东华大学高频电子电路通信电子电路课件5-5.docx

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1、5.5晶体振荡器普通的LC振荡器的频率稳定度为1一21一,采取一 些措施和改进，可达到1,但很难突破然而在通信设备，电子测量仪器仪表，电子对抗等应用中，对 频率稳定度的要求往往优于1 一5,前面介绍的振荡器 都无法达到要求，而石英晶体振荡器很容易满足该要求。石英晶体振荡器定义采用石英晶体谐振器控制和稳定振荡频率的振 荡器。石英晶体振荡器之所以具有极高的频率稳定度， 关键是 采用了石英晶体这种具有极高。值的 谐振元件。石英晶体t皆振器具有极高的品质因素和稳定的参数,利用石英谐振器代替一般的LC谐振系 统，它的频率稳定度很容易做到10 5。石英晶体振荡器的频率稳定度取决于：a）所采用石英晶体谐振器

2、的精度；b）石英晶体谐振器外部电路的形式；c）稳频措施。石英晶体振荡器的频率稳定度一般在10-5 口 10一”范围之间。采用低精度石英晶体, 稳定度可达到15数量级；采用 中等精度石英晶体, 稳定度可达到1-6数量 级；如采用单层恒温控制系统和中等精度晶体，稳定 度可以达到1“ 10一8数量级；如采用双层怛温控制系统和fWj精度晶体,稳定度可 以达到10一9 0 10-11数量级。下面首先了解石英晶体谐振器的基本特性。5.5.1 石英晶体谐振器石英晶体谐振器是利用石英晶体(Quartz-Crystal)的压电效应制 成的一种谐振器件。石英晶体谐振器的内部结构如图5 35 所示。(a)晶体外形；

3、(b)横断面图5 34晶体的形状及横断面(a)(b)(c)正方形圆形长方形图535石英谐振器的内部结构1石英晶体的等效电路石英片的振动具有多谐性，除基频(Fundamental Frequency)振动夕卜，还有 奇次谐波的泛音(Overtones)振动 O 对于一 个石英谐振器，既可以利用其基频振动，也可以利用其泛音振 动。利用基音振动实现对频率控制的晶体 称为基音晶体，其余称为泛音晶体。采 用at切割石英片的基频频率在20MHz附近时，石英片的厚度仅有o. 041mm,频率再高，石 英片的厚度更薄，不足以提供必要的 强度。晶片越薄，频率越高、强度越差，加 工越难，所以一般基频v30MHz。

4、如果要求更高的工作频率时，一般均是泛音晶体。它工作在机 械振动的谐波上，其工作频率可达150MH乙泛音晶体一般利用3次和5次的泛音振 动，而很少使用7次以上的泛音振动。 泛音次数太高，晶体的性能也将显著下 降。泛音晶体的特点：（1）泛音不会正好等于基波的整数倍；（在整数倍附近，必须配合合 适的电路，才能工作在指定频率上。）(2)因偶次谐波时晶片两面电荷同性，无法用，所以泛音只存 在于奇次谐波附近。图5 36给出石英谐振器的等效电路。Ik?- Tn - _4 5-z 0 ，_ L5r- TUI3 34 4F3zb 5r- Tn八八八 U尸L3r- Too石英具有多谐性，每次泛音都对应一个串联谐振

5、电路：若工作在基频，只有C。、Lqi、Cqi、口1支路有效，其余开路。 若工作在三次泛音，只有Co、Lq3、Cq3、3支路有效，其余 开路，如此等等。当工作频率等于某串联谐振支路谐振频率时，串联阻抗等于% ,近似于短路, 其他支路失谐，可近似于开路。注意了解石英谐振器各元件值的数量级4是石英晶体的动态电感，表征晶体的质量，值彳艮 大，10m几10H；Q是动态电容,表征晶体的弹性, 值很小, 通常在00050lpF；。是动态电阻, 表征晶体振动时分子间互相摩擦而引起 的能量损耗， 阻抗很小, 通常在几十欧左右 100Q；C。为静态电容和支架、引线等分布电容之和，通常为2 5pFo2石英晶体的参数

6、温度系数： 温度变化1引起固有振动频率的相对变化里O拐点温度: 与温度系数最小值相对应的温度。若需要将晶体置于恒温槽内，槽内温度就应控制 在这个拐点温度上。负载电容:对晶体而言的总外部电容。晶体必须在规 定的负载电容下工作，才能保证标称频率 的准确性和稳定性。3石英晶体谐振器的特点石英晶体振荡器的频率稳定度非常高, 主要是因为用于稳频的石英晶体谐振器具有如下特点。i）石英晶体的物理性能和化学性能都十分稳定。因此，其 等效谐振电路中的元件参数都非常稳 定。ii）石英晶体谐振器具有非常高的品质因素0，Q =也=_.44% 7 5Mz值可达几万到几百万（ii量级），维持振荡频率稳定不变的能力极强。石

7、英晶体谐振器与晶体管之间的耦合很弱，即, 晶体管对谐振回路的接入系数很小。o 本昌oC Cp=103（c 。）Q+Cq CoI 外电路对石英谐振器的接入系数很小,对改善振荡器的频率稳定度有什么益 处？外电路对石英谐振器的接入系数很小 意味着石英谐振器与外电路的耦合非常弱，外电路中不稳定参 量对石英谐振器的影响很小，使石英晶体振荡器的振荡频率基 本不受外界不稳定因素的影响。因此，由石英谐振器构成的石 英晶体振荡器具有极高的频率稳定度。iv）石英晶体谐振器的二个谐振频率 rCoa ）当4，。支路发生串联谐振时，其串联谐振频率2兀、(5.5.1) Yb)当频率大于工时，4，Cq，5支路呈现感性，与C

8、。发生并 联谐振, 其并联谐振频率I c c 2 4 q= /Ji+ = Z(i+7 1 _谐振时，满足叫与吟一 aCq 一般，6=(0.002-A)(5.5.2)2a1C-0.003),因此 A /p非常接近1Cq例如，5MHz晶振c（）= 2.6x10-3,求彳=6.5KC）石英晶体谐振器的标称频率/v在实际振荡电路中，晶体两端往往并接有外部电容入如图538所示。图538石英晶体谐振器的标称频率在这种情况下，晶体等效电路中的并接电容为Q+Q,相应 的晶体的频率为1 c2 C + Co (5.5.3)标在晶体外壳上的振荡频率(即晶体的标称频率)就是并接Cl 时石英晶振的振荡频率。者虑后晶体谐

9、振器的电抗频率曲线如图5 39中虚线所 示。负载电容0乙的值标识于生产厂家的产品说明书中。通常高频晶体a=3pw ,低频晶体 CL = 100 PF ；对于串联型晶体振荡器的石英谐振器，乙的值标识为- 00 ,即无需外接负载电容。4石英晶体谐振器的电抗特性由图536可知，忽略时，晶体两端呈现的阻抗为纯电抗,其值近似为1 IT 幺)2Z X jx =j(5.5.4)C。1_()2CO式中为串联谐振频率,1% I c c一，4右)为并联谐振频率。39中两由式(554)可画出石英谐振器的电抗特性曲线如图5 条实线所示。说明:可分析得出。由图5 39可看出石英谐振器的电抗特性具有如下特点d当/ 时，等

10、效电抗呈现容性。该部分电抗特性曲线平坦, 频率稳定度差，通常不采用。ii）当了 工时，4，q支路串联谐振， 近似于短路。X =0eiii）当Js J 、时，石英晶体谐振器的等效电 抗呈现感性，石英谐振器具有极强的电 抗#e能力。|从图539可知，当 / 4时，G呈现的容性起主要作用，Xe 晶体的负载电容。 如果其值等于晶体规定的蠢值，那么振 荡电路的振荡频率就是晶体的标称频率fN o实际上，在一些振荡频率准确度要求很高的场合，振荡电路中 必须设置频率微调元件， 图5-2给出一个电 路实例。0 12 V(a)实际电路(b)谐振回路等效电路图中G为微调电容，用于改变并接在 晶体上的负载电容，从而微

11、调振荡器的 振荡频率，达到要求的标称频率。下面将分析几个与其工作特性相关的问题。1）为什么要加微调电容？由于外接负载电容w规定的g值= 晶体振荡器的%sc W石英晶体谐振器的标称频率九。通过在电路中接入微调电容C,使晶体的外接电容达到规定 的Cl ,以确保晶体振荡器的fOSC fN o通常G G，G QG + G)谐振回路总电容Q + c0 + G晶体振荡器的频率4 cz (5.5.6)下面分析石英晶体振荡器的振荡频率 变化范围C . 00(a)当，代入式(5.5.6)得(分析图5 43可得)(b)可得)当coCq(5.5.7)，代入式（556）得（分析图543oscmax2万L CqCQ +

12、 G(5.5.8)结论: 改变微调电容G可使晶体振荡器的频 率产生微小变化。取G 00,得到晶体振荡器频率的最 .、彳由 f os c min - f s 取G-o,得到晶体振荡器频率的最 百 f os c max - f p 0无论怎样调节c,总有f s fosc fp,也就是说振荡频率总是介于晶体串联 谐振频率与并联谐振频率之间。由于只有在并联谐振频率/附近时，晶 体的电抗频率特性曲线较陡，斜率大，晶体才有很强的电抗补偿能力，使 晶体具有很iWj的频率稳定度。因此，G的 取值应较小。3）谐振回路与晶体管之间的耦合很弱， 那么能否满足振幅的起振条件呢？（这部 分内容了解即可）以Pierce电

13、路为例。因为G G，G 02 , G是与G数 量级相同的小电容,分析接入系数时可将G并入G C的接入 使晶体管的接入系数减小，即减弱了晶体管与石英晶体之间 的耦合，有利于提高频率稳定度)，得图54 (c)所示的 等效电路。ca(a)等效交流通路(b)入系数的简化谐振回路q等效谐振回路（c）求接图5 44 Pierce电路等效交流通路由第二章的学习我们知道，石英晶体谐振器的品质因素&为CD LQq=4 =1 Lq 1 , =一LqCq rq rq(5.5.9)石英晶体谐振器的特性阻抗”仓，石英晶体的并联谐振电阻Rp%CqLq1= Qqp(5.5.10)由图544 (c)的一端看进去的谐振阻抗为R

14、P = (d Rp =QqP(5.5.11)式中，为振荡管/端对回路/端的接入系数； lx 1 I 为外电路对石英晶体谐振回的接入系数；其中片黑 j -r jncb ICT?ICT，例：BA12型2.5MHz精密石英谐振器，其参数乙= 19.5, q=2.1xl0T,日10Q, C0=5pF。假定振荡管输出端对谐振回路的接入系数=勺=10、求与振荡管相耦合的等效阻抗与Q =. = 2,8x106rq2 = 3.04x108/?,=Q Jose ,以确保4Gt皆振回路呈现感性。由于石英晶体谐振器连接在晶体管的人、e极之间，正向偏置 时，发射结电阻很小，并接在石英晶体谐振器二端对其。值 影响很大，

15、从而影响振荡器的频率稳定度。鉴于此, 密勒振荡器通常不采用双极型晶 体管，而是用输入阻抗很高的场效应管。图5 46给出场效应管密勒振荡器。Im;一%D6c22 M丁 300 pTrn44 kM 202.32w.。2通常由极间电容的构成，这样构成电感三点式振荡器。Cgd又称为密勒电容。iii）并联型泛音晶体振荡器基音晶体的标称频率与晶体的厚度近 似成反比关系。目前广泛采用的AT切割型石英谐振器，当固有机械振荡频率 （基频）为1.615mhz时，晶片厚度为1mm；当固有机械振荡频率基频15MHz时，晶片厚度为为0.08mm；谐振频率越高，晶体越薄，强力的机械振动会 导致晶片的损坏，而且晶片越薄，加

16、工越困难。采用泛音谐振模式，提高晶振电路的 频率采用泛音谐振模式的振荡电路，通常工作在晶体 的3次 7次谐波频率上, 泛音次数太高，晶体 的性能也会显著下降。泛音，是指石英晶片振动的机械谐波。它与电气谐波的主要区别在于：电气谐波与基频是整数倍的关系，且谐波和基波同时存在；而 泛音是在基频奇数倍附近，泛音晶体只有奇次泛音晶 体，而无偶次泛音晶体，且基音和奇次泛音 不能共存。泛音晶体的使用，可使几十兆赫基频的晶片产生上百兆赫的稳定振荡。结论：基音和低次泛音若满足振荡条件 更易于起振。应采取什么措施有效地抑制基音和低 次泛音的寄生振荡，保证晶体振荡器电 路能准确地工作于所需要的奇次泛音?1）高次谐波

17、的抑制正确的调节环路增益Ab, 使其在需要的谐波频率 上略大于L 满足振幅起振条件, 而在更高次的 谐波频率上都小于1，不满足振幅起振 条件。这样可以有效地抑制不需要的高次谐波。2)抑制基波振荡可采用图547 (a)给出的实际电路,(a)实际电路Q cccJ 图547 (b)给出泛音晶体振荡器的等效交流电路,(b)交流等效电路 采取的措施：在三点式振荡电路中， 用选频问路来代替某支 路的电抗元件，使这-支路在基音和低次泛 音上呈现的电抗特性不满足三点式振 荡器的组成法则，不能起振，而在所需要的 谐波频率上呈现电抗特性恰好满足组成法则，符合起振条件而产生振荡。泛音晶体振荡电路与基音振荡电路的不

18、同:1）用电感4和电容G组成的并联谐振回路 代替了基音晶体振荡器中的电容G。基音电路泛音电路2）这个谐振回路的固有谐振频率必须设计在该电路所需要的n次谐波和 (n-2)次谐波之间。结果: 对所需的其次泛音LG回路呈现容性，振荡电路满 足三点式组成法则“射同基反”；比如要产生5次泛音，而对于基频和三次泛音频率来说，3 回路呈现感性，振荡电路不符合三点式组成法则，不能起振；7次及其以上泛音频率上，LG回路虽然呈现容性，满足“射 同基反”的相位平衡条件，但4G对人失谐严重，从而使电 压的放大倍数减小，环路增益4b1,不满足振幅起振条件, 不能产生振荡。举例：假设泛音晶振为5次泛音，标称频率为5 MH

19、z,基频为1MHz,贝MG回路必须调谐在5 3泛音之间。这样在5MHz频率上，LG回路呈现容性, 振荡电路满足三点式组成法则“射同 基反”，能够起振，而在高次泛音， 因4G谐振回路失谐严重，4尸1,不满 足振幅起振条件，不能产生振荡。图中3谐振HI路的固有谐振频率为人人，且满足力工八。对力 呈现感性，对上呈现容性。2、串联型晶体振荡器定义：串联型晶体振荡器是将石英晶 体串接于正反馈支路中，利用其串联谐振时等效为短路元件的特性，使反 馈电压信号最强，满足振幅起振条件, 振荡器在晶体串联谐振频率工上起振。图5 49串联型晶体振荡器的实际电路串联型晶体振荡器高频等效交流电路将石英晶体短路，它就是一个

20、电容三点式振荡器。1）当振荡器的工作频率/- = 4时，晶体以很小的电阻。接 通正反馈通路产生振荡；2）当振荡器的工作频率偏离晶体串联谐振频率，即 fosc fs,晶体将呈现很大阻抗，使反馈电压振幅减小，相 移增大, 不能满足起振条件。结果：电路的振荡频率受到石英晶体谐振器控制，具有很高的 频率稳定度。必须注意的问题：虽然串联型晶体振荡器的振荡频率源 是由晶体谐振器的/决定。其稳定性也 是由晶体谐振器决定，而不是由选频网 络决定的。这并不意味着其选频网络 LGGG可取任何值。如果由这几个元件决定的固有频率/。与工相差很大，则这 个振荡器不能起振。所以应该合理选择 c2a的数值，使其调谐在工上或

21、附近。 同样，可利用串联型泛音晶体振荡电路 来提高振荡频率。图550串联型泛音晶体振荡器的高频等效交流电路。串联型泛串联型基音晶音晶振振用电感A和电容G组成的并联谐振回路代替基音晶体振荡器中的电容G和G。工作原理与并联型泛音晶体振荡器相同，不再赘述。5. 5.4使用石英晶体谐振器时应注意的事项了解一下，对设计晶振有帮助(0石英晶体谐振器上所标志的标称频率，负载电容并联在石英晶体谐振器二端总的外部 电容值，称为晶体的负载电容O晶体上的 标称频率都是成品出厂之前，在晶振两端并接特定的负载电 容g的条件下测定的。在实际使用时，也必须将外电路并接 在石英晶体谐振器两端的总电容调整至规定的负载电容Q 值

22、，才能获得标称的振荡频率。对于串联型晶体振荡器中的 石英谐振器，无需外接负载电容，记作(ii)石英晶体谐振器的激励功率应控制在规 定的范围内。石英晶体谐振器在晶体振荡器中被激励时，两端加有激励电 压，并产生激励电流。因此会消耗一定的激励功率。在实际应 用中，如果超过规定的激励功率会使谐振器内部的温度升高， 使石英晶片老化，并使频率产生漂移，极强的激励会使石英晶 片的机械振动过于剧烈而损坏。国产小型金属壳高频石英晶体 谐振器加5、JA9、5、的激励功率分别为1、 2、4mWo(iii)在并联型石英晶体振荡器中，石英晶体只育日等效 为感抗元件。 若等效为容抗元件，其频率稳定度降低， 且在石英晶片失

23、效时，石英晶体谐振器的静态电容仍然存在， 线路虽仍可能满足振荡条件产生振荡，但此时石英谐振器已不 起稳频作用，振荡频率也会偏离标称的工作频率值，应该避免 这种情况发生。在组成分立元件的石英晶体振荡器时，必须遵守以上注意事 项，否则无法达到稳频效果。5.6压控振荡器压控振荡器(Vbltage Controlled Oscillator) 简称VCO,是以某一电压来控制振荡频率或 相位大小的一种振荡器。这种振荡器可以通 过调整外加电压是振荡器输出频率随之改 变，主要用于锁相环路或频率微调。在电子 设备中，压控振荡器的应用极为广泛，几乎 所有移动通信设备中的本机振荡电路、各种 自动频率控制（AFC）

24、系统中的振荡电路、 锁相环路（PLL）中所用的振荡电路等都采用 压控振荡器。振荡器中最常用的压控元件是 变容二极管，输出的波形有正弦波和方波。4晶体压控振荡器目的：为了提高压控振荡器中心频率的稳定 度，可采用晶体压控振荡器。晶体谐振器的作用：晶振即可等效为一个短 路元件，起选频作用；也可等效为一个高Q值 的电感元件，作为振荡回路元件之一。变容二极管的作用：采用变容二极管作压控 可变电抗元件，实现对振荡器频率的调整。图5 路。55给出晶体压控振荡器高频等效电图555晶体压控振荡器高频等效电路 电路中，晶振作为一个电感元件。控制电压 调节变容二极管的电容值，使其与晶振串联 后的总等效电感发生变化，

25、从而改变振荡器 的振荡频率。晶体压控振荡器的缺点是频率控制范围很 窄。图5 55所示电路的频率控制范围仅在晶振 的串联谐振频率X与并联谐振频率fP之间。解决的办法：为了增大频率控制范围，可在晶振支 路中增加一个电感L。 L越大，频率 控制范围越大，但频率稳定度相应下 降。1）图（a）给出串联电感扩展法的原理，基本方法是在晶振支路串联一个 电感，使原有的串联谐振频率工左移 到二是扩展后的串联谐振频率, 并联谐振频率力保持不变；2）图（b）给出并联电感扩展法的原理, 基本方法是在晶振支路并联一个电感, 使原有的并联谐振频率/右移到力，/; 是扩展后的并联谐振频率，串联谐振频 率保持不变。图556扩

26、展晶振频率调谐范围原理图图5 56中虚线表示未加扩展电感时 的电抗曲线，而实线代表加入扩展电感后的电抗曲线。习题课看课本例题，P83, 4.3例4.3在下图所示振荡器交流等效电路中，三个LC并联回路的谐振频率分别是：卜九兀再 人=）乃必7），力=%万兀瓦），试问6,fzt满足什么条件时该振荡器能正常工作?在做习题之前必须首先明确，并联谐振回路,串联谐振回路的电抗特性曲线。电路里如果能产生振，无外乎二种类型I电容二点式电感三点式则4G，LG呈现感性，而LC并联谐振回路呈现容性。 设该振荡器的振荡频率为狐C，则：力/，力分别为谐振回路LC, L2 c2，LG固有谐振频率。满足 fosc 1U 4s

27、（接入系数）1（1）Sl + 旭U（基本放大增益器）R耳。（并联谐振电阻）尺 g, = 1 = Sm = 30 ms注：g,.是部分接入输出b-血路的。,G = G + Gz=3320川a+02并联电路5151 + 3320= 0.015aR -&由式可知，要满足振幅的起振条件。则tgL 0.443ms也就是 + 1 /? 4.115Z:Q 凡。段.L =,I：= 102.9xl06rad/se0 LQ0 0.5x10-6x80即。僦=102.9 x 1()6 小力 $回路总电容：Cy = c3+ C ,(GC串与C3并)G +。2振荡时，6t?Cy= 1* a)La)2L (102.9x10

28、6)2x0.5x10-6Cs 189p/尸 c GC m 51x3320.C3 = C2-lv189-=i38.79pfC, + C23371即G138.79/Vn也就是说要产生振荡器需满足。3l()6(md/s)二 nin 4ax = 1 02.9 X 1 O,9/ 1 79.2 X 16 n7d / $例：下图为三回路振荡器交流通路，/D1,川2,前3分别为三个回路的固有谐振频率，写出它们之间 能满足相位平衡条件的两种关系式，并指出两种情况下振荡频率处在什么范围内。(a)(b)(c)图例3电路(a)及串联和并联谐振回路的电抗特性曲线(b) (c)解：已知串、并联谐振回路电抗特性曲线如上图(

29、b)、(C)所示。串联回路中，a) dJb， X 0,呈感性；S), X 0,呈容性。并联回路中，8 例,XvO,呈容性；a) 0,呈感性。1.若构成电容三点式电路L1G、L2c2回路呈容性失谐，L3c3回路呈感性失谐。容性失谐：fosc f02 ；感性失谐：fosc f03 Of()2 fosc .An * fosc 九2,若构成电感三点式电路LiG、L2C2回路呈感性失谐，L3c3回路呈容性失谐。感性失谐：foscfosc加。fo fosc fo3例：某一泛音晶体振荡器如下图：说明3.8 口 H和390PF组成的回路有何作用若把晶振换为8M和2.5M,能否振荡解：谐振回路的固有谐振频率：b

30、泛音晶振U5MHz，回路呈现容性，满足射同基反。而对于长4.14MHz的基音，则呈现感性，不满 足“射同基反”，因而不能振荡。如果晶振为2.5MHz。因为LC并联回路对其呈现感性，因而不能振荡。如果晶振为8MHz,满足射同基反，但因8MHz离4.14MHz太远，失谐严重，并联谐振回路的等 效电阻太小，很难满足振幅起振条件，不能振荡。例：下图是一个数字频率计晶振电路,1 3 hk 工“ 5MHz， Loop、15.6k 早1rL T2 330p “7 一0i *H2 7k i.5kOp 10阿工T(a)=5MHz工 200P1=1T.试画出高频等效电路，并说明其中LC回路的作用。20p 10/3p图（a ）数字频率计晶振电路（b）高频交流等效电路解：先画出管高频交流等效电路，如图（b ）所示，0.01户电容较大，作为高频旁路电路，T2管作射随器，起缓冲隔离作用，避免负载对振荡器的性能牵 引。由高频交流等效电路可以看到T1管的c、e极之间有一个LC回路，其谐振频率为：f0 =I 14.0MHz2g/4.7xl（）Yx330xl0T2所以在晶振工作频率5 MHz处此L C回路等效为一个电容。可见，这是一个皮尔斯振荡电路，晶体等 效为电感，容量为3pFio pF的可变电容起微调作用，使振荡器工作在晶振的标称频率5 MHz上。作业：5-2； 5-5； 5-6； 5-7； 5-8