振荡器频率稳定问题晶体振荡器等ppt课件

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1、5.1 引 言5.2 LC 振荡器的根本任务原理5.3 LC 振荡器的电路分析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缘由 5.4.3 主要稳频措施5.5 晶体振荡器 5.5.1 石英谐振器的根本特性 5.5.2 晶体振荡电路5.6 负阻振荡器*5.7 RC 振荡器与开关电容振荡器*5.8 特殊振荡景象*5.4.1 频率稳定度的计量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。来衡量。频率准确度又称频率精度频率准确度又称频率精度 绝对频率准确度 f：它表示振荡频率

2、 f 偏离标称频率的程度。0f 相对频率准确度：为了合理评价不同标称频率振荡器的相对频率准确度：为了合理评价不同标称频率振荡器的频率偏向，频率准确度也可用其相对值频率偏向，频率准确度也可用其相对值 来表示。来表示。0/ff000fffff 频率稳定度那么是指在一定频率稳定度那么是指在一定观测时间内，由于各种要素观测时间内，由于各种要素变化，引起振荡频率相对于变化，引起振荡频率相对于标称频率变化的程度。标称频率变化的程度。时间间隔/0max0fff 1长期频率稳定度长稳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。普通高精观测时间为一天以上的稳定度称为长期频率稳定度。普通高精度

3、的频率基准、时间基准如天文观测台、国家计时台等均度的频率基准、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。采用长期频率稳定度来计量频率源的特性。2短期频率稳定度短稳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。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瞬时频率稳定度秒级频率稳定度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。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所引起。这些变化均由设

4、备内部噪声或各种突发性干扰所引起。举例：举例：LC 普通讯号普通讯号 中波中波 短波短波 电视电视 规范信号规范信号 原子钟原子钟 振荡器振荡器 发生器发生器 广播台广播台 通讯机通讯机 发射台发射台 发生器发生器 频率规范频率规范1311101097101071055410105102431010431010f220f01foh 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：01f0fh)(0010Qtgh)2(1010001hntgQffff 外因：温度变化外因：温度变化 、电压变化、电压变化 、负载变化、负载

5、变化 。)(0f)(h)(Q 内因：相位平衡条件。内因：相位平衡条件。1.影响影响 或或 的主要要素的主要要素0f0f220f01fo02f 各种环境要素如温度、湿度、大气压力、振动等要素对回路电感L和电容C的影响。晶体管或其它器件的输入、输出阻抗的变化。电路元件间分布电容的变化。负载电抗参数的变化。2.影响环路影响环路 Q 值的要素值的要素f220f01fo02f21QQ 1Q2Q 器件输入、输出阻抗中的有功部分。负载电阻的变化。回路损耗电阻尤其是电抗元件的高频损耗，环路元器件的高频呼应等。3.影响影响 的要素的要素hf220f01f1h现实上，还有许多其它缘由，经现实上，还有许多其它缘由，

6、经过上述三途径对振荡频率的稳定过上述三途径对振荡频率的稳定性起着不良影响。性起着不良影响。o2h02f 反响变压器的非理想电抗要素。晶体管的输入阻抗和输出阻抗。晶体管的值可为复数。环路内各种噪声源引起的相差抖动等。1.提高谐振回路的规范性提高谐振回路的规范性 回路的规范性是指在外界要素如温度、湿度、大气压力等变化回路的规范性是指在外界要素如温度、湿度、大气压力等变化时，谐振回路坚持其谐振频率固定不变的才干。规范性越高，时，谐振回路坚持其谐振频率固定不变的才干。规范性越高，回路自然谐振频率随环境条件变化的能够性就越小。回路自然谐振频率随环境条件变化的能够性就越小。提高回路规范性的主要措施是选用高

7、质量因数、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。CCLL2100 温度补偿法和温度隔离法：引起电抗元件电感量和电容量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要素是温度的变化。变化最明显的环境要素是温度的变化。温度补偿法：器具有负温度系数的瓷介电容器，接入由普温度补偿法：器具有负温度系数的瓷介电容器，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。通的具有正温度系数的电感和电容组成的谐振回路。温度隔离法：将关键电抗元件置于特制的恒温槽内，使槽内的温度根本上不随外界环境

8、温度的变化。利用石英谐振器等固体谐振系统替代由电感、电容构成的电利用石英谐振器等固体谐振系统替代由电感、电容构成的电磁谐振系统，它是高稳频率源的一个重要方式。磁谐振系统，它是高稳频率源的一个重要方式。由于这种谐振系统构成的振荡器，不但频率稳定性、频率准确由于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，因此，在许多领域已被广泛地度高，而且体积、耗电均很小，因此，在许多领域已被广泛地采用。采用。2.减弱不稳定要素对谐振特性的影响减弱不稳定要素对谐振特性的影响 晶体管的参数稳定：晶体管的参数输入输出阻抗等受晶体管的参数稳定：晶体管的参数输入输出阻抗等受任务点的影响较

9、大，因此留意选择任务点稳定电路与良好的任务点的影响较大，因此留意选择任务点稳定电路与良好的稳压电路。稳压电路。选择回路与器件间的接入系数：晶体管的输入输出阻抗、选择回路与器件间的接入系数：晶体管的输入输出阻抗、外接负载阻抗、各种分布电容和引线电感都是影响回路规范外接负载阻抗、各种分布电容和引线电感都是影响回路规范性的重要要素。因此选择回路与器件间的接入系数，选择合性的重要要素。因此选择回路与器件间的接入系数，选择合适的回路与负载间的耦合系数，尽能够减小不稳定的分布电适的回路与负载间的耦合系数，尽能够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非常重要的。容和引线电感的影响，对于提

10、高频率稳定性是非常重要的。外接负载阻抗：为了减小负载对振荡器的影响，振荡器后一外接负载阻抗：为了减小负载对振荡器的影响，振荡器后一般都接有缓冲级例如高输入阻抗的跟随器发射极输出器。般都接有缓冲级例如高输入阻抗的跟随器发射极输出器。如必需直接衔接时，也应采用变比较大的降压变压器，或分压如必需直接衔接时，也应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再与其它负载相联接。比很小的电容分压网络再与其它负载相联接。采用改良型的电路克拉泼和西勒电路：减小振荡管本身的输入、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衔接，由于器件

11、端口等效阻抗的稳定性很差，且随任务形状改动而改动，其频率稳定度的提高遭到严重的影响。ceZbeZcbZ 谐振回路的选择：选择高质量因数的谐振回路石英谐振谐振回路的选择：选择高质量因数的谐振回路石英谐振器。器。压电和反压电效应：石英是一种具有晶体构造、外形呈角椎压电和反压电效应：石英是一种具有晶体构造、外形呈角椎形六棱体的矿物质。按某种方式将其切割成薄片，对薄片某两形六棱体的矿物质。按某种方式将其切割成薄片，对薄片某两侧面施加外力使其产生形变紧缩或伸长那么薄片另两侧将侧面施加外力使其产生形变紧缩或伸长那么薄片另两侧将出现出现正、负电荷的集聚，该正负电荷的电荷量相等，并与石英的形正、负电荷的集聚，

12、该正负电荷的电荷量相等，并与石英的形变变量成正比。反之，在晶片两侧加一电压使之构成电场，那么石量成正比。反之，在晶片两侧加一电压使之构成电场，那么石英英片晶格中偶极子由于电场力的作用，将使薄片产活力械形变。片晶格中偶极子由于电场力的作用，将使薄片产活力械形变。石英谐振器石英谐振器(晶体：利用石英晶体压电效应制成的谐振器件。晶体：利用石英晶体压电效应制成的谐振器件。在石英片两侧构成两个与外电路衔接的电极，并把电极固定在支在石英片两侧构成两个与外电路衔接的电极，并把电极固定在支架上，再加以适宜的封装。架上，再加以适宜的封装。晶体振荡器突出的优点是频率稳定度和准确度很高频率稳定晶体振荡器突出的优点是

13、频率稳定度和准确度很高频率稳定度可以比较容易地实现度可以比较容易地实现 .对晶体施加恒温控制，还可提对晶体施加恒温控制，还可提高到高到 数量级。目前晶体振荡器频率稳定度的极限是数量级。目前晶体振荡器频率稳定度的极限是 。64101087101013121010晶体对振荡频率的控制晶体对振荡频率的控制 作用：作用：晶体接入振荡环路，并以一定频率的交变电压激发，晶体接入振荡环路，并以一定频率的交变电压激发，使其产活力械形变时，该机械形变也会同时激发起频使其产活力械形变时，该机械形变也会同时激发起频率一样的具有电荷性质的变化。而此电荷性质的变化率一样的具有电荷性质的变化。而此电荷性质的变化以电压或电

14、流的方式经过放大的反响网络重新作用到以电压或电流的方式经过放大的反响网络重新作用到石英片上，补充振荡过程中的能量耗费，那么环路就石英片上，补充振荡过程中的能量耗费，那么环路就可以建立一等幅的正弦振荡。这种以机械形变激发电可以建立一等幅的正弦振荡。这种以机械形变激发电振荡，以电振荡促成机械形变的过程就构成了晶体对振荡，以电振荡促成机械形变的过程就构成了晶体对振荡频率的控制振荡频率的控制。1.石英谐振器的等效电路石英谐振器的等效电路晶体晶体1qL1qL1qC1qC1qr1qr0C0C qnLqnCqnr其中：大体反映石英片的质量；qL几十几十几百亨；几百亨；反映其资料的刚性；反映其资料的刚性；qC

15、PF431010等效石英片产活力械形变时资料的能耗；几百欧；等效石英片产活力械形变时资料的能耗；几百欧；qr称为石英谐振器的并联电容，它相当于以石英片为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。几架电容、引线电容的总和。几几十几十 。0CPF前往前往2.石英谐振器的谐振频率石英谐振器的谐振频率)(X0q12p如令如令 为不思索晶体内部为不思索晶体内部损耗即损耗即 =0时石英谐时石英谐振器的串联谐振频率；振器的串联谐振频率；Q为为石英谐振器的等效质量因数；石英谐振器的等效质量因数；p

16、为接入系数，其数值分别为：为接入系数，其数值分别为：qqrqqqrLQ00CCCCCpqqqqqqCLf210021CCCCLfqqqp上图上图前往前往3.石英谐振器的根本特性石英谐振器的根本特性 很高的等效质量因数很高的等效质量因数 Q：石英谐振器最大的特点是具有很大：石英谐振器最大的特点是具有很大的等效电感量和很小的损耗电阻。或者说石英谐振是具有很高的等效电感量和很小的损耗电阻。或者说石英谐振是具有很高的等效质量因数。的等效质量因数。651010 很小的接入系数很小的接入系数 P：当外界电抗元件与之相衔接时，对石英：当外界电抗元件与之相衔接时，对石英谐振器的固有谐振特性的影响是非常微弱的。

17、谐振器的固有谐振特性的影响是非常微弱的。310 具有两个谐振频率具有两个谐振频率 和和 ：qfpf 两个谐振频率非常接近：两个谐振频率非常接近：qqppffff21举例：举例：2.5MHz石英谐振器的接入系数石英谐振器的接入系数 p=4.210-5故串并联谐振频率绝对频差为：故串并联谐振频率绝对频差为：)(5.522112Hzpffffq 石英谐振器的两种任务方式：高石英谐振器的两种任务方式：高 Q 短道路短道路();等效等效 L。qf等效等效 L：两个谐振频率：两个谐振频率 和和 之间。之间。qfpf上图上图 三种反响振荡器：三种反响振荡器：电路中当晶体替代三点式振荡器中的电感时，为并联型晶

18、体电路中当晶体替代三点式振荡器中的电感时，为并联型晶体振荡电路。晶体在振荡环路中起着高振荡电路。晶体在振荡环路中起着高 Q 电感器的作用。电感器的作用。1C2CTJ2CTJ(a)皮尔斯（pirce）电路(b)密勒（Miller）电路 电路中当串联谐振元件用，为串联型晶体振荡电路。晶体电路中当串联谐振元件用，为串联型晶体振荡电路。晶体那么起着具有高那么起着具有高 Q 短路器作用。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称为泛音晶体振荡器。这种振荡器可以将实行控制的振荡器称为泛音晶体振荡器。这种振荡器可以将振荡

19、频率扩展到甚高频以致超高频频段。振荡频率扩展到甚高频以致超高频频段。1皮尔斯皮尔斯C-B电路电路1bRbCCCV2bReR2C1CRFCqLqCqr0CCEBCBE如令 ，是 和 +的串联。2121CCCCCLCqC0CLCLqqLqLqqqCCCCCCCCCLCL00001)()(111C2CTJLqqLqLqqqCCCCCCCCCLCL00001)()(11由于由于 ，10LqCCCXX211)1(211X)(2100LqqCCC 石英晶体参数具有高度稳定性，很稳定，也很稳定。q0)(0LqCCC 由于 ，石英谐振器是等效为电感 L 用。q0 振荡回路的振荡频率近似等于 。q 讨论：讨论：

20、由于 ，振荡管与石英谐振器之间耦合很松。留意三种频率：留意三种频率：石英谐振器的石英谐振器的振荡频率：振荡频率：qqqCLf210021CCCCLfqqqp 振荡回路的振荡频率：振荡回路的振荡频率：)(2100LqqCCC 并联型晶体振荡电路的振荡频率并联型晶体振荡电路的振荡频率 :思索思索 的影响。的影响。Ch2密勒密勒Miller电路电路石英晶体石英晶体 被晶体管输入阻抗所并联被晶体管输入阻抗所并联,降低了有载质量因降低了有载质量因数数 Q，降低了频率稳定度，故密勒电路运用不多。，降低了频率稳定度，故密勒电路运用不多。TJTJbCeR2C1C1bR2bRCCVCR3C2CCCLOLeR2C

21、1C3COLCLOLOCqLqrqCqqqCLf21OOqCLf21串联谐振，高串联谐振，高 Q 短路器作用。短路器作用。并联谐振，去除并联谐振，去除 的不良影响。的不良影响。OC1CCTJ 采用采用AT切割石英片的基频频率普通都限制在切割石英片的基频频率普通都限制在20MHz以下。以下。由于此时石英片的厚度仅有由于此时石英片的厚度仅有0041mm，频率再高，石英片的，频率再高，石英片的厚度太薄，缺乏以提供必要的强度。厚度太薄，缺乏以提供必要的强度。因此，要求更高的任务频率时，普通均是泛音晶体，其泛音因此，要求更高的任务频率时，普通均是泛音晶体，其泛音次数通常选为次数通常选为37次泛音。泛音次

22、数太高，晶体的性能也将显次泛音。泛音次数太高，晶体的性能也将显著下降。著下降。石英晶体的机械谐波泛音和电路中谐波的区别：石英晶体的机械谐波泛音和电路中谐波的区别：电路中谐波是基波的整数倍，是同时并存的。电路中谐波是基波的整数倍，是同时并存的。泛音是基波的奇数倍，不能同时并存的。泛音是基波的奇数倍，不能同时并存的。2C1CLfX1次 3次 5次 7次 泛音晶体振荡器的振荡环路中必需包含两个振荡回路。其中一个作为放大器的选择性负载，即作泛音选择电路，该电路使环路仅在所限定的泛音振荡频率上符合振荡的相位平衡条件或振幅平衡条件。111LC 泛音选择电路设计在 n 次泛音和n-2 次泛音之间。泛音晶体振

23、荡器的振荡频率是5次泛音，泛音选择电路设计在 5 次泛音和3 次泛音之间。5次泛音TJ5-15：某广播发射机的主振器实践电路如下图。试画出该电路：某广播发射机的主振器实践电路如下图。试画出该电路的交流等效电路，并分析该电路采用了哪几种稳频措施。的交流等效电路，并分析该电路采用了哪几种稳频措施。k10PF2700V24k152CW1C2CbRaRF5PF300PF820PF1200稳压稳压输出输出 恒温槽恒温槽C001.060 TJ5-16：某通讯接纳机的本振电路如下图。试画出其交流等：某通讯接纳机的本振电路如下图。试画出其交流等效电路，并阐明是什么方式的电路。效电路，并阐明是什么方式的电路。1

24、C2CPF47CCV4C3CPF180PF7.4MHz312.9PF1805CPF9.36CF033.01bR2bR4R3R5Rk4.2k8.6k2k130022CWTJTJ10P36P12P12P36P10P6800P6800P30K2.7K5.6PH100H55.045.0H55.045.0470输出输出PC8.19TJTJ前往前往某广播发射机的主振器实践电路如下图。试画出该电路的交某广播发射机的主振器实践电路如下图。试画出该电路的交流等效电路，并分析该电路采用了哪几种稳频措施。流等效电路，并分析该电路采用了哪几种稳频措施。k10PF2700V24k152CW1C2CbRaRF5PF300PF820PF1200稳压稳压输出输出 恒温槽恒温槽C001.060 1C2CTJTJ前往前往1C2CPF47CCV4C3C某通讯接纳机的本振电路如下图。试画出其交流等效电路，某通讯接纳机的本振电路如下图。试画出其交流等效电路，并阐明是什么方式的电路。并阐明是什么方式的电路。PF180PF7.4MHz312.9PF1805CPF9.36CF033.01bR2bR4R3R5Rk4.2k8.6k2k130022CW1C2C3C4CTJ习题：习题：513，5-15，5-17522