第五章正弦波振荡器PPT讲稿.ppt

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1、第五章正弦波振荡器第1页，共93页，编辑于2022年，星期三正弦波振荡器在无线发射、接收机中的位置5.1 概述第2页，共93页，编辑于2022年，星期三分类：分类：按输出波形分按输出波形分 按选频回路元件分按选频回路元件分 按原理、性质分按原理、性质分 在无输入信号情况下，将电源的直流能量转换成具有一定频率、在无输入信号情况下，将电源的直流能量转换成具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号能量输出。一定波形和一定振幅的交流信号能量输出。振荡器的定义振荡器的定义：第3页，共93页，编辑于2022年，星期三正弦波振荡器的用途正弦波振荡器的用途高频加热设备高频加热设备医疗仪器医疗仪器发射机发射机(

2、载波频率载波频率fC)接收机接收机(本地振荡频率本地振荡频率fL)数字系统：时钟信号数字系统：时钟信号通信系统：通信系统：测量仪器：信号源测量仪器：信号源高频能源：高频能源：第4页，共93页，编辑于2022年，星期三振荡器构成振荡器构成振荡器正常工作，必须有以下四个部分振荡器正常工作，必须有以下四个部分放大器放大器：至少有一个起能量变换（放大）作：至少有一个起能量变换（放大）作用的有源器件用的有源器件正反馈通路或负阻正反馈通路或负阻：必须有一个能够补充元：必须有一个能够补充元器件能量损耗的正反馈通路或负阻器件，以保器件能量损耗的正反馈通路或负阻器件，以保证有稳定的振荡证有稳定的振荡选频网络选频

3、网络：振荡器具有单一频率：振荡器具有单一频率稳幅稳幅：一个对振荡强度具有自动调整作用的一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。非线性元件。事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换的作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用。的作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用。第5页，共93页，编辑于2022年，星期三5.2 5.2 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理S12 LC谐振回路是LC振荡器的重要组成部分，正弦波振荡器则是正弦波振荡器则是基于二阶基于二阶RLC回路的自由振荡现象回路的自由振荡现象。考虑了回路损耗后，回路将产生振幅按指

4、数规律衰减的阻尼振荡回路损耗后，回路将产生振幅按指数规律衰减的阻尼振荡1 1、并联谐振回路中的自由振荡现象、并联谐振回路中的自由振荡现象一、振荡的产生第6页，共93页，编辑于2022年，星期三2 2、产生无阻尼振荡的方法、产生无阻尼振荡的方法 RLC并联谐振回路中自由振荡衰减（产生阻尼振荡）的原因并联谐振回路中自由振荡衰减（产生阻尼振荡）的原因在于损耗电阻的存在。在于损耗电阻的存在。若回路无损耗若回路无损耗,即即 0，则衰减系数，则衰减系数，回路中电流为回路中电流为（等幅正弦振荡）所以产生无阻尼振荡的方法是：所以产生无阻尼振荡的方法是：正反馈的方法正反馈的方法：利用正反馈不断地适时给回路补充能

5、利用正反馈不断地适时给回路补充能量，使之刚好与损耗的能量相等，那么就可以获得等量，使之刚好与损耗的能量相等，那么就可以获得等幅的正弦振荡了；幅的正弦振荡了；负阻法：在电路中引入一个具有负阻特性的器件，使之等负阻法：在电路中引入一个具有负阻特性的器件，使之等效电阻刚好与电路的损耗电阻大小相等，相互抵消，以获效电阻刚好与电路的损耗电阻大小相等，相互抵消，以获得一个等幅的正弦振荡。得一个等幅的正弦振荡。3.1.1第7页，共93页，编辑于2022年，星期三 反馈振荡器的组成框图如右反馈振荡器的组成框图如右图所示。其主网络一般由放大器件和选频网络其主网络一般由放大器件和选频网络组成的放大器组成的放大器,

6、反馈网络一般由无源反馈网络一般由无源器件组成。器件组成。二、反馈振荡器的原理分析二、反馈振荡器的原理分析反馈振荡器组成框图互感耦合互感耦合互感耦合互感耦合LC LC LC LC 振荡器电路结构：振荡器电路结构：振荡器电路结构：振荡器电路结构：M-+vivf+-+主网络反馈网络M原理电路交流通路vo+-+vi+-vf-+vo第8页，共93页，编辑于2022年，星期三振荡的建立过程振荡的建立过程 电路中的初始扰动将产生微弱的电信号电路中的初始扰动将产生微弱的电信号，利用，利用如此周而复始下去，其过程可以用下列循环表示如此周而复始下去，其过程可以用下列循环表示反馈，产生的反馈，产生的 反送到放大器的

7、输入端作为新的反送到放大器的输入端作为新的，3.1.2放大后，主网络输出放大后，主网络输出，再经过反馈网络，再经过反馈网络 放大器放大器第9页，共93页，编辑于2022年，星期三3.1.2当当 增加到一定值时，增加到一定值时，放大器的放大倍数放大器的放大倍数 降低，从而出现下面的循环降低，从而出现下面的循环过程过程晶体管将出现饱和截止，使晶体管将出现饱和截止，使最终将使最终将使 保持恒定不变，保持恒定不变，从而形成等幅持续振荡。从而形成等幅持续振荡。第10页，共93页，编辑于2022年，星期三 根据反馈振荡器的根据反馈振荡器的组成框图，各信号电压组成框图，各信号电压具有如下关系具有如下关系 3

8、.1.2 回归比（环路增益）回归比（环路增益）主网络电压增益为：主网络电压增益为：正反馈网络反馈系数为正反馈网络反馈系数为第11页，共93页，编辑于2022年，星期三 反馈振荡器振荡必须满足三大条件：反馈振荡器振荡必须满足三大条件：反馈振荡器振荡必须满足三大条件：反馈振荡器振荡必须满足三大条件：起振条件：起振条件：起振条件：起振条件：振荡电压从无到有逐步增长的条件。振荡电压从无到有逐步增长的条件。振荡电压从无到有逐步增长的条件。振荡电压从无到有逐步增长的条件。平衡条件：使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上的条件平衡条件：使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上的条件平衡条件：使振荡幅度和频率维持在

9、相应的平衡值上的条件平衡条件：使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上的条件稳定条件：受稳定条件：受稳定条件：受稳定条件：受外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状态破坏，能使振外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状态破坏，能使振外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状态破坏，能使振外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状态破坏，能使振荡器恢复平衡状态的条件。荡器恢复平衡状态的条件。荡器恢复平衡状态的条件。荡器恢复平衡状态的条件。三、反馈振荡的条件三、反馈振荡的条件第12页，共93页，编辑于2022年，星期三振幅起振条件：振幅起振条件：相位平衡条件：相位平衡条件：V Vf f、V Vi i同相同相反馈型振荡器构成自激振

10、荡的条件是放大器加反馈网络必须构成正反馈正反馈正反馈正反馈系统，而且合上电源瞬间必须满足增幅增幅增幅增幅振荡的条件，这样振荡才能建立起来。（1）起振条件）起振条件 由振荡建立过程的起振循环得出，使振幅不断增长的由振荡建立过程的起振循环得出，使振幅不断增长的条件（起振条件）是条件（起振条件）是 第13页，共93页，编辑于2022年，星期三(2)平衡条件平衡条件注：振荡器的振荡频率近似等于选注：振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率频回路的中心频率振幅平衡条件振幅平衡条件(确定振荡幅度确定振荡幅度)：环路增益的模为：环路增益的模为1相位平衡条件（确定振荡频率）：相位平衡条件（确定振荡频率）：V

11、F与与Vi同相，满足正反馈同相，满足正反馈第14页，共93页，编辑于2022年，星期三则必须维持在则必须维持在上，即保证为正反馈。上，即保证为正反馈。满足起振条件和平衡 条件的环路增益特性3.1.3 根据振幅起振条件和平衡条件，环路增益的模值应该具根据振幅起振条件和平衡条件，环路增益的模值应该具有随振幅有随振幅 增大而下降的特性增大而下降的特性,如下图所示。如下图所示。由于一般放大器的增由于一般放大器的增益特性曲线均具有如图所益特性曲线均具有如图所示的形状，所以这一条件示的形状，所以这一条件很容易得到满足，只要保很容易得到满足，只要保证起振时环路增益幅值大证起振时环路增益幅值大于即可。而环路增

12、益的于即可。而环路增益的相位相位 第15页，共93页，编辑于2022年，星期三结论：振荡器起振时，结论：振荡器起振时，迅速增长，而后迅速增长，而后 3.1.3下降，下降，的增长速度变慢，直到的增长速度变慢，直到 时，时，停止增长，振荡器进入平衡状态。在相应的振幅在停止增长，振荡器进入平衡状态。在相应的振幅在 上维持等幅振荡。如下图所示。上维持等幅振荡。如下图所示。第16页，共93页，编辑于2022年，星期三（三）稳定条件（三）稳定条件 平衡状态的稳定是指当平衡条件遭到破坏后，电路能是指当平衡条件遭到破坏后，电路能够在原平衡点附近重新建立起新的平衡。够在原平衡点附近重新建立起新的平衡。1.振幅稳

13、定条件：在平衡点在平衡点A处，处，由由A点知点知 当外界因素的影响，使当外界因素的影响，使 时，由图知，时，由图知，造成造成 下降，从而下降，从而 降低，降低，3.1.3 满足起振条件和平衡 条件的环路增益特性 （动画）降低而回到降低而回到 点。点。最终最终第17页，共93页，编辑于2022年，星期三所以，得到振荡器振所以，得到振荡器振幅稳定的条件是：幅稳定的条件是：即在平衡点附近，环路增益的幅频特性具有负斜率变化即在平衡点附近，环路增益的幅频特性具有负斜率变化的规律。的规律。3.1.3同理，当外界因素的影响，使同理，当外界因素的影响，使 时，由图知，时，由图知，造成造成 增加，从而增加，从而

14、 升高，最终升高，最终 增加而回到增加而回到 点。点。满足起振条件和平衡 条件的环路增益特性第18页，共93页，编辑于2022年，星期三2、相位（频率）稳定条件、相位（频率）稳定条件在讨论相位稳定条件之前，有两点需要说明：任何正弦振荡 的角频率与相位 的内在关系是：这就是说，相位变化必然引起频率变化。在相同时间内，相位超前，意味着频率必然上升；相位滞后，必然是频率下降，因此振荡器的相位稳定条件也就是振荡器的频率稳定条件。一个正弦波振荡器的角频率 值是根据其相位平衡条件求出的，也就是说在此频率 处，经过一个循环，反馈振荡器的反馈电压 与 相位相差，环路增益的相位为（或者为,=0,1,2.3）。3

15、.1.3第19页，共93页，编辑于2022年，星期三 相位（频率）稳定条件是指当相位平衡条件遭到破坏时，电路本身能重建新的平衡的条件。（1）设在）设在 处处（2）由于外界因素的影响，使）由于外界因素的影响，使 A、当、当 0时，说明时，说明 超前超前 一个一个 相角，使每次相角，使每次经过放大和反馈后，经过放大和反馈后，一次比一次超前一次比一次超前，振荡周期缩短，振荡周期缩短振荡频率升高。振荡频率升高。3.1.3第20页，共93页，编辑于2022年，星期三B、当、当 1得出：第40页，共93页，编辑于2022年，星期三讨论讨论电路参数对起振条件的影响：电路参数对起振条件的影响：当回路损耗可忽略

16、当回路损耗可忽略，得出：，得出：当当 一定时，一定时，的选取应考虑：的选取应考虑：越大越大 ，晶体管的输入电阻，晶体管的输入电阻 反映到回路两端的电阻反映到回路两端的电阻 越小越小 ，减小减小 ，Q Q下降，放大倍数下降，不容易起振。下降，放大倍数下降，不容易起振。要使回路易于起振，应选用要使回路易于起振，应选用要使回路易于起振，应选用要使回路易于起振，应选用g g g gm m m m 大，大，大，大，RoRoRoRo高的晶体管，此外回路高的晶体管，此外回路高的晶体管，此外回路高的晶体管，此外回路Q Q Q Q值高也有值高也有值高也有值高也有利于起振。利于起振。利于起振。利于起振。F一般取值

17、在0.1-0.5之间第41页，共93页，编辑于2022年，星期三（3）振荡频率）振荡频率(约等于谐振回路的谐振频率约等于谐振回路的谐振频率)注：若考虑管子的输入、输出电容注：若考虑管子的输入、输出电容C Co o,C,Ci i，则，则第42页，共93页，编辑于2022年，星期三如下图所示振荡电路中，已知：C1=36pF，C2=680pF，L=2.5H。忽略晶体管结电容和输入输出组抗 ，试求：1画出它的高频交流等效电路图，并指出振荡电路的类型2计算反馈系数F3求振荡频率fo1.2.3.MHz 例例1 1：电容三点式振荡器 第43页，共93页，编辑于2022年，星期三下图为共基组态电容三点式振荡器

18、的交流等效电路，现测得振荡频率fOSC=45MHz，L=0.2H,电容分压接入系数若忽略三极管结电容和输入输出组抗的影响,试求C1和C2数值。例例2 2：解：，第44页，共93页，编辑于2022年，星期三5.3.4 克拉泼和西勒振荡器克拉泼和西勒振荡器n当工作环境改变或更换管子时，振荡频率及其稳定性就要受到影响n 频率调整不方便频率调整不方便电容反馈型三点式振荡器电容反馈型三点式振荡器(复习复习)第45页，共93页，编辑于2022年，星期三（1）串联改进型串联改进型 电容三点式振荡器电容三点式振荡器（克拉泼（克拉泼clapp电路）电路）与电容三点式电路比较，克拉泼电路的特点是在回路中增加了一个

19、与电容三点式电路比较，克拉泼电路的特点是在回路中增加了一个与串联的小电容与串联的小电容C3C3第46页，共93页，编辑于2022年，星期三共射接法L L（1）串联改进型串联改进型 电容三点式振荡器电容三点式振荡器（克拉泼（克拉泼clapp电路）电路）第47页，共93页，编辑于2022年，星期三选择：选择：频率可调，调节频率可调，调节C C3 3可改变可改变f f0 0优点：优点：克拉泼克拉泼(clapp)电路电路nf0与与Ci、CO无关，故比较稳定无关，故比较稳定C C3 3可改变可改变F F不受影响不受影响第48页，共93页，编辑于2022年，星期三并联谐振回路的谐振电阻并联谐振回路的谐振电

20、阻Rp等效到晶体管的等效到晶体管的C-EC-E两端为：两端为：减小减小C3，振荡频率提高了，但是振振荡频率提高了，但是振荡幅度显著下降甚至停振，这就使最荡幅度显著下降甚至停振，这就使最高振荡频率受到限制。高振荡频率受到限制。电路的主要缺点电路的主要缺点：频率不能太高，波段范围不宽，波：频率不能太高，波段范围不宽，波段内输出幅度不平稳，实际中常用于固定频率振荡器。段内输出幅度不平稳，实际中常用于固定频率振荡器。缺点：缺点：第49页，共93页，编辑于2022年，星期三（2）并联改进型并联改进型 电容三点式振荡器（西勒电容三点式振荡器（西勒shelle 电路）电路）L共射极接法选择选择:L西勒电路是

21、在克拉泼电路基础上，在电感两端并联了一个小电容西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感两端并联了一个小电容c4，c3为固定值的电容器为固定值的电容器第50页，共93页，编辑于2022年，星期三分析：分析：因为：第51页，共93页，编辑于2022年，星期三t 振荡频率可以很高，且在波段内振幅比较稳定，调谐振荡频率可以很高，且在波段内振幅比较稳定，调谐范围比较宽，实际中常用于波段振荡器。范围比较宽，实际中常用于波段振荡器。西勒电路的优点：西勒电路的优点：第52页，共93页，编辑于2022年，星期三画出图三振荡器的高频等效电路，说明它们属于哪种类型的振荡器。例例1 1该振荡器属于克拉泼振荡器。高频等效电

22、路第53页，共93页，编辑于2022年，星期三 一振荡电路如下图所示。1、画出其交流等效电路；2、说明属于哪种类型的振荡器；3、计算其振荡频率值。例例2 22、属于西勒振荡器3、等效电路第54页，共93页，编辑于2022年，星期三5.3.5电感三点式振荡器电路：电感三点式振荡器电路：（2）电路的振荡频率：）电路的振荡频率：（1）分析电路的相位条件：）分析电路的相位条件：与发射极相连接的两个电抗元件同为电与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路，称为电感三点式电路，感时的三点式电路，称为电感三点式电路，也称为哈特莱电路。也称为哈特莱电路。第55页，共93页，编辑于2022年，星期三电容

23、三点式电容三点式 （考毕兹）（考毕兹）电感三点式电感三点式（哈特莱）（哈特莱）反馈电压取自反馈电压取自反馈元件对高反馈元件对高次谐波呈现的次谐波呈现的阻抗特性阻抗特性输出波形输出波形振荡频率振荡频率优点优点第56页，共93页，编辑于2022年，星期三并联谐振回路的阻抗特性并联谐振回路的阻抗特性例：例：试问哪几种情况可能振荡？等效为那种类型的试问哪几种情况可能振荡？等效为那种类型的振荡电路？其振荡频率与各回路的固有频率之振荡电路？其振荡频率与各回路的固有频率之间有什么关系？间有什么关系？无论在什么频率，这三个电路都是等效相同性质。所以不可能振荡无论在什么频率，这三个电路都是等效相同性质。所以不可

24、能振荡无论在什么频率，这三个电路都是等效相同性质。所以不可能振荡无论在什么频率，这三个电路都是等效相同性质。所以不可能振荡第57页，共93页，编辑于2022年，星期三并联回路的阻抗特性阻抗特性 LC并联谐振回路的阻抗特性第58页，共93页，编辑于2022年，星期三LCLC振荡器小结振荡器小结LCLC振荡器是以振荡器是以LCLC并联谐振回路作为选频回路的振荡器并联谐振回路作为选频回路的振荡器即要保证从输出端引入到输入端的是正反馈，又要求输入端即要保证从输出端引入到输入端的是正反馈，又要求输入端电路对输出端电路对输出端LCLC回路的影响尽量地小，于是采用了不同的接回路的影响尽量地小，于是采用了不同

25、的接入方式，从而入方式，从而LCLC振荡器可以分为互感耦合、三点式几种类型振荡器可以分为互感耦合、三点式几种类型三点式振荡器是将三点式振荡器是将LCLC选频回路的三个电抗元件分别选频回路的三个电抗元件分别接在晶体管的接在晶体管的e,b,ce,b,c三个极之间三个极之间与发射极与发射极e e相联的两个电抗元件必须是同性质的，而相联的两个电抗元件必须是同性质的，而另一个必须是反性质的另一个必须是反性质的LCLC振荡器起振分析和小信号放大器分析完全相同振荡器起振分析和小信号放大器分析完全相同LCLC振荡器的振荡频率近似为振荡器的振荡频率近似为LCLC回路的谐振频率回路的谐振频率第59页，共93页，编

26、辑于2022年，星期三5.4 5.4 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度通常用频率准确度和频率稳定度来衡量振荡器的频率性能通常用频率准确度和频率稳定度来衡量振荡器的频率性能频率稳定性是振荡器保持频率不变的能力，这在通信频率稳定性是振荡器保持频率不变的能力，这在通信系统中是很重要的系统中是很重要的这种振荡频率的变化是由于振荡器的电源电压不恒定、这种振荡频率的变化是由于振荡器的电源电压不恒定、环境条件（温度，湿度环境条件（温度，湿度）变化、器件内部噪声、机械）变化、器件内部噪声、机械振动、电磁干扰和器件老化等因素振动、电磁干扰和器件老化等因素LC振荡器，其频率稳定性是不够的，主要原因振荡器，其频

27、率稳定性是不够的，主要原因在于品质因数在于品质因数Q值相对较低值相对较低第60页，共93页，编辑于2022年，星期三5.4.1 频率准确度和频率稳定度频率准确度和频率稳定度频率准确度又称频率精度，它表示实际振频率准确度又称频率精度，它表示实际振荡频率荡频率f f偏离标称频率偏离标称频率f0的程度的程度绝对频率准确度绝对频率准确度n 相对频率准确度相对频率准确度1 1、频率准确度、频率准确度第61页，共93页，编辑于2022年，星期三2、频率稳定度、频率稳定度在一定观测时间内（在一定观测时间内（），由于各种），由于各种因素变化，所引起的振荡频率最大变化因素变化，所引起的振荡频率最大变化量对于标称

28、频率变化的程度量对于标称频率变化的程度第62页，共93页，编辑于2022年，星期三根据观测时间的长短，频稳度分为：根据观测时间的长短，频稳度分为：长期频率稳定度长期频率稳定度观察时间为一天以上观察时间为一天以上高精度的频率基准、时间基准（天文观测台、国家计时台等）均采用高精度的频率基准、时间基准（天文观测台、国家计时台等）均采用长期频率稳长期频率稳定定度来计量频率源的频率稳定性度来计量频率源的频率稳定性这种变化通常是由振荡器中元件老化而引起的。这种变化通常是由振荡器中元件老化而引起的。短期频率稳定度短期频率稳定度观察时间为一天以内，以小时计量观察时间为一天以内，以小时计量大多数电子设备和仪器均

29、大多数电子设备和仪器均采用短期频率稳定度采用短期频率稳定度来衡量频率源的频率稳定性来衡量频率源的频率稳定性这种变化通常是由温度、电源电压等因素造成。这种变化通常是由温度、电源电压等因素造成。瞬时频率稳定度瞬时频率稳定度衡量秒或毫秒时间内频率的随机变化衡量秒或毫秒时间内频率的随机变化高速通信设备、雷达设备以及以相位信息为传输对象的电子设备的重要指标高速通信设备、雷达设备以及以相位信息为传输对象的电子设备的重要指标这种变化主要由设备内部噪声或各种突发性干扰引起这种变化主要由设备内部噪声或各种突发性干扰引起通常所讲的频稳度一般指短期频稳度。通常所讲的频稳度一般指短期频稳度。第63页，共93页，编辑于

30、2022年，星期三频率稳定度要求频率稳定度要求LC振荡器10-3 10-4普通信号发生器10-3 10-4中波广播台210-5短波通信机10-4 10-5电视发射台510-7标准信号发生器10-7 10-9原子钟（频率标准）10-11 10-13第64页，共93页，编辑于2022年，星期三造成频率不稳定的因素造成频率不稳定的因素1.1.客观原因：客观原因：外界温度变化，使外界温度变化，使LCLC参数、晶体管参数参数、晶体管参数 不不稳定；稳定；电源不稳定，引起振荡器工作点变化、电源不稳定，引起振荡器工作点变化、晶晶体管参数变化。体管参数变化。2.2.主观原因：主观原因：电路结构本身的不稳定（如

31、：哈特莱振荡电路结构本身的不稳定（如：哈特莱振荡器的频率稳定性不如考毕兹振荡器）器的频率稳定性不如考毕兹振荡器）第65页，共93页，编辑于2022年，星期三1.1.振荡器置于恒温箱内；振荡器置于恒温箱内；或屏蔽振荡器；或使之远离干扰源。或屏蔽振荡器；或使之远离干扰源。2.2.采用良好的稳压电源供电采用良好的稳压电源供电3.3.提高振荡回路的品质因数提高振荡回路的品质因数4.4.减小负载（或下一级电路）对振荡器的影减小负载（或下一级电路）对振荡器的影响响 方法：振荡器后加缓冲级方法：振荡器后加缓冲级5.5.采用稳定性好的振荡电路采用稳定性好的振荡电路5.4.2 5.4.2 提高频率稳定度的措施提

32、高频率稳定度的措施第66页，共93页，编辑于2022年，星期三缓冲级缓冲级1.1.作用：隔离（或减弱）其后一级电路对作用：隔离（或减弱）其后一级电路对 其前一级电路的影响。其前一级电路的影响。2.2.构成电路：一般为射级跟随器（即共集电极构成电路：一般为射级跟随器（即共集电极 放大器）。放大器）。因为该电路输入电阻高，可减小放大器从前因为该电路输入电阻高，可减小放大器从前级所取的信号电流；而它的输出电阻低，可减小级所取的信号电流；而它的输出电阻低，可减小负载变动对前级的影响。负载变动对前级的影响。第67页，共93页，编辑于2022年，星期三5.5 5.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器利用利用石

33、英晶体的石英晶体的压电效应压电效应压电效应压电效应和和反压电效应反压电效应对正弦波振荡器进对正弦波振荡器进行控制的振荡器称为晶体振荡器行控制的振荡器称为晶体振荡器晶体振荡器也是晶体振荡器也是反馈振荡器反馈振荡器，决定频率的元件是晶，决定频率的元件是晶体而不是体而不是LCLC谐振回路谐振回路n 晶体振荡器突出的优点是可以产生晶体振荡器突出的优点是可以产生频率稳定度和准确度频率稳定度和准确度很高很高的正弦波的正弦波。n 晶体振荡器可以比较容易地实现晶体振荡器可以比较容易地实现1010-4-41010-6-6的频率稳定度的频率稳定度n 对晶体施加恒温控制，还可提高到对晶体施加恒温控制，还可提高到10

34、10-7-71010-8-8数量级数量级n 目前晶体振荡器频率稳定度的极限是目前晶体振荡器频率稳定度的极限是1010-12-121010-13-13第68页，共93页，编辑于2022年，星期三压电效应压电效应和和反压电效应反压电效应当机械力作用于晶片时，晶片两面将产生电荷；反之当机械力作用于晶片时，晶片两面将产生电荷；反之当在晶片两面加不同极性的电压时，晶片的几何尺寸当在晶片两面加不同极性的电压时，晶片的几何尺寸将压缩或伸张。将压缩或伸张。当高频交流电压加于晶片两端时，晶片将随交当高频交流电压加于晶片两端时，晶片将随交变信号的变化而产生机械振动。晶片几何尺寸变信号的变化而产生机械振动。晶片几何

35、尺寸和结构一定时，它本身具有一个固有的机械振和结构一定时，它本身具有一个固有的机械振动频率。当外加高频信号频率与晶片固有振动动频率。当外加高频信号频率与晶片固有振动频率相等时，机械振动最强，电路里高频电流频率相等时，机械振动最强，电路里高频电流最大，产生谐振现象。最大，产生谐振现象。第69页，共93页，编辑于2022年，星期三石英谐振器石英谐振器石英谐振器石英谐振器(晶体）：晶体）：晶体）：晶体）：利用石英晶体压电效应制成的谐振器件。利用石英晶体压电效应制成的谐振器件。在石英片两侧形成两个与外电路连接的电极，并把电极固定在支架上，在石英片两侧形成两个与外电路连接的电极，并把电极固定在支架上，再

36、加以合适的封装。再加以合适的封装。石英谐振器有一固有振动频率，该频率与石英片石英谐振器有一固有振动频率，该频率与石英片形状、尺寸和切型有关。形状、尺寸和切型有关。石英谐振器内部结构图5.5.1 5.5.1 石英谐振器的基本特性石英谐振器的基本特性第70页，共93页，编辑于2022年，星期三石英晶体的固有振荡频率石英晶体的固有振荡频率石英晶体的固有振荡频率和薄片厚度有关系，而石英晶体的固有振荡频率和薄片厚度有关系，而振荡频率的稳定性与石英片材料和切割方式有关振荡频率的稳定性与石英片材料和切割方式有关振荡频率越高，晶片就越薄振荡频率越高，晶片就越薄传统切割工艺晶体的谐振频率很难达到传统切割工艺晶体

37、的谐振频率很难达到30MHz，晶片太薄，易损坏。可采用化学蚀刻方法得到薄晶片太薄，易损坏。可采用化学蚀刻方法得到薄晶片，使谐振频率达到晶片，使谐振频率达到350MHz晶片越薄越易损坏，实用性不强。可采用让晶体工作晶片越薄越易损坏，实用性不强。可采用让晶体工作于泛音方式于泛音方式泛音方式采用基频的谐波振荡，泛音方式采用基频的谐波振荡，频率为基频的频率为基频的3倍、倍、5倍、倍、7倍到倍到9倍倍采用泛音状态，普通晶体振荡器的工作频率可达采用泛音状态，普通晶体振荡器的工作频率可达200MHz第71页，共93页，编辑于2022年，星期三1.石英谐振器的等效电路石英谐振器的等效电路其中：等效电感，大体反

38、映石英片的质量；等效电感，大体反映石英片的质量；几十几十几百亨；几百亨；：等效电容，反映其材料的刚性；：等效电容，反映其材料的刚性；:等效石英片产生机械形变时材料的能耗；几百欧；等效石英片产生机械形变时材料的能耗；几百欧；:称为石英谐振器的并联电容，它相当于以石英片为介质、以称为石英谐振器的并联电容，它相当于以石英片为介质、以两电极为极板的平板电容器的电容量和支架电容、引线电容的两电极为极板的平板电容器的电容量和支架电容、引线电容的总和。几总和。几几十几十pF。大大小小小小第72页，共93页，编辑于2022年，星期三2、晶体谐振器的基本特性、晶体谐振器的基本特性（1 1）很高的等效品质因数）很

39、高的等效品质因数:10:104 4-10-106 6石英谐振器最大的特点是具有很大的等石英谐振器最大的特点是具有很大的等效电感量和很小的损耗电阻效电感量和很小的损耗电阻（2 2）很小的接入系数）很小的接入系数:10:10-3-3-10-10-4-4 当外界电抗元件与之相连接时，对石英谐振器的固当外界电抗元件与之相连接时，对石英谐振器的固有谐振特性的影响是十分微弱的有谐振特性的影响是十分微弱的综合以上两点可以看出石英晶体的稳定度非常高。综合以上两点可以看出石英晶体的稳定度非常高。第73页，共93页，编辑于2022年，星期三3、晶体的谐振频率、晶体的谐振频率接入系数接入系数两个谐振频率十分接近两个

40、谐振频率十分接近例：例：5MHz5MHz的晶体，接入系数为的晶体，接入系数为2.62.6 1010-3-3 ，两频率差为，两频率差为6.5KHz6.5KHz第74页，共93页，编辑于2022年，星期三4、晶体的等效电抗、晶体的等效电抗和阻抗相频特性和阻抗相频特性n 晶体在晶体在 附近晶附近晶体具有陡峭的相频特性（体具有陡峭的相频特性（Q大）大）感性感性容性容性容性容性n 晶体呈容性晶体呈容性n 电抗电抗x=0,晶体等效为短路晶体等效为短路n 等效为电感等效为电感n 电抗电抗x x=，等效开路，等效开路第75页，共93页，编辑于2022年，星期三n石英谐振器的两种工作方式石英谐振器的两种工作方式

41、n晶体工作在串联和并联谐晶体工作在串联和并联谐振频率之间，晶体等效于高振频率之间，晶体等效于高Q Q电感的情况，电感的情况，fqffp，称为：，称为：并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器n晶体工作在串联谐振频率附晶体工作在串联谐振频率附近近 f=fq，晶体近于高晶体近于高Q Q短路线短路线的情况，称为：的情况，称为：串联型晶体串联型晶体串联型晶体串联型晶体振荡器振荡器振荡器振荡器5.5.25.5.2晶体振荡电路晶体振荡电路第76页，共93页，编辑于2022年，星期三1、并联型晶体振荡器、并联型晶体振荡器 考毕兹 哈特莱 皮尔斯 密勒 n皮尔斯电路无需外接电感线圈，频率稳定，应用广泛皮尔斯电路无需外

42、接电感线圈，频率稳定，应用广泛n密勒电路中，石英晶体被晶体管输入阻抗所并联，降低了有载品质密勒电路中，石英晶体被晶体管输入阻抗所并联，降低了有载品质因数因数，也就降低了频率稳定度，故密勒电路使用不多也就降低了频率稳定度，故密勒电路使用不多（晶体等效（晶体等效（晶体等效（晶体等效L L L L，fqffp）第77页，共93页，编辑于2022年，星期三(a)皮尔斯振荡器皮尔斯振荡器 皮尔斯电路皮尔斯电路(b)等效交流通路等效交流通路(c)等效谐振回路等效谐振回路令 ，是 和（+）的串联。第78页，共93页，编辑于2022年，星期三由于由于 ，（，（）石英晶体参数具有高度稳定性，石英晶体参数具有高度

43、稳定性，很稳定，很稳定，也很稳定。也很稳定。由于由于 ，石英谐振器是等效为电感，石英谐振器是等效为电感 L 用。用。振荡回路的振荡频率近似等于振荡回路的振荡频率近似等于 。讨论：讨论：由于由于 ，振荡管与石英谐振器之间耦合很松。，振荡管与石英谐振器之间耦合很松。第79页，共93页，编辑于2022年，星期三n 串入小电容串入小电容C3C3，负载电容更，负载电容更加稳定，频率更稳定加稳定，频率更稳定提高频稳度的措施提高频稳度的措施 具有克拉泼形式的并联具有克拉泼形式的并联具有克拉泼形式的并联具有克拉泼形式的并联型晶体振荡器型晶体振荡器型晶体振荡器型晶体振荡器1、第80页，共93页，编辑于2022年

44、，星期三 具有西勒形式的并联型具有西勒形式的并联型具有西勒形式的并联型具有西勒形式的并联型晶体振荡器晶体振荡器晶体振荡器晶体振荡器2、第81页，共93页，编辑于2022年，星期三例1：这是某广播发射机的主振器实际电路，试画出该振荡电路的交流等效电路，并分析该电路采用了哪几种稳频措施？具有克拉泼形式的并联型晶体振荡器具有克拉泼形式的并联型晶体振荡器n晶体n克拉泼形式n恒温槽n稳压n跟随器输出第82页，共93页，编辑于2022年，星期三例2：这是某通信接收机的本振电路。试画出该振荡电路的交流等效电路，并说明这是什么形式的电路具有西勒形式的并联型晶体振荡器具有西勒形式的并联型晶体振荡器第83页，共9

45、3页，编辑于2022年，星期三密勒振荡电路通常不用晶体三极管，原因是三极管正向偏置时输入电阻太小，一定程度上降低密勒振荡电路通常不用晶体三极管，原因是三极管正向偏置时输入电阻太小，一定程度上降低回路的标准型和频率稳定性。所以一般采用输入阻抗高的场效应管。回路的标准型和频率稳定性。所以一般采用输入阻抗高的场效应管。属于电感三端式电路。属于电感三端式电路。晶体和晶体和L1C1回路均等效为电感，极间电容回路均等效为电感，极间电容Cgd作为构成电感三点式作为构成电感三点式电路中的电容元件。电路中的电容元件。由于由于Cgd又称密勒电容，故该电路叫密勒振荡器。与皮尔斯振荡器相又称密勒电容，故该电路叫密勒振

46、荡器。与皮尔斯振荡器相比，频率稳定度较低，比，频率稳定度较低，密勒振荡器：密勒振荡器：第84页，共93页，编辑于2022年，星期三2、串联型晶振电路：有两种电路类型、串联型晶振电路：有两种电路类型电路一：电路一：等效短路元件等效短路元件，晶体晶体n晶体的作用在于选频和提高频稳度晶体的作用在于选频和提高频稳度n 适用于频率较低的情况（几千赫至几百千赫）。适用于频率较低的情况（几千赫至几百千赫）。n n 实际的串联型晶振，振荡频率在串联谐振频率附近，为满足振荡器相位实际的串联型晶振，振荡频率在串联谐振频率附近，为满足振荡器相位实际的串联型晶振，振荡频率在串联谐振频率附近，为满足振荡器相位实际的串联

47、型晶振，振荡频率在串联谐振频率附近，为满足振荡器相位平衡条件的一个频率。平衡条件的一个频率。平衡条件的一个频率。平衡条件的一个频率。第85页，共93页，编辑于2022年，星期三提高频稳度的措施提高频稳度的措施在晶体两端并接一小电感在晶体两端并接一小电感L L0 0,并使并使L L0 0与与C C0 0在晶体的串联频率在晶体的串联频率f f0 0谐振，从而去除谐振，从而去除C C0 0的的不良影响。不良影响。第86页，共93页，编辑于2022年，星期三电路二：电路二：只有在晶体和负载电容只有在晶体和负载电容C CL L所决定的串联谐振频率上，正反馈最强，才所决定的串联谐振频率上，正反馈最强，才产

48、生振荡。产生振荡。两极放大器构成两极放大器构成第87页，共93页，编辑于2022年，星期三3、泛音晶体振荡器利用石英谐振器的泛音特性对频率实行控制的振荡器称为泛音晶体振荡器泛音是基音的奇数倍一般来说，基音的振荡强度总是比泛音大，应用泛音晶体做振荡器时，应确保振荡器的振荡频率在该次泛音上因此，泛音振荡器的振荡环路中还应包括泛音选择回路作为放大器的选频回路图中，LC并联谐振回路用于代替基音晶振中的电容，它具有选频作用第88页，共93页，编辑于2022年，星期三并联型泛音振荡器L、C1回路振荡在频率f0处，使得泛音频率能够满足相位平衡条件和幅度平衡条件n次泛音振荡器，f0应选择在(n-2)次和n次之

49、间nff0，回路呈现容性，在n次泛音处可以满足振荡条件n在(n+2)次泛音处，由于反馈系数太小，不易满足幅度平衡条件第89页，共93页，编辑于2022年，星期三一振荡电路如图所示：1、画出其交流等效电路；2、说明其中晶振的作用；3、稳定后的输出频率由什么决定，范围是多少？2、串联型晶体振荡器 频率由晶体决定，界于和之间。3、交流等效电路1、例例1 1第90页，共93页，编辑于2022年，星期三振荡电路如下图所示，已知，试求：1.画出高频交流等效电路；分析电路能否振荡？若能振荡，指出振荡频率OSC与1、2 之间的关系；指出振荡电路的类型。2电路可能产生振荡，当OSC1(2)3电路为并联型晶体振荡

50、器(皮尔斯电路皮尔斯电路)第91页，共93页，编辑于2022年，星期三作业试画出下图中（a）和（b）两个晶体振荡器的交流通路，说明晶体在电路中的作用，以及电路的类型。（a）（b）第92页，共93页，编辑于2022年，星期三总结1、掌握正弦波振荡电路的基本构成、掌握正弦波振荡电路的基本构成2、掌握正弦波振荡器的起振、平衡和稳定条件、掌握正弦波振荡器的起振、平衡和稳定条件3、掌握互感耦合振荡电路和三点式振荡电路的组成原则、并掌、掌握互感耦合振荡电路和三点式振荡电路的组成原则、并掌握三点式振荡电路的振荡频率以及反馈系数的计算握三点式振荡电路的振荡频率以及反馈系数的计算4、掌握克拉泼电路和西勒电路的优