《第5章石英晶体振荡器分析优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第5章石英晶体振荡器分析优秀PPT.ppt（32页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第第5 5章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 (4)石英晶体振荡器石英晶体振荡器5.7.1 石英振荡器的性能与等效电路石英振荡器的性能与等效电路5.7.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器作业：作业：P185 5.18 5.195.6 5.6 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 频率稳定度是振荡器特别重要的电气指标之一。例如电频率稳定度是振荡器特别重要的电气指标之一。例如电子钟时钟频率不稳，干脆影响计时的精度；子钟时钟频率不稳，干脆影响计时的精度；FMFM广播如广播如FMFM放射放射频率特别稳定，就可实现自动播音，取代有线广播。频率特别稳定，就可实现自动播音，取代有线广播。5.6.1 5.6.1 频
2、率精确度和频率稳定度频率精确度和频率稳定度 评价振荡频率的主要指标是频率精确度和稳定度。评价振荡频率的主要指标是频率精确度和稳定度。频率精确度表明实际工作频率偏离标称频率的程度。频率精确度表明实际工作频率偏离标称频率的程度。它它可以分为确定频率精确度和相对频率精确度。可以分为确定频率精确度和相对频率精确度。定义：确定频率精确度定义：确定频率精确度相对频率精确度相对频率精确度 式中，式中，f f为实际工作频率，为实际工作频率，fofo为标称频率。为标称频率。频率稳定度：是在指定时间间隔内频率精确度变更的最频率稳定度：是在指定时间间隔内频率精确度变更的最大值。也分为确定频率稳定度和相对频率稳定度。
3、常用相对大值。也分为确定频率稳定度和相对频率稳定度。常用相对频率稳定度表示。频率稳定度表示。频率稳定度按时间间隔分为频率稳定度按时间间隔分为:长期频率稳定度长期频率稳定度数月或一年内的相对频率精确度数月或一年内的相对频率精确度;短期频率稳定度短期频率稳定度一天内的相对频率稳定度一天内的相对频率稳定度;瞬时频率稳定度瞬时频率稳定度秒或毫秒内的相对频率稳定度。秒或毫秒内的相对频率稳定度。1.1.均方根值表示法：它是用在指定的时间间隔内测得的各频均方根值表示法：它是用在指定的时间间隔内测得的各频率精确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的。即率精确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的。即 式中式中,n
4、为测量次数，为测量次数，为为n个测量数据的平均值。个测量数据的平均值。2.阿伦阿伦(Allon)方差方差表示法：表示法：式中，式中，每次测量的取样时间；每次测量的取样时间；n为测量组数；为测量组数；fo为为标称频率；标称频率；j为正整数为正整数(j=1,2,3,n)；f2j，f2j-1分别为分别为2j（偶（偶次）次）次和次和2j-1（奇次）次所测得的频率值。（奇次）次所测得的频率值。频率频率稳定度稳定度数据处理方法有数据处理方法有:（长期频率稳定度）（长期频率稳定度）（瞬时频率稳定度）（瞬时频率稳定度）（也叫秒级频率稳定度）（也叫秒级频率稳定度）5.6.2 5.6.2 频率稳定度分析频率稳定度
5、分析 为寻求提高频率稳定度的途径，就必需找出引为寻求提高频率稳定度的途径，就必需找出引起频率不起频率不稳的因素。稳的因素。一、相位平衡条件一、相位平衡条件 由物理学问可知，任何平衡都要相应地考由物理学问可知，任何平衡都要相应地考虑是否稳定平虑是否稳定平衡。所谓稳定平衡是当外因使系统偏离原来的平衡衡。所谓稳定平衡是当外因使系统偏离原来的平衡状态，一状态，一旦外因消退后，系统能自动地复原到原来的状态；旦外因消退后，系统能自动地复原到原来的状态；否则就是否则就是不稳定平衡。例如一个小球放置在抛物面形的锅底不稳定平衡。例如一个小球放置在抛物面形的锅底就属于稳就属于稳定平衡，杂技表演者用头顶篮球就是不稳
6、定平衡。定平衡，杂技表演者用头顶篮球就是不稳定平衡。作为正弦振荡器，通常状况下，人们希望作为正弦振荡器，通常状况下，人们希望它是稳定振荡它是稳定振荡其振荡的幅度、频率其振荡的幅度、频率(相角相角)不随时间而变更。即使有变更，不随时间而变更。即使有变更，希望它尽快地复原到原来的稳定状态。希望它尽快地复原到原来的稳定状态。不稳定因素也会破坏相位平衡条件。如电流电压的波动不稳定因素也会破坏相位平衡条件。如电流电压的波动或者工作点的变更会使晶体管或者工作点的变更会使晶体管YfeYfe的相角的相角fefe发生变更。相发生变更。相角角的变更必定会引起频率的变更。因为的变更必定会引起频率的变更。因为1、外因
7、使、外因使 ，表示反馈电压，表示反馈电压 uf超前原先的输入电压超前原先的输入电压 ui,相当于提高了回路的补充能量，使频率提高相当于提高了回路的补充能量，使频率提高 ；2、外因使、外因使 ，表示反馈电压，表示反馈电压 uf滞后原先的输入电压滞后原先的输入电压 ui,相当于减小了回路的补充能量，使频率下降相当于减小了回路的补充能量，使频率下降 ；二种可能状况：二种可能状况：不论上述哪种状况，频不论上述哪种状况，频率随相位的变更趋势是：率随相位的变更趋势是：为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必需使得频率变更为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必需使得频率变更时产生相反方向的相位变更，以补偿外因引起的相
8、位变更。时产生相反方向的相位变更，以补偿外因引起的相位变更。因此，相位平衡的稳定条件是：因此，相位平衡的稳定条件是：而振荡器的相移而振荡器的相移:式中，式中，为晶体管正向传输导纳相移，为晶体管正向传输导纳相移，为回路相移，为回路相移，为反馈网络相移。为反馈网络相移。当当时时因此，相位的稳定条件为因此，相位的稳定条件为 由此可见，振荡器的相位平衡条件是靠并联回路的相频特由此可见，振荡器的相位平衡条件是靠并联回路的相频特性来保证的。回路的品质因数性来保证的。回路的品质因数Q值越高，这种稳频实力越强。值越高，这种稳频实力越强。二、频率稳定度分析二、频率稳定度分析(变压器耦合变压器耦合)，振荡器的，振
9、荡器的有关。从相位平衡条件可知，电路中任何一个相角发生变更有关。从相位平衡条件可知，电路中任何一个相角发生变更都会使振荡频率产生变更，而使振荡器重新平衡在某一新的都会使振荡频率产生变更，而使振荡器重新平衡在某一新的频率上。例如温度、湿度、电源电压、负载等的变更以及机频率上。例如温度、湿度、电源电压、负载等的变更以及机械振动的影响都有可能引起回路元件参数械振动的影响都有可能引起回路元件参数(L、C、Q等等)。有。有源器件参量和相角源器件参量和相角 、发生变更，而使发生变更，而使发生变更。发生变更。令令代表外界不稳定因素，由于振荡器各相角都是外界不稳代表外界不稳定因素，由于振荡器各相角都是外界不稳
10、定因素定因素和频率的函数。所以相位平衡条件可以写成：和频率的函数。所以相位平衡条件可以写成：主要取决于回路的主要取决于回路的L、C，当然也与晶体管的参数，当然也与晶体管的参数(G)当当变更时，变更时，也相应变更，只要相位平衡条件重新得也相应变更，只要相位平衡条件重新得到满足，则到满足，则对式对式5.6.9全微分全微分因而因而由于由于 、对频率变更的敏感性远小于对频率变更的敏感性远小于 对频率变更的对频率变更的敏感性，即敏感性，即又又0则上式可近似写成则上式可近似写成 从式从式5.6.10可知提高振荡器频率稳定度的一般规律：可知提高振荡器频率稳定度的一般规律：要小。要尽量减小外界不稳定因素要小。
11、要尽量减小外界不稳定因素的变更，最主要的变更，最主要的是减小振荡回路固有频率的是减小振荡回路固有频率的变更量的变更量(2)分分子子越小越好，在外界因素越小越好，在外界因素变更时，变更时，不完全同号，相互抵消。不完全同号，相互抵消。的变更量尽量小。或者设法使的变更量尽量小。或者设法使三个量三个量(3)分分母母越大越好。即要求并联谐振回路相频特性的斜越大越好。即要求并联谐振回路相频特性的斜率要大，在较小斜率增量作用下，能产生足够的相位来补偿率要大，在较小斜率增量作用下，能产生足够的相位来补偿外因所引起的外因所引起的 的相移。的相移。由并联振荡回路的相频特性可知，由并联振荡回路的相频特性可知，Q越高
12、，越高，越接近越接近0相频特性就越大。因此应尽量提高相频特性就越大。因此应尽量提高Q值，减小值，减小 相角。相角。以上探讨了提高频率稳定度的原则性措施，为了将上述以上探讨了提高频率稳定度的原则性措施，为了将上述措施具体化，下面探讨振荡频率与电路参量之间的关系。措施具体化，下面探讨振荡频率与电路参量之间的关系。由相位平衡条件：由相位平衡条件：得得则振荡频率则振荡频率为：为：即即 对式对式5.6.12全微分得：全微分得：并联谐振回路的相频特性为：并联谐振回路的相频特性为：当当时，时，该式表明白该式表明白对频率稳定度影响的定量对频率稳定度影响的定量关系，可以看出：关系，可以看出：(1)均影响振荡器的
13、频率稳定度；均影响振荡器的频率稳定度；(2)对频率稳定度的影响最严峻；对频率稳定度的影响最严峻；(3)Q对频率稳定度的影响要考虑到系数对频率稳定度的影响要考虑到系数，Q越高，越高，越小，越小，Q的影响越弱；的影响越弱；(4)对频率稳定度的影响要考虑到系数对频率稳定度的影响要考虑到系数，Q越高，越高，越小，则越小，则的影响越弱。的影响越弱。结论：要提高频率稳定度，首先要提高回路的标准性。结论：要提高频率稳定度，首先要提高回路的标准性。所谓回路的标准性就是指回路在外界因素变更时保持其固有所谓回路的标准性就是指回路在外界因素变更时保持其固有谐振频率不变的实力。谐振频率不变的实力。越小标准性越高。此外
14、，要求越小标准性越高。此外，要求Q值要高，值要高，要小。要小。5.6.3 5.6.3 提高频率稳定度的措施提高频率稳定度的措施 要提高频率稳定度可实行如下两方面的措施：要提高频率稳定度可实行如下两方面的措施：1.1.减小减小；2.2.减小外界因素对减小外界因素对00、Q Q、的影响，即为的影响，即为外界因外界因素变更时，设法使素变更时，设法使00、QQ、尽可能小。尽可能小。减小外界因素变更减小外界因素变更的措施的措施 影响振荡频率的外界因素主要有：机械振影响振荡频率的外界因素主要有：机械振动，环境温度动，环境温度的变更、湿度及大气压力的变更、电源电压的变更、的变更、湿度及大气压力的变更、电源电
15、压的变更、四周电四周电磁场的影响、负载不稳定等。磁场的影响、负载不稳定等。(1)(1)机械振动：回路途圈、电容应具有较机械振动：回路途圈、电容应具有较高的机械强度，高的机械强度，底板和屏蔽罩必需牢固。元器件焊接坚固。加防震底板和屏蔽罩必需牢固。元器件焊接坚固。加防震措施和调措施和调谐回路锁定装置。谐回路锁定装置。(2)(2)温度：将主要元器件放在恒温槽中。合理选择回路温度：将主要元器件放在恒温槽中。合理选择回路元元件的材料，如选用膨胀系数小的金属材料和介质材料。接受件的材料，如选用膨胀系数小的金属材料和介质材料。接受正负温度补偿。也可用热敏电阻稳定偏置。正负温度补偿。也可用热敏电阻稳定偏置。(
16、3)(3)湿度和大气压力：将振荡器和主要元件密封，湿度和大气压力：将振荡器和主要元件密封，还可选还可选用吸潮性较小的介质和绝缘材料。用吸潮性较小的介质和绝缘材料。(4)(4)电源电压：接受性能好的稳压电源，振荡器单电源电压：接受性能好的稳压电源，振荡器单独供电。独供电。(5)(5)四周电磁场的影响：接受电磁屏蔽措施。四周电磁场的影响：接受电磁屏蔽措施。(6)(6)负载变更：加缓冲级（跟随器）。负载变更：加缓冲级（跟随器）。(7)(7)老化：预先对元器件进行老化处理。老化：预先对元器件进行老化处理。2.2.提高电路抗外界因素影响的实力提高电路抗外界因素影响的实力 (1)(1)提高振荡回路的标准性
17、提高振荡回路的标准性 所谓振荡回路的标准性就是指振荡回路在外界因素所谓振荡回路的标准性就是指振荡回路在外界因素变更变更时，保持谐振频率不变的实力。因此，回路的标准性越高，时，保持谐振频率不变的实力。因此，回路的标准性越高，00随外界因素的变更越小。随外界因素的变更越小。在高在高Q Q时，回路的谐振频率为时，回路的谐振频率为 对上式进行全微分得：对上式进行全微分得：即即 式中负号表示式中负号表示L或或C增加时，增加时，0降低。可见谐振频率相降低。可见谐振频率相对变更量的对变更量的L和和C的相对变更量之和成正比。因此，提高回路的相对变更量之和成正比。因此，提高回路的标准性，也就是当外界因素变更时，
18、减小的标准性，也就是当外界因素变更时，减小L和和C的相对变更的相对变更量。量。.接受高质量的回路元件接受高质量的回路元件 目前运用较广的是在高频陶瓷上用烧渗银的方法制成的目前运用较广的是在高频陶瓷上用烧渗银的方法制成的电感线圈。其特点是损耗小且温度膨胀系数小，吸水性小。电感线圈。其特点是损耗小且温度膨胀系数小，吸水性小。高质量的电容则接受膨胀系数小的金属（如殷钢）作极片的高质量的电容则接受膨胀系数小的金属（如殷钢）作极片的空气电容或云母电容器。还可以接受温度补偿的方法。空气电容或云母电容器。还可以接受温度补偿的方法。.减小分布电容和引线电感。引线尽可能短，且减小分布电容和引线电感。引线尽可能短
19、，且应有应有足够的机械强度，各引线和元器件的连接和安装尽可能牢足够的机械强度，各引线和元器件的连接和安装尽可能牢靠。靠。.减小不稳定电容对回路标准性的影响，即减小减小不稳定电容对回路标准性的影响，即减小不稳不稳定电容在回路中所占的比重。可以有两种方法，一是降低振定电容在回路中所占的比重。可以有两种方法，一是降低振荡频率，可选的集中参数电容容量大，降低不稳定电容占回荡频率，可选的集中参数电容容量大，降低不稳定电容占回路总电容量的比重。所以，为了提高频率稳定度，在无线电路总电容量的比重。所以，为了提高频率稳定度，在无线电设备中总是希望主振器工作在较低的频段，然后接受倍频的设备中总是希望主振器工作在
20、较低的频段，然后接受倍频的方法达到规定的频率。另外一种方法是在满足起振的条件下方法达到规定的频率。另外一种方法是在满足起振的条件下尽量减小回路与负载、有源器件之间的耦合，即接受部分接尽量减小回路与负载、有源器件之间的耦合，即接受部分接入的方法。入的方法。.提高回路的有效提高回路的有效Q Q值。接受先进工艺提高线圈值。接受先进工艺提高线圈本身本身的的Q Q值。值。(2)(2)减小相角减小相角 、及其变更量及其变更量 .是平均正向传输导纳的相角，它主要由以是平均正向传输导纳的相角，它主要由以下两个下两个缘由产生：一是载流子在基区渡越时间的影响。二是高次谐缘由产生：一是载流子在基区渡越时间的影响。二
21、是高次谐波的影响。前者可选用波的影响。前者可选用fTfT高的晶体管，使高的晶体管，使 减小，通常选减小，通常选fT=10f fT=10f。后者，主要是因为回路的。后者，主要是因为回路的Q Q值有限，高次谐波在回值有限，高次谐波在回路上总有确定的压降，使得回路电压路上总有确定的压降，使得回路电压uCuC不是志向的正弦波而不是志向的正弦波而有畸变，通过反馈使集电极电流不是志向的尖顶余弦脉冲有畸变，通过反馈使集电极电流不是志向的尖顶余弦脉冲 .反馈系数相角反馈系数相角 是回路电压是回路电压 与反馈电与反馈电压压 之间的之间的相角。产生这个相角的主要缘由是由于基极电流的存在及在相角。产生这个相角的主要
22、缘由是由于基极电流的存在及在振荡回路中具有确定的损耗以及晶体管的振荡回路中具有确定的损耗以及晶体管的GieGie、GoeGoe的存在。的存在。1、减小外界因素、减小外界因素 振动、温度、湿度、电源、负载、电磁场。振动、温度、湿度、电源、负载、电磁场。2、提高电路抗外界因素影响的实力、提高电路抗外界因素影响的实力 高质量的回路元件、减小分布电容和引线电感、降低振荡高质量的回路元件、减小分布电容和引线电感、降低振荡频率（集中参数电容容量大，降低不稳定电容占回路总电容频率（集中参数电容容量大，降低不稳定电容占回路总电容量的比重）、提高回路的有效量的比重）、提高回路的有效Q值、减小相角值、减小相角 、
23、及其变及其变更量更量稳定振荡频率的措施：稳定振荡频率的措施：5.7 5.7 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英谐振器的符号和等效电路如图所示。其串联石英谐振器的符号和等效电路如图所示。其串联谐振频谐振频率为：率为：当等效电路并联时，并联谐振频率为：当等效电路并联时，并联谐振频率为：xo 容性 O 容性 wq wp 感性 Crq Cq Lq JT b a 石英晶体振荡器分为并联型和串联型两类电路。石英晶体振荡器分为并联型和串联型两类电路。并联型电路中，晶振等效为电感元件；并联型电路中，晶振等效为电感元件；串联型电路中，晶振工作在串联谐振频率串联型电路中，晶振工作在串联谐振频率fqfq旁边，起短路
24、作旁边，起短路作用。用。还有一类是并联型泛音晶体振荡器，它是谐振在晶体基频的还有一类是并联型泛音晶体振荡器，它是谐振在晶体基频的泛音频率上，是一种特制的晶体。泛音频率上，是一种特制的晶体。三种基本的晶体振荡电路三种基本的晶体振荡电路 1 1、并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器 并联型石英晶体正弦波振荡电路的电路原理并联型石英晶体正弦波振荡电路的电路原理如图。振荡电路的选频网络由石英晶体和电容如图。振荡电路的选频网络由石英晶体和电容C1C1、C2C2组成。电路的沟通等效电路如图组成。电路的沟通等效电路如图(b)(b)所示。图中所示。图中Rb=Rb1Rb2Rb=Rb1Rb2。该等效电路类似于
25、电容三点式振荡器。该等效电路类似于电容三点式振荡器。并联石英晶体振荡器及等效电路并联石英晶体振荡器及等效电路式中式中 忽视晶体管级间参数的影响及忽视晶体管级间参数的影响及rq的影响，近似认为振荡频的影响，近似认为振荡频率等于回路的谐振频率，即率等于回路的谐振频率，即(二项式定理绽开式二项式定理绽开式 )并接在晶振两端的电容并接在晶振两端的电容CL，为晶振，为晶振的负载电容，是由厂家定的。高频为的负载电容，是由厂家定的。高频为30pF,低频为低频为100pF.增加调整电容增加调整电容Ct,以调整晶振两端的负载电容以调整晶振两端的负载电容 电容电容CL是并联在石英振荡器两端的外电路电容。调整电是并
26、联在石英振荡器两端的外电路电容。调整电容容Ct，变更，变更CL,使振荡频率正好等于使振荡频率正好等于fN（标称频率）。（标称频率）。C1、C2选大，波形好，但不易选大，波形好，但不易起振。起振。Ct与晶体相串联与晶体相串联 2 2、串联型石英晶体振荡器、串联型石英晶体振荡器 这种振荡器类似于三点式振荡器，区分就是两个分压电这种振荡器类似于三点式振荡器，区分就是两个分压电容容C1、C2的中间抽头通过石英谐振器接到晶体管的发极，完的中间抽头通过石英谐振器接到晶体管的发极，完成正反馈的作用。电路的振荡频率就是石英振荡器的串联谐成正反馈的作用。电路的振荡频率就是石英振荡器的串联谐振频率振频率fq。xo
27、 容性 O 容性 wq wp 感性 3、并联型泛音振荡器、并联型泛音振荡器 晶体振荡器的振荡频率越晶体振荡器的振荡频率越高，晶体越薄，简洁振碎。高，晶体越薄，简洁振碎。因此，为了提高频率，可接因此，为了提高频率，可接受泛音（受泛音（37次）工作方式。次）工作方式。如图，如图，L1C1等效为等效为C，晶振，晶振为为5MHz，为，为5次泛音，次泛音，L1C1应应调谐在调谐在35次之间（选为次之间（选为 与基频晶体振荡器相比，泛音振荡器的区分就在于将与基频晶体振荡器相比，泛音振荡器的区分就在于将C用用L1C1代替，用以限制泛音晶体工作在所需的泛音频率上。代替，用以限制泛音晶体工作在所需的泛音频率上。
28、3.5MHz），此时），此时L1C1呈现电容。电路等效为电容三点式振呈现电容。电路等效为电容三点式振荡电路。荡电路。L1C1是必不行少的，而且必需工作在是必不行少的，而且必需工作在n和和(n-2)次泛音之间次泛音之间（n为标称泛音次数），电路才能振荡在为标称泛音次数），电路才能振荡在n次泛音上。次泛音上。本章小节本章小节1.一般来说，正弦波振荡电路由四部分组成：一般来说，正弦波振荡电路由四部分组成：放大电路、放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。反馈网络、选频网络和稳幅环节。2.2.留意幅度平衡条件和相位平衡条件。留意幅度平衡条件和相位平衡条件。3.RC振荡电路的选频网络由电阻振荡电路的选频
29、网络由电阻R和电容和电容C组成，其振荡组成，其振荡频率与频率与RC成反比，这种振荡器可产生几赫至几百千赫成反比，这种振荡器可产生几赫至几百千赫4.的低频信号。的低频信号。5.4.LC振荡电路的选频网络由电感振荡电路的选频网络由电感L和电容和电容C组成，其振组成，其振荡频率通常荡频率通常f0可达一百兆赫以上高频信号可达一百兆赫以上高频信号。5.频率稳定度是振荡器特别重要的技术指标之一。频率稳定度是振荡器特别重要的技术指标之一。频率频率 稳定度按时间间隔分为长期、短期和瞬时频率稳定度。稳定度按时间间隔分为长期、短期和瞬时频率稳定度。6.石英晶体振荡器相当于一个高石英晶体振荡器相当于一个高Q值的值的LC电路。电路。当要求当要求 正弦波振荡电路具有很高的频率稳定性时，可以接受石英正弦波振荡电路具有很高的频率稳定性时，可以接受石英 晶体振荡器，其振荡频率确定于石英晶体的固有频率，频晶体振荡器，其振荡频率确定于石英晶体的固有频率，频 率稳定度可达率稳定度可达10-610-8的数量级。的数量级。