12M晶体振荡器课程设计.docx

晶体管振荡器设计第一章 振荡器的概述第一节 振荡器的定义在高频电子线路中，除了要有对各种电信号进展放大的电子线路外， 还需要有在没有鼓励信号的状况下产生周期性振荡信号的电子线路，这种电子线路就是振荡器。振荡器是一种能量转换器，它不需要外部鼓励就能自动地将直流电源共给的功率转换为制定频率和振幅的沟通信号功率输出，但凡能完成这一功能的装置都可以作为振荡器。振荡器一般由晶体管等有源器件和某种具有选频力量的无源网络组成。振荡器的种类很多，依据工作原理可分为反响型振荡器和负阻型振荡器，依据所产生的波形可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器；依据选频网络可分为 LC 振荡器晶体振荡器RC 振荡器等。本次设计主要是探讨晶体振荡器的设计。其次节 振荡器的根本原理一振荡具备条件构成一个振荡器必需具备以下三个条件：一. 一套振荡回路，包含两个两个以上储能元件。二. 一个能量来源，可以补充有振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡其中，这能源就是直流电源 Vcc.(三).一个掌握设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。一个振荡器的无需外加鼓励就能产生特定波形的沟通输出信号，这种振荡电路称为自激振荡器。自激振荡器产生的波形可能是正弦波，也可能是非正弦波。其中正弦波自激振荡器在播送通讯、自动掌握、仪器仪表、高频加热、超声探伤等领域有着广泛的应用；而非正弦振荡器能产生出矩形波方波、三角波、锯齿波等信号，这些信号可以用于测量设备、数字系统、自动掌握及计算机设备中。10二 振荡产生条件假设振荡器中要维持等幅的自激振荡，根本放大器输入端的反响信号必需和原输人信号幅度必需相等，同时相位也应一样。AF=1 就是产生自激振荡时 A、F 应满足的根本数学条件。其中 A 和 F 是频率的函数，一般也可以表示为复数形式。复数乘积 AF=1 的涵义就是振荡器电路的环路放大倍数等于 l ,同时复数的相位值等于 2n，其中 n=0,士 1, 士 2， 士 3，。总之，产生自激振荡既要满足幅度条件，也要满足相位条件。假设 AF<1,则 XfXi，则振荡幅度越来越小，最终将导致振荡电路停振。这也从反面说明白，只有 AF1，电路才能起振并能维持振荡。依据振荡条件，信号由图一中的输人端开头，沿环路绕行一周，必需保证其振幅与相位不变。一个振荡器必需同时满足这两个条件，才有可能产生自激振荡。图一 自激振荡器方框图振荡器中的反响支路常常承受电抗元件构成振荡信号频率确定后， 这些电抗元件和信号的频率就共同打算了此信号相移的大小。电路的起振假设是由频率成分丰富的噪声引起的，那么总会有其中的一个频率满足相位平衡条件。有了噪声作为起始信号，电路不需要另外送人信号， 就能产生输出信号。第三节 起振和稳幅 起振过程在自激振荡器中，起始瞬间的输入电压Xi的产生缘由有两种：一是在电路接通电源时取得。由于接通电源时，电路各处都存在瞬变过程，在输人端的瞬变电压即可作为起始输人电压；二是放大器中存在各种微小的电扰动和噪声电压。这两种缘由所取得的起始电压包含着极为丰富的各种频率重量它们中总会有符合相位条件的某个频率成分，最终成为自激信号的最初来源。至于振幅条件更简洁满足，由于开环放大倍数A 是无穷大，很简洁满足起振条件 AFl 的要求。为了保证电路在指定的频率上振荡起来，常常为这种自激振荡器安排一个谐振在指定频率上的选频回路，使电路更简洁在指定的频率上满足产生自激振荡的条件。放大器获得起始瞬时榆入电压了 Xi后，接着产生输出信号电压和正反响电压，并且经过放大器的选频后，指定频率的输出电压幅度增大了，反响电压的幅度也增大，经过电路的正反响、放大、再反溃、再放大的循环过程，使振荡电压由小到大渐渐建立起来。二 振幅的稳定振荡器接通电源开头起振时，起始信号可能很弱。此时放大器工作在线性放大区，信号被放大，其振幅渐渐增加，反响信号的振幅也随之增加。促使它们不断增大的因素是放大作用和正反响。当振幅增大到某种程度后，由于二极管特性的非线性，晶体三极管工作范围将超出放大区进人饱和区或截止区。放大器的放大倍数将显著下降，因而使输出信号振幅的增大程度变缓。另一方面，能量的损耗也会使输出信号振幅的增大程度变缓。由于振荡器所消耗的能量来自电源，故电路中所能取得的能量总是有限的。当振荡器输出信号的幅度加大时，其电路各局部的能量消耗也加大了包括负载的功率输出，由于能量的供给有限，使电路的输出振幅不行能无限增大。所以振荡器的振幅只能增大到某种程度，此后形成等幅振荡波形输出。第四节 正弦波振荡器图 二正弦波振荡器sin-wave oscillator可以输出单一颗率的正弦波，是应用最为广泛的振荡器。从构造上看， 正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反响放大器。图二a表示接成正反响时，因此有放大电路在输入信号时的方框图。可改画成图二b所示。由图可知，假设在放大器的输入端1 端外接肯定频率、肯定幅度的正弦波信号经过根本放大器和反响网络构成的环路传输后,在反响网络的输出端2 端) ，得到反响信号与在大小和相位上都全都,那么就可以去除外接信号，而将1、2两端连接在一起(如图中的虚线所示而形成闭环系统， 其输出端可能连续维持与开环时一样的输出信号。这样由于便有或正弦波振荡器的起振条件为：A。 F。1幅度平衡条件：A。 F。=1相位平衡条件：第五节 各种振荡器频率稳定度比较在工程应用中，要求正弦波振荡电路的振荡频率有肯定的稳定度， 有必要引用频率稳定度来作为衡量振荡电路的质量指标之一。频率稳定度一般用频率的相对变化量f/f0 来表示，f0 为振荡频率，f 为频率偏移。频率稳定度有时附加时间条件，如一小时或一日内的频率相对变化量。各振荡电路频率特性如图三振荡器一般 LC 振荡器频率范围几百 HZ几十频率稳定度克拉泼/西勒振荡器几HZ近千石英晶体振荡器几十HZ几十RC 振荡器二极管负阻振荡器几 HZ几百几百HZ几十图 三几种常见振荡电路频率特性其次章 石英晶体原理介绍第一节 石英晶体根本特性石英晶体振荡电路之所以具有极高的频率稳定度，主要是由于承受了具有极高 Q 值的石英晶体元件。 石英晶体的根本构造石英晶体是一种各向异性的结晶体，它是硅石的一种，其化学成分是二氧化硅 。 从一块晶体上按肯定的方位角切下的薄片称为晶片可以是正方形、矩形或圆形等)， 然后在晶片的两个对应外表上涂敷银层并装上一对金属板，就构成石英晶体产品，其内部将构造及符号示意图如图四所示：图四 石英晶体构造二 石英晶体压电效应假设在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生气械变形。反之，假设在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场， 这种物理现象称为压电效应。假设在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生气械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般状况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅格外微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多， 这种现象称为压电谐振，它与 LC 回路的谐振现象格外相像。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何外形、尺寸等有关。其次节 石英晶体等效电路石英晶体的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值( 等效于L/C)，因而它的品质因数 Q 高达 10000500000 的范围内。等效电路中元件的典型参数为：Co 分布电容很小：几pF几十 pF，L：几十mH几百 mH，C 动态电容：0.0002 pF 0.1pF。如图五所示。由等效电路可知， 石英晶体有两个谐振频率，即图五石英晶体的符号、等效电路和电抗特性1L-C-R 支路串联谐振2当 f>fs 时，L-C-R 支路呈感性，与 Co 产生并联谐振。由于 Co>>C，故 fPfS.图六 外接可调电容在实际应用中，通常串入一个用于校正振荡频率的小电容CS，如图六所示，图电路的电抗为 X”，则令上式中的分子为零得串联谐振：CS 一般承受微调电容，使fs”在 fs 和 fP 之间的一个狭窄的范围内调整。将上式开放成幂级数的形式，并考虑到 C<<C0+CS，则由于 Co几 pF几十 pF，C0.0002pF0.1pF，CS>C，所以振荡频率的相对变化量很小。第三章 12MHZ 石英晶体正弦波振荡器第一节 选择电路晶体振荡电路中，与一般 LC 振荡器的振荡原理一样，只是把晶体置于反响网络的振荡电路之中，作为一感性元件，与其他回路元件一起依据三端电路的根本准则组成三端振荡器。依据实际常用的两种类型， 电感三点式和电容三点式。常用电路简洁构造如图七和图八所示。由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性荣性之间有一条极陡峭的感抗曲线，而振荡器又被限定在此频率范围内工作。该电抗曲线对频率有极大的变化速度，亦即石英晶体在这频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。所以他具有很高的稳频力量，或者说具有很高的电感补偿力量。因此选用 c-b 型并联电路进展制作。图七 c-b 型电路图八b-e 型电路其次节 电路设计 主要技术指标：振荡频率： 。=12MHz 振荡波形：正弦波电源电压：+12V二 设计说明本试验所选择的电路为 CB 型并联电路，如下面图九所示：图九 12MHZ 并联型石英晶体振荡器及沟通等效电路三 选择晶体管和石英晶体。8 p r ( b b ” ) C ( b ” c )依据设计要求，按公式 max= (210) =24120MHzTH选择高频管 3DG6C 型晶体管作为振荡管。查手册其参数如下：T=250MHz；ß40，取 ß =50；NPN 型通用；额压：20V；Icm=20mA；Po= 0.1W； / ß=5 MHz。ßT石英谐振器可选用 HC-49S 系列，其性能参数为：标称频率 。=12 MHz；工作温度：-40+85；25时频率偏差：士 3×10-6 士 30×10-6；串联谐振电阻：60 W ；负载电容：C =10PF,鼓励L功率：0.010.1mW。四 确定静态 Q 点及各元件值依据手册查的：选取 3DG6C 的静态特性曲线工作点为： IE=2mA, Uce=0.6Vcc=0.6×12=7.2V；取 Uc=0.8Vcc=0.8×12=9.6V；Ue=0.2Vcc=0.2×12=2.4V则有 Rc=Vcc-Uc/ I =12-9.6/0.002=1.2K WERe= Ue/ I =2.4/0.002=1.2 K WE取 RB2=5Re=6 K WRB1=Vcc-Ue/Ue×RB2=24 K W依据实际的标称电阻值，取 Rc、Re、RB1、RB2 取精度为 1%的金属膜电阻Rc= Re= 1.2K W ；RB1= 24 K W，RB2=6.2 K W ；五 求C1C2Ct 的电容值在计算时，由下式计算的值=26 ß/ IE=650 W b依据 C1×C2=50/2×12×106×650×éæ fö 2 ù 2r (b ” e ) w 2 R e ê1 + ç÷ úëêè f b ø úû12001+( / ß)2½= 4341.3(PF)2依据负载电容的定义，对于图九所示的电路可以得出CL=1/(1/C1,2)+1/Ct式中，C1，2 为 C1 与C2 相串联的电容值，由上式可得LC1,2= Ct CL/ Ct- C容值，则假设取 Ct=30pF一般 Ct 应略大于负载电C1,2= Ct CL/ Ct- CL=30×10/30-10=15 pF由反响系数 F=C1/C2 和 C1,2=C1C2/C1-C2 两式联立解，并取 F=1/2则 C1=C1,2(1+F)=22.5 pF C2=C1,2(1+1/F)=45 pF依据电容量的标称值，取 C1、C2 为聚苯乙烯电容， C1=20pF, C2=40pF ，C1× C2=20×40=800(PF)24341.3(PF)2可见该值远小于由 C1×C2 乘机的极限值，故该电路满足起振条件。第四章 主要元器件清单元器件清单元件序号元件名称主要参数数量备注1RB124K12RB26K13Rc1.2K14Re1.2K15C120pF16C240pF17Cb0.01uF19Ce0.01uF110Ct100pF-VAR111L10uH112HC-49S。=12 MHz1133DG6CQ01参考文献：1、李银华电子线路设计指导北京航天航空大学出版社 2023年 6 月2、谢自美电子线路设计·试验·测试 华中科技大学出版社2023 年10 月3、张肃文年11 月4. 高吉利年 05 月5. 赵声衡/赵英05 月高频电子线路高频电子线路设计晶体振荡器高等教育出版社2023 电子工业出版社 2023 科学出版社 2023年