正弦波振荡电路解析.pptx

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1、5.1 概述5.2 LCR回路中的瞬变现象5.3 LC振荡器的基本工作原理5.4 由正反馈的观点来决定振荡的条件5.5 振荡器的平衡与稳定条件5.6 反馈型LC振荡器线路5.7 振荡器的频率稳定问题5.8 石英晶体振荡器第1页/共80页1.1.自激振荡自激振荡：指：指没有没有外加信号的作用下，电路能外加信号的作用下，电路能自动自动产生交流信号产生交流信号的的一种现象。不需外界激励就能自动地将直流电能转换为交流电能的电一种现象。不需外界激励就能自动地将直流电能转换为交流电能的电路，就是自激振荡电路。路，就是自激振荡电路。2.2.振荡器的分类振荡器的分类正弦波振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器非正弦

2、波振荡器振荡器振荡器波形波形产生机理产生机理反馈式振荡器反馈式振荡器负阻式振荡器负阻式振荡器反馈型反馈型LC振荡器振荡器RC振荡器振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器从频率上分从频率上分高频振荡器高频振荡器低频振荡器低频振荡器微波振荡器微波振荡器RC桥式桥式RC移相移相变压器反馈式振荡器变压器反馈式振荡器三点式三点式电容三点式电容三点式电感三点式电感三点式概述概述第2页/共80页3 3、振荡器和放大器的异同振荡器和放大器的异同4 4、振荡器的用途、振荡器的用途1）信息传输系统的各种发射机中；）信息传输系统的各种发射机中；2）在超外差式的各种接收机中；）在超外差式的各种接收机中；3）电子测试仪器中

3、；）电子测试仪器中；如：高频信号发生器、音频信号发生器、如：高频信号发生器、音频信号发生器、Q表、数字式测量仪表等。表、数字式测量仪表等。4）工业方面）工业方面如：高频加热设备、超声波焊接、感应加热、介质加热。如：高频加热设备、超声波焊接、感应加热、介质加热。共性：共性：都是能量转换器，都将晶体管集电板直流电源供给能量转换成都是能量转换器，都将晶体管集电板直流电源供给能量转换成 交流能量输出。交流能量输出。异性：异性：放大器需外来输入信号激励源放大器需外来输入信号激励源 他激振荡器；他激振荡器；振荡器所需电压取自输出电压的一部分振荡器所需电压取自输出电压的一部分 自激振荡器。自激振荡器。第3页

4、/共80页二、电磁振荡二、电磁振荡二、电磁振荡二、电磁振荡 所谓“谐振”，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。由于大多数振荡器都是利用由于大多数振荡器都是利用由于大多数振荡器都是利用由于大多数振荡器都是利用LCLC回路来产生振荡的，因此应首先研究回路来产生振荡的，因此应首先研究回路来产生振荡的，因此应首先研究回路来产生振荡的，因此应首先研究LCLC回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。回路中如何可以产生振荡，作为研究

5、振荡器工作原理的预备知识。回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。一、机械振荡一、机械振荡一、机械振荡一、机械振荡位能与动能之间的相互转换。位能与动能之间的相互转换。位能与动能之间的相互转换。位能与动能之间的相互转换。运动中不受阻力运动中不受阻力运动中不受阻力运动中不受阻力-等幅振荡等幅振荡等幅振荡等幅振荡运动中受阻力运动中受阻力运动中受阻力运动中受阻力-衰减振荡衰减振荡衰减振荡衰减振荡LCR回路中的瞬变现象回路中的瞬变现象第4页/共80页 可见，i没有出现振荡，说明电容在整个过程中一直在释放存储的能量。it0it0CLRCLR电能电能磁能磁能磁能磁能电能电能第5页/共80页

6、若LC回路无损耗，则电磁之间转换就形成等幅振荡。但实质LC回路中有损耗，故转换过程中，一部分能量被损耗电阻所消耗，因而产生的是衰减振荡，若无能量补充，振荡会衰减至0，即停止。第6页/共80页三、等幅三、等幅振荡振荡的措施与条件的措施与条件1）采用“负电阻负电阻”来抵消回路损耗R的“正电阻”。方法：a.引入负电阻，如隧道二极管，负阻负阻振荡器 b.引入正反馈 c.利用有源器件本身的负阻特性。2）从外界能源取得一定能量，在适当条件下补偿回路损耗。在实际电 路中，将放大器的输出信号，经正反馈电路到输入端进行能量补充，将放大器的输出信号，经正反馈电路到输入端进行能量补充，从而产生等幅持续振荡。反馈反馈

7、振荡器1、措施、措施2、条件、条件1）含有两个（或两个以上）储能元件。2）一个能量来源。3）一个控制设备（由电子管、晶体管、IC等）和正反馈电路实现。第7页/共80页四、结论四、结论1、LC回路自由振荡是产生等幅振荡的根据 内因2、采用能量补充的方法抵消或补偿回路损耗，维持等幅振荡 外因第8页/共80页ReRb1Rb2CeVCC1CBL1Cvs+-L2vf+-21、K接点接点“1”，则，则vs经耦合电容经耦合电容CB加到加到三极管的基极三极管的基极。（谐振放大器）（谐振放大器）1）vs正半周时，T导电，ic给C充电 2）vs负半周时，T截止，C通过L放电 3）vs作用下，LC回路获能量产生振荡

8、注：注：T 每导通一次，则LC回路可维持等幅振荡，回路的谐频必须调谐在vs的频率上，才能使回路获得能量补充的时间与回路的振荡“合拍”LC振荡器的基本工作原理振荡器的基本工作原理第9页/共80页2、K接点接点“2”，使，使vf=vs，通过通过Cb加到加到T的基极，使放大器自身输出电压取的基极，使放大器自身输出电压取 代代 vs，由于由于要求要求vf=vs,且同相，则此反馈为正反馈。（反馈放大器）且同相，则此反馈为正反馈。（反馈放大器）ReRb1Rb2CeVCC1CBL1Cvs+-L2vf+-2第10页/共80页ReRb1Rb2CeVCC1CBL1Cvs+-L2vf+-2由以上分析可知，由以上分析

9、可知，振荡电路具备四大环节：振荡电路具备四大环节：1）放大电路：放大电路：由非线性有源由非线性有源器件组成，具有一定的功率器件组成，具有一定的功率增益，能维持振荡回路不可增益，能维持振荡回路不可避免的功率损耗。避免的功率损耗。2）选频回路：选频回路：选择满足相位选择满足相位条件的一个频率，常与反馈条件的一个频率，常与反馈网络合二为一。网络合二为一。3）反馈网络：反馈网络：实现正反馈，实现正反馈，一般可以通过互感（变压器）一般可以通过互感（变压器）电感及电容等获得正反馈电压。电感及电容等获得正反馈电压。4）非线性稳幅环节：非线性稳幅环节：从从AF 1回到回到AF=1，实现稳幅振荡。，实现稳幅振荡

10、。5）稳定环节：稳定环节：幅度稳定、相位稳定。幅度稳定、相位稳定。放大电路放大电路选频网络选频网络反馈网络反馈网络稳幅环节稳幅环节第11页/共80页由正反馈的观点来决定振荡的条件由正反馈的观点来决定振荡的条件3）保证得到稳定的稳定条件稳定条件 反馈振荡电路必须在一个外加信号激励下，电路才能正常振荡，这显反馈振荡电路必须在一个外加信号激励下，电路才能正常振荡，这显然不符合实际要求，那么在没有外加信号的条件下，电路是否能起振？然不符合实际要求，那么在没有外加信号的条件下，电路是否能起振？放大电路AV选频网络反馈网络Fvs+-21ViVfV0 振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来

11、自何处？放大电路AV选频网络反馈网络FViVfV0 1）振荡从弱到强建立起来的起振条件：起振条件：2）维持等幅持续振荡的平衡条件平衡条件：第12页/共80页放大电路AV选频网络反馈网络FViVfV0（从无到有）（从无到有）（由弱到强）（由弱到强）起振条件：2）初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率 0的信号经选频网络后被保留。然而，这个频率信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不能形成一定幅度的输出信号。因此，起振阶段要求3）当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。（由增到稳）（由增到稳）1）接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。平衡条件：第13页/共80页5.5.1

12、振荡器的平衡条件5.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件振荡器的平衡与稳定条件振荡器的平衡与稳定条件第14页/共80页 振荡器要同时满足起振条件和平衡条件，则要求AF必须具有非线性特性，即随着振荡电压增大，AF将由大于1减到等于1。在实际电路中，反馈网络通常由无源线性元件组成（如LC、RC网络等），其电压反馈系数F为常数，因而要求放大器具有非线性的电压放大倍数。环路由起振到平衡的非线性过程可用下图说明。0Vf=ViV0放大特性放大特性反馈特性反馈特性P振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件第15页/共80页 电源接通的瞬间，设扰动电压中频率为f0的分量电压大小为Vi作为激励信号，由放大特性可得输出V01

13、，在该电压作用下，由反馈特性又得反馈量Vf1，而Vf1又作为放大器的输入从而重复上述过程，这样放大与反馈不断相互激励，V0与Vf（=Vi）不断增大，这一起振过程直到两曲线的交点P为止，起振到平衡的过程相当短暂，因而可认为一旦接通电源，振荡即可建立起来。ViVf2V02Vf1V01V031）在OP段曲线位于曲线的上方，表示 ，即AF1，满足振幅起振条件。2）两曲线的交点P，即 ，振荡进入平衡状态。放大电路AV选频网络反馈网络FViVfV00Vf=ViV0放大特性放大特性反馈特性反馈特性P第16页/共80页 为了维持振荡器稳定工作，只满足平衡条件和起振条件是不够的，因为平衡条件只能说明振荡可能平衡

14、在某一状态，而不能说明振荡的平衡状态是否稳定。实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受到破坏的稳定条件。稳定条件也分为振幅稳定与相位稳定两种。平衡状态可分为稳定平衡和不稳定平衡。稳定平衡：是指在外因作用下，振荡器在平衡点附近可重建新的平衡状态。一旦外因消失，它即能自动恢复到原来的平衡状态。不稳定平衡：是指振荡回路不断偏离原平衡状态，导致环路停振或突变到新的平衡点。振荡器平衡状态和稳定条件振荡器平衡状态和稳定条件第17页/共80页1 1）振幅稳定条件）振幅稳定条件不稳定的平衡不稳定的平衡稳定的平衡稳定的

15、平衡即表明：在平衡点附近，放大器增益随信号振幅的变化特性具有负斜率。实际中，由于工作于大信号状态下的非线性有源器件正好具有这种特性，自然具有稳定幅度的功能。2 2）相位稳定条件）相位稳定条件第18页/共80页5.6.1 互感耦合振荡器5.6.2 电感反馈式三端振荡器 (哈特莱振荡器)5.6.3 电容反馈式三端振荡器 (考毕兹振荡器)5.6.4 LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则反馈型反馈型LC振荡器线路振荡器线路第19页/共80页2.根据LC选频网络选频网络接于晶体管电极的不同，分为c极调谐型（调集）、e极调谐型（调 发）和b极调谐振型(调基)电路。3.判断是否满足相位条件：瞬时极性法（正

16、反馈）N1 1、N2各有一端交流接地，则其它两端的相位关系：若为同名端，则相位相同，若互为异名端，则相位相反。对于有抽头的绕组（绕组有一端接地），其中间抽头的相位与不接地的绕组端相位相同。1.采用互感耦合电路作为反馈网络反馈网络，即通过变压器互感耦合将输出信号送回输入回路（形成正反馈），所形成的电路是互感耦合振荡器。互感耦合振荡器互感耦合振荡器第20页/共80页1）c极调谐型（调集）电路3）e极调谐型（调 发集）电路2）b极调谐振型(调基)电路振荡频率：优点：在调整反馈（改变M时），不 影响振荡频率。缺点：工作频率不宜过高，一般用于 中、短波。由于三极管结电容 和其它分布电容的存在，在频 率较

17、高而LC回路电容较小时，将影响稳定性。+-+第21页/共80页电路原理图电路原理图1）容易起振；变电容而不影响F。2）调整频率方便；1）振荡波形不够好；高次谐波反馈较强，波形失真较大。2）不适于很高频率工作；分布电容和极间电容并联于L1与L2两端，F随频率变化而改变。优点：优点：缺点：缺点：+-+Vf-+V0+-CL1L2+电感反馈式三端振荡器电感反馈式三端振荡器 (哈特莱振荡器哈特莱振荡器)第22页/共80页一、考毕兹振荡器电路原理图一、考毕兹振荡器电路原理图优点：优点：缺点：缺点：变电容影响F，变电感不便。1）调整频率不太方便。2）输出波形较好。高次谐波反馈较弱，波形接近正弦波。1）频率稳

18、定度较好。分布电容和极间电容并联于C1与C2两端，被较大C1与C2 吸收。2）适用于较高的工作频率。甚至可只利用器件的输入电容和输出电容。+-+Vf-+V0+-LC1C2电容反馈式三端振荡器电容反馈式三端振荡器 (考毕兹振荡器考毕兹振荡器)第23页/共80页 若要提高电容反馈式振荡电路的振荡频率，则势必要减小C1与C2的容量和L的电感量。实际上当C1与C2 减小到一定的程度时，晶体管的极间电容和电路中的杂散电容将影响振荡频率。这些电容等效为放大电路的输入电容Ci和输出电容C0，它们分别与C1和C2并联。如图所示。CiC0C3二、克拉泼振荡器电路原理图二、克拉泼振荡器电路原理图 由于晶体管的极间

19、电容受温度的影响，杂散电容又难于确定，因此电路的振荡频率不稳定。为了稳定频率，可以在电感支路串联一个小电容C3，而且C3C1，C30,所以所以F=x xbebe/x xcece0,x xebeb与x xcece性质相同第32页/共80页回路中电压电流的相位关系图输入电压输入电压 如图所示，输出电压如图所示，输出电压 与输入电压倒相与输入电压倒相180。由于由于L1 C2支路为电感性，由在支路为电感性，由在L1 C2支路产生的电流支路产生的电流IL应应滞后电压滞后电压90，电流，电流IL在在C2上的电压上的电压 滞后电流滞后电流90，所，所以以 与与 再次倒相再次倒相180，从而与，从而与 同相

20、，形成正反馈。同相，形成正反馈。第33页/共80页 简言之就是“ce，be同抗件，cb反抗件”以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。也可用于分析复杂电路与寄生振荡现象。x xebeb、x xcece电抗性质相同，x xcbcb与x xebeb、x xecec电抗性质相反。许多变形的三端式LCLC振荡电路，x xcece和x xbebe、x xcbcb往往不都是单一的电抗元件，而是可以由不同符号的电抗元件组成。但是，多个不同符号的电抗元件构成的复杂电路，在频率一定时，可以等效为一个电感或电容。根据等效电抗是否具备上述三端式LCLC振荡器电路相位平衡判断准则的条件，便可判明该电路是否起

21、振。由此得出三端电路组成法则为：由此得出三端电路组成法则为：第34页/共80页1.例:有一振荡器的等效电路如图所示,设有下 列四种情况:(1)L1c1 L2c2 L3c3,(2)L1c1 L2c2 L3c3,(4)L1c1 L2c2 L3c3,f1 f2 f3 当f2 fg f3时,构成电容三端式振荡回路,(2)L1c1 L2c2 f2 f3 当f2 fg f3时,构成电感三端式振荡回路,(3)L1c1=L2c2 L3c3,f1=f2 f3 当f1=f2 fg f3时,构成电容三端式振荡回路,(4)L1c1 f2=f3 电路不能振荡。第35页/共80页三点式振荡器为了满足正反馈要求，与发射极相

22、联的两个电抗元件必须是同性质的，另一个是异性n考毕兹电路n哈特莱电路第36页/共80页例5-1 5-1 振荡电路如图(a)(a)所示，试画出交流等效电路，并判断电路在什么条件下起振，属于什么形式的振荡电路？2)2)根据交流等效电路可知，因为x xebeb为容性电抗，为了满足三端电路相位平衡判断准则，x xcece也必须呈容性。同理，x xcbcb应该呈感性。(b)(b)(a)(a)解 1)1)根据画交流等效电路原则，将所有偏置视为开路，将耦合电容、交流旁路电容视为短路，则该电路的交流等效电路如图(b)(b)所示。L3C3C1C2Rb1Rb2CcCcRcReCeL1CjVCCebcC2C3eL3

23、C1L1bc第37页/共80页 根据并联谐振回路的相频特性，当振荡频率f f0 0f f1 1(回路L L1 1C C1 1的固有频率)时，L L1 1C C1 1呈容性。根据x xbebe+x+xcece+x+xbcbc=0=0，L L3 3C C3 3回路应呈感性，振荡电路才能正常工作。由图可知，f f0 0f f3 3时可以振荡，等效为电容三端振荡电路。其条件可写为即L L1 1C C1 1L L3 3C C3 3并联谐振回路的相频特性第38页/共80页例5-2 5-2 有一振荡器的交流等效电路如图所示。已知回路参数L L1 1C C1 1L L2 2C C2 2L L3 3C C3 3

24、，试问该电路能否起振，等效为哪种类型的振荡电路？其振荡频率与各回路的固有谐振频率之间有何关系？解 ：该电路要振荡必须满足相位平衡判 断准则。先假定x xcece、x xbebe均为电感，则x xcbcb应为电容。根据已知条件L L1 1C C1 1L L2 2C C2 2L L3 3C C3 3，则有f f1 1f f2 2f f3 3，若要x xcece、x xbebe为电感，则应该f f0 0f f1 1，f f0 0f f2 2，同时f f0 0f f3 3，由已知条件看出f f0 0不可能同时大于f f3 3小于f f2 2，故不成立。若x xcece、x xbebe同为电容，则f f

25、0 0f f2 2f f1 1，同时应该f f0 0f f3 3，有已知条件知振荡频率可满足该条件，即f f1 1f f2 2f f0 0f f3 3，所以，该电路应为电容三端振荡器。C1L1C3L3C2L2ebc第39页/共80页1.频率不稳定的危害频率不稳定的危害1）信号源的振荡频率不稳定，给测量工作带来误差；）信号源的振荡频率不稳定，给测量工作带来误差；2）作为时间标准和频率标准的振荡器频率不稳定，会使这些标准的准）作为时间标准和频率标准的振荡器频率不稳定，会使这些标准的准确度降低；确度降低；3）在无线电广播，电视及各种通讯系统中，如果振荡频率不稳定，将）在无线电广播，电视及各种通讯系统

26、中，如果振荡频率不稳定，将造成广播、通讯的相互干扰，影响广播、通讯的可靠性。造成广播、通讯的相互干扰，影响广播、通讯的可靠性。2.频率稳定的标准频率稳定的标准1）中波广播发射机要求的稳定度为）中波广播发射机要求的稳定度为10-5；2）电视发射机要求为）电视发射机要求为10-7；3）频率标准的振荡器要求为）频率标准的振荡器要求为10-810-9；4）火星通讯的频率稳定度要求为）火星通讯的频率稳定度要求为10-11；5）金星定位（距地球）金星定位（距地球5600万公里）的频率稳定度要求为万公里）的频率稳定度要求为10-12。振荡器的频率稳定问题振荡器的频率稳定问题第40页/共80页1）准确度：振荡

27、器实际工作频率）准确度：振荡器实际工作频率f与标称频率与标称频率 f 0之间的偏差，之间的偏差，称为振荡频率准确度。称为振荡频率准确度。a）绝对频率准确度2）频率稳定度：是指在一定时间间隔内，频率准确度的变化。3.频率稳定的性能指标频率稳定的性能指标b）相对频率准确度 根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期频率稳定度、根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。长期稳定度：长期稳定度：一般指几天或几个月一般指几天或几个月 短期稳定度：短期稳定度：指一天内，以小时、分、秒计指一天内，以小时、分、秒计 瞬

28、时稳定度：瞬时稳定度：一般以秒或毫秒计一般以秒或毫秒计第41页/共80页影响振荡频率的有如下三种因素：影响振荡频率的有如下三种因素：）振荡回路参数）振荡回路参数与与;）回路电阻）回路电阻；）有源器件的参数。）有源器件的参数。4.影响振荡频率的因素影响振荡频率的因素以集电极振荡器的振荡频率为例：以集电极振荡器的振荡频率为例：5.稳定频率的方法稳定频率的方法）稳定）稳定与与）回路电阻）回路电阻a）选取标准性高，不易发生机械变形的元件）选取标准性高，不易发生机械变形的元件;b）维持振荡的环境温度恒定）维持振荡的环境温度恒定;c）温度补偿法。）温度补偿法。）稳定）稳定hb和和hiba）在振荡器和下级电

29、路之间加缓冲器（射极跟随器）起隔离作用；）在振荡器和下级电路之间加缓冲器（射极跟随器）起隔离作用；b）本级采用低阻抗输出（射极输出）。）本级采用低阻抗输出（射极输出）。第42页/共80页 由上面的分析可知，影响频率稳定度的一个重要因素就是由上面的分析可知，影响频率稳定度的一个重要因素就是Q，Q值值越高，选频特性就越好，其振荡频率的稳定度就越高，而越高，选频特性就越好，其振荡频率的稳定度就越高，而 但是，由于电感不可避免的有电阻，电容有漏电，这就使一般的但是，由于电感不可避免的有电阻，电容有漏电，这就使一般的LC谐振回路总会有损耗，它们的谐振回路总会有损耗，它们的Q值难做得很高（值难做得很高（L

30、C型滤波器的品型滤波器的品质因数一般在质因数一般在100200范围内）范围内），频率的稳定度也就难以做得很高，频率的稳定度也就难以做得很高，大约只能做到大约只能做到10-410-5，要进一步提高振荡器的稳定性，用，要进一步提高振荡器的稳定性，用LC振荡器振荡器就难以实现，而需要采用品质因数更高的选频网络，如石英晶振，品就难以实现，而需要采用品质因数更高的选频网络，如石英晶振，品质因数可达几万甚至几百万，因而可以构成工作频率稳定度极高，质因数可达几万甚至几百万，因而可以构成工作频率稳定度极高，采用中精度的晶体，频率稳定度可达采用中精度的晶体，频率稳定度可达10-6数量级，若加单层恒温控制，数量级

31、，若加单层恒温控制，则可提高到则可提高到10-710-8数量级，采用高温精度晶体，可采用双层恒温控数量级，采用高温精度晶体，可采用双层恒温控制，可达制，可达10-910-11数量级。数量级。第43页/共80页5.8.1 并联谐振型晶体振荡器5.8.2 串联谐振型晶体振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器第44页/共80页一般一般LC振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度f/f0只能达到只能达到10-3 10-5。若要。若要求频率稳定度超过求频率稳定度超过10-5，需用石英晶体振荡器。，需用石英晶体振荡器。）石英晶体的物理和化学性能都十分稳定；）晶体的值可高达数百万数量级；）在串、并联谐振频率之间很狭

32、窄的工作频带内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。石英晶体的特点石英晶体的特点 因此，用石英晶体作为振荡回路元件，就能使振荡器的频率稳定度大大提高。钟、手表、计算机、微处理器、彩电、遥控器、各种振荡电路、频率发生器等。石英晶体的用途石英晶体的用途第45页/共80页1、石英晶体化学成分：化学成分：SiO2(二氧化硅二氧化硅)结构：单晶体结构。结构：单晶体结构。外型：规则的几何形状,六棱柱,两端是六棱锥。一、石英晶体与石英晶片石英晶体与石英晶片X轴：电轴Y轴：机械轴Z轴：光轴第46页/共80页2、石英晶片 压电石英是一种各向异性的结晶体。振荡器中所用的石英片或石英棒都是

33、按一定的方位从石英晶体中切割出来的。垂直于X轴而沿Y轴切割的，称X切型。垂直于Y轴，而沿X轴切割的，称为Y切型。除此外还有AT、BT、CT、DT、ET、GT等切型。双面镀银并封装双面镀银并封装第47页/共80页石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。晶振晶振第48页/共80页二、石英晶片的基本特征石英晶片的基本特征-压电效应压电效应 当机械力作用于晶体时，晶体两面将产生电荷当机械力作用于晶体时，晶体两面将产生电荷正电效应正电效应：机械：机械 能能电能，反之，当晶体两面加不同极性电压时，晶体尺寸将压缩或伸电能，反之，当晶体两面加

34、不同极性电压时，晶体尺寸将压缩或伸 张张负电效应负电效应：电能：电能机械能。机械能。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比。当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。在石英晶体两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。第49页/共80页二、石英谐振动的电特性二、石英谐振动的电特性 当交变电压加于晶体两端时，首先晶片将随交变信号变化产生机械振动，然后机械振动又反过来在晶片表面产生交变电荷。当晶片的几何尺

35、寸和结构一定时，它本身具有一固有机械振动频率，如外加交变电压的频率与晶片固有振频相等时，晶片机械振幅最大共振，电极上产生的交变电流也最大，通过石英片的交变电流也最大，产生谐振现象。通常，压电效应并不明显。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，机械振动和交变电场的振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。压电振荡压电振荡第50页/共80页三、石英晶体的符号和等效电路石英晶体的符号和等效电路 当石英晶体不振动时，可等效为一个平板电容C0，称为静态电容；其值决定于晶片的几何尺寸和电极面积，一般约为几几十pF。当晶片产生振动时，机械振动的惯性等效为电感Lq，其值为几mH几十H。晶片的弹性等效为电容Cq，

36、为0.010.1pF，因此Cq Cq，故接入系数 很小，一般为0.0020.003，因而当石英谐振器接入电路时，电路的其它元件对谐振器的f和Q值影响很小，故频率稳定度高。第51页/共80页fsfp电容性电容性电容性电容性电电感感性性 fXeO四、石英晶体的电抗特性石英晶体的电抗特性Xq由于Cq C0，所以f s f p。第52页/共80页 当等效电路中的Lq、Cq、rq支路产生串联谐振时，该支路呈纯阻性，由于R C0的容抗，故可近似认为整体也呈纯阻性。1）当f f p时，C0容抗最大，起主导作用，石英晶体又呈容性。2）当f=f s时，石英晶体呈阻性。3）当f s f 1MHz，回路对于，回路对

37、于1MHz呈现感性，不满足三点法呈现感性，不满足三点法则，所以把晶体换为则，所以把晶体换为1MHz，该电路不能起振。，该电路不能起振。第64页/共80页3）因为石英晶体的标称频率为）因为石英晶体的标称频率为7MHz所以该振荡器的工作频所以该振荡器的工作频率即为率即为7MHz。4）该电路采用的稳频措施有：）该电路采用的稳频措施有：(a)采用晶体振荡的克拉波电路；采用晶体振荡的克拉波电路；(b)振荡与射级跟随器是松耦合；振荡与射级跟随器是松耦合；(c)用射级跟随器进行隔离；用射级跟随器进行隔离；(d)低阻抗输出（即射级输出低阻抗输出（即射级输出-能更好适应负载阻抗的变化）能更好适应负载阻抗的变化）

38、(e)电源进行稳压，以保晶体管参数的稳定性电源进行稳压，以保晶体管参数的稳定性 第65页/共80页寄生振荡现象：寄生振荡现象：即使没有输入信号，也有交流输出。放大器工作不稳定 被传输的信号产生失真 引起晶体管的PN结被击穿或瞬时损坏1.寄生振荡的危害寄生振荡的危害）反馈型寄生振荡2.寄生振荡的类型及产生原因寄生振荡的类型及产生原因：由放大器的输出与输入间各种寄生反馈引起的。：由放大器的输出与输入间各种寄生反馈引起的。A.A.外部反馈外部反馈:主要是通过多级放大器的公共电源内阻、馈线或元件的寄主要是通过多级放大器的公共电源内阻、馈线或元件的寄生耦合以及输入端与输出端的空间电磁场的耦合引起的。生耦

39、合以及输入端与输出端的空间电磁场的耦合引起的。B.B.内部反馈内部反馈:晶体管的极间电容产生的。晶体管的极间电容产生的。第66页/共80页第67页/共80页2）负阻型寄生振荡直接由器件的负阻现象产生的寄生振荡，主要有雪崩负阻振荡和直接由器件的负阻现象产生的寄生振荡，主要有雪崩负阻振荡和过压负阻振荡两种。过压负阻振荡两种。A.A.雪崩负阻振荡：晶体管工作进入雪崩击穿区，这种寄生振荡一般只雪崩负阻振荡：晶体管工作进入雪崩击穿区，这种寄生振荡一般只 在信号的负半周才出现。在信号的负半周才出现。B.B.过压负阻振荡过压负阻振荡:晶体管工作于过压状态，它一般在信号的正半周出晶体管工作于过压状态，它一般在

40、信号的正半周出现。现。第68页/共80页3.寄生振荡寄生振荡的排除和防止措施图图图图 5.10.2 5.10.2 晶体管高频功率放大器的各种稳定措施晶体管高频功率放大器的各种稳定措施晶体管高频功率放大器的各种稳定措施晶体管高频功率放大器的各种稳定措施第69页/共80页 压压控控振振荡荡器器是是以以某某一一电电压压来来控控制制振振荡荡频频率率或或相相位位大大小小的的一一种种振振荡荡器器，常常以以符符号号VCO(Voltage VCO(Voltage Controlled Controlled OscOsci illator)llator)代之。代之。在在电电子子设设备备中中，压压控控振振荡荡器器

41、的的应应用用极极为为广广泛泛，如如彩彩色色电电视视接接收收机机高高频频头头中中的的本本机机振振荡荡电电路路、各各种种自自动动频频率率控控制制(AFC)(AFC)系系统统中中的的振振荡荡电电路路、锁锁相相环环路路(PLL)(PLL)中中所所用用的的振振荡荡电电路路等等均均为为压压控控振荡器。振荡器输出的波形有正弦型的，也有方波型的。振荡器。振荡器输出的波形有正弦型的，也有方波型的。压控振荡器压控振荡器(VCO)1.1.变容二极管压控振荡器的基本工作原理变容二极管压控振荡器的基本工作原理 在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元件后，

42、即可对振荡频率实行控制。受控电抗元件常用变容二极件后，即可对振荡频率实行控制。受控电抗元件常用变容二极管取代。管取代。第70页/共80页变容二极管的电容量变容二极管的电容量C Cj j取决于外加控制电压的大小，控制电压的取决于外加控制电压的大小，控制电压的变化会使变容管的变化会使变容管的C Cj j变化，变化，C Cj j的变化会导致振荡频率的改变。的变化会导致振荡频率的改变。对于图中，若对于图中，若C C1 1、C C2 2值较大，值较大，C C4 4又是隔直电容，容量很大，则振荡又是隔直电容，容量很大，则振荡回路中与回路中与L L相并联的总电容为相并联的总电容为C1C2LC3C4CjC1C

43、2LC3C4Cj(隔直)第71页/共80页利利用用半半导导体体PNPN结结的的结结电电容容受受控控于于外外加加反反向向电电压压的的特特性性而而制制成成的的一一种种晶晶体体二二极极管管，它它属属于于电电压压控控制制的的可可变变电电抗抗器器件件，其其压压控控特特性性的的典典型型曲曲线线如如图图所所示示。图图中中，反反向向偏偏压压从从3V3V增增大大到到30V30V时时，结结电电容容C Cj j从从18pF18pF减减小小到到3pF3pF，电电容容变变化化比约为比约为6 6倍。倍。通通常常将将f fmaxmax和和f fminmin的的比比值值称称为为频频率率覆覆盖盖系系数数，以以符符号号K Kf

44、f表表示示，上上述述振振荡回路的频率覆盖系数为荡回路的频率覆盖系数为 (V(VR R为最小为最小)(V(VR R为最大为最大)对于不同的对于不同的C Cj j，所对应的振荡频率为，所对应的振荡频率为变容二极管的特性变容二极管的特性第72页/共80页 某彩色电视接收机某彩色电视接收机VHFVHF调谐器中第调谐器中第6-126-12频段的本振电路如图所示频段的本振电路如图所示电路中，控制电压电路中，控制电压V VC C为为0.5-30V0.5-30V，改变这个电压，就使变容管的结电，改变这个电压，就使变容管的结电容发生变化，从而获得频率的变化。由图容发生变化，从而获得频率的变化。由图(b)(b)可

45、见，这是一典型的可见，这是一典型的西勒振荡电路，振荡管呈共集电极组态，振荡频率约为西勒振荡电路，振荡管呈共集电极组态，振荡频率约为170-220MHz 170-220MHz，这种通过改变直流电压来实现频率调节的方法，通常称为电调谐，这种通过改变直流电压来实现频率调节的方法，通常称为电调谐，与机械调谐相比它有很大的优越性。与机械调谐相比它有很大的优越性。2.VCO2.VCO的实际电路的实际电路(a)(a)电视接收机电视接收机VHFVHF本振电路本振电路 (b)(b)6pFD1.5pF47pF1000pF5.6kW15pF18pF1.2kW15kWL47kWVc0.530V+VCCLj18pF6p

46、FL47pFCj15pF第73页/共80页5.12.1 RC相移振荡器5.12.2 文氏电桥振荡器第74页/共80页第75页/共80页第76页/共80页同相比例放大器同相比例放大器正反馈选频网络正反馈选频网络第77页/共80页图图 5.12.6 5.12.6 串联串联RCRC选频网络的幅频与相频特性选频网络的幅频与相频特性第78页/共80页本章小结反馈振荡原理及振荡条件反馈振荡原理及振荡条件振荡条件起振条件、平衡条件稳定条件互感振荡器互感振荡器交流等效电路标注同名端三点式振荡器三点式振荡器一般三点式的相位平衡判别准则电感三点式、电容三点式（基本、克拉泼、西勒）晶体振荡器晶体振荡器并联型：Jt用作电感串联型：Jt用作高选择性的短路元件第79页/共80页感谢您的观看。第80页/共80页