通信电路ch05_3教材

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1、笫5章 正弦波振荡器 本章主要内容 5.1、振荡器 概述 5.2、LC 振荡器的基本工作原理 nLC振荡器的基本构成 n振荡的三大条件 5.3 LC 振荡器的电路分析 5.3.1 互感耦合振荡器 5.3.2 三点式振荡器电路（考毕兹、哈特莱、改进型） 5.4、振荡器的频率稳定度 5.4.1频率稳定度的计量 5.4.2导致振荡频率不稳定的原因 5.4.3主要稳频措施 5.4.4晶体振荡器 o 石英谐振器的基本特性 o 晶体振荡器电路 5.5其他振荡器与特殊振荡现象 1 5.4.1 频率稳定度的计量 对振荡器频率性能的要求，通常用频率准确度和频率稳定度 来衡量。 n 频率准确度又称频率精度 o 绝

2、对频率准确度 f ：它表示振荡频率 f 偏离标称频率 的程度。 o 相对频率准确度：为了合理评价不同标称频率振荡器的频 率偏差，频率准确度也可用其相对值 来表示。 频率稳定度指振荡器实际振荡频率偏离其标称值频率稳定度指振荡器实际振荡频率偏离其标称值变化的变化的程度。程度。 5.4振荡器的频率稳定度 2 o 频率稳定度则是指在一定观测时间内，由于各种因素 变化，引起振荡频率相对于标称频率变化的程度。 o 由于频率的变化是随机的，所以不同的观测时段，测 出的频率稳定度往往是不同的。上式表征频率稳定度 并不十分合理。目前多用其均方误差来表示频率稳定 度： n n为观测时间内的测量次数，为观测时间内的

3、测量次数，i i=1=1，2 2，为观测序号；为观测序号； 为第为第i i次测得的最大频率相对偏移；次测得的最大频率相对偏移；n n次频率偏移的次频率偏移的 平均值为平均值为 频率稳定度的计量-均方误差来表示 3 （1）长期频率稳定度（长稳） 观测时间为一天以上的稳定度称为长期频率稳定度。一般高精度的频率 基准、时间基准（如天文观测台、国家计时台等）均采用长期频率稳定 度来计量频率源的特性。 -主要由元件老化、元件参数的慢变化引起的频漂。 （2）短期频率稳定度（短稳） 观测时间在一天以内如以小时计量的频率稳定度。 大多数电子设备和仪器均采用短稳来衡量。 （3）瞬时频率稳定度（秒级频率稳定度）

4、瞬时频率稳定度用于衡量秒或毫秒时间内频率的随机变化。 这些变化均由设备内部噪声或各种突发性干扰引起。-频域：相位噪声 o 根据观测时间的长短，将频率稳定度分为： 频率稳定度的分类 4 pp瞬时频率稳定度是高速通信设备、雷达设备以及以相瞬时频率稳定度是高速通信设备、雷达设备以及以相 位信息为主要传输对象的电子设备的重要指标。用位信息为主要传输对象的电子设备的重要指标。用阿仑阿仑 方差方差来描述这种频率的起伏。来描述这种频率的起伏。 为振荡器标称频率；为振荡器标称频率；n n为测量次数；为测量次数； 为每次测量的取样时间为每次测量的取样时间 ；i i=1,2,3,=1,2,3,n n为测量次数的序

5、号；为测量次数的序号； 和和f f2 2i-1 i-1 为 为 第第2i2i次和第次和第2 2i-1 i-1 次测得的频率值。每两次观测时间的中间可以有间歇，而且次测得的频率值。每两次观测时间的中间可以有间歇，而且 间隔时间可长可短。这样在测量和进行数据处理时，采用阿间隔时间可长可短。这样在测量和进行数据处理时，采用阿 仑方差表示式就带来很大的方便。仑方差表示式就带来很大的方便。 瞬时瞬时频率稳定度的计量-阿仑方差阿仑方差 5 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-

6、9 原子钟（频率标准）10-11 10-13 举例： 频率稳定度的计量（续4） 6 5.4.2导致振荡频率不稳定的原因 o 能使环路相位平衡条件得以满足的频 率即为该振荡器的振荡频率 o 它与回路自然振荡频率 、回路有 效 Q 值以及环路附加相移 的关系 可写成： 不稳定都会导致振荡频率不稳定都会导致振荡频率 不稳定。不稳定。Q Q 增加，增加，QQ下降时，下降时， 会提高。会提高。o 当 7 影响振荡器频率稳定度的三方面因素 o 谐振回路中心频率 不稳定 o 回路Q值的变化 o 环路附加相移相位 的变化 8 u影响 （或 ）的主要因素 n 各种环境因素如温度、湿度、 大气压力、振动等因素对回

7、路 电感L和电容C的影响。 n 晶体管或其它器件的输入、输 出阻抗的变化。 n 电路元件间分布电容的变化。 n 负载电抗参数的变化。 u影响 的主要因素 9 u影响环路 Q 值的因素 n 器件输入、输出阻抗中的有 功部分。 n 负载电阻的变化。 n 回路损耗电阻尤其是电抗元 件的高频损耗，回路元器件 的高频响应等。 回路回路QQ与振荡频率的关系与振荡频率的关系 u影响环路 Q 值的因素 10 u影响 的因素 事实上，还有许多其它原因，通 过上述三途径对振荡频率的稳定 性起着不良影响。 n 反馈变压器的非理想电抗因素。 n 晶体管的输入阻抗和输出阻抗。 n 晶体管的值可为复数。 n 环路内各种噪

8、声源引起的相差 抖动等。 u影响 的因素 11 1. 提高谐振回路的标准性 n 标准性是指在外界因素如温度、湿度、大气压力等变化 时，谐振回路保持其谐振频率固定不变的能力。标准性 越高，回路自然谐振频率随环境条件变化的可能性就越 小。 n 提高回路标准性的主要措施是选用高品质因数、高稳 定性和低温度系数、低吸水性的电容器与电感器。 * 等号右边的负号表示频率变化的方向与电抗变化的方 向刚好相反。如电感量加大，振荡频率将降低。 5.4.3 主要稳频措施 12 n 采用温度补偿法和温度隔离法 引起电抗元件电感量和电容量变化最明显的环境因 素是温度的变化。 o 温度补偿法：用具有负温度系数的瓷介电容

9、器，接入由 普通的具有正温度系数的电感和电容组成的谐振回路。 o温度隔离法：将关键电抗元件置于特制的恒温槽内，使 槽内的温度基本上不随外界环境温度的变化。 n 利用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容构成 的电磁谐振系统，它是高稳频率源的一个重要形式。 这种谐振系统构成的振荡器，不但频率稳定性、频率准确 度高，而且体积、耗电均很小，在许多领域已被广泛地采用 主要稳频措施（续1） 13 2. 削弱不稳定因素对谐振特性的影响 n晶体管的参数稳定：晶体管的参数（输入输出阻抗等）受工 作点的影响较大，因此注意选择工作点稳定电路与良好的稳 压电路。 n选择回路与器件间的接入系数：晶体管的输入输出阻抗

10、、各种 分布电容和引线电感都是影响回路标准性的重要因素。 选择回路与器件间的接入系数，尽可能减小不稳定的分布电容 和引线电感的影响，对于提高频率稳定性是十分重要的。 n减小负载对振荡器的影响: o振荡器后面接缓冲级，例如高输入阻抗的跟随器。 o负载与振荡器输出直接连接时，可采用部分接入，如采用变 比较大的降压变压器，或分压比很小的电容分压网络，或通 过小电容与其它负载相联接。 主要稳频措施（续3） 14 n 采用改进型的电路（克拉泼和西勒电路） 减小振荡管自身的输入、输出阻抗对回路性能即振荡频 率的影响。特别是在三点式振荡电路中，器件三个端口 的等效阻抗 、 、 直接与回路三个电抗元件 相连接

11、，由于器件端口等效阻抗的稳定性很差，且随工 作状态改变而改变，其频率稳定度的提高受到严重的影 响。 n 谐振回路的选择：选择高品质因数的谐振回路（石英 谐振器）。 主要稳频措施（续3） 15 o 利用石英晶体的压电效应和反压电效应对正弦波振荡 器进行控制的振荡器称为晶体振荡器。 o 压电效应和反压电效应： 按某种方式将石英晶体切割成一定厚度的薄片（晶片 ），对晶片施加机械力（压力、拉力、扭力等）时， 在其两面会产生正负电荷的集聚正压电效应；反 之，在石英晶片两面加电场时，石英晶片会产生形变 反压电效应。 n 晶体振荡器也是反馈振荡器，决定频率的元件是 晶体而不是LC谐振回路 5.4.4 晶体振

12、荡器 16 o 晶体振荡器一般的频率稳定度 o 对晶体加恒温控制，可提高到 数量级 o 目前晶体振荡器频率稳定度的极限是 o 晶体振荡器可以产生频率稳定度和准确度很高的正 弦波的原因：石英晶体具有极高的Q值，其物理性 能和化学性能十分稳定，对周围环境条件（如温度 、湿度、大气压力）的变化不敏感。 晶体振荡器是最常见的具有高稳高准频率的 正弦波振荡电路 晶体振荡器具有高稳高准频率 17 o 在石英晶片两端上加交变的电压，由于正反压电效 应的作用，在线路中会出现交变电流，并且电信号 的频率和晶体的固有振动频率一致（共振）时，产 生出的电流最大。石英晶体的谐振特性。 o 将石英片两侧形成两电极，电极

13、焊出两引线固定在 支架上，再加合适的封装即构成石英谐振器。 o 将石英谐振器接到振荡器的闭合环路中，利用它的 固有振动频率，就能有效地控制和稳定振荡频率。 石英晶体对振荡频率的控制 18 o 晶体振动具有多谐性，除了基频振动外，还有奇次谐 波的泛音振动。 n基频晶体：利用基频振动实现对频率控制的晶体称为基频（ 音）晶体 n泛音晶体: 除基频外，一般工作在三次和五次泛音振动上。 o 石英晶体的固有振荡频率和晶片厚度有关系，而振 荡频率的稳定性与石英片材料和切割方式有关。振 荡频率越高，晶片就越薄。太薄，易损坏。 o 一般基频晶体工作在20MHz以下，泛音晶体振荡 器的工作频率可达200MHz。

14、n传统切割工艺晶体谐振频率很难达到30MHz; 化学蚀刻 方法得到薄晶片，使谐振频率达到350MHZ。 石英晶体的固有振荡频率-基频晶体与泛音晶体 19 1. 石英谐振器的等效电路 晶体 其中： 等效电感，大体反映石英片的质量；几十几百亨 等效电容，反映其材料的刚性； 等效电阻，石英片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。几几十 。 返回 电电 路路 符符 号号 基频晶基频晶 体等效体等效 电路电路 石英谐振器的基本特性 20 2. 石英谐振器的谐振频率 如令 为不考虑晶体内部损 耗（

15、即 = 0）时石英谐振器 的串联谐振频率； 为并联 谐 振频率，Q为石英谐振器的等 效品质因数；p为接入系数(对 外电路的接入系数），其数值 分别为： 上图返回 石英谐振器的基本特性（续1） 晶体电抗特性晶体电抗特性 两谐振频两谐振频 率之间呈率之间呈 感性感性 21 晶体等效阻抗图 o 晶体等效阻抗图及两种振荡模式振荡频点位 置 22 3. 石英谐振器的基本特性 n很高的等效品质因数 Q ： n很小的接入系数 P：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。 n具有两个谐振频率 和 . n 两个谐振频率十分接近： 举例： 2.5MHz石英谐振器的接入系数 p=

16、4.210-5 故串并联谐振频率绝对频差为： n晶体的两种工作方式（1）高 Q 短路线 ( 振荡在 上） （2）等效电感 L：振荡在 两个谐振频率 和 之间。 上图 石英谐振器的基本特性（续2） 23 晶体振荡电路（两种类型，三种形式） （1）晶体代替三点式振荡器中的电感-并联型晶体振荡电路。 晶体在振荡环路中起着高 Q 电感器的作用。 （2）晶体串接在反馈支路当串联谐振元件用串联型晶体 振荡电路。晶体起着高 Q 短路器作用。 泛音晶体振荡器：利用石 英谐振器的泛音振动特性对 频率实行控制的振荡器。 串联型（泛音）晶振 并联型泛音晶振并联型泛音晶振 返回返回 24 1 1、并联型晶振电路、并联型晶振电路晶体呈高晶体呈高QQ电感电感 25 1. 并联型晶体振荡电路（续1） 由于