2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年1笫5章

正弦波振蕩器

5.1引言5.2LC

振蕩器的基本工作原理5.3LC振蕩器的電路分析5.4振蕩器的頻率穩(wěn)定度5.5晶體振蕩器5.6負(fù)阻振蕩器（*）5.7RC振蕩器與開(kāi)關(guān)電容振蕩器（*）5.8特殊振蕩現(xiàn)象（*）2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年2笫5章

正弦波振蕩器5.4振蕩器的頻率穩(wěn)定度

5.4.1頻率穩(wěn)定度的計(jì)量5.4.2相位噪聲5.4.3導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因5.4.4主要穩(wěn)頻措施5.5晶體振蕩器

5.5.1石英諧振器的基本特性5.5.2晶體振蕩電路2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年3有關(guān)振蕩器的頻率穩(wěn)定振蕩器的平衡條件：振幅平衡條件：AF=1。相位平衡條件：振蕩器的穩(wěn)定條件：振幅穩(wěn)定條件：相位穩(wěn)定條件：2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年4影響振蕩器的頻率的的主要因素器件參數(shù)對(duì)振蕩頻率的影響有兩個(gè)途徑：一是通過(guò)等效電抗的影響，一是通過(guò)等效電阻的影響。考畢茨（Colpitts）振蕩器克拉潑振蕩器（clapp）西勒振蕩器（shelle）哈脫萊（Hartley）振蕩器振蕩的相位穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件為：要使振蕩系統(tǒng)滿足相位穩(wěn)定條件，系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)有一相頻特性具有負(fù)斜率的單元，在LC振蕩器中這種負(fù)斜率變化的功能恰好可以由LC并聯(lián)諧振回路來(lái)完成。加大LC回路的有載Q值，回路相頻特性斜率也相應(yīng)加大。這樣，要產(chǎn)生同樣的相位增量，只需較小的頻率偏移，從而提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年65.4振蕩器的頻率穩(wěn)定度5.4.1頻率穩(wěn)定度的計(jì)量對(duì)振蕩器頻率性能的要求，通常用頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度來(lái)衡量。頻率準(zhǔn)確度又稱頻率精度：絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度Δf：它表示振蕩頻率f偏離標(biāo)稱頻率f0的程度。相對(duì)頻率準(zhǔn)確度：為了合理評(píng)價(jià)不同標(biāo)稱頻率振蕩器的頻率偏差，頻率準(zhǔn)確度也可用其相對(duì)值Δf/f0來(lái)表示。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年75.4.1頻率穩(wěn)定度的計(jì)量（續(xù)1）頻率穩(wěn)定度則是指在一定觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，由于各種因素變化，引起振蕩頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率變化的程度。（1）長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度（長(zhǎng)穩(wěn)）：觀測(cè)時(shí)間為一天以上的穩(wěn)定度稱為長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度。一般高精度的頻率基準(zhǔn)、時(shí)間基準(zhǔn)（如天文觀測(cè)臺(tái)、國(guó)家計(jì)時(shí)臺(tái)等）均采用長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度來(lái)計(jì)量頻率源的特性。（2）短期頻率穩(wěn)定度（短穩(wěn)）：觀測(cè)時(shí)間在一天以內(nèi)如以小時(shí)計(jì)量的頻率穩(wěn)定度。大多數(shù)電子設(shè)備和儀器均采用短穩(wěn)來(lái)衡量。（3）瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度（秒級(jí)頻率穩(wěn)定度）：瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度用于衡量秒或毫秒時(shí)間內(nèi)頻率的隨機(jī)變化。這些變化均由設(shè)備內(nèi)部噪聲或各種突發(fā)性干擾所引起。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年85.4.1頻率穩(wěn)定度的計(jì)量（續(xù)2）RC振蕩器10-3LC振蕩器10-3–10-4普通信號(hào)發(fā)生器10-3–10-4中波廣播臺(tái)210-5短波通信機(jī)10-4–10-5電視發(fā)射臺(tái)510-7標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器10-7–10-9時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)10-11–10-13在無(wú)線通信系統(tǒng)中，一般要求頻率穩(wěn)定度（設(shè)隨溫度變化）為２to0.5ppm/℃（ppm=10-6）。5.4.2相位噪聲單邊（SSB）相位噪聲：相位噪聲的定義：實(shí)際振蕩器的輸出不是一根譜線，還有兩個(gè)邊帶，這就是相位噪聲；相位噪聲的影響：頻譜不純的發(fā)射信號(hào)對(duì)鄰道信號(hào)產(chǎn)生干擾；接收機(jī)中的本振信號(hào)不純降低了中頻信號(hào)的信噪比；本振的相位噪聲也干擾數(shù)字通信，增大了誤碼率。相位噪聲的計(jì)量：在頻域是用單邊相位噪聲功率來(lái)表示，單邊相位噪聲是指偏離載頻一定量處，單位頻帶內(nèi)的噪聲功率相對(duì)于平均載波功率的分貝數(shù)。單位是，表示相對(duì)于平均載波功率的大小。單邊相位噪聲功率可用頻譜分析儀來(lái)測(cè)量。通信系統(tǒng)要求：偏離載頻10KHz時(shí)為-80to-110

5.4.3導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因能使環(huán)路相位平衡條件得以滿足的頻率，即為該振蕩器的振蕩頻率f01與回路自然振蕩頻率f0、回路有效Q值以及環(huán)路附加相移φh

的關(guān)系可寫(xiě)成：外因：溫度變化（Δf0）；電壓變化（Δφh）；負(fù)載變化（ΔQ）。內(nèi)因：相位平衡條件。2023年3月8日10《通信電路原理》--北航11年2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年115.4.3導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因（續(xù)1）1.影響（或）的主要因素各種環(huán)境因素如溫度、濕度、大氣壓力、振動(dòng)等因素對(duì)回路電感和電容的影響；晶體管或其它器件的輸入、輸出阻抗的變化；電路元件間分布電容的變化；負(fù)載電抗參數(shù)的變化。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年125.4.3導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因（續(xù)2）2.影響環(huán)路Q值的因素器件輸入、輸出阻抗中的有功部分；負(fù)載電阻的變化；回路損耗電阻尤其是電抗元件的高頻損耗，環(huán)路元器件的高頻響應(yīng)等。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年135.4.3導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因（續(xù)3）3.影響的因素反饋?zhàn)儔浩鞯姆抢硐腚娍挂蛩胤N環(huán)境因素；晶體管的輸入阻抗和輸出阻抗或其它器件的輸入、輸出阻抗；晶體管的值可為復(fù)數(shù)；環(huán)路內(nèi)各種噪聲源引起的相差抖動(dòng)等。事實(shí)上，還有許多其它原因，通過(guò)上述三途徑對(duì)振蕩頻率的穩(wěn)定性起著不良影響。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年145.4.4主要穩(wěn)頻措施等號(hào)右邊的負(fù)號(hào)表示頻率變化的方向與電抗變化的方向剛好相反。如電感量加大，振蕩頻率將降低。1.提高諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性回路的標(biāo)準(zhǔn)性是指在外界因素如溫度、濕度、大氣壓力等變化時(shí)，諧振回路保持其諧振頻率固定不變的能力。標(biāo)準(zhǔn)性越高，回路自然諧振頻率隨環(huán)境條件變化的可能性就越小。提高回路標(biāo)準(zhǔn)性的主要措施是選用高品質(zhì)因數(shù)、高穩(wěn)定性和低溫度系數(shù)、低吸水性的電容器與電感器。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年155.4.4主要穩(wěn)頻措施（續(xù)1）溫度補(bǔ)償法和溫度隔離法：引起電抗元件電感量和電容量變化最明顯的環(huán)境因素是溫度的變化。溫度補(bǔ)償法：用具有負(fù)溫度系數(shù)的瓷介電容器，接入由普通的具有正溫度系數(shù)的電感和電容組成的諧振回路。溫度隔離法：將電抗元件置于特制的恒溫槽內(nèi)，使槽內(nèi)的溫度基本上不隨外界環(huán)境溫度的變化。利用石英諧振器等固體諧振系統(tǒng)代替由電感、電容構(gòu)成的電磁諧振系統(tǒng)，它是高穩(wěn)頻率源的一個(gè)重要形式。由于這種諧振系統(tǒng)構(gòu)成的振蕩器，不但頻率穩(wěn)定性、頻率準(zhǔn)確度高，而且體積、耗電均很小，因此，在許多領(lǐng)域已被廣泛地采用。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年165.4.4主要穩(wěn)頻措施（續(xù)2）2.削弱不穩(wěn)定因素對(duì)諧振特性的影響晶體管的參數(shù)穩(wěn)定：晶體管參數(shù)（輸入輸出阻抗等）受工作點(diǎn)的影響較大，注意選擇工作點(diǎn)穩(wěn)定電路與良好的穩(wěn)壓電路。選擇回路與器件間的接入系數(shù)：晶體管的輸入輸出阻抗、外接負(fù)載阻抗、分布電容和引線電感都是影響回路標(biāo)準(zhǔn)性的重要因素。因此選擇回路與器件間的接入系數(shù)，選擇合適的回路與負(fù)載間的耦合系數(shù)，對(duì)提高頻率穩(wěn)定性是十分重要的。外接負(fù)載阻抗：為了阻止負(fù)載對(duì)振蕩器的影響，振蕩器一般都是通過(guò)具有高輸入阻抗的跟隨器（發(fā)射極輸出器）。如必須直接連接時(shí)，也應(yīng)采用變比較大的降壓變壓器，或分壓比很小的電容分壓網(wǎng)絡(luò)再與其它負(fù)載相聯(lián)接。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年175.4.4主要穩(wěn)頻措施（續(xù)3）改進(jìn)型的電路：減小振蕩管的輸入、輸出阻抗對(duì)回路振蕩頻率的影響，是提高振蕩頻率穩(wěn)定性的一個(gè)非常重要的課題。特別是在三點(diǎn)式振蕩電路中，器件三個(gè)端口的等效阻抗直接與回路三個(gè)電抗元件相連接，由于器件端口等效阻抗隨工作狀態(tài)改變而改變，由它構(gòu)成的振蕩器其頻率穩(wěn)定度的提高也必然會(huì)受到嚴(yán)重的影響。為了改善普通三點(diǎn)振蕩電路的頻率穩(wěn)定性而提出的兩種改進(jìn)型的電路（克拉潑振蕩器和西勒振蕩器）

。晶體管參數(shù)（輸入輸出阻抗等）受工作點(diǎn)的影響較大，注意選擇工作點(diǎn)穩(wěn)定電路與良好的穩(wěn)壓電路。諧振回路的選擇：高品質(zhì)因數(shù)的諧振回路（石英諧振器）。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年185.5晶體振蕩器壓電和反壓電效應(yīng)：石英是一種具有晶體結(jié)構(gòu)、外形呈角椎形六棱體的礦物質(zhì)。當(dāng)按某種方式將其切割成一定厚度的薄片時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)它具有一種特殊的物理現(xiàn)象。石英晶體的物理性能和化學(xué)性能十分穩(wěn)定，對(duì)周?chē)h(huán)境條件（如溫度、濕度、大氣壓力）的變化不敏感。晶體振蕩器突出的優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度很高的正弦波振蕩器：10-4～10-6；10-7～10-8（加恒溫控制）；10-12～10-13（極限）。用基音振動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率控制的晶體稱為基音晶體，其余稱為泛音晶體。采用AT切割石英片的基頻頻率一般都限制在20MHz以下。因?yàn)榇藭r(shí)石英片的厚度僅有0.041mm，頻率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的強(qiáng)度。5.5.1石英諧振器的基本特性1.石英諧振器的等效電路5.5.1石英諧振器的基本特性（續(xù)1）2.石英諧振器的諧振頻率5.5.1石英諧振器的基本特性（續(xù)2）02.石英諧振器的諧振頻率5.5.1石英諧振器的基本特性（續(xù)3）

3.石英諧振器的基本特性很高的等效品質(zhì)因數(shù)（104~106）：石英諧振器最大的特點(diǎn)是具有很大的等效電感量和很小的損耗電阻。很小的接入系數(shù)P（10-3~10-4）：當(dāng)外界電抗元件與之相連接時(shí)，對(duì)石英諧振器的固有諧振特性的影響是十分微弱的。具有兩個(gè)諧振頻率，且兩個(gè)諧振頻率十分接近：石英諧振器的兩種工作方式：高Q短路線（f=fq）：串聯(lián)型晶體振蕩器；等效L（fq<f<fp）：并聯(lián)型晶體振蕩器。5.5.2晶體振蕩電路三種反饋振蕩器：電路中當(dāng)?shù)刃щ姼性茫瑸椴⒙?lián)型晶體振蕩電路。晶體在振蕩環(huán)路中起著高Q

電感器的作用。電路中當(dāng)串聯(lián)諧振元件用，為串聯(lián)型晶體振蕩電路。晶體則起著具有高Q短路器作用。泛音晶體振蕩器：利用石英諧振器的振蕩器稱為泛音晶體振蕩器。1.并聯(lián)型晶體振蕩電路（1）皮爾斯（C-B）電路RFCCEBCBE如令，是和（+）的串聯(lián)。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年251.并聯(lián)型晶體振蕩電路（續(xù)1）石英晶體參數(shù)具有高度穩(wěn)定性，ωq

穩(wěn)定，ω0也很穩(wěn)定；由于Cq<<（C0+CL），振蕩管與石英諧振器之間耦合很松；由于ω0>

ωq

，石英諧振器是等效為電感L用；振蕩回路的振蕩頻率近似等于ωq

。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年261.并聯(lián)型晶體振蕩電路（續(xù)2）注意三種頻率：石英諧振器的振蕩頻率；振蕩回路的振蕩頻率；并聯(lián)型晶體振蕩電路的振蕩頻率ωc（考慮φh的影響）。（2）密勒（Miller）電路石英晶體JT

被晶體管輸入阻抗所并聯(lián)，降低了有載品質(zhì)因數(shù)Q，降低了頻率穩(wěn)定度，故密勒電路使用不多。2.串聯(lián)型晶體振蕩器：晶體起著高Q短路器作用串聯(lián)諧振，高Q短路器作用。并聯(lián)諧振，去除C0的不良影響。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年283.泛音晶體振蕩器采用AT切割石英片的基頻頻率一般都限制在20MHz以下。因?yàn)榇藭r(shí)石英片的厚度僅有0.041mm，頻率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的強(qiáng)度。因此，要求更高的工作頻率時(shí)，一般均是泛音晶體，其泛音次數(shù)通常選為3～7次泛音。泛音次數(shù)太高，晶體的性能也將顯著下降。石英晶體中的機(jī)械諧波（泛音）和電路中諧波的區(qū)別：電路中諧波是基波的整數(shù)倍，是同時(shí)并存的。泛音是基波的奇數(shù)倍，不能同時(shí)并存的。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年293.泛音晶體振蕩器（續(xù)1）泛音選擇電路：泛音選擇頻率處能夠滿足相位平衡條件和幅度平衡條件。泛音選擇電路設(shè)計(jì)在

n次泛音和（n-2）次泛音之間。設(shè)石英晶體泛音為

5次泛音晶體，f1

為晶體的基音頻率。泛音選擇電路的ω0若在基音和3次泛音之間，則呈感性，不能振蕩，必須在5次泛音處呈容性，才能振蕩。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年30振蕩器小結(jié)：振蕩器的起振、平衡和穩(wěn)定條件的分析。振蕩器的頻率穩(wěn)定度的討論：導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定的原因：f0，Q，φh。主要穩(wěn)頻措施：電路形式；諧振回路的選擇；溫度補(bǔ)償法和溫度隔離法；選擇回路與器件間的接入系數(shù)；減小負(fù)載對(duì)振蕩器的影響。振蕩器的電路形式：互感耦合LC振蕩電路；三點(diǎn)式振蕩器；晶體振蕩器；負(fù)阻振蕩器；RC振蕩器與開(kāi)關(guān)電容振蕩器。5-15：某廣播發(fā)射機(jī)的主振器實(shí)際電路如圖所示。試畫(huà)出該電路的交流等效電路，并分析該電路采用了哪幾種穩(wěn)頻措施。舉例1：習(xí)題5-15（當(dāng)?shù)刃щ姼性茫┓€(wěn)壓輸出

恒溫槽舉例2：習(xí)題5-16（當(dāng)?shù)刃щ姼性茫?-16：某通信接收機(jī)的本振電路如圖所示。試畫(huà)出其交流等效電路，并說(shuō)明是什么形式的電路。2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年33舉例3：（有高Q短路器作用）10P36P12P12P36P10P6800P6800P30K2.7K5.6P輸出2023年3月8日《通信電路原理》--北航11年34習(xí)題十：5-15，5-16，5-17

CAD6：5-20CAD6：5-20題圖5。17是實(shí)驗(yàn)一：電容串聯(lián)改進(jìn)型三點(diǎn)式振蕩電路（克拉潑電路）的電路圖，其中，通常是可變電容。振蕩頻率主要由決定，。由于電路中串入了比小很多的電容，故晶體管集電極與振蕩回路的耦合比電容三點(diǎn)式反饋電路要弱很多。分析不同靜態(tài)工作電流，不同反饋系數(shù)對(duì)振蕩器特性的影響。CAD6：5-20（續(xù)1）設(shè)晶體管參數(shù)為：（1）調(diào)節(jié)電阻，使；（2）調(diào)節(jié)