5.4 振荡器的频率稳定度

5.4 振荡器的频率稳定度⇒产生等幅持续的振荡满足起振、平衡和稳定三个条件波形。

⇒振荡器的瞬时当受到外界或振荡器内部不稳定因素干扰相位（或频率）会在平衡点附近随机变化。

频率稳定度f与标称频率0f偏离的程度。

用于衡量实际振荡频率osc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1110-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1210-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osc f 与标称频率0f 的偏差0osc f f f ∆=- （5.4.1）相对频率准确度是频率偏差f ∆与标称频率之比000osc f f f f f -∆= （5.4.2） 频率稳定度是在指定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δ表示0max 0osc f f f δ-=时间间隔 （5.4.3） 其中0max osc f f -是某一间隔内的最大频率偏移。

如某振荡器标称频率为5MHz ，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605max60(4.99995 5)10110/510osc f f dayf δ--⨯-===⨯⨯day day 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，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20Δn f f δ== （5.4.4）式中，i f 为第i 个间隔内实测的频率， 0(Δ)i i f f f =-为第i 个间隔内实测的绝对误差。

011Δ()n i i f f f n ==∑- （5.4.5） 为绝对频差的平均值。

Δf 越小，频率准确度就越高。

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510-数量级，普通信号发生器的为541010--:数量级，电视发射机的为710-数量级，高精度信号发生器的为791010--: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，相对频率变化不大于131110~10--。

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2310~10--；采用改进型的西勒振荡电路，也只能达到410-数量级，要求更高的话，采用石英谐振器。

2 造成频率不稳定的因素（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L具有正温度系数，即L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，L和C的数值变化，因而引起振荡频率的改变。

晶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，从而改变晶体管的参数，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、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T f 较高的晶体管。

T f 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max (310)T osc f f >:，max osc f 是最高振荡频率。

5）提高回路的品质因数QLC 谐振回路的相频特性表达式00arctan ()Z Q ωωϕωω=-- （5.4.6）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）ω越接近0ω，即00ωωω∆=-越小，相频特性曲线的斜率d d ϕω就越大，则稳频能力越强；反之，失谐越严重d d ϕω就越小，频率稳定度越低。

ⅱ）Q 值越大，在0ω附近d d ϕω的值越大，稳频能力越强。

所以提高回路的Q 值，减小0ω∆，有利于改善振荡器的频率稳定性。

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2MHz 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r构成了谐振回路的主要损耗，其品质因数Q=应取得大一些，电容量取小一些，可得到较高的Q值。

但电容量太小时，晶体管的输出、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 晶体振荡器通常LC振荡器的频率稳定度为3210~10--，采取一些措施和改进，可达到410-，但很难突破510-。

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510-，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510-。

石英晶体振荡器的频率稳定度随采用的石英晶体、外部电路形式和稳频措施的不同而不同，一般在5111010--:范围之间。

如果采用低精度石英晶体，稳定度可达到510-数量级；如采用中等精度石英晶体，稳定度可达到610-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781010--: 数量级；如采用双层恒温控制系统和高精度晶体，稳定度可以达到9111010--: 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晶体(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图5 —35 石英谐振器的内部结构1石英晶体的等效电路石英片的振动具有多谐性，除基频(Fundamental Frequency)振动外，还有奇次谐波的泛音(Overtones)振动。