高频电子系统课件-正弦波振荡器.ppt

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1、第7章 正弦波振荡器,7.1 振荡器的基本原理介绍7.2 LC正弦波振荡器7.3 反馈式LC振荡器线路7.4 振荡器的频率稳定度 7.5 石英晶体振荡器7.6 负阻振荡器7.7 RC振荡器,概述,振荡器是不需要外信号激励、自身将将直流电源的能量特定频率变化的交流信号的能量的装置。常用的振荡器是由电子管、晶体管等器件与L、C和R等组成，它的优点：1）自身不做机械运动；2）产生等幅振荡；3）使用方便；,概述,用途：,电子设备,高频加热设备,医疗仪器,发射机(载波频率fC）,接收机（本地振荡频率fL）,仪器仪表振荡源,数字系统时钟信号,概述,电子振荡器的输出波形可以是正弦波，也可以是非正弦波。正弦波

2、振荡器按工作原理分类：1）反馈式振荡器；2）负阻式振荡器。正弦波振荡器通常工作于丙类，它的工作状态是非线性的。本章将振荡器用甲类线性工作来分析。,振荡器的类型：,概述,概述,本章主要讨论反馈型正弦波振荡器的基本工作原理；起振、平衡、稳定的条件；电路的判断准则；电路特点、性能指标等。,7.1振荡器的基本原理介绍,LCR回路中的瞬变现象,7.1 振荡器的基本原理介绍,1）回路衰减系数 过阻尼状态2)回路衰减系数 临界阻尼状态 3）回路衰减系数 自由振荡状态,7.1 振荡器的基本原理介绍,7.2 LC正弦波振荡器,振荡器必须具备的基本条件：1）一套振荡回路，包括两个（或两个以上）储能元件；2）一个能

3、量来源；3）一个控制设备。,7.2 LC正弦波振荡器,以互感耦合调集型振荡电路说明其工作原理：,LC正弦波振荡器,参数等效电路：由共发射极 参数等效电路得到网络方程：,LC正弦波振荡器,LC正弦波振荡器,Y参数等效电路：,回路方程：,LC正弦波振荡器,产生等幅振荡时必须有衰减系数为零，因此得到振荡条件为：用这种近似方法只能解决起始振荡的条件和振荡频率的问题，并不能决定稳定振幅的大小。振荡器的振荡频率取决于储能回路参数；振荡幅度则主要取决于电路中的非线性器件。,由正反馈的观点来决定振荡的条件：反馈放大器的方框图中，假设基极电路在S处断开。当输入信号为 时，输出电压为，再经由反馈网络输出的反馈电压

4、为。,LC正弦波振荡器,反馈振荡器方框图,如果将S接通，撤取外加信号，而以 代替它，维持工作。由于此时没有外加信号，所以它变成了振荡器。在产生振荡时，应等于。因此振荡条件为反馈系数 或者,LC正弦波振荡器,反馈放大器的闭环增益为：当 时，放大器变成了振荡器。例7.2.1 试以本节所叙述的方法，求出图7.3.1调集振荡器的振荡条件和振荡频率。,LC正弦波振荡器,解将图7.3.1该画成图7.4.2的形式，反馈网络是由L、C、M和L1组成。无反馈时共基放大器的电压增益为 谐振回路的输出电压为L1两端的感应（反馈）电压为,LC正弦波振荡器,LC正弦波振荡器,因此反馈系数为，代入，得到由此可知，无论是由

5、瞬变的观点，还是由正反馈的观点，所得到的振荡条件都是一样的。,LC正弦波振荡器,振荡器起振之后，振荡振幅便由小到大地增长起来，但它不可能无限制地增长，而是在达到一定数值后，便自动稳定下来。自给偏压的作用,振荡器的平衡条件：正反馈放大器产生振荡的条件：定义：负载谐振阻抗上基波电压与基波输入电压之比称为平均电压放大倍数，即,LC正弦波振荡器,对于乙类工作状态(c=90)，1(c)=0.5；对于丙类工作状态(c=70 80)，1(c)=0.30.4；这就是说，振荡器在起振之后，随着振幅的不断增长，使振荡管的工作状态逐渐向乙类以至丙类过渡，因而A值也在不断下降。,LC正弦波振荡器,在无源线性网络中要维

6、持一定振幅的振荡，反馈系数应该设计要比正反馈放大器产生振荡条件中的F要大些。一般取F=0.50.125。这样就可以使得在 的情况下起振，而后随着振幅的增强A0就向A过渡。直到振幅增大到某一程度，出现 时，振荡就达到平衡状态。因此振荡器的起振条件：振荡器的平衡条件：,LC正弦波振荡器,复数形式的振荡器平衡条件：振荡平衡条件可以使用模和相角来表示，即将模和相角分开表示，则有,LC正弦波振荡器,振幅平衡条件,相位平衡条件,振幅平衡条件说明：振幅在平衡状态时，其闭环增益（电压增益或者电流增益）为1。也就是说，反馈信号的振幅与原输入信号的振幅相等，即。相位平衡条件说明：振荡器在平衡状态时，其闭环总相移为

7、零或者为2的整数倍，即反馈信号 的相位与原输入信号 的相位相同。利用振幅平衡条件可以确定振荡器的振幅；利用相位平衡条件可以确定振荡器的频率。,LC正弦波振荡器,振荡器的另外一种表示形式：基波电流为 其中 振荡器回路输出电压于是回路的放大倍数为：因此,LC正弦波振荡器,将各因子写成指数形式，有当变量与参变量之间发生相位偏差时，其对应的相角就会有超前或者滞后，也就是相角有正有负。因此,LC正弦波振荡器,振荡器平衡状态的稳定条件：平衡状态是建立振荡的必要条件，还不是充要条件。已建立的振荡能否维持，还必须看平衡状态是否稳定。稳定平衡与不稳定平衡概念：,LC正弦波振荡器,不稳定平衡,稳定平衡,振荡器稳定

8、条件分为振幅稳定与相位稳定。1）振幅平衡的稳定条件振幅平衡条件表示式：其中A是振幅Vom的非线性函数，反馈系数F则与Vom无关。在起振时，稳定时，此时，A的曲线与1/F曲线相交于平衡Q点。,LC正弦波振荡器,LC正弦波振荡器,判断Q点是否为稳定平衡点：当振幅Vom增大超过VomQ时，出现A1/F，于是AF1。振幅就自动增强从而又回到VomQ 点。因此Q点是稳定平衡点。,LC正弦波振荡器,形成稳定平衡点的根本原因：关键是在于在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化具有负的斜率。在本图中，Q点放大倍数曲线就具有负的斜率。该式即为平衡点的振幅稳定条件。,振幅稳定条件说明：在反馈型振荡器中，放大器的放大倍数

9、随振幅增强而下降，振幅才能处于稳定平衡状态。工作于非线性状态的有源器件（晶体管、场效应管等）正好具有这一性能，因而它们具有稳定振幅的功能。当然偏置电路和反馈网络要设计正确。,LC正弦波振荡器,软自激状态：放大器放大倍数是一条单调下降的曲线，且与1/F曲线只有一个交点。在开始起振时，A0F1，振荡处于增幅振荡状态，振荡幅度从小到大，直到达到Q点为止。,LC正弦波振荡器,硬自激状态：如果晶体管的静态工作点取得太低，甚至为反偏，反馈系数又比较小时，放大器放大倍数不再是一条单调下降的曲线，则与1/F曲线的交点将不止一个。这时将出现多个平衡点，其中有些平衡点就不是稳定平衡点。这种类型的振荡器不能自行振荡

10、，必须在起振时预先外加一个大于非定平衡点的电压，冲过非定平衡点，才能达到稳定平衡点。,LC正弦波振荡器,硬自激的振荡特性：如图所示。放大器放大倍数曲线，与1/F曲线的交点为B和Q两点。其中所以Q点是稳定平衡点，B点为非稳定平衡点。,LC正弦波振荡器,LC正弦波振荡器,非稳定平衡点工作分析：因为当振幅稍大于VomB时，则ABF1，成为增幅振荡，振幅越来越大。当振幅稍低于VomB时，则ABF1，成为减幅振荡，因此振幅将继续衰减下去，直到停振。所以，B点的平衡状态是不稳定的，是不能自行起振的。,LC正弦波振荡器,2）相位平衡的稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新建立起相位平衡点的条件。

11、相位平衡条件和频率稳定条件本质上是相同的。外因引起的相位变化与频率的关系：相位超前导致频率升高；相位滞后导致频率降低。频率随相位的变化关系表示为：,为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力。也就是在振荡频率发生变化的同时，振荡电路中能产生一个新的相位变化，以抵消由外因引起的 变化，因而这两者的符号应该相反，因此相位稳定平衡条件为写成偏微分形式为或,LC正弦波振荡器,LC正弦波振荡器,由于Y和F对频率变化的敏感性一般远小于Z对频率变化的敏感性，即因此，此即为振荡器的相位（频率）稳定条件。,LC正弦波振荡器,稳定平衡点工作分析：若振荡器相位发生变化，例如YF增大到YF，即

12、产生一个增量YF，从而破坏了工作于频率02的平衡条件，于是这种不平衡促使频率02升高。由于02升高使谐振回路产生负的相角增量-Z，当-Z=YF 时，相位重新满足=0的条件，振荡器在02的频率上再一次达到平衡。这个新的稳定平衡点为 02=02+c,互感耦合振荡器,互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，因此，耦合线圈同名端的正确位置至关重要。同时，耦合量 M 要选择合适，使之满足振幅起振条件。互感耦合振荡器有三种形式：调集电路、调基电路和调发电路根据振荡回路的位置来区分的,互感耦合振荡器,调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较平衡。由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免

13、过多地影响回路的Q值，故在调基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合,互感耦合振荡器,调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成分也较小,互感耦合振荡器,由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q值，故在调基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合,互感耦合振荡器,互感耦合振荡器在调整反馈(改变 M)时，基本上不影响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过高，一般应用于中、短波波段。,互感耦合振荡器特点：调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成分较小。调基电路

14、振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较平稳。互感耦合振荡器在调整反馈（改变M）时，基本上不影响振荡频率。互感耦合振荡器工作频率不宜过高，一般应用于中、短波波段。,互感耦合振荡器,三端式LC振荡器,三端式 LC 振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几MHz 到几百 MHz 的范围，频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些，约为 10 3 10 4 量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点 三端式 LC 振荡器有多种形式，主要有：电感三端式，又称哈特莱振荡器(Hartley)电容三端式，又称考毕兹振荡器(Coplitts)串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器(Clapp)并联型改进电容三端式，又

15、称西勒振荡器(Selier)LC三端式振荡器组成法则：相位平衡条件的判决准则,电感反馈式三端振荡器（哈特莱振荡器）本电路的特点是集电极与基极接于LC回路两端，发射极则接于线圈中部某一点。,三端式LC振荡器,电感反馈振荡电路的优点：1）由于L1与L2之间有互感存在，电路容易起振；2）振荡频率调整方便，只要调整C的大小即可3）改变回路电容调整频率时，基本上不影响电路反馈系数。,三端式LC振荡器,电感反馈振荡电路的缺点：1）振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，而电 感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的反馈较 强，使波形失真大 2）电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这是因 为频率太高，L

16、 太小，不宜制造且分布参数的影响太 大。电感三端式振荡器的工作频率一般在几十 MHz 以下。,三端式LC振荡器,电容反馈式三端振荡器（考毕兹振荡器）本电路与哈特莱式很相似，只是利用电容C1和C2作为分压器，代替哈特莱式中的电感L1和L2。这种电路满足产生振荡的相位条件。,三端式LC振荡器,三端式LC振荡器,优点：1）振荡波形好；2）频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响；3）工作频率可以做得较高，可直接利用振荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作频率可做到几十 MHz 到几百 MHz 的甚高频波段范围。缺点：调整C1或C2改变振荡频率时，反馈系数也

17、将改变。但只要在 L 两端并上一个可变电容器，并令C1，C2为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。,串联型改进电容反馈三端振荡器（克拉泼振荡器）电路特点：在回路中增加了一个与L串联的电容C3。因此电路在调整频率时，基本不会影响反馈系数。,三端式LC振荡器,电路中电容取值必须满足，这样可使电路的振荡频率近似只与C3、L有关。回路总电容：电路振荡频率：,三端式LC振荡器,电路中C3减弱了晶体管与振荡回路之间的耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，提高了频率稳定度。另一方面不稳定电容则C1和C2与并联，基本不影响振荡频率。C3越小，则振荡频率稳定度越好，但起振也越困难。优点：电路的频

18、率稳定度要比电容反馈三端电路要好。缺点：在频率高端起振较难，不适合于用做波段振荡器。,三端式LC振荡器,三端式LC振荡器,克拉泼电路的特点1）由于Cce、Cbe的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。2）调整C1 C2的值可以改变反馈系数，但对谐振频率的影响很小。3）调整C3的值可以改变系统的谐振频率，对反馈系数无影响。由于放大倍数与频率的立方成反比，故随着放大频率的升高振荡的幅度明显下降，上限频率受到限制。故：克拉泼电路的波段覆盖的范围窄。工作波段内输出波形随着频率的变化大。,并联型改进电容反馈三端振荡器（西勒振荡器）电路特点：是在克拉泼电路基础上，在电感L两端并联一个小电容C4，且满足C

19、1、C2远大于C3。,三端式LC振荡器,回路等效电容：回路振荡频率：,三端式LC振荡器,西勒电路的优点：输出振幅稳定均匀，适用作波段振荡器，其波段覆盖系数为1.6 1.8左右。在实际工作中，电容C3的选择要合理，C3过小时，振荡管与回路间的耦合过弱，振荡平衡条件不易满足，电路难于起振；C3过大时，频率稳定度会下降。所以应该在保证起振条件得到满足的前提下，尽可能减小C3值。,三端式LC振荡器,LC三端振荡器相位平衡条件的判断准则：三点式振荡电路的原理电路为,相位平衡准则,当回路元件的电阻很小，可以忽略不计时，Z1、Z2与Z3可以换成电抗X1、X2与X3。显然要想产生振荡，就必须满足下列条件：为了

20、满足 与 相位差180的条件，X1与X2必须为同一性质的电抗。也就是说，它们或者同为电感元件（如哈特莱振荡器），或者同为电容元件（如考毕兹振荡器），因而X3必须为另一性质的电抗。,相位平衡准则,相位平衡准则,LC三端式振荡器的构成法则：X1与X2的符号相同，X3的符号则相反。凡是违反这个准则的电路都不能产生振荡。利用这个准则，很容易判断振荡电路的组成是否合理，也可用于分析复杂电路与寄生振荡现象。,7.3.4相位平衡准则,相位平衡准则,相位平衡准则,振荡器的频率稳定度,振荡器的频率稳定度上极重要的技术指标。因为设备的频率稳定与否，取决于这些设备中主振荡器的频率稳定度。频率稳定度较差，将影响通信的

21、可靠性、造成测量仪器较大误差。,评价振荡器频率的主要指标有两个，即准确度与稳定度。1）准确度振荡器的实际工作频率与标称频率0之间的偏差，称为振荡频率准确度。通常分为绝对频率准确度、相对频率准确度绝对频率准确度相对频率准确度,振荡器的频率稳定度,2）稳定度是指在一定时间间隔内，频率准确度的变化，所以实际上是频率“不稳定度”，习惯上称为“稳定度”。在准确度与稳定度两个指标中，稳定度更为重要。一个频率源的准确度是由它的稳定度来保证的。本节重点讨论频率的稳定度。,振荡器的频率稳定度,频率的稳定度是用频率的不稳定度定义的，用频率的相对变化 定义其频率的稳定程度。越小，频率稳定度越好，即 比 频率稳定度好

22、。通常把频率的相对变化 叫频率稳定度。频率稳定度的完整描述应当引入时间的概念。根据指定的时间间隔不同，频率稳定度可以分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度。,振荡器的频率稳定度,振荡器的频率稳定度,长期频率稳定度：一般指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值。它主要用来评价天文台或计量单位的高精度频率标准和计时设备的稳定指标。主要取决于有源器件和电路元件及石英晶体和老化特性，与频率的瞬间变化无关短期频率稳定度：一般指一天以内频率的相对变化最大值。外界因素引起的频率变化大都属于这一类，通常称之为频率漂移。短期频率稳定度一般多用来评价测量仪器和通信设备中主振器的频率稳定指标。主要与温

23、度变化、电源电压变化和电路参数不稳定性等因素有关。瞬间频率稳定度：指秒或毫秒内随机频率变化，即频率的瞬间无规则变化，通常称为振荡器的相对抖动或相位噪声。由于频率源内部噪声而引起的频率起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。,频率稳定度的定量表示法通常采用建立在大量测量基础上的统计值来表征，这种表示方法较为合理。经常采用的方法之一是均方根值法，它是用在指定时间间隔内，测得各频率准确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的，即一般来说，广播电台的日频率稳定度不劣于10-6；超短波小功率移动式电台短期频率稳定度约为10-410-5,振荡器的频率稳定度,影响振荡频率的因素：1）振荡回路参数L与C；形变、温

24、度、品质因数2）回路电阻r；负载电阻的变化3）有源器件的参数。工作状态可以采用高稳定度LC振荡回路，如克拉泼、西勒回路,振荡器的频率稳定度,7.4振荡器的频率稳定度,振荡回路参数振荡频率回路品质因数Q 值越高，则相同的相角变化引起频率偏移越小,振荡器的频率稳定度,有源器件参数的影响有源器件的工作状态（电源电压或周围温度等）有所改变如果晶体管参数 hb与hib将发生变化，即引起振荡频率的改变。当外界因素（电源电压、温度、湿度等）变化时，这些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的变化,振荡器的频率稳定度,1.减小外因变化，根除“病因”1)减小温度的变化 为了减小温度对振荡器频率的影响，可将振荡器放

25、在恒温槽内；另使振荡器远离热源，在电路设计、安装时振荡器不要靠近功放；采取温度补偿方法，如采用正、负温度系数不同的 L、C，抵消 L、C，使 w 为零。2)减小电源的变化 振荡器供电电源采用二次稳压；或者振荡器采取单独供电。3)减小湿度和大气压力的影响 通常将振荡器密封起来。4)减小磁场感应对频率的影响 对振荡器进行屏蔽,振荡器的频率稳定度,5)消除机械振动的影响 通常可加橡皮垫圈作减振器。6)减小负载的影响 在振荡器和下级电路之间加缓冲器(一般用射随电路)起隔离作用，提高回路 Q 值；本级采用低阻抗输出(即射极输出)；本级输出与下一级采取松耦合(加一个小电容)。可采取克拉泼或西勒电路，减弱晶

26、体管与振荡回路之间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，提高回路标准性，从而提高了频率稳定度。,振荡器的频率稳定度,2.提高回路的标准性 所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持其固有谐振频率不变的能力要提高回路标准性即要减小 L 和 C，可采取优质材料的电感和电容 3.减小相角 及其变化量为使振荡器的频率稳定度高，则要求 的数值小，且变化量小 可使振荡器的工作频率比振荡管的的特性频率低很多，即 ff T，并选用电容三端式振荡电路，使振荡波形良好。,石英晶体振荡器,普通的LC振荡器日频率稳定度大约在10-210-3的数量级，很难获得比10-4更高的频率稳定度。但是实际往往需要更高的频

27、率稳定度以满足广播发射机、单边带发射机、移动通信、雷达以及时钟等等系统需要。利用石英晶体作为振荡回路器件，构成石英晶体振荡器可以获得很高的频率稳定度。其中中精度的晶体，其谐振频率稳定度就可以达到10-6。,石英谐振器的物理特性和电特性 1.石英谐振器的物理特性 石英晶体是SiO2的天然晶体。它的形状是六棱柱锥体。它的横断面是正六边形。,石英晶体振荡器,图7.5.1 晶体的形状及横断面(a)晶体外形；(b)横断面,石英晶体振荡器,六棱柱锥体的对顶角的连线叫Z轴，由于光线沿此轴方向通过晶体会产生偏振，所以又叫做光轴。正六边形对顶点的连线叫X轴，对边的法线叫Y轴。因为石英晶体沿X轴或Y轴方向存在压电

28、效应，所以又把X轴叫电轴，Y轴叫机械轴。注意，这里所指的轴不是一根或几根直线，而是指这个方向的平行线，在同一方向上，晶体的性质相同。石英振荡器中所用的石英晶体片是从六棱柱锥体中切割出来的一小片。,石英晶体振荡器,石英晶体振荡器,根据性能要求切割的晶体片与X轴、Y轴、Z轴的夹角都有严格的要求，不同的夹角，晶体片的性能不同。把晶体片两侧面镀上银层，做成两个极板，再焊上电极的引线，用盒子封装起来，引出电极的引线，就构成了石英谐振器。市场卖的石英晶体就是指这种石英谐振器，如图7.5.2所示。,图7.5.2 石英谐振器的结构,石英晶体振荡器,石英晶体振荡器,通常说石英晶体就是指石英谐振器，它的物理特性讲

29、述如下。1)具有正反压电效应 正压电效应是指在晶体片两个侧面上施加压力时，晶体片就会产生机械变形，与此同时，在它的表面上还会产生异性电荷，异性电荷量Q的多少正比于机械变形x，即,(7.51),石英晶体振荡器,K1为比例常数。当施加张力时，表面电荷极性相反。正压电效应把机械能转换成电能。反压电效应是指在晶体片两个表面上施加电压E，晶体会产生机械变形，如延伸。当电压的极性相反时，晶体就会收缩。机械变形量x正比于电压E，即 K2是比例常数。反压电效应把电能转换成机械能。,(7.52),2)具有非常稳定的物理特性和化学特性 石英晶体的物理特性和化学特性极其稳定，所以它的机械尺寸和材料性能非常稳定。也就

30、是说，石英谐振器的标准性非常高。机械振动频率的稳定性非常好，受外界因素的影响非常小，因此电振动频率的稳定性也非常好。,石英晶体振荡器,石英晶体片等效为Lq、Cq、rq串联的谐振电路。Lq是石英晶体片等效电感，通常在亨利的量级。Cq是等效电容，通常在10-3pF量级。rq是等效电阻，通常在百欧左右。由于石英具有多谐性，每次泛音都对应一个串联谐振电路。基音等效为Lq1、Cq1、rq1的串联谐振支路，该支路的谐振频率等于基音频率。3次泛音等效为Lq3、Cq3、rq3的串联谐振支路，该支路的谐振频率等于3次泛音频率，如此等等。等于工作频率的串联谐振支路谐振，串联阻抗等于rq，近似于短路，其他支路失谐，

31、可近似于开路。,石英晶体振荡器,图7.5.3 石英晶体的等效电路和电抗特性(a)晶体符号；(b)基音和泛音等效电路,石英晶体振荡器,对于工作频率，石英谐振器都用图7.5.3(c)所示的电路等效。,图7.5.3 石英晶体的等效电路和电抗特性(c)某一频率等效电路；(d)电抗特性,石英晶体振荡器,由于rq很小，当忽略它的影响时，等效电路两端的电抗,(7.53),(7.54),称为晶体的串联谐振角频率。,(7.55),石英晶体振荡器,称为晶体的并联谐振角频率。,因此晶体的串联谐振频率与并联谐振频率十分接近，即工作频带很窄，具有极陡峭的电抗特性曲线，故对频率变化具有极灵敏的补偿能力。石英晶体的主要缺点

32、：单频性，即每块晶体只能提高一个稳定的振荡频率，不能直接用于波段振荡器。,石英晶体振荡器,石英晶体振荡器的使用：对于石英晶体振荡器的电抗曲线，只在串、并联谐振频率之间很窄的工作频带内呈电感性。因而石英晶体振荡器或者工作于感性区，或者工作于串联谐振频率上，决不能使用容性区。石英晶体在静止时呈现电容性，无法判断晶体是否在工作，从而不能保证频率稳定作用。,石英晶体振荡器,石英晶体振荡器电路：石英晶体振荡器电路有两种。一种是并联型石英晶体振荡器，另一种是串联型石英晶体振荡器。1.并联型石英晶体振荡器 并联型石英晶体振荡器是把石英晶体当做电感元件使用。振荡器的工作频率0与晶体的串、并联谐振角频率s、p之

33、间一定满足s0p的关系。,石英晶体振荡器,这类晶体振荡器的振荡原理与一般反馈式LC振荡器相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路中，作为一个感性元件，并与其他回路元件一起构成按照三端电路的基本原则组成三端振荡器。根据这种原理，理论上可以构成三种类型基本电路，但实际常用的只有两种基本类型。,石英晶体振荡器,并联谐振型晶体振荡器的基本形式：,石英晶体振荡器,典型的并联谐振晶体振荡电路：,石英晶体振荡器,类似于克拉泼电路，谐振回路与振荡管的耦合很弱，稳定性好,典型的并联谐振晶体振荡电路：,石英晶体振荡器,等效为哈特莱电路，L1C1谐振回路等效为L,两种基本类型电路比较：b-e型电路输出信号较大，L1C

34、1回路可以抑制其他谐波，但频率稳定度不如b-c型电路。由于在b-e型电路中，石英晶体接在输入阻抗低的b-e之间，降低了石英晶体的标准性。b-c型电路中的石英晶体则接在阻抗很高的b-c之间，石英晶体的标准性受影响很小。因此在频率稳定度要求较高的电路中，几乎都采用b-c型电路。,石英晶体振荡器,与一般的LC三端电路相比，石英晶体在稳频方面还用一个显著的特点，即一旦因外界因素变化而影响到晶体回路的固有频率时，它还具有力图使频率保持不变的电抗补偿能力。,石英晶体振荡器,根据三点式电路的构成原则，晶体应呈现感性。石英谐振器和电容C1、C2组成选频网络，当晶体谐振器呈现的感抗L等于C1、C2串联的容抗 时

35、，可确定振荡器的工作频率0，如图7.5.5所示。C1、C2变化，工作频率0就会发生微小的变化，但始终在s0 p的范围之内。,石英晶体振荡器,图7.5.5 用电抗曲线说明稳频原理,石英晶体振荡器,市场上出售的石英晶体盒子上标注的频率值既非s，也非p，而是指石英谐振器与规定的电容CL相并联的谐振频率值。此电容CL叫负载电容，厂家在产品说明书中都会给出。因此要使振荡器的工作频率0严格等于铭牌上标注的频率值，必须使，否则就会有微小的偏差。,石英晶体振荡器,串联谐振型石英晶体振荡器：串联型石英晶体振荡器是把石英谐振器做一根短路线用。当振荡器的工作频率0等于晶体的串联谐振频率s时，晶体谐振器的阻抗近似为零

36、；当频率偏离s时，晶体的阻抗骤然增加，近乎开路。所以把晶体接在振荡器的反馈支路中，只有等于串联谐振频率s的分量才有反馈，其他频率分量均无反馈，从而只能形成0=s的振荡，如下图(a)所示。图(b)是它的交流等效电路。,石英晶体振荡器,典型的串联谐振晶体振荡电路：,石英晶体振荡器,RC正弦振荡器在需要产生较低的振荡频率时，理论上仍可以采用LC振荡器，但是一般都采用RC振荡器来产生。RC振荡器的主要优点：构造简单，经济方便RC振荡器的工作原理与LC振荡器的一样，也是由放大器和正反馈网络两部分组成，区别仅在于用RC选频网络电路来代替LC回路。,RC振荡器,RC振荡器也必须满足振幅和相位平衡条件，即：根

37、据RC网络的不同形式，可以将RC振荡器分为：相移振荡器和文式电桥振荡器两大类。,RC振荡器,RC相移振荡器RC移相振荡器是利用RC网络作为移相网络，使之满足相位平衡条件，达到。最简单的RC移相网络可以用电阻和电容串联构成，如图7.12.1所示。它是一个具有正反馈的单级组容耦合放大器，输出电压从集电极经RC相移器反馈到基极。,RC振荡器,由于单级共发射极放大器的输出电压与输入电压的相差为180，因此从输出端反馈到输入端必须再倒180，才能满足相位平衡条件。这就要求RC相移器必须把放大器的输出电压相移180后，再加入到输入端。RC相移器的工作原理：不同频率的正弦波电压通过RC电路时，输出端的电压幅

38、度和相位都与输入端不同。,RC振荡器,相位超前型移相网络相位滞后的移相网络,RC振荡器,超前相移网络的传输系数（反馈系数）：所以，其模和相角分别为,RC振荡器,同理，滞后相移网络的传输系数（反馈系数）的模和相角分别为：,RC振荡器,这两种相移网络除相移方向不同外，还有以下共同特性：1）随着频率的改变，单节RC电路中所产生的相移在0 90之间变化，最大相移不超过90。2）输出电压幅度也随频率变化而变化，但输出电压总是小于输入电压，且相移越大，电压输出越小。当相移90时，输出接近于零。因此，为使相移网络倒相180，至少要用三节相移网络。,RC振荡器,由于相移值与频率有关，因此当RC参数一定时，相移

39、值只能在某一频率上满足相位条件。对于图7.12.1所示电路，当忽略晶体管的输出导纳hoe，且Rc=R1=R2=R，C1=C2=C3=C，R Ri时，可以证明其振荡频率为起振条件：RC振荡电路只用做技术指标要求不高的固定频率振荡器。,集成电路振荡器与RC振荡器,文氏电桥振荡器。,RC振荡器,文氏电桥振荡器,从正负反馈电路作用分析文氏电桥振荡器工作原理：图7.12.5电路中，负反馈电路Rt3、R4是纯电阻，因此负反馈电压的振幅和相角不随频率变化。但在正反馈电路中，正反馈电压的振幅和相角随频率变化。当频率趋于零时，C1和C2的容抗很大，接近于开路，RC网络的输入电压 几乎都降落在C1上，因此。,RC

40、振荡器,当频率逐渐升高时，C1和C2的容抗逐渐减小，于是C1上的电压降低，R2上的电压逐渐升高。当频率趋近于时，C1和C2的容抗趋近于零，R2近似短路，故又 趋近于零。,RC振荡器,反馈系数的相角也随频率而变化。当频率很低时，于是，通过电路的电流 超前于 一个角。由于，所以 必定超前于 一个角。随着频率的升高，角逐渐减小。当频率很高时，C1可以视为短路，而在C2两端的电压 落后于 一个相角。频率由低到高，相角也由正到负而逐渐减小。,RC振荡器,当电路工作在某一频率0时，于 同相，故=0，此时反馈系数为正实数。可以证明：当R1=R2=R，C1=C2=C，=0时，正反馈系数等于为使负反馈系数等于1/3，必须取Rt3=2R4。则在=0时，同时满足振幅平衡和相位平衡条件。实际应取F-1/3，即Rt3R4，以满足起振条件。,RC振荡器,