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1、第第5章讲课内容章讲课内容本讲稿第一页，共六十二页本讲稿第二页，共六十二页振荡器分类振荡器分类本讲稿第三页，共六十二页 主要技术指标：主要技术指标：1.振荡频率振荡频率f及频率范围及频率范围:2.频率稳定度频率稳定度:调频广播和电视发射机要求调频广播和电视发射机要求:10-510-7左右左右 标准信号源标准信号源:10-610-12 要实现与火星通讯要实现与火星通讯:10-11 要为金星定位要为金星定位:10-12 3.振荡的幅度和稳定度振荡的幅度和稳定度:4.频谱频谱(残波辐射残波辐射):讨论内容讨论内容:从振荡原理入手研究振荡器判据、寻求振荡条件的从振荡原理入手研究振荡器判据、寻求振荡条件

2、的分析方法，讨论各种振荡电路，基本线索是振荡器的频率稳定分析方法，讨论各种振荡电路，基本线索是振荡器的频率稳定度。度。本讲稿第四页，共六十二页4 反馈振荡电路的判断反馈振荡电路的判断根据上述反馈振荡电路的基本原理和应当满足的起振、平衡和稳定三个条件，判断一个反馈振荡电路能否正常工作，需考虑以下几点：(1)可变增益放大器件(晶体管，场效应管或集成电路)应有正确的直流偏置，起振开始时应工作在甲类状态，以便于起振。(2)开始起振时，环路增益幅值应大于1。由于反馈网络通常由无源器件组成，反馈系数F通常小于1，故要求A(jw0)必须大于1。一般共发射极、共基极电路都可以满足这一条件。另外，为了增大A(j

3、w0)，负载电阻不能太小。(3)环路增益的相位在振荡频率点应为2的整数倍，即环路应为正反馈。(4)选频网络在振荡频率点附近应具有负斜率的相频特性本讲稿第五页，共六十二页例1判断图示各反馈振荡电路能否正常工作。电路由两级共发射极反馈电路组成，其瞬时极性如图中所标注，所以是正反馈。LC并联回路同时担当选频和反馈作用，且在谐振频率点上反馈电压最强。在讨论选频网络的相频特性时，一定要注意应采用其阻抗特性还是导纳特性。对于图(a)，LC并联回路输入的是VT2的集电极电流ic2，输出的是反馈到VT1发射结的电压ube1，所以应采用其阻抗特性。根据图1.7可知,并联回路的阻抗相频特性在谐振频率点上具有负斜率

4、。综上所述，图(a)所示电路满足相位条件及其相位稳定条件，因此能够正常工作。本讲稿第六页，共六十二页由于并联回路导纳的相频特性在谐振频率点上是正斜率，所以不满足相位稳定条件。根据瞬时极性判断法，如把LC并联回路作为一个电阻看待，则为正反馈。但LC并联回路在谐振频率点的阻抗趋于无穷大，正反馈最弱。同时对于此LC并联回路来说，其输入是电阻Re2上的电压，输出是电流，所以应采用其导纳特性。综上所述，图(b)电路不能正常工作。本讲稿第七页，共六十二页图(b)不同之处在于用串联回路置换了并联回路。由于LC串联回路在谐振频率点的阻抗趋于零，则VT1输入端的正反馈最强，且其导纳的相频特性在谐振频率点上是负斜

5、率，满足相位稳定条件，所以图(c)所示电路能正常工作。另外，图(c)中在VT2的发射极与VT1的基极之间增加了一条负反馈支路，用以稳定电路的输出波形。本讲稿第八页，共六十二页例2下图所示为互感耦合反馈振荡器，画出其高频等效电路，并注明电感线圈的同名端。本讲稿第九页，共六十二页本讲稿第十页，共六十二页本讲稿第十一页，共六十二页例例3 试将下图所示的几种振荡器交流等效电路改画成实际电路，对于试将下图所示的几种振荡器交流等效电路改画成实际电路，对于互感耦合振荡器电路须标注同名端，对双回路振荡器须注明回路固有互感耦合振荡器电路须标注同名端，对双回路振荡器须注明回路固有谐振频率的范围。谐振频率的范围。本

6、讲稿第十二页，共六十二页本讲稿第十三页，共六十二页例例4：下图是三个谐振回路振荡器的交流等效电路。如果电路参数之间的关系式为：（1）L1C1L2C2L3C3；（2）L1C1=L2C2L2C2L3C3时，123三个回路的电抗曲线和合成曲线如右图所示。可以满足x=x1+x2+x3=0的角频率为I和II两个。其中唯有II满足相位平衡条件，其中：23，因而电路可振荡在II上，此时c-e和b-e间呈容抗，b-c间呈感抗，电路属于电容三点式振荡器。本讲稿第十五页，共六十二页（2）L1C1=L2C23三个回路的电抗曲线和合成曲线如右图所示。可以看到，满足x=x1+x2+x3=0的角频率为0,且在角频率上满足

7、相位平衡条件，因而电路可能振荡在0上。此时：301，c-e，b-e间呈现感抗，b-e间呈现容抗，是电感三点式振荡电路。本讲稿第十六页，共六十二页例例5检查图示的振荡器线路，有那些错误？并加以改正。题意分析题意分析：检查振荡器线路是否正确一般步骤为：（1）检查交流通路是否正确及是否存在正反馈，正反馈的判断对互感耦合电路应检查同名端，对三端式电路检查是否满足“射同余异”的组成原则；（2）检查直流通路是否正确。需要进一步注意的是，为了满足起振的振幅条件，起振时应使放大器工作在线性放大区，即对于三极管电路，直流通路应使得be结正偏、bc结反偏。本讲稿第十七页，共六十二页解解：图（a）为互感耦合的振荡器

8、，交流通路正确，但反馈为负反馈，故应改变同名端；检查直流通路发现，基极直流电位被短路接地，故应加隔直电容。改正后的电路如图所示。图（b）为三端式的振荡器，检查交流通路时发现基极悬空，而发射极由于旁路电容CE存在，使其短路接地，回路电容C1被短路掉，故去掉旁路电容CE、基极增加一旁路电容，这样才满足三端式组成原则；直流通路正确。改正后的电路如图所示。讨论：在高频电子线路中，直流要有直流通路，交流要有交流通路，讨论：在高频电子线路中，直流要有直流通路，交流要有交流通路，必须要遵守。分析时，一般先检查交流通路是否正确，是否满足正反必须要遵守。分析时，一般先检查交流通路是否正确，是否满足正反馈的要求，

9、再检查直流通路是否正确，这样不易出错。上述步骤全部馈的要求，再检查直流通路是否正确，这样不易出错。上述步骤全部完成后，再复查一下，以免顾此失彼完成后，再复查一下，以免顾此失彼.本讲稿第十八页，共六十二页ECLC2C3C1Rb1Rb2CbReRc例6：如图所示，C1C21000pFL=20uH,QL=50,C3=68125pF,若gm=8.2mS,求振荡频率范围。解：当C3125pF时，C C3当C3减小到一定时，起振条件不满足，将停振。本讲稿第二十一页，共六十二页3.6晶体振荡器晶体振荡器(Crystal Oscillator)本讲稿第二十五页，共六十二页 1 石英晶体的物理特性：石英晶体的物

10、理特性：石英是石英是矿物物质硅石的一种（也可人工制造），化学成分是硅石的一种（也可人工制造），化学成分是SiO2，其形状，其形状为结晶的六角晶的六角锥体。体。图(a)表示自然表示自然结晶体，晶体，图(b)表示晶体的横截面。表示晶体的横截面。为了便于研究，人了便于研究，人们根据石英晶体的物理根据石英晶体的物理特性，在石英晶体内画出三种几何特性，在石英晶体内画出三种几何对称称轴，连接两个角接两个角锥顶点点的一根的一根轴ZZ，称，称为光光轴，在，在图(b)中沿中沿对角角线的三条的三条XX轴，称，称为电轴，与，与电轴相垂直的三条相垂直的三条YY轴，称，称为机械机械轴。Y X1 X Y Z Y Y X

11、X Y Y X X Y Y X X(a)(b)本讲稿第二十六页，共六十二页沿沿着着不不同同的的轴轴切切下下，有有不不同同的的切切型型，X切切型型、Y切切型型、AT切切型型、BT、CT等等。等等。石英晶体具有正、反两种压电效应。当石英晶体沿某一电轴受到交石英晶体具有正、反两种压电效应。当石英晶体沿某一电轴受到交变电场作用时，就能沿机械轴产生机械振动，反过来，当机械轴受力时，变电场作用时，就能沿机械轴产生机械振动，反过来，当机械轴受力时，就能在电轴方向产生电场。且换能性能具有谐振特性，在谐振频率，换就能在电轴方向产生电场。且换能性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效率最高。能效率最高。石英晶体和其他

12、弹性体一样，具有惯性和弹性，因而存在着固石英晶体和其他弹性体一样，具有惯性和弹性，因而存在着固有振动频率，当晶体片的固有频率与外加电源频率相等时，晶体有振动频率，当晶体片的固有频率与外加电源频率相等时，晶体片就产生谐振。片就产生谐振。本讲稿第二十七页，共六十二页2 石英晶体振谐器的等效电路和符号石英晶体振谐器的等效电路和符号 石英片相当一个石英片相当一个串联谐振电路串联谐振电路，可用集中参，可用集中参数数L Lq q、C Cq q、r rq q来模拟，来模拟，L Lq q为晶体的为晶体的质量（惯性），质量（惯性），C Cq q 为为等效弹性模数等效弹性模数，r rg g 为机械振动中的为机械振

13、动中的摩擦摩擦损耗损耗。右图表示石英谐振器的基频等效电路。右图表示石英谐振器的基频等效电路。电电容容C C0 0称称为为石石英英谐谐振振器器的的静静电电容容。其其容容量量主主要决定于石英片尺寸和电极面积。要决定于石英片尺寸和电极面积。一一般般C C0 0在在几几PF PF 几几十十PFPF。式式中中 石石英英介介电电常常数，数，s s 极板面积，极板面积，d d 石英片厚度石英片厚度C0 rqCqLqJTbarqLqCqCoab本讲稿第二十八页，共六十二页石英晶体的特点是：石英晶体的特点是：等效电感等效电感L Lq q特别大、等效电容特别大、等效电容C Cq q特别小，因此，石英晶特别小，因此

14、，石英晶体的体的Q值值 很大，一般为几万到几百万。这是很大，一般为几万到几百万。这是普通普通LCLC电路无法比拟的。电路无法比拟的。由于由于 ，这意味着等效电路中的接入系数很小，这意味着等效电路中的接入系数很小,因此外电路影响很小。因此外电路影响很小。本讲稿第二十九页，共六十二页 3 石英石英谐振器的等效振器的等效电抗（阻抗特性）抗（阻抗特性）石石英英晶晶体体有有两两个个谐振振角角频率率。一一个个是是左左边支支路路的的串串联谐振振角角频率率 q，即即石石英英片片本本身身的的自自然然角角频率率。另另一一个个为石石英英谐振振器器的的并并联谐振振角角频率率 p。串串联谐振振频率率 并并联谐振振频率率

15、 显然显然接入系数接入系数p很小，一般为很小，一般为10-3数量级，所以数量级，所以 p与与 q很接近。很接近。本讲稿第三十页，共六十二页上式忽略上式忽略 r rq q 后可简化为后可简化为 当当 =q时时z0=0 Lq、Cq串谐谐振，当串谐谐振，当 =p，z0=，回路，回路并并谐谐振谐谐振。当当 为为容性容性。当当 时时,jx0 为为感性感性。其电抗曲线如上图所示。其电抗曲线如上图所示。xo容性O容性 wqwp感性本讲稿第三十一页，共六十二页并不等于石英晶体片本身的等效电感并不等于石英晶体片本身的等效电感Lq。石英晶体滤波器工作时，石英晶体两个谐振频率之间感石英晶体滤波器工作时，石英晶体两个

16、谐振频率之间感性区的宽度决定了滤波器的通带宽度。性区的宽度决定了滤波器的通带宽度。必须指出，在必须指出，在 q q与与 p p的角频率之间，谐振器所呈现的等效电的角频率之间，谐振器所呈现的等效电感感 本讲稿第三十二页，共六十二页二,晶体振荡器电路(CircuitofCrystalOscillators)仿真本讲稿第三十四页，共六十二页本讲稿第三十五页，共六十二页3 3电路的谐振频率的估算电路的谐振频率的估算:本讲稿第三十八页，共六十二页本讲稿第三十九页，共六十二页本讲稿第四十页，共六十二页qq电感性电感性电容性电容性电容性电容性本讲稿第四十一页，共六十二页石英片的振动具有多谐性，除基频振动外，

17、还有奇次谐波的泛音振动，利用石英谐振器的泛音振动特性对频率实行控制的振荡器称为泛音晶体振荡器。这种振荡器可以将振荡频率扩展到甚高频以至超高频频段。n 采用采用AT切割石英片的基频频率一般都限制在切割石英片的基频频率一般都限制在20MHz以下以下。因为此时石英片的厚度仅有0.041mm，频率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的强度。n 因此，要求更高的工作频率时，一般均是泛音晶体，其泛音因此，要求更高的工作频率时，一般均是泛音晶体，其泛音次数通常选为次数通常选为37次泛音次泛音。泛音次数太高，晶体的性能也将显著下降。n 石英晶体的机械谐波（泛音）和电路中谐波的区别：石英晶体的机械谐波（泛音）

18、和电路中谐波的区别：t 电路中谐波是基波的整数倍，是同时并存的。电路中谐波是基波的整数倍，是同时并存的。t 泛音是基波的奇数倍，不能同时并存的。泛音是基波的奇数倍，不能同时并存的。3.泛音晶体振荡器泛音晶体振荡器本讲稿第四十二页，共六十二页fX1次3次5次7次n泛音晶体振荡器的振荡环路中必须包含两个振荡回路。两个振荡回路。n其中一个作为放大器的选择性负载，即作泛音选择电路，该电路使环路仅在所限定的泛音振荡频率上符合振荡的相位平衡条件或振幅平衡条件。n泛音选择电路设计在 n 次泛音和（n-2）次泛音之间。n泛音晶体振荡器的振荡频率是5次泛音，泛音选择电路设计在 5 次泛音和3 次泛音之间。（5次

19、泛音）本讲稿第四十三页，共六十二页使用石英晶体谐振器时应注意以下几点使用石英晶体谐振器时应注意以下几点:(1)(1)石石英英晶晶体体谐谐振振器器的的标标称称频频率率都都是是在在出出厂厂前前,在在石石英英晶晶体体谐谐振振器器上上并并接接一一定定负负载载电电容容条条件件下下测测定定的的,实实际际使使用用时时也也必必须须外外加加负负载载电电容容,并并经经微微调调后后才能获得标称频率。才能获得标称频率。(2)(2)石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。(3)(3)在在并并联联型型晶晶体体振振荡荡器器中中,石石英英晶晶体体起起等等效效电电感感的的作作用用,若若作

20、作为为容容抗抗,则则在在石石英英晶晶片片失失效效时时,石石英英谐谐振振器器的的支支架架电电容容还还存存在在,线线路路仍仍可可能能满满足足振振荡荡条条件件而而振振荡荡,石石英英晶晶体体谐谐振振器器失失去去了了稳稳频频作作用。用。(4)(4)晶晶体体振振荡荡器器中中一一块块晶晶体体只只能能稳稳定定一一个个频频率率,当当要要求求在在波波段段中中得得到到可可选选择择的的许许多多频频率率时时,就就要要采采取取别别的的电电路路措措施施,如如频频率率合合成成器器,它它是是用用一一块块晶晶体体得到许多稳定频率。得到许多稳定频率。本讲稿第四十四页，共六十二页10P36P12P12P36P10P6800P6800

21、P30K2.7K5.6P-12V输出输出例例3.18：如图所示，画出其交流通道，并判断石英晶体的作用，：如图所示，画出其交流通道，并判断石英晶体的作用，求出振荡频率。求出振荡频率。晶体有高Q 短路器作用解：解：本讲稿第四十五页，共六十二页例例10一晶体振荡器电路如图所示，（1）画出交流等效电路，指出是何种类型的晶体振荡器。（2）该电路的振荡频率是多少？（3）晶体在电路中的作用。（4）该晶振有何特点？题意分析题意分析：画出交流等效电路后，看晶体是回路的一部分，还是反馈网络的一部分。如果晶体是回路的一部分时，晶体振荡器称为并联型晶振，晶体起等效电感的作用；晶体是反馈网络的一部分时，晶体振荡器称为串

22、联型晶振，晶体起选频短路线的作用。对于晶体振对于晶体振荡器电路，其工作频率可以认为就是晶体的标称频率。荡器电路，其工作频率可以认为就是晶体的标称频率。本讲稿第四十六页，共六十二页解解：交流等效电路如图所示，由图可知，该电路是串联型晶体振荡器，其工作频率为晶体的标称频率，即5MHz。在电路中，晶体起选频短路线的作用。该晶振的特点是频率稳定度很高。讨论讨论：在串联型晶振中，只有振荡器的工作频率为晶体的标称频率时，晶体才相当于一短路线，电路的反馈最强，满足振幅条件，电路能正常工作；如果偏离标称频率，晶体呈现的阻抗将增大，反馈将减弱，影响振幅条件，导致电路不能正常工作，故在串联型晶振中晶体起选频短路线

23、的作用。另外，晶振电路的工作频率为晶体的标称频率，从上面的说明中也可以知道。本题告诉了晶体的标称频率，如果没有直接告诉标称频率，而只给出晶体的参数，那么计算出晶体的串联谐振频率，用串联谐振频率代替即可。本讲稿第四十七页，共六十二页例例11一晶体振荡器交流等效电路如图所示，（1）该电路属于何种类型的晶体振荡器，晶体在电路中的作用是什么？（2）画出该电路的实际线路；（3）若将5MHz的晶体换成2MHz的晶体，该电路是否能正常工作，为什么？题意分析题意分析：该电路中晶体是回路的一部分，因此为并联型晶体振荡器，但振荡器要能正常工作，必须使470uH的电感L与330pF的电容C1构成的回路呈现容性，显然

24、这是一个泛音晶体振荡器。470uH的电感L所起的作用就是抑制基频及低的泛音。设计实际线路时应注意振幅起振条件，为此起振时放大器应工作在线性放大状态，即初始时要保证三极管的BE结正偏、BC结反偏，故基极一般采用分压偏置电路本讲稿第四十八页，共六十二页解：解：由于电感L与电容C1构成的回路，其谐振频率为而晶体的标称频率为5MHz，电感L与电容C1构成的回路在5MHz时呈现容性，振荡器可以在5MHz工作。由此可见，这是一个并联型泛音晶振电路，晶体起等效电感的作用。该电路的实际线路如图所示。讨论讨论：在工作频率较高时，晶振电路一般使用泛音晶振，为了工作在泛音情况下，应如图所示加一抑制基频（工作在3次泛

25、音下）或低次泛音（工作在较高的泛音下）的谐振回路。在画实际线路时，除考虑初始时放大器工作在线性放大区外，还应注意满足交流有交流通路、直流有直流通路的原则，为了使得振荡器工作稳定，一般应有自偏压措施。如果晶体换成2MHz，则2MHz时电感L与电容C1构成的回路呈现感性，不满足三端式振荡器的组成原则，故电路不能正常工作。本讲稿第四十九页，共六十二页例例3.14：图例(a)、(b)分别为10MHz和25MHz的晶体振荡器。试画出交流等效电路，证明晶体的作用，并计算反馈系数kfv.本讲稿第五十页，共六十二页解：解：对于图（a）所示的10MHz晶体振荡器，忽略偏置电阻的影响，它的等效电路如图（c）示。按照相位平衡条件，晶体应等效为感抗，应满足so1MHz，回路对于，回路对于1MHz呈现感性，不满足三点法则，呈现感性，不满足三点法则，所以把晶体换为所以把晶体换为1MHz，该电路不能起振。，该电路不能起振。本讲稿第六十二页，共六十二页