正弦波振蕩電路

正弦波振蕩器5.1概述5.2LCR回路中的瞬變現(xiàn)象5.3LC振蕩器的基本工作原理5.4由正反饋的觀點來決定振蕩的條件5.5振蕩器的平衡與穩(wěn)定條件5.6反饋型LC振蕩器線路5.7振蕩器的頻率穩(wěn)定問題5.8石英晶體振蕩器1.自激振蕩：指沒有外加信號的作用下，電路能自動產(chǎn)生交流信號的一種現(xiàn)象。不需外界激勵就能自動地將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的電路，就是自激振蕩電路。2.振蕩器的分類正弦波振蕩器非正弦波振蕩器振蕩器波形產(chǎn)生機理反饋式振蕩器負阻式振蕩器反饋型LC振蕩器RC振蕩器石英晶體振蕩器從頻率上分高頻振蕩器低頻振蕩器微波振蕩器RC橋式RC移相變壓器反饋式振蕩器三點式電容三點式電感三點式概述3、振蕩器和放大器的異同4、振蕩器的用途1）信息傳輸系統(tǒng)的各種發(fā)射機中；2）在超外差式的各種接收機中；3）電子測試儀器中；如：高頻信號發(fā)生器、音頻信號發(fā)生器、Q表、數(shù)字式測量儀表等。4）工業(yè)方面如：高頻加熱設(shè)備、超聲波焊接、感應(yīng)加熱、介質(zhì)加熱。共性：都是能量轉(zhuǎn)換器，都將晶體管集電板直流電源供給能量轉(zhuǎn)換成交流能量輸出。異性：放大器需外來輸入信號激勵源——

他激振蕩器；振蕩器所需電壓取自輸出電壓的一部分——

自激振蕩器。二、電磁振蕩

所謂“諧振”，就能量關(guān)系而言，是指：回路中儲存的能量是不變的，只是在電感與電容之間相互轉(zhuǎn)換；外加電動勢只提供回路電阻所消耗的能量，以維持回路的等幅振蕩。

由于大多數(shù)振蕩器都是利用LC回路來產(chǎn)生振蕩的，因此應(yīng)首先研究LC回路中如何可以產(chǎn)生振蕩，作為研究振蕩器工作原理的預(yù)備知識。一、機械振蕩位能與動能之間的相互轉(zhuǎn)換。運動中不受阻力-----等幅振蕩運動中受阻力-----衰減振蕩LCR回路中的瞬變現(xiàn)象

可見，i沒有出現(xiàn)振蕩，說明電容在整個過程中一直在釋放存儲的能量。it0it0CLRCLR電能→磁能磁能→電能若LC回路無損耗，則電磁之間轉(zhuǎn)換就形成等幅振蕩。

但實質(zhì)LC回路中有損耗，故轉(zhuǎn)換過程中，一部分能量被損耗電阻所消耗，因而產(chǎn)生的是衰減振蕩，若無能量補充，振蕩會衰減至0，即停止。三、等幅振蕩的措施與條件1）采用“負電阻”來抵消回路損耗R的“正電阻”。方法：a.引入負電阻，如隧道二極管，——負阻振蕩器

b.引入正反饋

c.利用有源器件本身的負阻特性。

2）從外界能源取得一定能量，在適當條件下補償回路損耗。在實際電路中，將放大器的輸出信號，經(jīng)正反饋電路到輸入端進行能量補充，

從而產(chǎn)生等幅持續(xù)振蕩?！答佌袷幤?、措施2、條件1）含有兩個（或兩個以上）儲能元件。2）一個能量來源。3）一個控制設(shè)備（由電子管、晶體管、IC等）和正反饋電路實現(xiàn)。四、結(jié)論1、LC回路自由振蕩是產(chǎn)生等幅振蕩的根據(jù)

——內(nèi)因2、采用能量補充的方法抵消或補償回路損耗，維持等幅振蕩——外因ReRb1Rb2CeVCC1CBL1Cvs+-L2vf+-21、K接點“1”，則vs經(jīng)耦合電容CB加到三極管的基極。（諧振放大器）

1）

vs正半周時，T導(dǎo)電，ic給C充電

2）vs負半周時，T截止，C通過L放電

3）

vs作用下，LC回路獲能量產(chǎn)生振蕩注：T

每導(dǎo)通一次，則LC回路可維持等幅振蕩，回路的諧頻必須調(diào)諧在vs的頻率上，才能使回路獲得能量補充的時間與回路的振蕩“合拍”LC振蕩器的基本工作原理2、K接點“2”，使vf=vs

，通過Cb加到T的基極，使放大器自身輸出電壓取代vs，由于要求vf=vs,且同相，則此反饋為正反饋。（反饋放大器）ReRb1Rb2CeVCC1CBL1Cvs+-L2vf+-2ReRb1Rb2CeVCC1CBL1Cvs+-L2vf+-2由以上分析可知，振蕩電路具備四大環(huán)節(jié)：1）放大電路：由非線性有源器件組成，具有一定的功率增益，能維持振蕩回路不可避免的功率損耗。2）選頻回路：選擇滿足相位條件的一個頻率，常與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一。3）反饋網(wǎng)絡(luò)：實現(xiàn)正反饋，一般可以通過互感（變壓器）電感及電容等獲得正反饋電壓。4）非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：從AF>1回到AF=1，實現(xiàn)穩(wěn)幅振蕩。5）穩(wěn)定環(huán)節(jié)：幅度穩(wěn)定、相位穩(wěn)定。放大電路選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)由正反饋的觀點來決定振蕩的條件3）保證得到穩(wěn)定的穩(wěn)定條件

反饋振蕩電路必須在一個外加信號激勵下，電路才能正常振蕩，這顯然不符合實際要求，那么在沒有外加信號的條件下，電路是否能起振？放大電路AV選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)Fvs+-21ViVfV0

振蕩電路是單口網(wǎng)絡(luò)，無須輸入信號就能起振，起振的信號源來自何處？放大電路AV選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FViVfV0

1）振蕩從弱到強建立起來的起振條件：

2）維持等幅持續(xù)振蕩的平衡條件：放大電路AV選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FViVfV0（從無到有）

（由弱到強）起振條件：2）初始信號中，滿足相位平衡條件的某一頻率0的信號經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)后被保留。然而，這個頻率信號很微弱，很容易被干擾信號淹沒，不能形成一定幅度的輸出信號。因此，起振階段要求3）當輸出信號幅值增加到一定程度時，就要限制它繼續(xù)增加。（由增到穩(wěn)）1）接通電源瞬間引起的電壓、電流突變，電路器件內(nèi)部噪聲等。平衡條件：5.5.1振蕩器的平衡條件5.5.2振蕩器平衡狀態(tài)和穩(wěn)定條件振蕩器的平衡與穩(wěn)定條件

振蕩器要同時滿足起振條件和平衡條件，則要求AF必須具有非線性特性，即隨著振蕩電壓增大，AF將由大于1減到等于1。

在實際電路中，反饋網(wǎng)絡(luò)通常由無源線性元件組成（如LC、RC網(wǎng)絡(luò)等），其電壓反饋系數(shù)F為常數(shù)，因而要求放大器具有非線性的電壓放大倍數(shù)。

環(huán)路由起振到平衡的非線性過程可用下圖說明。0Vf=ViV0放大特性反饋特性P振蕩器的平衡條件

電源接通的瞬間，設(shè)擾動電壓中頻率為f0的分量電壓大小為Vi作為激勵信號，由放大特性可得輸出V01，在該電壓作用下，由反饋特性又得反饋量Vf1，而Vf1又作為放大器的輸入從而重復(fù)上述過程，這樣放大與反饋不斷相互激勵，V0與Vf（=Vi）不斷增大，這一起振過程直到兩曲線的交點P為止，起振到平衡的過程相當短暫，因而可認為一旦接通電源，振蕩即可建立起來。ViVf2V02Vf1V01V031）在OP段曲線②位于曲線①的上方，表示，即AF>1，滿足振幅起振條件。2）兩曲線的交點P，即，振蕩進入平衡狀態(tài)。放大電路AV選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FViVfV00Vf=ViV0放大特性反饋特性P

為了維持振蕩器穩(wěn)定工作，只滿足平衡條件和起振條件是不夠的，因為平衡條件只能說明振蕩可能平衡在某一狀態(tài)，而不能說明振蕩的平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。實際上，平衡狀態(tài)下的振蕩器仍然受到外界因素變化的影響而可能引起幅度和頻率不穩(wěn)。因此，還應(yīng)該分析保證振蕩器的平衡狀態(tài)不因外界因素變化而受到破壞的穩(wěn)定條件。

穩(wěn)定條件也分為振幅穩(wěn)定與相位穩(wěn)定兩種。

平衡狀態(tài)可分為穩(wěn)定平衡和不穩(wěn)定平衡。

穩(wěn)定平衡：是指在外因作用下，振蕩器在平衡點附近可重建新的平衡狀態(tài)。一旦外因消失，它即能自動恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。

不穩(wěn)定平衡：是指振蕩回路不斷偏離原平衡狀態(tài)，導(dǎo)致環(huán)路停振或突變到新的平衡點。振蕩器平衡狀態(tài)和穩(wěn)定條件1）振幅穩(wěn)定條件不穩(wěn)定的平衡穩(wěn)定的平衡即表明：在平衡點附近，放大器增益隨信號振幅的變化特性具有負斜率。

實際中，由于工作于大信號狀態(tài)下的非線性有源器件正好具有這種特性，自然具有穩(wěn)定幅度的功能。2）相位穩(wěn)定條件5.6.1互感耦合振蕩器5.6.2電感反饋式三端振蕩器

(哈特萊振蕩器)5.6.3電容反饋式三端振蕩器

(考畢茲振蕩器)5.6.4LC三端式振蕩器相位平衡條件 的判斷準則反饋型LC振蕩器線路2.根據(jù)LC選頻網(wǎng)絡(luò)接于晶體管電極的不同，分為c極調(diào)諧型（調(diào)集）、e極調(diào)諧型（調(diào)發(fā)）和b極調(diào)諧振型(

調(diào)基)電路。3.判斷是否滿足相位條件：瞬時極性法（正反饋）

N1、N2各有一端交流接地，則其它兩端的相位關(guān)系：若為同名端，則相位相同，若互為異名端，則相位相反。對于有抽頭的繞組（繞組有一端接地），其中間抽頭的相位與不接地的繞組端相位相同。1.采用互感耦合電路作為反饋網(wǎng)絡(luò)，即通過變壓器互感耦合將輸出信號送回輸入回路（形成正反饋），所形成的電路是互感耦合振蕩器?；ジ旭詈险袷幤?）c極調(diào)諧型（調(diào)集）電路3）e極調(diào)諧型（調(diào)發(fā)集）電路2）b極調(diào)諧振型(

調(diào)基)電路振蕩頻率：優(yōu)點：在調(diào)整反饋（改變M時），不影響振蕩頻率。缺點：工作頻率不宜過高，一般用于中、短波。由于三極管結(jié)電容和其它分布電容的存在，在頻率較高而LC回路電容較小時，將影響穩(wěn)定性。+++++-+++++++電路原理圖1）容易起振；變電容而不影響F。2）調(diào)整頻率方便；1）振蕩波形不夠好；

高次諧波反饋較強，波形失真較大。2）不適于很高頻率工作；分布電容和極間電容并聯(lián)于L1與L2兩端，F(xiàn)隨頻率變化而改變。優(yōu)點：缺點：+--++Vf-+V0+-CL1L2+電感反饋式三端振蕩器 (哈特萊振蕩器)一、考畢茲振蕩器電路原理圖優(yōu)點：缺點：變電容影響F，變電感不便。1）調(diào)整頻率不太方便。2）輸出波形較好。

高次諧波反饋較弱，波形接近正弦波。1）頻率穩(wěn)定度較好。分布電容和極間電容并聯(lián)于C1與C2兩端，被較大C1與C2

吸收。2）適用于較高的工作頻率。甚至可只利用器件的輸入電容和輸出電容。+--++Vf-+V0+-LC1C2電容反饋式三端振蕩器 (考畢茲振蕩器)

若要提高電容反饋式振蕩電路的振蕩頻率，則勢必要減小C1與C2的容量和L的電感量。實際上當C1與C2

減小到一定的程度時，晶體管的極間電容和電路中的雜散電容將影響振蕩頻率。這些電容等效為放大電路的輸入電容Ci和輸出電容C0，它們分別與C1和C2并聯(lián)。如圖所示。CiC0C3二、克拉潑振蕩器電路原理圖

由于晶體管的極間電容受溫度的影響，雜散電容又難于確定，因此電路的振蕩頻率不穩(wěn)定。為了穩(wěn)定頻率，可以在電感支路串聯(lián)一個小電容C3，而且C3<<C1，C3<<C2，此時振蕩頻率幾乎與C1、C2無關(guān)，當然也就幾乎與極間電容和雜散電容無關(guān)了。這電路稱克拉潑電路。

可見，通過調(diào)節(jié)C3來改變振蕩頻率w0時，并未影響F。說明調(diào)節(jié)頻率方便。Vf-+V0+-共基極克拉潑電路ReRb1Rb2C2VCCC1LC3CBRc+++C2C1LC3Vf-+V0+-三、西勒振蕩電路原理圖ReRb1Rb2C2VCCC1LCBRcC4C3C2C1LC4C3Vf-+V0+-三、西勒振蕩電路原理圖ReRb1Rb2C2VCCC1LCBRcC4C3C2C1LC4C3Vf-+V0+-

振蕩器的振蕩頻率應(yīng)低于L1和C1支路的串聯(lián)諧振頻率，此時，該支路呈容性，整個回路滿足電容三端的相位條件。方法一：判斷是否滿足相位條件：瞬時極性法（正反饋）

a.若電感（電容）的中間抽頭交流接地，則首端與尾端的相位相反；

b.若電感（電容）的首端或尾端交流接地，則電感（電容）其它兩個端點的相位相同。方法二：射同基反或源同柵反的判別法則與射極（源極）相接的電抗為同性電抗，而與基極（柵極）極和集電極（漏極）相接的電抗為異性電抗。一、相位條件的判斷三點式振蕩器：從LC振蕩回路引出三個端點分別和晶體管三個電極相連接采用電容分壓式反饋網(wǎng)絡(luò)的電路——電容三點式，又稱考皮茲振蕩器。采用電感分壓式反饋網(wǎng)絡(luò)的電路——電感三點式，又稱哈托萊振蕩器。用方法二來判斷振蕩電路的類型，就要畫等效電路。X2X3X1LC三端式振蕩器相位平衡條件的判斷準則二、畫等效電路的方法原則：

a.電阻不畫，晶體管保留。

b.電容（旁路電容、耦合電容、去耦電容）視為短路；

振蕩電容保留。

c.電感（高頻扼流圈）視為開路；振蕩電感保留。

d.直流電源視為零（電壓源短路，電流源開路）。區(qū)分旁路電容、耦合電容、去耦電容、振蕩電容方法：根據(jù)電容所處的位置或電容數(shù)值的大小來判別。旁路電容：直流偏置下的放大管將有一個電極交流接地，則該極上接的電容為旁路電容。耦合電容：在電源或負載的接入端，為避免直流電位受到破壞，則該處串接的電容可判為耦合電容。另外，從電容標的數(shù)值來判斷，由于振蕩電容相對為小電容，因而那些大電容一般可視為旁路、耦合或去耦電容。

方法：只畫晶體管和諧振回路，其余的不畫。三、求反饋系數(shù)的方法X2Vf+-X3X1-+V0Vf+--+V0X2X3X1LC三端式振蕩器組成法則(相位平衡條件的判斷準則)三端式振蕩器的原理電路三端式LC振蕩器是一種反饋式LC振蕩器。當回路元件的電阻很小，可以忽略其影響，同時也忽略三極管的輸入阻抗與輸出阻抗的影響，則電路要振蕩必須滿足條件：xbe+xce+xcb=0(回路諧振)

對于振蕩管而言，其集電極電壓vo與基極輸入電壓是反相的，二者相差180，為了滿足振蕩系統(tǒng)的相位平衡條件，反饋系數(shù)F也須產(chǎn)生180相位差，為此，xeb與xce必須性質(zhì)相同，即為同名電抗，則xcb必然為異名電抗。因為AF=1,F=1/A>0,所以F=xbe/xce>0,xeb與xce性質(zhì)相同回路中電壓電流的相位關(guān)系圖輸入電壓如圖所示，輸出電壓與輸入電壓倒相180°。由于L1C2支路為電感性，由在L1C2支路產(chǎn)生的電流IL應(yīng)滯后電壓90°，電流IL在C2上的電壓滯后電流90°，所以與再次倒相180°，從而與同相，形成正反饋。簡言之就是“ce，be同抗件，cb反抗件”

以此準則可迅速判斷振蕩電路組成是否合理，能否起振。也可用于分析復(fù)雜電路與寄生振蕩現(xiàn)象。

xeb、xce電抗性質(zhì)相同，xcb與xeb、xec電抗性質(zhì)相反。許多變形的三端式LC振蕩電路，xce和xbe、xcb往往不都是單一的電抗元件，而是可以由不同符號的電抗元件組成。但是，多個不同符號的電抗元件構(gòu)成的復(fù)雜電路，在頻率一定時，可以等效為一個電感或電容。根據(jù)等效電抗是否具備上述三端式LC振蕩器電路相位平衡判斷準則的條件，便可判明該電路是否起振。由此得出三端電路組成法則為：例:有一振蕩器的等效電路如圖所示,設(shè)有下列四種情況:(1)L1c1>L2c2>L3c3,(2)L1c1<L2c2<L3c3,,(3)L1c1=L2c2>L3c3,L1c1<L2c2=L3c3,

試分析上述四種情況是否都能振蕩,振蕩頻率f0與回路各諧振頻率有何關(guān)系?解:(1)L1c1>L2c2>L3c3,f1<f2<f3

當f2<fg<f3時,構(gòu)成電容三端式振蕩回路,(2)L1c1<L2c2<L3c3,,f1>f2>f3

當f2>fg>f3時,構(gòu)成電感三端式振蕩回路,(3)L1c1=L2c2>L3c3,f1=f2<f3

當f1=f2<fg<f3時,構(gòu)成電容三端式振蕩回路,(4)L1c1<L2c2=L3c3,f1>f2=f3

電路不能振蕩。三點式振蕩器為了滿足正反饋要求，與發(fā)射極相聯(lián)的兩個電抗元件必須是同性質(zhì)的，另一個是異性考畢茲電路哈特萊電路例5-1振蕩電路如圖(a)所示，試畫出交流等效電路，并判斷電路在什么條件下起振，屬于什么形式的振蕩電路？2)根據(jù)交流等效電路可知，因為xeb為容性電抗，為了滿足三端電路相位平衡判斷準則，xce也必須呈容性。同理，xcb應(yīng)該呈感性。(b)(a)解1)根據(jù)畫交流等效電路原則，將所有偏置視為開路，將耦合電容、交流旁路電容視為短路，則該電路的交流等效電路如圖(b)所示。L3C3C1C2Rb1Rb2C￠cCcRcReCeL1CjVCCebcC2C3eL3C1L1bc根據(jù)并聯(lián)諧振回路的相頻特性，當振蕩頻率f0＞f1(回路L1C1的固有頻率)時，L1C1呈容性。根據(jù)xbe+xce+xbc=0，L3C3回路應(yīng)呈感性，振蕩電路才能正常工作。由圖可知，f0＜f3時可以振蕩，等效為電容三端振蕩電路。其條件可寫為＜即L1C1＞L3C3并聯(lián)諧振回路的相頻特性例5-2有一振蕩器的交流等效電路如圖所示。已知回路參數(shù)L1C1＞L2C2＞L3C3，試問該電路能否起振，等效為哪種類型的振蕩電路？其振蕩頻率與各回路的固有諧振頻率之間有何關(guān)系？解：該電路要振蕩必須滿足相位平衡判斷準則。先假定xce、xbe均為電感，則xcb應(yīng)為電容。根據(jù)已知條件L1C1＞L2C2＞L3C3，則有f1＜f2＜f3，若要xce、xbe為電感，則應(yīng)該f0＜f1，f0＜f2，同時f0＞f3，由已知條件看出f0不可能同時大于f3小于f2，故不成立。若xce、xbe同為電容，則f0＞f2＞f1，同時應(yīng)該f0＜f3，有已知條件知振蕩頻率可滿足該條件，即f1＜f2＜f0＜f3，所以，該電路應(yīng)為電容三端振蕩器。C1L1C3L3C2L2ebc1.頻率不穩(wěn)定的危害1）信號源的振蕩頻率不穩(wěn)定，給測量工作帶來誤差；2）作為時間標準和頻率標準的振蕩器頻率不穩(wěn)定，會使這些標準的準確度降低；3）在無線電廣播，電視及各種通訊系統(tǒng)中，如果振蕩頻率不穩(wěn)定，將造成廣播、通訊的相互干擾，影響廣播、通訊的可靠性。2.頻率穩(wěn)定的標準1）中波廣播發(fā)射機要求的穩(wěn)定度為10-5；2）電視發(fā)射機要求為10-7；3）頻率標準的振蕩器要求為10-8~10-9；4）火星通訊的頻率穩(wěn)定度要求為10-11；5）金星定位（距地球5600萬公里）的頻率穩(wěn)定度要求為10-12。振蕩器的頻率穩(wěn)定問題1）準確度：振蕩器實際工作頻率f與標稱頻率f

0之間的偏差，稱為振蕩頻率準確度。a）絕對頻率準確度2）頻率穩(wěn)定度：是指在一定時間間隔內(nèi)，頻率準確度的變化。3.頻率穩(wěn)定的性能指標b）相對頻率準確度

根據(jù)所指定的時間間隔不同，頻率穩(wěn)定度可分為長期頻率穩(wěn)定度、短期頻率穩(wěn)定度和瞬間頻率穩(wěn)定度三種。

長期穩(wěn)定度：一般指幾天或幾個月

短期穩(wěn)定度：指一天內(nèi)，以小時、分、秒計

瞬時穩(wěn)定度：一般以秒或毫秒計影響振蕩頻率的有如下三種因素：１）振蕩回路參數(shù)Ｌ與Ｃ;２）回路電阻ｒ；３）有源器件的參數(shù)。4.影響振蕩頻率的因素以集電極振蕩器的振蕩頻率為例：5.穩(wěn)定頻率的方法１）穩(wěn)定Ｌ與Ｃ２）回路電阻ｒa）選取標準性高，不易發(fā)生機械變形的元件;b）維持振蕩的環(huán)境溫度恒定;c）溫度補償法。３）穩(wěn)定△hb和△hiba）在振蕩器和下級電路之間加緩沖器（射極跟隨器）起隔離作用；b）本級采用低阻抗輸出（射極輸出）。

由上面的分析可知，影響頻率穩(wěn)定度的一個重要因素就是Q，Q值越高，選頻特性就越好，其振蕩頻率的穩(wěn)定度就越高，而

但是，由于電感不可避免的有電阻，電容有漏電，這就使一般的LC諧振回路總會有損耗，它們的Q值難做得很高（LC型濾波器的品質(zhì)因數(shù)一般在100～200范圍內(nèi)）

，頻率的穩(wěn)定度也就難以做得很高，大約只能做到10-4~10-5，要進一步提高振蕩器的穩(wěn)定性，用LC振蕩器就難以實現(xiàn)，而需要采用品質(zhì)因數(shù)更高的選頻網(wǎng)絡(luò)，如石英晶振，品質(zhì)因數(shù)Ｑ可達幾萬甚至幾百萬，因而可以構(gòu)成工作頻率穩(wěn)定度極高，采用中精度的晶體，頻率穩(wěn)定度可達10-6數(shù)量級，若加單層恒溫控制，則可提高到10-7~10-8數(shù)量級，采用高溫精度晶體，可采用雙層恒溫控制，可達10-9~10-11數(shù)量級。5.8.1并聯(lián)諧振型晶體振蕩器5.8.2串聯(lián)諧振型晶體振蕩器石英晶體振蕩器

一般LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度Δf

/f0只能達到10-3

～10-5。若要求頻率穩(wěn)定度超過10-5，需用石英晶體振蕩器。１）石英晶體的物理和化學(xué)性能都十分穩(wěn)定；２）晶體的Ｑ值可高達數(shù)百萬數(shù)量級；３）在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶內(nèi)，具有極陡峭的電抗特性曲線，因而對頻率變化具有極靈敏的補償能力。石英晶體的特點

因此，用石英晶體作為振蕩回路元件，就能使振蕩器的頻率穩(wěn)定度大大提高。鐘、手表、計算機、微處理器、彩電、遙控器、各種振蕩電路、頻率發(fā)生器等。石英晶體的用途1、石英晶體化學(xué)成分：SiO2(二氧化硅)結(jié)構(gòu)：單晶體結(jié)構(gòu)。

外型：規(guī)則的幾何形狀,六棱柱,兩端是六棱錐。一、石英晶體與石英晶片X軸：電軸Y軸：機械軸

Z軸：光軸2、石英晶片

壓電石英是一種各向異性的結(jié)晶體。振蕩器中所用的石英片或石英棒都是按一定的方位從石英晶體中切割出來的。垂直于X軸而沿Y軸切割的，稱X切型。垂直于Y軸，而沿X軸切割的，稱為Y切型。除此外還有AT、BT、CT、DT、ET、GT等切型。雙面鍍銀并封裝石英晶體振蕩器（晶振）

石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振二、石英晶片的基本特征----壓電效應(yīng)

當機械力作用于晶體時，晶體兩面將產(chǎn)生電荷——正電效應(yīng)：機械能→電能，反之，當晶體兩面加不同極性電壓時，晶體尺寸將壓縮或伸張——負電效應(yīng)：電能→機械能。

當晶體薄片受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比。當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。

在石英晶體兩個管腳加交變電場時，它將會產(chǎn)生一定頻率的機械變形，而這種機械振動又會產(chǎn)生交變電場，上述物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。二、石英諧振動的電特性

當交變電壓加于晶體兩端時，首先晶片將隨交變信號變化產(chǎn)生機械振動，然后機械振動又反過來在晶片表面產(chǎn)生交變電荷。

當晶片的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時，它本身具有一固有機械振動頻率，如外加交變電壓的頻率與晶片固有振頻相等時，晶片機械振幅最大——共振，電極上產(chǎn)生的交變電流也最大，通過石英片的交變電流也最大，產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

通常，壓電效應(yīng)并不明顯。但是，當交變電場的頻率為某一特定值時，機械振動和交變電場的振幅驟然增大，產(chǎn)生共振，稱之為壓電振蕩。壓電振蕩三、石英晶體的符號和等效電路

當石英晶體不振動時，可等效為一個平板電容C0，稱為靜態(tài)電容；其值決定于晶片的幾何尺寸和電極面積，一般約為幾～幾十pF。

當晶片產(chǎn)生振動時，機械振動的慣性等效為電感Lq，其值為幾mH～幾十H。

晶片的彈性等效為電容Cq，為0.01～0.1pF，因此Cq

<<C0

。

晶片的摩擦損耗等效為電阻rq，約為100Ω，理想情況下rq=0。brqLqCqCoa1）Lq非常大，Cq和rq非常小，由，可知Q

極高，其值高達105~107數(shù)量級，故頻率穩(wěn)定度很高。特點：2）Co>>Cq，故接入系數(shù)

很小，一般為0.002~0.003，因而當石英諧振器接入電路時，電路的其它元件對諧振器的f和Q值影響很小，故頻率穩(wěn)定度高。fsfp電容性電容性電感性fXeO四、石英晶體的電抗特性Xq由于Cq<<C0，所以f

s≈f

p。

當?shù)刃щ娐分械腖q、Cq、rq支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振時，該支路呈純阻性，由于R<<C0的容抗，故可近似認為整體也呈純阻性。1）當f<

f

s時，石英晶體呈容性。4）當f>f

p時，C0容抗最大，起主導(dǎo)作用，石英晶體又呈容性。2）當f=

f

s時，石英晶體呈阻性。3）當f

s<f<f

p時，石英晶體呈感性。fsfp電容性電容性電感性

XqO五、石英晶體的應(yīng)用

O

容性

容性

感性

因此，振蕩電路可分為兩類：一類是作為等效電感元件，稱為并聯(lián)諧振型晶體振蕩器；另一類是作為串聯(lián)諧振元件，稱為串聯(lián)諧振型晶體振蕩器。

由于晶體在靜態(tài)時是呈電容性的，所以如果振蕩器的電路是設(shè)計在晶體呈現(xiàn)電容性時產(chǎn)生振蕩，那么就無法判斷晶體是否在工作。故石英晶體要么工作在感性區(qū)或工作在串聯(lián)諧振頻率上，決不能工作在容性區(qū)。

當石英晶體工作在感性區(qū)時（并聯(lián)諧振回路），電路諧振時的諧振頻率一般不能正好等于石英諧振器產(chǎn)品指標給出的標稱頻率（指石英晶振兩端并接某一規(guī)定負載電容CL時石英晶振的頻率），有一個很小的差別。需要負載電容校正。負載電容CL的值載于生產(chǎn)廠家的說明書中，通常為30PF(高頻晶體）或100PF（低頻晶體）或標∞（指無需外接負載電容，常用于串聯(lián)型晶體振蕩。

這類晶體振蕩器的振蕩原理和一般反饋式LC振蕩器相同，只要把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩回路之中，作為一個感性元件，并與其他回路元件一起按照三端電路的基本準則組成三端振蕩器。并聯(lián)諧振型晶體振蕩器一、皮爾斯電路（并聯(lián)諧振型晶體ｃ－ｂ型振蕩器電路）一般w0≠wN（標稱頻率），會有一個很小的差別，需要用負載電容進行校正。在使用時，常加入微調(diào)電容進行微調(diào)。C3C1C2JT共基極C3C1C2JT共射極C3ReRb1Rb2C2CeVCCC1RcJTC3C3二、密勒電路（并聯(lián)諧振型晶體b－e型振蕩器電路）

密勒振蕩電路右圖是場效應(yīng)管密勒振蕩電路。石英晶體作為電感元件連接在柵極和源極之間。LC并聯(lián)回路在振蕩頻率點等效為電感，作為另一電感元件連接在漏極和源極之間，極間電容Cgd作為構(gòu)成電感三點式電路中的電容元件。由于Cgd又稱為密勒電容，故此電路有密勒振蕩電路之稱。密勒振蕩電路通常不采用晶體管，原因是正向偏置時晶體管發(fā)射結(jié)電阻太小，雖然晶振與發(fā)射結(jié)的耦合很弱，但也會在一定程度上降低回路的標準性和頻率的穩(wěn)定性，所以采用輸入阻抗高的場效應(yīng)管。300p61~122mH0.02m2.2kVDDCgd10MW1MHz石英晶體在電路中相當于短路，振蕩頻率為wq共基極電路一串聯(lián)諧振型晶體振蕩器ReRb1Rb2C2VCCRLJTC1LC共基極電路二C1C2JTReL

解先畫出V1管高頻交流等效電路，如圖(b)所示，0.01F電容較大，作為高頻旁路電路，V2管是射隨器。由高頻交流等效電路可以看到，V1管的c、e極之間有一個LC回路，其諧振頻率為所以在晶振工作頻率5MHz處，此LC回路等效為一個電容?？梢?，這是一個皮爾斯振蕩電路，晶振等效為電感，容量為3-10pF的可變電容起微調(diào)作用，使振蕩器工作在晶振的標稱頻率5MHz上。例5-3圖(a)是一個數(shù)字頻率計晶振電路，試分析其工作情況。(b)(a)

Cj

＋VCC

20k

b

c

e

5.6k

20p

10/3p

330p

0.01m

5MHz

200p

v

1

4.7mH

2.7k

1.5k

v

2

20p10/3p200pecbv1330p4.7mH

1)畫出振蕩器的高頻等效電路，并指出電路的振蕩形式；

2)若把晶體換為1MHz，該電路能否起振，為什么？

3)求振蕩器的振蕩頻率；

4)指出該電路采用的穩(wěn)頻措施。例5-4已知石英晶體振蕩電路如圖所示，試求：

＋VCC

10k

b

2k

20-5pF

20pF

330mF

7MHz

4.2mH

1k

330pF

200pF

100pF

10pF

10mF

2.7k

6.8pF

0.01mF

穩(wěn)壓

0.01mH

7MHz

10pF

4.7m

330pF

200pF

20-5pF

要想電路起振，ce間必須呈現(xiàn)容性，4.7H和330pF并聯(lián)回路的諧振頻率為，4MHz=f0>1MHz，回路對于1MHz呈現(xiàn)感性，不滿足三點法則，所以把晶體換為1MHz，該電路不能起振。3）因為石英晶體的標稱頻率為7MHz所以該振蕩器的工作頻率即為7MHz。4）該電路采用的穩(wěn)頻措施有：采用晶體振蕩的克拉波電路；(b)振蕩與射級跟隨器是松耦合；(c)用射級跟隨器進行隔離；(d)低阻抗輸出（即射級輸出-能更好適應(yīng)負載阻抗的變化）(e)電源進行穩(wěn)壓，以保晶體管參數(shù)的穩(wěn)定性

寄生振蕩現(xiàn)象：即使沒有輸入信號，也有交流輸出。

放大器工作不穩(wěn)定被傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生失真引起晶體管的PN結(jié)被擊穿或瞬時損壞1.寄生振蕩的危害１）反饋型寄生振蕩2.寄生振蕩的類型及產(chǎn)生原因：由放大器的輸出與輸入間各種寄生反饋引