三点式晶体振荡电路的起振特性与调节技术

自动化与仪器仪表

Z I DO NGHUA Y U Y I Q IY I B I AO 2005年第5期(总第121期) 文章编号:1001-9227(2005)05-0066-03

三点式晶体振荡电路的起振特性与调节技术

张　俊,黄欹昌,陆　,刘汉珍

(兰州物理研究所　甘肃　兰州,730000)

摘　要:根据一端口负阻抗分析法,并结合作者调节三点式晶体振荡电路的实践经验,分析了该类型电路的起振特性和起振条件,并提出了解决电路不起振等问题的一些基本经验和方法,从而为设计人员调节类似电路提供理论依据和技术支持。

关键词:晶体振荡器;起振条件;起振

AB S TRAC T:The article analyzes the start-up behavi or and qualificati on of the three-p in crystal oscil2 lati on circuit,which is analyzed by one-port nonlinear negative resistance method.I n my experi m entati on of regulating the three-p in crystal oscillati on circuit,I have know s ome experience and method about how t o re2 s olve the start-up p r oble m.By these experience and theory,engineer can easily regulate the start-up behav2

i or of the circuit.

KEY WO RD S:Crystal oscillat or;Start-up qualificati on;Start-up

中图分类号:T M131.4+1文献标识码:B

0　引　言

目前,许多高稳定的频率源大都采用电容三点式石英晶体振荡电路,这种电路的技术已经非常成熟,通过自己在调节三点式晶体振荡电路过程中获得的实践经验,对调节类似电路有了一个比较深入的认识。本文就针对这些认识从理论上找到分析这种电路的方法,提出一些实用性技术措施,对调节三点式振荡电路具有指导意义。

1　三点式晶体振荡器性能分析

1.1　三点式晶体振荡器相位起振和平衡条件[1][2][3]

对于三点式振荡电路,只要电路工作在振荡频率上,由巴克豪生准则:“它是指交流通路中三极管的三个电极与谐振回路的三个引出端连接时,只要服从以下规律:与发射结相接的为两个同性质电抗,而另一个(接在集电极与基级间)为异性质电抗”。可以判定,按这种规定连接的三点式振荡电路必定满足相位起振和平衡条件,如图1。

1.2　三点式晶体振荡器振幅起振和平衡条件

有几种模拟振荡器振荡行为的方法,一种是一端口负阻抗分析法,它把振荡器看成是一个有源网络,它产生的电抗等于一个负阻抗,这样,理想并联调谐电路的阻抗将是无穷大,产生谐振;另一种方法是二端口反

收稿日期:2005-04-20馈分析法,它的模型包括带增益G的放大器、线性正反馈选频元件;还有一种是负阻抗数值模拟方法,该方法虽精确,但计算时间较长,而且只适用于个别电路,因此,我们以第一种方法来进行分析,它其实就是负阻抗代数法。

图2为电容三点式振荡电路的原理图,图3为相应的等效电路图。分析过程如下:首先计算射级电流i E(t)流过信号元件的电流幅值Iω;然后信号电流在电容C

2

上产生的信号电压;最后信号电压转化成相应的负阻抗值。

假定谐振器电流是:i

s

(t)=I

s

cosωt,则基极射级电

压V

B E

(t)可表示为:

V B E(t)=V B EO-R EΔI E+V BEωsinωt(1)

式中,V

B EO

(t)是晶体管静态工作点的基极射级直

流电压;ΔI

E

是静态射级电流I

EO

的直流增量;V

B Eω

=I S/

ωC

1

是基极射级振荡电压的幅值。

运用半导体二极管端电压与电流的关系式,可写

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出晶体管基射级电压与电流的关系式:

i

E (t)=I

exp

q

kT

V B E(t)-1

I0exp q

kT

V B E(t)(2)

式中,i

E (t)是射级电流;I

是饱和电流;q是电荷;

k是波尔兹曼常数;T是热力学温度。[5]经过推导,得到关系式:

-R

n =-

Iω

ωC

2

I s

=-

g m

ω2C

1

C2

2

x

・

I1(x)

I0(x)

I dc

I EO

(3)

式中,g

m 是小信号运行状态下晶体管的跨导,g

m

=

(q/kT)I

EO

;-R n为谐振回路在工作状态下的负阻抗;

在通常的考毕兹振荡器中,I

EO I dc,因而有:

-R

n =-

g m

ω2C

1

C2

2

x

・

I1(x)

I0(x)

(4)

令:K(x)=2

x

・

I1(x)

I0(x)

(5)

-r n=-

g m

ω2C

1

C2

(6)

则:-R

n

=-r n・K(x)(7)

[5]讨论:当x2非常小时,即晶体管工作在小信号状态,K(x) 1;当x2非常大时,即晶体管工作在大信

号状态,K(x) 2

x

。

[6]综上所述,起振时晶体管工作在小信号状态,所

以起振条件为:

r n=

g m

ω2C

1

C2

>r e(8)

式中,r

e

为谐振器等效负阻抗;而到达平衡时,晶

体管工作在大信号状态,所以稳定时,应满足:

r e=R n

g m

ω2C

1

C2

・

2

x

=

2I EO

ωC

2

I s

(9)

所以:I

s

=

2I EO

ωC

2

r e

(10)

1.3　三点式晶体振荡器振幅起振条件的讨论

[4]有载晶体谐振回路谐振时的等效电阻r

e

为:

r e=

C

l

+C o

C

l

2

・R

1

(11)

式中,R

1

为晶体的动态电阻;C

l

为晶体的负载电

容;C

为晶体的静态电容;

所以起振条件又可写为:

g m

ω2C

1

C2

>

C

l

+C0

C

l

・R

1

(12)

在图2所示的电路中,晶体的负载电容C

l

为:

C

l

=

C1・C2+C1・C t+C2・C t

C1・C2・C t

(13)

式中,C

t

为晶体的调谐电容;C

1

为晶体的分压电

容;C

2

为晶体的分压电容;

根据式(12),为了满足振幅起振条件,需采取如下

措施:

(1)　应该增大g

m

;

(2)　应该减小C

1

和C

2

;

(3)　C

l

与C

相比不能太小;

2　三点式晶体振荡电路起振的调节技术

基于以上讨论和分析,在调节如图2所示的三点

式晶体振荡电路时,主要应对以下几个影响因素进行

分析。

2.1　晶体管跨导g m的调节

根据式(12),为了满足振幅起振条件,应该增大

g m,但是,式(12)是晶体管工作在小信号状态下推导出

来的公式,如果g

m

过大,式(12)应为:

K(x)

g m

ω2C

1

C2

>

C

l

+C0

C

l

・R

1

(14)

[5]因为,只有晶体管工作在小信号状态下,负阻振

荡幅度依赖系数K(x) 1,而当振荡幅度比较大时,K

(x)会下降很多,这样对增大增益不利,从而并不能起

到使谐振回路的起振负阻增大的目的。而且,g

m

增大

会降低谐振回路的有载品质因数,因此应合理的选择

放大器的工作点。

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