振荡器的频稳定度.docx

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1、5.4振荡器的频率稳定度满足起振、平衡和稳定三个条件n产生等幅持续的振荡 波形。当受到外界或振荡器内部不稳定因素干扰 n振荡器的瞬时 相位（或频率）会在平衡点附近随机变化。频率稳定度用于衡量实际振荡频率fosc与标称频率0偏离的程度。频率稳定度是振荡器最为重要的性能指标之一。现代电 子技术的飞速发展对振荡器的频率稳定度提出了越来越高 的要求。通信系统的频率不稳定，就会因漏失信号而无法通 信，如调频广播发射机的频率不稳，调频接收机就不能准确 接收，如调频广播发射机的频率准确、稳定，则接收机在不 需要调谐的情况下能够实现自动收听和转播；在数字电路 中，时钟不稳会引起时序关系的混乱；测量仪器的频率不

2、稳 定会引起较大的测量误差；军事保密通信及空间技术对频率 稳定度提出了更为严格的要求。例如，要实现与火星通信， 频率的相对误差不能大于10-11数量级。倘若给距离地球5600 万千米卫星定位，要求频率的相对误差不能大于10-12数量级。1频率准确度和频率稳定度评价振荡频率的主要指标是频率准确度和频率稳定度。频率准确度表明实际工作频率偏离标称频率的程度，分为 绝对频率准确度和相对频率准确度绝对频率准确度是实际工作频率、c与标称频率f 0的偏差(5.4.1)Af = f - fosc 0相对频率准确度是频率偏差Af与标称频率之比Af _f - f(5.4.2) osc 0 f f频率稳定度是在指定

3、时间间隔内频率准确度变化的最 大值。也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度。最常用的 是相对频率稳定度，简称频率稳定度，以5表示(5.4.3)5 sc0 maxf0 时间间隔其中I fos f0|max是某一间隔内的最大频率偏移。如某振荡器标称频率为5 MHz，在一天所测的频率中，与标称值偏离 最大的一个频率点为4.99995mhz，则该振荡器的频率稳定度 为_ |f - f= osc 0 maxf0(4.99995 - 5) x 1065 x 106day=1x 10-5 / dayday在频率准确度与频率稳定度两个指标中，频率稳定度更为重 要。因为只有频率稳定，才能谈得上频率准确。频率不稳，

4、 准确度也就失去了意义。下面主要讨论频率稳定度。频率稳定度按时间间隔分为 长期频率稳定度：以月甚至年为观测时间长度，观测的是长 时间的频率漂移。主要取决于构成振荡器的有源、无源器件 和石英晶体的老化特性。它主要用于评价天文台或国家计量 单位高精度频率标准和计时设备；短期频率稳定度：以一天，小时、分钟为测量时间间隔。短 稳主要取决于振荡器的电源电压、电路参数或环境温度的稳 定性。用于评价通信电子设备和仪器中振荡器频率稳定度。 瞬时频率稳定度：在秒级时间内，主要是振荡器内部干扰和 噪声作用引起的频率起伏，是频率的瞬间无规则变化。瞬时 频率稳定度在频域上又称为相位抖动或相位噪声。通常用得较多的是短期

5、频稳度。由于频率的变化是随机 的，不同的观测时段，测出的频率稳定度往往是不同的，而 且有时还出现某个局部时段内频率的漂移远远超过其它时 间在相同间隔内的漂移值，因此用式（5.4.3）来表征频率稳 定度不是十分合理，频率稳定度应建立在大量观测基础上的 统计值来表征较为合理， 常用的方法之一是均方根值将指定的时间划分为n个等间隔，测得的各频率准确度与 其平均值的偏差的均方根值来表征的。即（5.4.4）f =1 华-羊2 二 n z=l 4 丁个间隔内实测的频率，为第（W = f. f为第个间隔内实测的绝对误差。一 1 E 、写=万叫-f0）（5.4.5）n i=1为绝对频差的平均值。颂越小，频率准

6、确度就越高。频率稳定度当然越高越好，但这样的振荡器造价高，使用者 必须在性能和成本间折中考虑。不同场合，对振荡器频率稳定度的要求不同。例如用于中波广播电台发射机的为10 -5数量级，普通信号发 生器的为10一5口10-4数量级，电视发射机的为10 -7数量 级，高精度信号发生器的为10-7 口 10-9数量级，在标准计时， 天文测量和太空通信中，要求有很高的长稳和短稳，相对频,10-11 10-13L、 率变化不大于1。频率稳定度一般由实测确定。普通的LC电路的日频率稳定度可达10-210-3 ；采用 改进型的西勒振荡电路，也只能达到10 -4数量级，要求更 高的话，采用石英谐振器。2造成频率

7、不稳定的因素（了解即可，不做要求）1）LC回路参数的不稳定性温度变化是使LC回路参数不稳定的主要因素。温度改变 会使电感线圈和回路电容几何尺寸变形，因而改变电感L和 电容C的数值。一般乙具有正温度系数，即乙随温度的升高而 增大。而电容由于介电材料和结构的不同，电容器的温度系 数可正可负。另外，机械振动可使电感和电容产生变形，乙和 C的数值变化，因而引起振荡频率的改变。品体管参数的不稳定性当温度变化或电源电压变化时，必定引起静态工作点和晶体管结电容的改变，从而导致振荡频率不稳定。3稳频措施1）减小温度的影响为了减少温度变化对振荡频率的影响，最根本的办法是将 整个振荡器或振荡回路置于恒温槽内，以保

8、持温度的恒定。 这种方法适用于技术指标要求较高的设备中。在要求不是特 别高的情况下，为了减少温度系数的影响，应该采取温度系 数较小的电感、电容。例如，铁氧体的温度系数很大，当对 谐振回路的电感量提出高稳定度要求的时候，应该避免采用 铁氧体心。此时，电感线圈可用高频磁鼓架，它的温度系数 和损耗都较小。固定电容器比较好的是云母电容，它的温度 系数比其它类型电容的小。可变电容易采用极片和转轴线膨 胀系数小的金属材料（如铁镍合金）制作。它们的温度系数 小，性能稳定可靠。还可采用正、负温度系数的元件相互补 偿。如瓷介电容具有正温度系数，有的电容具有负温度系数，而很多电感都具有正温度系数。2）稳定电源电压

9、电源电压的波动，会使晶体管静态工作点发生变化，从而 改变品体管的参数，降低频率稳定度。为了减小这个影响，采用性能良好的电压源供电， 并采取退耦措施避免高频信号对电压源稳定性产生不良影 响。如果是制作高性能指标的振荡器，应当采用稳压电源。 当振荡器与整机其它部分公用一个电源时，往往从公用电源 取出电压，再经一次单独稳压，以避免整机其它部分耗电的 变化影响电源电压的稳定。另外，应采用具有稳定静态工作 点的偏置电路。3）减少负载的影响振荡器输出信号需要加在负载上，负载的变动必然会引起 振荡频率变化。为了减小这一影响，可在主振级及其负载之间加一缓冲级。为使缓冲级 最大限度的起到缓冲作用，缓冲级从主振级

10、所获取的功率应尽可能的小。当负载所要求的功 率一定时，缓冲级的功率增益越高，则要求主振级提供的功率越小。因此缓冲级的电路形式 及工作状态的选择，应该从功率增益最大来考虑。即：a）缓冲放大级应工作于甲类，因甲类工作状态的功率增益最高；b）共射电路比共基和共集（射级跟随器）电路的功率增益 大，所以共射电路是缓冲级电路优先考虑的电路形式。共射电路不足之处在于，其输入阻 抗不如共集电路的高，但可以通过缓冲级的输入端和谐振回路以部分接入方式连接，以提高 缓冲级对谐振回路的等效引入阻抗。射级跟随器也是比较常用的缓冲级。4）晶体管与谐振回路之间采用松耦合减小晶体管和谐振回路之间的耦合，可以减小晶体管输 出、

11、输入电容的变化对谐振回路等效电容值的影响，从而 使频率稳定度提高。减小晶体管和谐振回路之间耦合的常 用方法是将晶体管以部分接入的方式接入谐振回路。前面 介绍的克拉泼电路和西勒电路就是采用了这种方法。另外， 应选择f较高的晶体管。越高，高频性能就越好，可以保 证在工作频率范围内均有较高的跨导，电路容易起振；一 般选择（3口10）f ，f 是最高振荡频率。Q5）提高回路的品质因数LC谐振回路的相频特性表达式(5.4.6)S S =- arctan Q (-o)zS S根据式（5.4.6）可画出不同q值对应的相频特性曲线，如图5 33所示。由图可见，相频曲线的变化规律有如下特点。i)越接近，即Am二

12、越小，相频特性曲线的斜率迎 dm就越大，则稳频能力越强；反之，失谐越严重些就越小， d m频率稳定度越低。ii) Q值越大，在m0附近器的值越大，稳频能力越强。所以提高回路的Q值，减小Am，有利于改善振荡器的频率稳 0定性。图5 33并联谐振回路相频特性曲线如何提高谐振回路的q值？在绕制电感时应注意，平行密绕线圈的线间分布电容较 大，影响Q值。对于匝数较多的线圈，如振荡频率在2 MHz以 下，宜采用“蜂房式”绕法，并且最好用多股线，以减小趋 附效应的影响，以便提高Q值。对谐振回路而言，电感的铜损耗电阻，构成了谐振回路的主要损耗，其品质因数Q = 1元。因此，在确定电感值时， rC应取得大一些，

13、电容量取小一些，可得到较高的Q值。但电 容量太小时，品体管的输出、输入电容对回路的等效电容和 分布电容在回路中所占的比例将增大，使频率稳定度降低， 所以必须兼顾这两个方面。1） 屏蔽、远离热源将LC回路屏蔽可以减少周围电磁场的干扰。但加屏蔽后， 电感量下降，损耗加大，因此，线圈Q值将下降。在可能的前提下，尽量将屏蔽罩做得 大一些，这样，电感量不致减小太多，Q值所受影响也较小。 振荡器电路离开热源（如电源变压器、大功率管等）远一些， 可以减少温度变化对振荡器的影响。5.5晶体振荡器10 -2 10 -3 一通常LC振荡器的频率稳定度为，米取一些措施和改进，可达到10 -4,但很难突破10 一5。

14、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10 一5,前面介绍的振荡器都 无法达到要求。石英晶体谐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 一5。石英晶体振荡器的频率稳定度随采用的石英品 体、外部电路形式和稳频措施的不同而不同，一般在10 一5 口10 一11范围之间。如果采用低精度石英晶体，稳定度可达到10 -5数量级； 如采用中等精度石英晶体，稳定度可达到10 -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 10-7 口 10-8 数量级；如采用双层恒温控制系统和高精

15、度晶体，稳定度可以达到 10-9 口 10-11 数量级。石英晶体振荡器定义用石英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Q值的谐振元件。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品体(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；(b)横断面图5 34晶体的形状及横断面正方形圆形长方形图5 35石英谐振器的内部结构1石英品体的等效电路石英片的振动具有多谐性，除基频(Fundamental Frequen

16、cy) 振动外，还有奇次谐波的泛音(Overtones)振动。泛音振动 的频率接近于基频的整数倍，但不是严格的整数倍。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 泛首振动。利用基音振动实现对频率控制的晶体称为基音品体，其余 称为泛音品体。采用AT切割石英片的基频频率一般都限 制在20MHz以下。因为此时石英片的厚度仅有0041mm, 频率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的强度。 因此，要求更高的工作频率时，一般均是泛音品体。泛音 品体一般利用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。 图5 36给出石英谐振器的等效电路。图(

17、b)中石英晶体片等效为匕、c串联的谐振电路。 七是石英晶体的动态电感，表征品体的质量，值较大，通 常在几十个毫亨的量级；c q是动态电容，表征品体的弹性，值很小，通常在10 3pF 量级；rq是动态电阻，表征品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。C 0为静态电容和支架、引线等分布电容之和，其中静态 电容是以石英晶片为介质，两个电极为极板而形成的电容，它是C 0的主要成分。通常为几个皮法。石英具有多谐性，每次泛音都对应一个串联谐振电路： 基音等效为匕、?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

18、谐振频率等于3次泛音频率，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rq，近似于 短路，其他支路失谐，可近似于开路。所以对于工作频率， 石英谐振器都用图5 36(b)所示的电路等效。2石英晶体的参数温度系数：温度变化1 C引起固有振动频率的相对变化量。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。品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品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

19、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）石英品体谐振器具有非常高的品质因素 q，因为Q =，Lqq rqQ q值可达几万到几百万（15 16量级），维持振荡频率稳定不变的能力极强。iii）石英品体谐振器与晶体管之间的耦合很弱，即，品 体管对谐振回路的接入系数很小。LqCqC + C10-4 Q 10晶体氤 . qCo)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，使石英品体振荡器的振荡频率基本不受外界不稳 定因素的影

20、响。因此，由石英谐振器构成的石英品体振荡器 具有极高的频率稳定度。iv）石英品体谐振器的二个谐振频率 a ）当%, C,支路发生串联谐振时，其串联谐振频率(5.5.1)b）当频率大于f s , Lq 了。, rq支路呈现感性，与C o发 生并联谐振，其并联谐振频率2兀1q C + C(5.5.2)1 + C - fs (1+ C)oo谐振时，满足L -QCC qo一般Cc，C =(0.002-0.003)，因此 f, f 非常接近。例如， o5MHz 晶振? = 2.6x 10-3,求得 -f = 6.5K oC）石英晶体谐振器的标称频率N在实际振荡电路中，晶体两端往往并接有外部电容CL， 如

21、图5 38所示。在这种情况下，品体等效电路中的并接电容为CL + Co，相应的晶体的频率为广 广 1 C(5.5.3)fN - f S 2 )L 0图5 38石英晶体谐振器的标称频率标在晶体外壳上的振荡频率（即晶体的标称频率）就是并接L时石英晶振的振荡频率fN。 L的电抗频率曲线如图5 39中虚线所示。负载电容 l的值载于生产厂家的产品说明书中，通常高频品体=30 pF，低频品体cL的值标识为CL = 100 PF ； 对于串联型品体振荡器的石英谐振器，CL T ，即无需外接负载电容。4石英晶体谐振器的电抗特性由图5 36可知，忽略 时，品体两端呈现的阻抗为纯 电抗，其值近似为w1 -(二)2

22、w1(5.5.4)式中为串联谐振频率，Z 牝 Jk0 1 ( _P_ )2wL CC为并联谐振频率。由式（5.5.4）可画出石英谐振器的电抗特性曲线如图39中两条实线所示。比较（5.5.2）和（5.5.3）可知 介于fs和f p之间，显然，斗 f就越靠近s。晶体的负载电容 l越大,图5 39石英谐振器的电抗特性曲线由图5 39可看出石英谐振器的电抗特性具有如下特点i）当f v f时，等效电抗呈现容性。该部分电抗特性曲线平坦，频率稳定度差，通常不采用。ii）当f = f时，Lq，Cq支路串联谐振，近似于短路。X。= 0iii）当f / 匕时，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

23、的电抗补偿能力。从图5 39可知，当f f f时，c o呈现的容性起主要作用，X。 0。该频 段电抗特性曲线平坦，频率稳定性差，通常不工作于该区段。5. 5.2晶体振荡器电路根据晶体在振荡电路中的作用不同，品体振荡器可分为并联 型和串联型两种电路。石英晶体在电路中可以起两种作用：一种是石英晶体等效为电感元件，与其它回路元件一起按照 三点式振荡器的构成原则组成三点式振荡器。这类振荡器称 为并联型晶体振荡器。在并联型晶体振荡器电路中，品体必须作为感性元件，振荡。频率在 S p之间，靠近 p。另一种是石英晶体作为短路元件，串联在正反馈支路上， 用以控制反馈的强弱，它工作在石英晶体的串联谐振频率 S上

24、，称为串联型品体振荡器。1并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器中，石英晶体等效为感抗元件，用于代 替三点式电路中的某个电感。并联型晶体振荡器有两种形式。如图5 40所示。图（a）中，石英晶体接在晶体管的c、b极之间构成的电容三 点式振荡器，称皮尔斯（Peerce）振荡器；图（b）中，石英晶体接在晶体管的b、E极之间构成的电容三 点式振荡器，称密勒（Miller ）振荡器。i）皮尔斯电路中的石英晶体接在晶体管c、b之间，无需再 外接线圈，且频率稳定度高，得到广泛应用，图5 41给出 皮尔斯晶体振荡器实用电路。(a)实际电路与、Rb2、Re构成分压式自偏压偏置电路。L c为高频扼C流圈，b为旁路电容，

25、C c为耦合电容。BB-W-图(b)给出高频交流通路，(b)高频交流通路其中虚线框内为石英晶体谐振器的等效电路。C 1和C 2两个电容串接后，并接在晶体两端，构成晶体的负 载电容。如果其值等于晶体规定的C乙值，那么振荡电路的 振荡频率就是晶体的标称频率。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 42给出一个电路实例。图中C 4为微调电容，用于改变并接在晶体上的负载电容， 从而微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？ 首先，实际应用中，外接负载电容不一定正好等于规定的C L 值，因此晶体振荡

26、器的振荡频率f OSC 一般不会正好等于石 英晶体谐振器的标称频率.，有一个较小的偏差。通过在C电路中接入微调电容4，使晶体的外接电容达到规定的以确保晶体振荡器的9 ，通常 Ci C4 r 次，虽然晶体的物理、化学性能稳定，但是温度的变化仍会改变它的参数，还有晶体老化 等原因，都会导致振荡频率的缓慢变化，需要通过微调负载 电容C乙对振荡频率进行校正。2）改变微调电容，品体振荡器频率的变化范围图5 42（b）给出谐振回路等效电路，图中可变电容，由3、4并联构成。忽略晶体的损耗，得图5 43所示等效振荡回路。c图5 43谐才艮回路等效电路由图5 43可见,K荡:回路中的总电容串联，再与0并联，最后

27、与q串联构成。所以有111=+1气 I 十 1(5.5.5)+C C1111 C其中c c+c+c ,L为并接在晶体两端总的外部L t 12电容，称为晶体的负载电容。晶体的负载电容C L中包括与C 1、C 2并接的晶体管极间 电容，而极间电容是极易随温度变化的不稳定参数。显然C LL 成为不稳定量，进一步导致晶体振荡器频率的不稳定。为此， 接入微调电容，且使匕 %匕 C2，则Cl牝Ct。只要 选择温度系数较小的电容构成C t，就可改善C L的稳定性， 使其等于规定的负载电容值。将式(5.5.5)简化为111=+CCC + C“C = C(C+C 谐振回路总电容s C+C+C晶体振荡器的频率L

28、2” !l Jq旗下面分析石英晶体振荡器的振荡频率变化范围(a)当Ct T8，代入式(5.5.6)得1(5.5.6)f osc min 2兀f (5.5.7)(b)当 C代入式(5.5.6)得f 二一osc max2q C + C0fp(5.5.8)C结论：改变微调电容 可使品体振荡器的频率产生微小变化。取Ct T 8，得到晶体振荡器频率的的最小值foscmin = f ； 取 T 0，得到晶体振荡器频率的的最大值focmax = f。 无论怎样调节C ,，总有f s V fosc V 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，品体的电

29、抗频率特性 曲线较陡，斜率大，品体才有很强的电抗补偿能力，使晶体 具有很高的频率稳定度。因此，C t的取值应较小。2）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电路为例。因为t 。t 2， t是与c 数量级相同的小电容，分析接入系数时可将 t并入。，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544（c）所示的等效电路。（a）等效交流通路（b）等效谐振回路（c）求接入系数的简化谐振回路图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Qq(5.5.9

30、)Q =土 1q rq石英晶体谐振器的特性阻抗P矣，石英晶体的并联谐振电阻Rp“ L 1R = p r C由图5 44R = (n )2(n )2R = (n )2(n )2QpLq = Q p qqrq（C）的“ 端看进去的谐振阻抗为(5.5.10)P ce cb p ce cb q(5.5.11)为振荡管C、e端对回路c、方端的接入系数;C 式中，W * 12_ Cncb C + C + C为外电路对石英晶体谐振回的接入 0 L q系数；其中七=cccc-12n b 10-3 10-4例：BA12型2.5MHz精密石英谐振器，其参数L = 19.5H，C = 2.1x10-4 pF， qr

31、 110Q，C0 = 5 pF。假定振荡管输出端对谐振回路的接入系数 = nnb = 10 -4，求与振荡管相耦合的等效阻抗R；。2兀fL 解 Q =q = 2.8 x 106q r qLp= C = 3.04 x108 qR = Q p = 8.5 x10i4P q 一 _ _ _R = （n ）2Q p = 8.5x106（。）可见，由石英晶体的Q、p非常之大，R高达1010以上，尽管回路的接入系数只有万分之一，R折合到晶体管输出端 的等效阻抗仍很大，完全可以保证品体管增益满足振幅起振 条件。ii）密勒振荡器图5 45给出密勒振荡器电路。(h)等效振荷回路问题：振荡器的振荡频率fos和L1

32、、C1、回路的固有谐振频率应满足怎样的关系，该电路才能产生振荡?石英晶体谐振器连接在晶体管的、极之间。该电 路实质上是个双回路振荡电路，LSx.是集电极回路元 件，由于基极与发射极之间接入感性元件的晶体，根据相位 平衡条件的判断准则，L1、C1、回路必须等效为感性。如何保证回路等效为感性?必须牢记这张图，必考!可变电容作为集电极回路的调谐电容，必须使回路的固有谐振频率1满足 匕fosc，以确保谐振回路呈现感性。由于石英晶体谐振器连接在品体管的b、极之间，正 向偏置时，发射结电阻很小，并接在谐振回路二端对其q值 影响很大，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品体管，而是

33、用输入阻抗很高的场效应管。如图5 46所示。c 2通常由 极间电容C gd构成，这样构成电感三点式振荡器。C gd又称为密勒电容。图5 46场效应官密勒振汤器iii）并联型泛音品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1.615 MHz时，晶片厚度为1mm；当固有机械振荡频率（基频）达15MHz时，晶片厚度为为 0.08mm,即谐振频率越高，品体越薄，强力的机械振动会导 致晶片的损坏，而且晶片越薄，加工越困难。采用泛音谐振模式，提高晶振电路的频率为了提高晶振电路的频率，多采用泛音谐振模式，使电路振 荡频率工作在晶体

34、的谐波（一般为3次到七次谐波）频率上， 泛音次数太高，晶体的性能也会显著下降。解释泛音，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，泛音品体只有奇次泛音品体， 而无偶次泛音品体，且基频和奇次泛音不能共存。泛音品体 是一种特制的晶体，例如JA12型。泛音品体的使用，可使 几十兆赫基频的晶片产生上百兆赫的稳定振荡。石英晶体工作于泛音时与基音晶振电路有些不同在泛音晶振电路中，所需泛音可能获得的机械振动和相应的 电振荡均相对较弱，且对于较高的振荡频率，器件的放大能 力和谐振阻抗都比较小。结论：基音和低次泛音会因满

35、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谐波的寄生振荡，保 证品体振荡器电路能准确地工作于所需要的奇次谐波上，而 不是基波或其它谐波？1）高次谐波的抑制正确的调节环路增益AF ，使其在需要的谐波频率上略大于 1，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5 47（a）给出的实际电路，在三点式振荡电路中，用选频回路来代替某支路的电抗元件，使这一支路在基音和低次谐波频率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

36、而 产生振荡。泛音品体振荡电路与基音振荡电路的不同：1）用电感L 1和电容C 1组成的并联谐振回路代替了基音品 体振荡器中的电容C 1。（与只适用于产生基音振荡的图5 42（b）相比）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 或 回路呈现容性，振荡电路满足三点式组成法则“射同基反”；而对于基频和三次泛音频率来说， 或回路呈现感性，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，成 回路虽然呈现容性，满足“射 同基反”的相位平衡条件，但LR对7失谐严重，从 而使电压的放大倍数减小，环路增益AF 1，不满足 振

37、幅起振条件，不能产生振荡。举例：假设泛音品振为5次泛音，标称频率为5 M& ，基，则L1C回路必须调谐在5口3泛音之间。这样在5 H 频率上，LC1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LiCi谐振回路失谐严重，AF 1，不满足振 幅起振条件，不能产生振荡。图5 48 L1C1回路的电抗特性图中LCii谐振回路的固有谐振频率为，且、gf f f L C g ff 口工满足）3 J1 J 5。 LC对3呈现感性，对f呈现谷115性。2、串联型品体振荡器定义：串联型品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

38、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f s上起振。图5 49串联型品体振荡器的实际电路(a)实际电路(b)串联型品体振荡器高频等效交流电路将石英晶体短路，它就是一个电容三点式振荡器。1）当振荡器的工作频率fosc = fs时，品体以很小的电阻q 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 f，品体将呈现很大阻抗，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：虽然串联型品体振荡器的振荡频率 、是由晶体谐振器的/s决定。其稳定性也是由晶体谐振器决定，而

39、不是由选频 网络决定的。这并不意味着其选频网络LCC2C3可取任何值。 如果由这几个元件决定的固有频率f0与s相差很大，则 这个振荡器不能起振。所以应该合理选择LCC3的数值， 使其调谐在f s上或附近。同样，可利用串联型泛音品体振荡电路来提高振荡频率。图5 50串联型泛音品体振荡器的高频等效交流电路。用电感L 1和电容C 1组成的并联谐振回路代替图5 49C（b）所示基音品体振荡器中的电容1和C 3。工作原理与并联型泛音品体振荡器相同，不再赘述。5. 5.4使用石英品体谐振器时应注意的事项（了解一下，对设 计晶振有帮助）石英晶体谐振器上所标志的标称频率，负载电容co 并联在石英晶体谐振器二端

40、总的外部电容值，称为晶体的负载电容。品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c的条件下测定的。在实际使用 L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c值，才能获得标称的振荡频率。L对于串联型品体振荡器中的石英谐振器，无需外接负载电 容，记作cL *。(ii)石英品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

41、而损坏。国产小型金属壳高频 石英晶体谐振器15、庭、5、的激励功率分别为1、2、4mw。(iii)在并联型石英品体振荡器中，石英品体只能等效为电 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品体振荡器时，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(自学)压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator)简称。，是 以某一电压来控制振荡频率或相位大小的一种

42、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）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，可采用品体 压控振荡器。品体谐振器的作用：品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

43、现对振荡器频率的调整。图5 55给出品体压控振荡器高频等效电路。C2470p图 5 55十C1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，从而 改变振荡器的振荡频率。品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fs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fs左移 到匚，s是扩展后的串联谐振频率，并联谐振频率fp 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七右移到fp,fp是扩展后的并联谐振频率，串联谐振频率。保持不变。图5 56扩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。