duì)諧振回路等效電容值的影響，從而使頻率穩(wěn)定度提高。減小晶體管和諧振回路之間耦合的常用方法是將晶體管以部分接入的方式接入諧振回路。前面介紹的克拉潑電路和西勒電路就是采用了這種方法。另外，應(yīng)選擇f較高的晶體管。f越高，高頻性能就越好，可以保TT證在工作頻率范圍內(nèi)均有較高的跨導(dǎo)，電路容易起振；一般選擇f（

11、310）f，f是最高振蕩頻率。ToscmaxoscmaxQ5）提高回路的品質(zhì)因數(shù)LC諧振回路的相頻特性表達(dá)式5.4.6)33、=-arctanQ(-o)330根據(jù)式（54.6）可畫(huà)出不同q值對(duì)應(yīng)的相頻特性曲線，如圖533所示。由圖可見(jiàn)，相頻曲線的變化規(guī)律有如下特點(diǎn)。i)越接近,即Ao.0-0越小，相頻特性曲線的斜率匹000do就越大，則穩(wěn)頻能力越強(qiáng)；反之，失諧越嚴(yán)重竺就越小，do頻率穩(wěn)定度越低。ii)q值越大，在o附近匹的值越大，穩(wěn)頻能力越強(qiáng)。0do所以提高回路的Q值，減小Ao，有利于改善振蕩器的頻率穩(wěn)0定性。圖533并聯(lián)諧振回路相頻特性曲線如何提高諧振回路的Q值？在繞制電感時(shí)應(yīng)注意，平行密繞

12、線圈的線間分布電容較大，影響Q值。對(duì)于匝數(shù)較多的線圈，如振蕩頻率在2MHz以下，宜采用“蜂房式”繞法，并且最好用多股線，以減小趨附效應(yīng)的影響，以便提高Q值。對(duì)諧振回路而言，電感的銅損耗電阻r構(gòu)成了諧振回路的主要損耗，其品質(zhì)因數(shù)Q二丄石。因此，在確定電感值時(shí)，應(yīng)取得大一些，電容量取小一些，可得到較高的Q值。但電容量太小時(shí)，晶體管的輸出、輸入電容對(duì)回路的等效電容和分布電容在回路中所占的比例將增大，使頻率穩(wěn)定度降低，所以必須兼顧這兩個(gè)方面。1）屏蔽、遠(yuǎn)離熱源將LC回路屏蔽可以減少周圍電磁場(chǎng)的干擾。但加屏蔽后,電感量下降，損耗加大，因此，線圈Q值將下降。在可能的前提下，盡量將屏蔽罩做得大一些，這樣，電

13、感量不致減小太多，Q值所受影響也較小。振蕩器電路離開(kāi)熱源（如電源變壓器、大功率管等）遠(yuǎn)一些，可以減少溫度變化對(duì)振蕩器的影響。5.5晶體振蕩器10-210-3一通常LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度為，采取一些措施和改進(jìn)，可達(dá)到10-4，但很難突破10-5。然而在通信設(shè)備，電子測(cè)量?jī)x器儀表，電子對(duì)抗等應(yīng)用中，對(duì)頻率穩(wěn)定度的要求往往優(yōu)于10-5，前面介紹的振蕩器都無(wú)法達(dá)到要求。石英晶體諧振器具有極高的品質(zhì)因素和穩(wěn)定的參數(shù)，利用石英諧振器代替一般的LC諧振系統(tǒng)，它的頻率穩(wěn)定度很容易做到105。石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度隨采用的石英晶體、外部電路形式和穩(wěn)頻措施的不同而不同，一般在10-5口10-11范圍之間。如果

14、采用低精度石英晶體，穩(wěn)定度可達(dá)到105數(shù)量級(jí)；如采用中等精度石英晶體，穩(wěn)定度可達(dá)到10-6數(shù)量級(jí)；如采用單層恒溫控制系統(tǒng)和中等精度晶體，穩(wěn)定度可以達(dá)到10-7口10-8數(shù)量級(jí)；如米用雙層恒溫控制系統(tǒng)和高精度晶體，穩(wěn)定度可以達(dá)到10-9口10-11數(shù)量級(jí)。石英晶體振蕩器定義用石英諧振器控制和穩(wěn)定振蕩頻率的振蕩器。石英晶體振蕩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極高Q值的諧振元件。下面首先了解石英晶體諧振器的基本特性。5.5.1石英晶體諧振器石英晶體諧振器是利用石英晶體(Quartz-Crystal)的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件。石英晶體諧振器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖535所示。(a)

15、晶體外形；(b)橫斷面圖534晶體的形狀及橫斷面(a)正方形石英片電極U管座(b)圓形(c)長(zhǎng)方形圖535石英諧振器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)石英晶體的等效電路石英片的振動(dòng)具有多諧性，除基頻(FundamentalFrequency)振動(dòng)外，還有奇次諧波的泛音(Overtones)振動(dòng)。泛音振動(dòng)的頻率接近于基頻的整數(shù)倍，但不是嚴(yán)格的整數(shù)倍。對(duì)于精品文檔一個(gè)石英諧振器，既可以利用其基頻振動(dòng)，也可以利用其泛音振動(dòng)。利用基音振動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率控制的晶體稱為基音晶體，其余稱為泛音晶體。采用AT切割石英片的基頻頻率一般都限制在20MHz以下。因?yàn)榇藭r(shí)石英片的厚度僅有0041mm,頻率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的

16、強(qiáng)度。因此,要求更高的工作頻率時(shí),一般均是泛音晶體。泛音晶體一般利用3次和5次的泛音振動(dòng),而很少使用7次以上的泛音振動(dòng)。泛音次數(shù)太高,晶體的性能也將顯著下降。圖536給出石英諧振器的等效電路。符號(hào)(b)基頻等效電路精品文檔精品文檔圖(b)中石英晶體片等效為L(zhǎng)、C、r串聯(lián)的諧振電路。qqqL是石英晶體的動(dòng)態(tài)電感，表征晶體的質(zhì)量，值較大，通q常在幾十個(gè)毫亨的量級(jí)；C是動(dòng)態(tài)電容，表征晶體的彈性，值很小，通常在103pF量級(jí)；r是動(dòng)態(tài)電阻，表征晶體振動(dòng)時(shí)分子間互相摩擦而引起的能量損耗，阻抗很小，通常在幾十歐左右。C0為靜態(tài)電容和支架、引線等分布電容之和，其中靜態(tài)電容是以石英晶片為介質(zhì)，兩個(gè)電極為極板而

17、形成的電容，它是C0的主要成分。通常為幾個(gè)皮法。石英具有多諧性，每次泛音都對(duì)應(yīng)一個(gè)串聯(lián)諧振電路：基音等效為L(zhǎng)1、C1、r1的串聯(lián)諧振支路，該支路的諧振頻111率等于基音頻率。3次泛音等效為L(zhǎng)3、C3、r3的串聯(lián)諧振支路，該支路的333諧振頻率等于3次泛音頻率，如此等等。當(dāng)工作頻率等于r某串聯(lián)諧振支路諧振頻率時(shí)，串聯(lián)阻抗等于，近似于短路，其他支路失諧，可近似于開(kāi)路。所以對(duì)于工作頻率，石英諧振器都用圖536(b)所示的電路等效。石英晶體的參數(shù)溫度系數(shù)：溫度變化1C引起固有振動(dòng)頻率的相對(duì)變化量。拐點(diǎn)溫度：與溫度系數(shù)最小值相對(duì)應(yīng)的溫度。若需要將晶體置于恒溫槽內(nèi)，槽內(nèi)溫度就應(yīng)控制在這個(gè)拐點(diǎn)溫度上。負(fù)載電

18、容：對(duì)晶體而言的總外部電容。晶體必須在規(guī)定的負(fù)載電容下工作，才能保證標(biāo)稱頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。石英晶體諧振器的特點(diǎn)石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度非常高，主要是因?yàn)橛糜诜€(wěn)頻的石英晶體諧振器具有如下特點(diǎn)。i）石英晶體的物理性能和化學(xué)性能都十分穩(wěn)定。因此，其等效諧振電路中的元件參數(shù)都非常穩(wěn)定。Qii）石英晶體諧振器具有非常高的品質(zhì)因素q,因?yàn)長(zhǎng)rqQq值可達(dá)幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)q穩(wěn)定不變的能力極強(qiáng)。105106量級(jí)），維持振蕩頻率iii）石英晶體諧振器與晶體管之間的耦合很弱，即，晶體管對(duì)諧振回路的接入系數(shù)很小。rqCqP-C+CoqC沁qCoOv10晶體管C)qo外路對(duì)石央諧振的接入系髻小，對(duì)改善振蕩器的頻率穩(wěn)

19、定度有什么益處?外電路對(duì)石英諧振器的接入系數(shù)很小意味著石英諧振器與外電路的耦合非常弱，外電路中不穩(wěn)定參量對(duì)石英諧振器的影響很小，使石英晶體振蕩器的振蕩頻率基本不受外界不穩(wěn)定因素的影響。因此，由石英諧振器構(gòu)成的石英晶體振蕩器具有極高的頻率穩(wěn)定度。iv）石英晶體諧振器的二個(gè)諧振頻率a)當(dāng)L,Cqqr支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，其串聯(lián)諧振頻率q(5.5.1)fL,C,rb）當(dāng)頻率大于s時(shí)，q，Cq，；支路呈現(xiàn)感性，與C。發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)諧振頻率CCLqC+C2兀si+c=f(i+5.5.2)諧振時(shí)，滿足L-丄二丄pqCCqo般CC，oq=(0.002-0.003)，因此f，fsp非常接近。例如，5MHz

20、晶振二2.6x10-3,求得/-f=6.5KpsC）石英晶體諧振器的標(biāo)稱頻率N在實(shí)際振蕩電路中，晶體兩端往往并接有外部電容C如圖538所示。在這種情況下，晶體等效電路中的并接電容為CL+C，相應(yīng)的晶體的頻率為L(zhǎng)ofN二f(1+1Cq2C+C5.5.3)L0圖538石英晶體諧振器的標(biāo)稱頻率標(biāo)在晶體外殼上的振蕩頻率（即晶體的標(biāo)稱頻率）就是并接CCL時(shí)石英晶振的振蕩頻率fN。L的電抗頻率曲線如C圖539中虛線所示。負(fù)載電容L的值載于生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中，通常高頻晶體C=30pF,低頻晶體LC=100PF；T9C對(duì)于串聯(lián)型晶體振蕩器的石英諧振器，L的值標(biāo)識(shí)為CLfg，即無(wú)需外接負(fù)載電容。石英晶體諧振

21、器的電抗特性由圖5一36可知，忽略rq時(shí)，晶體兩端呈現(xiàn)的阻抗為純q電抗，其值近似為w1J)2w1Z沁jX=jee丿爐01(_P)2(5.5.4)式中為串聯(lián)諧振頻率，w1Lcc為并聯(lián)諧振頻率。LqoqC+Cqo由式（5.5.4）可畫(huà)出石英諧振器的電抗特性曲線如圖39中兩條實(shí)線所示。比較（5.5.2）和（5.5.3）可知Nf介于s和fp之間，顯然，晶體的負(fù)載電容CL越大，ff就越靠近s。圖539石英諧振器的電抗特性曲線由圖539可看出石英諧振器的電抗特性具有如下特點(diǎn)i）當(dāng)ff時(shí)，等效電抗呈現(xiàn)容性。該部分電抗特性曲線S平坦，頻率穩(wěn)定度差，通常不采用。ii）當(dāng)f=f時(shí)，LCq支路串聯(lián)諧振，近似于短路。

22、Xe=0sqqeiii）當(dāng)/f時(shí)，石英晶體諧振器的等效電抗呈現(xiàn)感性，sp石英諧振器具有極強(qiáng)的電抗補(bǔ)償能力。從圖539可知，當(dāng)fsf/時(shí)，Co呈現(xiàn)的容性起主要作用，X0。該頻pe段電抗特性曲線平坦，頻率穩(wěn)定性差，通常不工作于該區(qū)段。5.5.2晶體振蕩器電路根據(jù)晶體在振蕩電路中的作用不同，晶體振蕩器可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種電路。石英晶體在電路中可以起兩種作用：一種是石英晶體等效為電感元件，與其它回路元件一起按照三點(diǎn)式振蕩器的構(gòu)成原則組成三點(diǎn)式振蕩器。這類振蕩器稱為并聯(lián)型晶體振蕩器。在并聯(lián)型晶體振蕩器電路中，晶體必須作為感性元件，振蕩頻率在sep之間，e靠近另一種是石英晶體作為短路元件，串聯(lián)在正反饋

23、支路上，用以控制反饋的強(qiáng)弱，它工作在石英晶體的串聯(lián)諧振頻率es上，稱為串聯(lián)型晶體振蕩器。s1并聯(lián)型晶體振蕩器并聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體等效為感抗元件，用于代替三點(diǎn)式電路中的某個(gè)電感。并聯(lián)型晶體振蕩器有兩種形式。如圖540所示。（b）密勒（Mei）電路圖（a）中，石英晶體接在晶體管的c、b極之間構(gòu)成的電容三點(diǎn)式振蕩器，稱皮爾斯（Peerce）振蕩器；圖（b）中，石英晶體接在晶體管的b、e極之間構(gòu)成的電容三點(diǎn)式振蕩器，稱密勒（Miller）振蕩器。i）皮爾斯電路中的石英晶體接在晶體管c、b之間，無(wú)需再外接線圈，且頻率穩(wěn)定度高，得到廣泛應(yīng)用，圖541給出皮爾斯晶體振蕩器實(shí)用電路。(d)實(shí)際電路R、

24、b1R、b2構(gòu)成分壓式自偏壓偏置電路。為高頻扼CC流圈，b為旁路電容，c為耦合電容圖(b)給出高頻交流通路，日曰怦(b)高頻交流通路其中虛線框內(nèi)為石英晶體諧振器的等效電路CC1和2兩個(gè)電容串接后，并接在晶體兩端，構(gòu)成晶體的負(fù)載電容。如果其值等于晶體規(guī)定的CL值，那么振蕩電路的振蕩頻率就是晶體的標(biāo)稱頻率。實(shí)際上，在一些振蕩頻率準(zhǔn)確度要求很高的場(chǎng)合，振蕩電路中必須設(shè)置頻率微調(diào)元件，圖542給出一個(gè)電路實(shí)例。b)諧振回路等效電路(a)實(shí)際電路圖中C4為微調(diào)電容，用于改變并接在晶體上的負(fù)載電容從而微調(diào)振蕩器的振蕩頻率，達(dá)到要求的標(biāo)稱頻率。面將分析幾個(gè)與其工作特性相關(guān)的問(wèn)題。1)為什么要加微調(diào)電容？首先

25、，實(shí)際應(yīng)用中，外接負(fù)載電容不一定正好等于規(guī)定的C精品文檔值，因此晶體振蕩器的振蕩頻率fOSC一般不會(huì)正好等于石英晶體諧振器的標(biāo)稱頻率fN，有一個(gè)較小的偏差。通過(guò)在C電路中接入微調(diào)電容4，使晶體的外接電容達(dá)到規(guī)定的以確保晶體振蕩器的f=fosc通常Cc41C4c1、2串聯(lián)，再與0并聯(lián)，最后與q串聯(lián)構(gòu)成。所以有111=+,TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark80 CCCT1工q0寸1廿(5.5.5)+XTXTXTt121111C其中Cc+c+C,L為并接在晶體兩端總的外部Lt12電容，稱為晶體的負(fù)載電容。 HYPERLINK l bookmark88 ccc晶體的負(fù)

26、載電容L中包括與1、2并接的晶體管極間電容，而極間電容是極易隨溫度變化的不穩(wěn)定參數(shù)。顯然CL成為不穩(wěn)定量，進(jìn)一步導(dǎo)致晶體振蕩器頻率的不穩(wěn)定。為此，CC接入微調(diào)電容，且使CcCC，則CLCt。只要t1t2C選擇溫度系數(shù)較小的電容構(gòu)成t，就可改善L的穩(wěn)定性,使其等于規(guī)定的負(fù)載電容值。將式(5.5.5)簡(jiǎn)化為111=+CC1C+(工q0tCC(C+C)諧振回路總電容q0t工C+C+cq0t晶體振蕩器的頻率OSC龍LC(5.5.6)q工下面分析石英晶體振蕩器的振蕩頻率變化范圍(a)當(dāng)C，代入式(5.5.6)得1f=f_oscmin2njLCs(5.5.7)qq當(dāng)CT01(5.5.8)(b)t，代入式(

27、5.5.6)得結(jié)論：改變微調(diào)電容t可使晶體振蕩器的頻率產(chǎn)生微小變化。取Ct，得到晶體振蕩器頻率的的最小值foscmin=f；TOC o 1-5 h ztoscs取CT0，得到晶體振蕩器頻率的的最大值/=/。toscmaxp無(wú)論怎樣調(diào)節(jié)Ct，總有fsfOscfp，也就是說(shuō)振蕩頻率總是介于晶體串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)諧振頻率之間。由于只有在并聯(lián)諧振頻率fP附近時(shí)，晶體的電抗頻率特性曲線較陡，斜率大，晶體才有很強(qiáng)的電抗補(bǔ)償能力，使晶體C具有很高的頻率穩(wěn)定度。因此，t的取值應(yīng)較小2)諧振回路與晶體管之間的耦合很弱，那么能否滿足振幅的起振條件呢？(這部分內(nèi)容了解即可)t是與Coo以Pierce電路為例。因?yàn)镃

28、tC1,CtC2C數(shù)量級(jí)相同的小電容，分析接入系數(shù)時(shí)可將t并入CoCt的接入使晶體管的接入系數(shù)減小，即減弱了晶體管與石英晶體之間的耦合，有利于提高頻率穩(wěn)定度)，得圖544(c)所示的等效電路。(a)等效交流通路(b)等效諧振回路(c)求接入系數(shù)的簡(jiǎn)化諧振回路圖544Pierce電路等效交流通路由第二章的學(xué)習(xí)我們知道，石英晶體諧振器的品質(zhì)因素QqwLQ=qqqrq1L1-_q=7Crrqqqq_q_Cq(5.5.9)石英晶體諧振器的特性阻抗PC，石英晶體的并聯(lián)諧q振電阻R=Qpq(5.5.10)pLR=qprCqq由圖544(c)的c、e端看進(jìn)去的諧振阻抗為R=(n)2(n)2R=(n)2(n)

29、2QPpcecbpcecbqC式中，役二CT曠為振蕩管c、e端對(duì)回路C、b端的接入系數(shù);12Cq(5.5.11)UcbC+C+C為外電路對(duì)石英晶體諧振回的接入QLqCC系數(shù)；其中Cl=CtC-12n10-310-4Cb例：BA12型25MHZ精密石央諧振器，其參數(shù)L=19.5H，qC=2.1x10-4pF，qr11QQ，C=5pF。假定振蕩管輸出端對(duì)諧振回路的接入系數(shù)q0n=nnCeCb=1Q-4，求與振蕩管相耦合的等效阻抗R。p2兀fL解Q=q=2.8x106qrqlp=q=3.04x108丫qR=Qp=8.5x10i4pqR=（n）2Qp=8.5x106（Q）pcbq可見(jiàn)，由于石英晶體的Q

30、、p非常之大，R高達(dá)1010以上,p盡管回路的接入系數(shù)只有萬(wàn)分之一，R折合到晶體管輸出端p的等效阻抗仍很大，完全可以保證晶體管增益滿足振幅起振條件。ii）密勒振蕩器圖545給出密勒振蕩器電路。(a)率應(yīng)滿足怎樣的關(guān)系，該電路才能產(chǎn)生振蕩？be石英晶體諧振器連接在晶體管的、極之間。該電路實(shí)質(zhì)上是個(gè)雙回路振蕩電路，Ll、C1、是集電極回路元件，由于基極與發(fā)射極之間接入感性元件的晶體,根據(jù)相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則，L1、C1、回路必須等效為感性。如何保證回路等效為感性？必須牢記這張圖，必考！可變電容C1作為集電極回路的調(diào)諧電容，必須使回路的固有諧振頻率1滿足f1fosc，以確保諧振回路呈現(xiàn)感性。由于石

31、英晶體諧振器連接在晶體管的b、e極之間，正向偏置時(shí)，發(fā)射結(jié)電阻很小，并接在諧振回路二端對(duì)其Q值影響很大，從而影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度。鑒于此，密勒振蕩器通常不采用雙極型晶體管，而是用C輸入阻抗很高的場(chǎng)效應(yīng)管。如圖546所示。2通常由極間電容cgd構(gòu)成，這樣構(gòu)成電感三點(diǎn)式振蕩器。Cgd又稱為密勒電容。圖546場(chǎng)效應(yīng)管密勒振蕩器iii）并聯(lián)型泛首晶體振蕩器基音晶體的標(biāo)稱頻率與晶體的厚度近似成反比關(guān)系。目前廣泛采用的AT切割型石英諧振器，當(dāng)固有機(jī)械振蕩頻率（基頻）為1.615MHz時(shí)，晶片厚度為1mm；當(dāng)固有機(jī)械振蕩頻率（基頻）達(dá)15mhz時(shí)，晶片厚度為為0.08mm，即諧振頻率越高，晶體越薄，強(qiáng)力的

32、機(jī)械振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致晶片的損壞，而且晶片越薄，加工越困難。采用泛首諧振模式,提高晶振電路的頻率為了提高晶振電路的頻率，多采用泛首諧振模式，使電路振蕩頻率工作在晶體的諧波（一般為3次到七次諧波）頻率上泛首次數(shù)太高，晶體的性能也會(huì)顯著下降。解釋泛首，是指石英晶片振動(dòng)的機(jī)械諧波。它與電氣諧波的主要區(qū)別在于：電氣諧波與基頻是整數(shù)倍的關(guān)系，且諧波和基波同時(shí)存在；而泛音是在基頻奇數(shù)倍附近，泛音晶體只有奇次泛音晶體，而無(wú)偶次泛音晶體，且基頻和奇次泛音不能共存。泛音晶體是一種特制的晶體，例如JA12型。泛音晶體的使用，可使幾十兆赫基頻的晶片產(chǎn)生上百兆赫的穩(wěn)定振蕩。石英晶體工作于泛音時(shí)與基音晶振電路有些不同在泛音晶振

33、電路中，所需泛音可能獲得的機(jī)械振動(dòng)和相應(yīng)的電振蕩均相對(duì)較弱，且對(duì)于較高的振蕩頻率，器件的放大能力和諧振阻抗都比較小。結(jié)論：基音和低次泛音會(huì)因滿足振蕩條件更易于起振。應(yīng)采取什么措施有效地抑制基音和低次諧波的寄生振蕩，保證晶體振蕩器電路能準(zhǔn)確地工作于所需要的奇次諧波上，而不是基波或其它諧波？1)高次諧波的抑制正確的調(diào)節(jié)環(huán)路增益AF，使其在需要的諧波頻率上略大于1，滿足振幅起振條件，而在更高次的諧波頻率上都小于1，不滿足振幅起振條件。這樣可以有效地抑制不需要的高次諧波。2)抑制基波振蕩可采用圖547(a)給出的實(shí)際電路，在三點(diǎn)式振蕩電路中，用選頻回路來(lái)代替某支路的電抗元5(忸滋逐米取的措施:件，使這

34、一支路在基音和低次諧波頻率上呈現(xiàn)的電抗特性不滿足三點(diǎn)式振蕩器的組成法則，不能起振，而在所需要的諧波頻率上呈現(xiàn)電抗特性恰好滿足組成法則，符合起振條件而產(chǎn)生振蕩。泛音晶體振蕩電路與基音振蕩電路的不同：L1）用電感1和電容C組成的并聯(lián)諧振回路代替了基音晶體振蕩器中的電容C1。（與只適用于產(chǎn)生基音振蕩的圖542（b）相比）2）這個(gè)諧振回路的固有諧振頻率必須設(shè)計(jì)在該電路所需要的n次諧波和（n-2）次諧波之間。結(jié)果：對(duì)所需的其次泛音L1C1回路呈現(xiàn)容性，振蕩電路滿足三點(diǎn)式組成法則“射同基反”；而對(duì)于基頻和三次泛音頻率來(lái)說(shuō)，LiCi回路呈現(xiàn)感性，振蕩電路不符合三點(diǎn)式組成法則，不能起振；7次及其以上泛音頻率上

35、，L1C1回路雖然呈現(xiàn)容性，滿足“射同基反”的相位平衡條件，但L1C1對(duì)f7失諧嚴(yán)重，從而使電壓的放大倍數(shù)減小，環(huán)路增益AF1，不滿足振幅起振條件，不能產(chǎn)生振蕩。舉例：假設(shè)泛音晶振為5次泛音，標(biāo)稱頻率為5MHz，基頻為1MH，則L1C1回路必須調(diào)諧在5口3泛音之間。這樣在5MHz頻率上，L1C1回路呈現(xiàn)容性，振蕩電路滿足三點(diǎn)式組成法則“射同基反”，能夠起振，而在高次泛音，因L1Cl諧振回路失諧嚴(yán)重，AF1，不滿足振幅起振條件，不能產(chǎn)生振蕩。圖548L1C1回路的電抗特性LCf-1圖中滿足i1諧振回路的固有諧振頻率為fi-f3f1f5。L1C1對(duì)f3呈現(xiàn)感性，對(duì)f5呈現(xiàn)容性。2、串聯(lián)型晶體振蕩器

36、定義：串聯(lián)型晶體振蕩器是將石英晶體串接于正反饋支路中，利用其串聯(lián)諧振時(shí)等效為短路元件的特性，使反饋電壓信號(hào)最強(qiáng)，滿足振幅起振條件，振蕩器在晶體串聯(lián)諧振頻率fs上起振。圖549串聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)際電路(a)實(shí)際電路C二/Aq1=C2b)串聯(lián)型晶體振蕩器高頻等效交流電路將石英晶體短路，它就是一個(gè)電容三點(diǎn)式振蕩器。當(dāng)振蕩器的工作頻率fosc=f時(shí)，晶體以很小的電阻q接通正反饋通路產(chǎn)生振蕩；當(dāng)振蕩器的工作頻率偏離晶體串聯(lián)諧振頻率，即主f，晶體將呈現(xiàn)很大阻抗，使反饋電壓振幅減小，相oscs移增大，不能滿足起振條件。結(jié)果：電路的振蕩頻率受到石英晶體諧振器控制，具有很高的頻率穩(wěn)定度。必須注意的問(wèn)題：雖然串

37、聯(lián)型晶體振蕩器的振蕩頻率fosc是由晶體諧振器的oscfs決定。其穩(wěn)定性也是由晶體諧振器決定，而不是由選頻網(wǎng)絡(luò)決定的。這并不意味著其選頻網(wǎng)絡(luò)LCCC可取任何值。123如果由這幾個(gè)元件決定的固有頻率f0與s相差很大，則這個(gè)振蕩器不能起振。所以應(yīng)該合理選擇LCCC的數(shù)值，123使其調(diào)諧在fs上或附近。s同樣，可利用串聯(lián)型泛音晶體振蕩電路來(lái)提高振蕩頻率圖550串聯(lián)型泛音晶體振蕩器的高頻等效交流電路。LC用電感1和電容1組成的并聯(lián)諧振回路代替圖549CC(b)所示基音晶體振蕩器中的電容1和3。工作原理與并聯(lián)型泛音晶體振蕩器相同，不再贅述。5.5.4使用石英晶體諧振器時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(了解一下，對(duì)設(shè)計(jì)晶振有幫助)石英晶體諧振器上所標(biāo)志的標(biāo)稱頻率，負(fù)載電容CoL并聯(lián)在石英晶體諧振器二端總的外部電容值，稱為晶體的負(fù)載電容。晶體上的標(biāo)稱頻率都是成品出廠之前，在晶振兩端并接特定的負(fù)載電容C的條件下測(cè)定的。在實(shí)際使用L時(shí)，也必須將外電路并接在石英晶體諧振器兩端的總電容調(diào)整至規(guī)定的