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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 5.195.65.6 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非常重要的电气指标之一。例如电频率稳定度是振荡器非常重要的电气指标之一。例如电子钟时钟频率不稳，直接影响计时的精度；子钟时钟频率不稳，直接影响计时的精度；FMFM广播如广播如FMFM发射发射频率非常稳定，就可实现自动播音，取代有线广播。频率非常稳定，就可实现自动播音，取代有线广播。5.6.1 频率频率准确度准
2、确度和频率和频率稳定度稳定度 评价振荡频率的主要指标是频率准确度和稳定度。评价振荡频率的主要指标是频率准确度和稳定度。频率频率准确度准确度表明实际工作频率偏离标称频率的程度表明实际工作频率偏离标称频率的程度。它。它可以分为绝对频率准确度和相对频率准确度。可以分为绝对频率准确度和相对频率准确度。定义：定义：绝对频率准确度绝对频率准确度相对频率准确度相对频率准确度5.6.15.6.2 式中，式中，f f为实际工作频率，为实际工作频率，f fo o为标称频率。为标称频率。频率频率稳定度稳定度：是在指定是在指定时间间隔时间间隔时间间隔时间间隔内频率准确度变化的最内频率准确度变化的最大值大值。也分为绝对
3、频率稳定度和相对频率稳定度。也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度。常用相对常用相对频率稳定度表示。频率稳定度表示。5.6.3 频率稳定度频率稳定度按时间间隔分为按时间间隔分为:长期长期频率稳定度频率稳定度数月数月或或一年内一年内的相对频率准确度的相对频率准确度;短期短期频率稳定度频率稳定度一天内一天内的相对频率稳定度的相对频率稳定度;瞬时瞬时频率稳定度频率稳定度秒秒或或毫秒毫秒内的相对频率稳定度。内的相对频率稳定度。1.1.均方根值均方根值表示法：它是用在指定的时间间隔内测得的各频表示法：它是用在指定的时间间隔内测得的各频率准确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的。即率准确度与其平均值的偏差的
4、均方根值来表征的。即5.6.4 式中式中,n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：5.6.5 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
5、稳定度）5.6.2 5.6.2 频率稳定度分析频率稳定度分析 为寻求提高频率稳定度的途径，就必须找出引起频率不为寻求提高频率稳定度的途径，就必须找出引起频率不稳的因素。稳的因素。一、相位平衡条件一、相位平衡条件 由物理知识可知，任何平衡都要相应地考虑是否稳定平由物理知识可知，任何平衡都要相应地考虑是否稳定平衡。所谓稳定平衡是当外因使系统偏离原来的平衡状态，一衡。所谓稳定平衡是当外因使系统偏离原来的平衡状态，一旦外因消除后，系统能自动地恢复到原来的状态；否则就是旦外因消除后，系统能自动地恢复到原来的状态；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就属于稳不稳定平衡。例如一个小球放置在抛
6、物面形的锅底就属于稳定平衡，杂技表演者用头顶篮球就是不稳定平衡。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，通常情况下，人们希望它是稳定振荡作为正弦振荡器，通常情况下，人们希望它是稳定振荡其振荡的其振荡的幅度幅度、频率频率(相角相角)不随时间而变化。即使有变化，不随时间而变化。即使有变化，希望它尽快地恢复到原来的稳定状态。希望它尽快地恢复到原来的稳定状态。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化会使晶体管或者工作点的变化会使晶体管Y Yfefe的相角的相角fefe发生变化。相角发生变化。相角的变化必然会引起
7、频率的变化。因为的变化必然会引起频率的变化。因为1、外因使、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 ；二种可能情况：二种可能情况：不论上述哪种情况，频不论上述哪种情况，频率随相位的变化趋势是率随相位的变化趋势是：为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必须使得频率变化为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必须使
8、得频率变化时产生相反方向的相位变化，以补偿外因引起的相位变化。时产生相反方向的相位变化，以补偿外因引起的相位变化。因此，相位平衡的稳定条件是：因此，相位平衡的稳定条件是：5.6.6而振荡器的相移而振荡器的相移:5.6.7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。5.6.8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，由此可见，振荡器的相位平衡条件是靠并联回路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。回路的品质因数的相频特性来保证的。回路的品质因数Q值越高，这值越高，这种稳频能力越强。种稳频
9、能力越强。二、频率稳定度分析二、频率稳定度分析 根据式根据式5.4.65.4.6(变压器耦合变压器耦合)，振荡器的，振荡器的有关。从相位平衡条件可知，电路中任何一个相角发生变化有关。从相位平衡条件可知，电路中任何一个相角发生变化都会使振荡频率产生变化，而使振荡器重新平衡在某一新的都会使振荡频率产生变化，而使振荡器重新平衡在某一新的频率上。例如频率上。例如温度、湿度、电源电压、负载温度、湿度、电源电压、负载等的变化以及等的变化以及机机械振动械振动的影响都有可能引起回路元件参数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 、发生变化，而使发生变化，而使发
10、生变化。发生变化。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)当当变化时，变化时，也相应变化，只要相位平衡条件重新得也相应变化，只要相位平衡条件重新得5.6.9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 、对频率变化的敏感性远小于对频率变化的敏感性远小于 对频率变化的对频率变化的敏感性，即敏感性，即又又0则上式可近似写成则上式可近似写成5
11、.6.10 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：(1)要小。要尽量减小外界不稳定因素要小。要尽量减小外界不稳定因素的变化，最主要的变化，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化量的变化量(2)分分子子越小越好，在外界因素越小越好，在外界因素变化时，变化时，不完全同号，相互抵消。不完全同号，相互抵消。的变化量尽量小。或者设法使的变化量尽量小。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
12、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，越高，越接近越接近0相频特性就越大相频特性就越大。因此应尽量提高。因此应尽量提高Q值，减小值，减小 相角。相角。以上研究了提高频率稳定度的原则性措施，为了将上述以上研究了提高频率稳定度的原则性措施，为了将上述措施具体化，下面讨论振荡频率与措施具体化，下面讨论振荡频率与电路参量电路参量之间的关系。之间的关系。由相位平衡条件：由相位平衡条件：5.6.11得得则振荡频率则振荡频率为：为：即即5.6.12 对式对式5.6.12全微分得：全微分得：并联谐振回
13、路的相频特性为：并联谐振回路的相频特性为：当当时，时，5.6.13该式表明了该式表明了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重；对频率稳定度的影响最严重；(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
14、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化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化时保持其固有谐振频率不变的能力。谐振频率不变的能力。越小标准性越高。此外，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采取如下两方面的措施：要提高频率稳定度可采取如下两方面的措施：1 1.减小减小；2 2.减小外界因素对减小外界因素对0 0、Q Q、的影响，即为外界因的影响，即为外界因素变化时，设法使素变化时，设法使0 0、Q Q、尽可能小。尽可能小。1.减小外界因素变化减小外界因素变化
15、的措施的措施2.影响振荡频率的外界因素主要有：机械振动，环境温影响振荡频率的外界因素主要有：机械振动，环境温度度3.的变化、湿度及大气压力的变化、电源电压的变化、周围的变化、湿度及大气压力的变化、电源电压的变化、周围电电4.磁场的影响、负载不稳定等。磁场的影响、负载不稳定等。(1)机械振动：回路线圈、电容应具有较高的机械强度，机械振动：回路线圈、电容应具有较高的机械强度，底板和屏蔽罩必须结实。元器件焊接牢固。加防震措施和调底板和屏蔽罩必须结实。元器件焊接牢固。加防震措施和调谐回路锁定装置。谐回路锁定装置。(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
16、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。采用件的材料，如选用膨胀系数小的金属材料和介质材料。采用正负温度补偿。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。(3)湿度和大气压力：将振荡器和主要元件密封，还可湿度和大气压力：将振荡器和主要元件密封，还可选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)电源电压：采用性能好的稳压电源，振荡器单独供电源电压：采用性能好的稳压电源，振荡器单独供电。电。(5)周围电磁场的影响：采用电磁屏蔽措施。周围电磁场的影响：采用电磁屏蔽措施。(6)负载变化：加缓冲级（跟随器）。负载变化：加缓冲级（跟随器）。(7)老
17、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能力提高电路抗外界因素影响的能力 (1)提高振荡回路的标准性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变化所谓振荡回路的标准性就是指振荡回路在外界因素变化时，保持谐振频率不变的能力。因此，回路的标准性越高，时，保持谐振频率不变的能力。因此，回路的标准性越高，0随外界因素的变化越小。随外界因素的变化越小。在高在高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5.6.14 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
18、相降低。可见谐振频率相对变化量的对变化量的L和和C的相对变化量之和成正比。因此，提高回路的相对变化量之和成正比。因此，提高回路的标准性，也就是当外界因素变化时，减小的标准性，也就是当外界因素变化时，减小L和和C的相对变化的相对变化量。量。.采用高质量的回路元件采用高质量的回路元件 目前使用较广的是在高频陶瓷上用烧渗银的方法制成的目前使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。高质量的电容则采用膨胀系数小的金属（如殷钢）作极片的高质量的电容则采用膨胀系数小的金属（如殷钢）作极片的空气电容或云母
19、电容器。还可以采用温度补偿的方法。空气电容或云母电容器。还可以采用温度补偿的方法。.减小分布电容和引线电感。引线尽可能短，且应有减小分布电容和引线电感。引线尽可能短，且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，即减小不稳减小不稳定电容对回路标准性的影响，即减小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
20、，路总电容量的比重。所以，为了提高频率稳定度为了提高频率稳定度，在无线电，在无线电设备中总是希望设备中总是希望主振器工作在较低的频段主振器工作在较低的频段，然后，然后采用倍频采用倍频的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，即采用部分接尽量减小回路与负载、有源器件之间的耦合，即采用部分接入的方法。入的方法。.提高回路的有效提高回路的有效Q值。采用先进工艺提高线圈本身值。采用先进工艺提高线圈本身的的Q值。值。(2)减小相角减小相角 、及其变化量及其变化量 .是平均正向传输导纳的相角，它主要由
21、以下两个是平均正向传输导纳的相角，它主要由以下两个原因产生：一是载流子在基区渡越时间的影响。二是高次谐原因产生：一是载流子在基区渡越时间的影响。二是高次谐波的影响。前者可选用波的影响。前者可选用fT高的晶体管，使高的晶体管，使 减小，通常选减小，通常选fT=10f。后者，主要是因为回路的。后者，主要是因为回路的Q值有限，高次谐波在回值有限，高次谐波在回路上总有一定的压降，使得回路电压路上总有一定的压降，使得回路电压uC不是理想的正弦波而不是理想的正弦波而有畸变，通过反馈使集电极电流不是理想的尖顶余弦脉冲有畸变，通过反馈使集电极电流不是理想的尖顶余弦脉冲 .反馈系数相角反馈系数相角 是回路电压是
22、回路电压 与反馈电压与反馈电压 之间的之间的相角。产生这个相角的主要原因是由于基极电流的存在及在相角。产生这个相角的主要原因是由于基极电流的存在及在振荡回路中具有一定的损耗以及晶体管的振荡回路中具有一定的损耗以及晶体管的Gie、Goe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能力、提高电路抗外界因素影响的能力 高质量的回路元件、减小分布电容和引线电感、降低振高质量的回路元件、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荡频率（集中参数电容容量大，降低
23、不稳定电容占回路总电容量的比重）、提高回路的有效电容量的比重）、提高回路的有效Q值、减小相角值、减小相角 、及及其变化量其变化量稳定振荡频率的措施：稳定振荡频率的措施：5.75.7 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石英晶体振荡器分为并联型并联型和和串联型串联型两类电路。两类电路。u 并联型电路中，晶振等效为电感元件；并联型电路中，晶
24、振等效为电感元件；u 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附近，起短路附近，起短路作用。作用。u 还有一类是并联型泛音晶体振荡器，它是谐振在晶体基频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。的泛音频率上，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如图。振荡。振荡电路的选频网络由石英晶体和电容电路的选频网络由石英晶体和电容C1、C2组成。电路的交流组成。电路的交流
25、等效电路如等效电路如图图(b)所示。图中所示。图中Rb=Rb1Rb2。该等效电路类似。该等效电路类似于电容三点式振荡器。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 忽略晶体管级间参数的影响及忽略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(二项式定理展开式二项式定理展开式 )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.增加调节电容增加调节电容Ct,以调节晶振两端的负载
26、电容以调节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。调节电是并联在石英振荡器两端的外电路电容。调节电容容Ct，改变，改变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，区别就是两个分压电这种振荡器类似于三点式振荡器，区别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。成正反馈的作用。电路的
27、振荡频率就是石英振荡器的串联谐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 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，容易振碎。高，晶体越薄，容易振碎。因此，为了提高频率，可采因此，为了提高频率，可采用泛音（用泛音（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，泛音振荡器的区别就在于将与基频晶体振荡器相比，泛音振荡器的区别就在于将C用用L1C1代替
28、，用以控制泛音晶体工作在所需的泛音频率上。代替，用以控制泛音晶体工作在所需的泛音频率上。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是必不可少的，而且必须工作在是必不可少的，而且必须工作在n和和(n-2)次泛音之间次泛音之间（n为为标称泛音次数标称泛音次数），电路才能振荡在），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.注意幅度平衡条件和相位平衡
29、条件。注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 的的低频低频信号。信号。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，其振荡组成，其振荡频率通常频率通常f0可达一百兆赫以上可达一百兆赫以上高频高频信号信号。5.频率频率稳定度稳定度是振荡器非常重要的技术指标之一。是振荡器非常重要的技术指标之一。频率频率 稳定度按时间间隔分为稳定度按时间间隔分为长期长期、短期短期和和瞬时瞬时频率稳定度。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，可以采用石英正弦波振荡电路具有很高的频率稳定性时，可以采用石英 晶体振荡器，其振荡频率决定于石英晶体的固有频率，频晶体振荡器，其振荡频率决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。