《射频模拟电路》课件：3-12 晶体振荡器(2).ppt

1、上节内容回顾与扩展 v1 Rb1 Rb2 Cb VCC C L L1 L2 Ce Re (a) (a) 共发电感反馈三端式振荡器电路共发电感反馈三端式振荡器电路 v1 C N1 N2 L1 L2 + + + vi vf (b) 等效电路等效电路电感三端式振荡电路电感三端式振荡电路由由h参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件电感反馈三端电路的振荡频率为电感反馈三端电路的振荡频率为021212111122(2)()oeiefhLCC LLMLLMh 121feieoefehLMh hLMh电感反馈三端式振荡器电感反馈三端式振荡器(哈特莱电路

2、哈特莱电路)上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展哈特莱电路的优点：哈特莱电路的优点： 1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；之间有互感，反馈较强，容易起振；电路的缺点：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，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；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，是因为频率太高，L L太小且分布参数的影响太太小且分布参数的影响太 大。大。2、振

3、荡频率调节方便，只要调整电容、振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。的大小即可。3、而且、而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。的改变基本上不影响电路的反馈系数。 电感反馈三端式振荡器电感反馈三端式振荡器(哈特莱电路哈特莱电路)上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展 v1 Cb Re Ce VCC L Rc Cc C1 C2 v1C1C2+Lvivf电容三端式振荡电路电容三端式振荡电路（a）（b）可推导电容反馈三端电路的起振条件可推导电容反馈三端电路的起振条件电容反馈三端电路的振荡频率电容反馈三端电路的振荡频率21ieoe21210CChhCLCCC21f121fepiefeh RChC

4、h1oeoePhhR 电容反馈三端振荡器电容反馈三端振荡器(考毕兹电路考毕兹电路)上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展考毕兹电路的优点：考毕兹电路的优点：1）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。2）电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可）电路的频率稳定度较高，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。以减小不稳定因素对振荡频率的影响。3）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振）电容三端电路的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。它的工作荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的

5、工作 频率可做到几十频率可做到几十MHz到几百到几百MHz的甚高频波段范围。的甚高频波段范围。电路的缺点：电路的缺点： 调调C1或或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在只要在L两端并上一个可变电容器，并令两端并上一个可变电容器，并令C1与与C2为固定电为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。电容反馈三端振荡器电容反馈三端振荡器(考毕兹电路考毕兹电路)上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展l振荡器实际工作频率振荡器实际工作频率f与标称频率与标称频率 f 0之间的偏之间的偏差，称为差，称为振荡频

6、率准确度振荡频率准确度，又称为频率精度。，又称为频率精度。频率稳定度频率稳定度上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展频率稳定度：频率稳定度：是表明在一定时间内或一定温度、电源电是表明在一定时间内或一定温度、电源电压等变化范围内的相对频率变化量压等变化范围内的相对频率变化量温度频率稳定度：温度频率稳定度： 温度频率稳定度的单位是温度频率稳定度的单位是ppm。 时间频率稳定度时间频率稳定度长期频率稳定度长期频率稳定度短期频率稳定度短期频率稳定度l振荡器实际工作频率振荡器实际工作频率f与标称频率与标称频率 f 0之间的偏差，之间的偏差，称为称为振荡频率准确度振荡频率准确度，又称为频率精度。，又称为频率

7、精度。l分辨率与精度的区别：分辨率与精度的区别：l精度用来描述物理量的准确程度的！精度用来描述物理量的准确程度的！l分辨率描述刻度划分的！分辨率描述刻度划分的！频率稳定度频率稳定度上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展频率稳定度频率稳定度上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展l短期频率稳定度在频域上称为相位噪声或相位抖动l相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值。值。未经滤波的时钟未经滤波的时钟经经LC滤波器滤波的时钟滤波器滤波的时钟经晶体滤波器滤波的时钟经晶体滤波器滤波的时钟串联型改进电容三端式振荡器串联型改进电容三端式振荡器( (克拉泼电路

8、克拉泼电路) )CbReVCCRsC3C1C2LRb2Rb1ABRLC1LABCceCbeC2RebCcbceRLReoC3（a a）克拉泼电路的实用用电路）克拉泼电路的实用用电路（b b）高频等效电路）高频等效电路因为因为C3远远小于远远小于C1或或C2，所以三电容串联后的等效电容，所以三电容串联后的等效电容323133313221321CCCCC1CCCCCCCCCCC30LC1LC1振荡角频率振荡角频率故克拉泼电路的振荡频率几乎与故克拉泼电路的振荡频率几乎与C1、C2无关。无关。改进型电容三端振荡电路改进型电容三端振荡电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展(1)由于由于Cce、Cbe的

9、接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。(2)调整调整C1 C2的值可以改变反馈系数的值可以改变反馈系数,但对谐振频率的影响很小。但对谐振频率的影响很小。 由于放大倍数与频率的立方成反比，故随着放大频率的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。故升高振荡的幅度明显下降，上限频率受到限制。故: :(3)调整值可以改变系统的谐振频率调整值可以改变系统的谐振频率,对反馈系数无影响。对反馈系数无影响。(1) 克拉泼电路的波段覆盖的范围窄。克拉泼电路的波段覆盖的范围窄。(2) 工作波段内输出波形随着频率的变化大。

10、工作波段内输出波形随着频率的变化大。克拉泼电路的特点克拉泼电路的特点: :改进型电容三端振荡电路改进型电容三端振荡电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展并联型改进电容三端式振荡器并联型改进电容三端式振荡器(西勒西勒(Seiler)电路电路) Cb Re VCC Rs C1 C2 L Rb2 Rb1 C3 C4 C2LC1C4C3(a)(a)实际电路实际电路(b)(b)高频等效电路高频等效电路其回路等效电容其回路等效电容434323121321CCCCCCCCCCCCC振荡频率振荡频率)CC(L21LC21f430改进型电容三端振荡电路改进型电容三端振荡电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展

11、 工作频率上升时放大倍数线性上升工作频率上升时放大倍数线性上升, ,电流放大电流放大倍数下降。倍数下降。其特点：其特点：(1) 波段覆盖率宽。波段覆盖率宽。(2) 工作波段内工作波段内,输出波形随频率变化。输出波形随频率变化。改进型电容三端振荡电路改进型电容三端振荡电路上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展场效应管振荡器场效应管振荡器上节内容回顾与上节内容回顾与扩展扩展场效应管作为有源器件场效应管作为有源器件212121CLCCCfl第三章第三章 波形发生与变换电路波形发生与变换电路 （P218)3.1 LC反馈正弦波振荡器的工作原理反馈正弦波振荡器的工作原理3.2 反馈型晶体管反馈型晶体管LC

12、振荡器电路振荡器电路3.3 频率稳定度及改进型电容三端式振荡电路频率稳定度及改进型电容三端式振荡电路3.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展优点：石英晶体振荡器具有很高的频率稳定度。优点：石英晶体振荡器具有很高的频率稳定度。从电路特性方面讲：从电路特性方面讲： (1)具有极高的空载品质因数，可达百万数量级。 (2)具有极小的接入系数，有载品质因数也很高。缺点：一个石英晶体振荡几乎只有一个频率点，即单频性。缺点：一个石英晶体振荡几乎只有一个频率点，即单频性。石英晶体具有谐振电路的特性！石英晶体具有谐振电路的特性！有载品质因数极高0qqC

13、pCC对外负载的接入系数非常小晶体与外电路之间的耦合非常弱石英晶体振荡器石英晶体振荡器上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展l晶体产品分类及选型应用晶体产品分类及选型应用一一.时钟产品时钟产品1. 晶体单元（Crystal Unit 单晶体或无源晶振） 这是一种晶体芯片封装在外包装中的晶体器件。根据晶体芯片不同的应用类型，晶体单元可以分为音叉型晶体、AT型晶体或SAW谐振器。2. 晶体振荡器（Oscillator 有源晶振）晶体振荡器是一种能够输出指定频率的晶体器件，晶体振荡器和晶体振荡电路（IC）被集成封装在一起。例如TCXO和VCXO等各类振荡器。3. 滤波器滤波器是用于在频带中允许频率通过

14、或切断频率范围的晶体器件。 3.5.2 石英谐振器的特性石英谐振器的特性3.5.2 石英谐振器的特性石英谐振器的特性石英谐振器串联支路的谐振频率 1qqqL C并联谐振频率 001pqqqC CLCC石英谐振器的理想电抗曲线3.5.2 石英谐振器的特性石英谐振器的特性石英谐振器的理想电抗曲线 在 与 之间是感抗，其他区域是容抗 。2201()11()qeepZjXjC 忽略的 影响 qreXqp 与 之间的等效电感 q222220111qePLC p是从接入端看进去的等效电感eLL3.5.2 石英谐振器的特性石英谐振器的特性石英谐振器的理想电抗曲线L石英晶体具有对频率变化的石英晶体具有对频率变

15、化的补偿能力！补偿能力！石英谐振器串联支路的谐振频率 1qqqL C并联谐振频率 001pqqqC CLCC石英晶体只工作于两种方式：石英晶体只工作于两种方式：1、等效电感、等效电感 2、 短路元件短路元件晶体振荡器的电路形式主要分为两类：晶体振荡器的电路形式主要分为两类：石英晶体在电路中作为等效电感元件使用石英晶体在电路中作为等效电感元件使用并联并联型晶体振荡器；型晶体振荡器；石英晶体作为串联谐振元件使用，工作在串联谐振石英晶体作为串联谐振元件使用，工作在串联谐振频率上，称为串联型晶体振荡器频率上，称为串联型晶体振荡器 。石英晶体振荡器石英晶体振荡器上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展并联型

16、晶体振荡器；（晶体并联型晶体振荡器；（晶体作为等效电感元件使用）作为等效电感元件使用）类似于克拉泼电路晶体振荡器的谐振回路与振荡管 之间的耦合非常弱， 从而使频率稳定性 大为提高。非常小qC石英晶体振荡器石英晶体振荡器上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展晶体支路等效为电感晶体支路等效为电感，振荡振荡电路的谐振频率往往由晶体外的电路的谐振频率往往由晶体外的电容来确定。电容来确定。并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器1 1；（晶体；（晶体作为等效电感元件使用）作为等效电感元件使用）石英晶体振荡器石英晶体振荡器上节内容回顾与上节内容回顾与扩展扩展晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值。晶振有一个重要的参

17、数，那就是负载电容值。晶体元件的负载电容是指在电路中跨接在晶体两端的晶体元件的负载电容是指在电路中跨接在晶体两端的总的外界有效电容总的外界有效电容。选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。例如一个晶振的负载电容为例如一个晶振的负载电容为15p或或12.5p ，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。 皮尔斯振荡电路皮尔斯振荡电路3. .5. .3 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路

18、串联型晶体振荡器；（晶体串联型晶体振荡器；（晶体工作在串联谐振频率上）工作在串联谐振频率上）并联型晶体振荡器电路举例并联型晶体振荡器电路举例1交流等效电路？交流等效电路？3.5.3 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路并联型晶体振荡器电路举例并联型晶体振荡器电路举例1在晶振工作频率 处，此 回路等效为一个电容。可见，这是一个皮尔斯振荡电路皮尔斯振荡电路，晶体等效为电感，容量为 3 10 的可变电容起微调作用，使振荡器工作在晶振的标称频率上 。 3.5.3 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器2 2；（晶体；（晶体作为等效电感元件使用）作为等效电感元件使用）密勒晶

19、振电路密勒晶振电路 密勒振荡电路通常不采用晶体管，密勒振荡电路通常不采用晶体管，采用输入阻抗高的场效应管来提高回路的标准性和采用输入阻抗高的场效应管来提高回路的标准性和频率的稳定性。频率的稳定性。场效应管密勒振荡电路。场效应管密勒振荡电路。3.5.3 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路串联型晶体振荡器；（晶体串联型晶体振荡器；（晶体工作在串联谐振频率上）工作在串联谐振频率上）3.5.3 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路串联型晶体振荡器电路举例串联型晶体振荡器电路举例1交流等效电路？交流等效电路？3.5.3 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路串联型晶体振荡器电路举例串联型晶体振荡器电路举

20、例1交流等效电路交流等效电路qofCLCLf11振荡频率振荡频率=？231231)(CCCCCCC调整时，先短路石英晶体，调整频率调整时，先短路石英晶体，调整频率比比fq略低，再于短路处串入晶体，可略低，再于短路处串入晶体，可振荡在振荡在fq。3.5.3 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路3.5.2 石英谐振器的特性石英谐振器的特性一个晶体是否只有一个谐振频率？石英晶体不仅只有基频串联谐振频率，还石英晶体不仅只有基频串联谐振频率，还存在其它与基频成奇数倍的串联谐振频率，存在其它与基频成奇数倍的串联谐振频率，我们称之为泛音。奇数倍的关系不是严格我们称之为泛音。奇数倍的关系不是严格的奇数倍，是近

21、似的奇数倍关系的奇数倍，是近似的奇数倍关系 。泛音晶体振荡器用于振荡频率较高的场合。泛音晶体振荡器用于振荡频率较高的场合。这是因为由于制造工艺的限制，基频太高这是因为由于制造工艺的限制，基频太高时晶片的厚度太薄，很容易破损。有时在时晶片的厚度太薄，很容易破损。有时在同等条件下，泛音晶体振荡器的频率稳定同等条件下，泛音晶体振荡器的频率稳定度比基频振荡器更好。度比基频振荡器更好。基音与泛音不能同时存在！基音与泛音不能同时存在！3.5.3 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路3. .5. .3 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路3、泛音晶体振荡器、泛音晶体振荡器如何让振荡器振荡在泛音频率上？如何让

22、振荡器振荡在泛音频率上？ 串联型晶振电路，将晶体短路后，调整振荡频率至泛音频率串联型晶振电路，将晶体短路后，调整振荡频率至泛音频率上！再接上晶体即成泛音振荡器。上！再接上晶体即成泛音振荡器。串联型泛音晶体振荡器3. .5. .3 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路3、泛音晶体振荡器、泛音晶体振荡器如何让振荡器振荡在泛音频率上？如何让振荡器振荡在泛音频率上？ 在泛音晶振电路中在泛音晶振电路中 ，为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上，为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上 ，不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡 而且必须正

23、确地调节而且必须正确地调节电路的环路增益电路的环路增益 ，使其在工作泛音频率上略大于，使其在工作泛音频率上略大于 1 ，满足起振条件，满足起振条件 ，而在更高的泛音频率上都小于而在更高的泛音频率上都小于 1 ，不满，不满 足起振条件。足起振条件。3. .5. .3 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路3、泛音晶体振荡器、泛音晶体振荡器如何让振荡器振荡在泛音频率上？如何让振荡器振荡在泛音频率上？ 假设泛音晶振为五次泛音假设泛音晶振为五次泛音 ，标称频率为，标称频率为MHz ，基频为，基频为MHz ，则则 回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样这样 ，在，

24、在MHz 频率上，频率上， 回路呈容性回路呈容性 ， 振荡电路满足组成法则振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说。对于基频和三次泛音频率来说 ， 回路呈感性回路呈感性 ， 电路不符合组成法则电路不符合组成法则 ，不能起振。，不能起振。而在七次及其以上泛音频率而在七次及其以上泛音频率 ， 回路虽呈现容性回路虽呈现容性 ， 但等效容抗减小但等效容抗减小 ，从而使电路的电压放大倍数减小从而使电路的电压放大倍数减小 ，环路增益小于，环路增益小于 1 ，不满足振幅起振条件。，不满足振幅起振条件。 3.5.3 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路lAT切晶体3.5.3 石英晶体振荡器电路石英晶体

25、振荡器电路对对3.33M呈感性，对呈感性，对10M呈容性！呈容性！lSC切晶体3.5.3 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路对对10.9M呈感性，对呈感性，对10M呈容性！呈容性！对对3.3M呈感性，对呈感性，对10M呈容性！呈容性！3. .5. .3 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路泛音晶体振荡器电路举例泛音晶体振荡器电路举例交流等效电路？交流等效电路？例 ：某一晶体振荡器如图所示。解：交流等效电路如图所示。(1)说明 和390pF组成的回路的作用。H8 . 3(2)若把晶体换成8MHz和2.5MHz能否振荡?(1) 和390pF的并联谐振频率为：H8 . 3MHzf14. 41039

26、0108 . 3211260（2）4.14MHz=f02.5MHz，回路对于，回路对于2.5MHz呈现感性，呈现感性，不满足三点法则，所以把晶体换为不满足三点法则，所以把晶体换为2.5MHz，该电路不能，该电路不能起振。起振。 4.14MHz=f0C1时，波形较好！时，波形较好！晶体振荡器电路举例晶体振荡器电路举例C2值与波形失真有关，值与波形失真有关，C2较大波形较好！但较大波形较好！但对电源电压有要求，要求电源稳定并电压不能对电源电压有要求，要求电源稳定并电压不能太小，否则停振。太小，否则停振。考虑稳定性时，考虑稳定性时，C2/C1的比值设定的较小些！的比值设定的较小些！重视波形失真时，重视波形失真时， C2/C1的的比值设定的较大些！比值设定的较大些！