振荡器频率稳定问题、晶体振荡器等

5.4.3 主要稳频措施（续2）
2. 削弱不稳定因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 工作点的影响较大，因此注意选择工作点稳定电路与良好的 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、 外接负载阻抗、各种分布电容和引线电感都是影响回路标准 性的重要因素。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，尽可能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十分重要的。 外接负载阻抗：为了减小负载对振荡器的影响，振荡器后一 般都接有缓冲级例如高输入阻抗的跟随器（发射极输出器）。 如必须直接连接时，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。
7 8
•晶体对振荡频率的控制 作用： 晶体接入振荡环路，并以一定频率的交变电压激发，使其产 生机械形变时，该机械形变也会同时激发起频率相同的具有 电荷性质的变化。而此电荷性质的变化以电压或电流的形式 通过放大的反馈网络重新作用到石英片上，补充振荡过程中 的能量消耗，则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 。 •晶体振动具有多谐性，利用基音振动实现对频率控制的 晶体称为基音晶体，其余称为泛音晶体。采用AT切割石 英片的基频频率一般都限制在20MHz以下。因为此时石 英片的厚度仅0.041mm，频率再高，石英片的厚度太薄， 不足以提供必要的强度。
o

2
f 0 f 01
h

0 0 h tg [Q ( )] 0 f f 01 f0 1 tg (2n h )
1
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 f 01 与回路自然振荡频率 f 0 、回路有 效 Q 值以及环路附加相移 的关 h 系可写成：
5.4.1 频率稳定度的计量（续2）
举例：LC 普通信号 中波 短波
5
4
电视
标准信号 发生器
7
原子钟 频率标准
振荡器 发生器 广播台 通信机 发射台
103 ~ 104
3
2 10
4
5 10
5
10 ~ 10
11
13
10 ~ 10
10 ~ 10
107 ~ 109
5.4.2 导致振荡频率不稳定的原因
C: 考虑 h 的影响。
• 电路中当串联谐振元件用，为串联型晶体振荡电路。晶体 则起着具有高 Q 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 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 振荡频率扩展到甚高频以至超高频频段。
1. 并联型晶体振荡电路
（1）皮尔斯（C-B）电路
Rb1
B RFC
0
0
1 L C 2 L C
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。
5.4.3 主要稳频措施（续1）
温度补偿法和温度隔离法：引起电抗元件电感量和电容量 变化最明显的环境因素是温度的变化。
• 温度补偿法：用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。 • 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 温度基本上不随外界环境温度的变化。 利用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容构成的电 磁谐振系统，它是高稳频率源的一个重要形式。 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 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。
f f0 f f0 f0
5.4.1 频率稳定度的计量（续1）
频率稳定度则是指在一定 观测时间内，由于各种因素 变化，引起振荡频率相对于 标称频率变化的程度。

f f0 f0
max
/ 时间间隔
（1）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。一般高精 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。 （2）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 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。
等效 L：两个谐振频率
fq
和
fp
fq
) ;等效 L 。
之间。
5.5.2 晶体振荡电路
三种反馈振荡器： • 电路中当晶体代替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 Q 电感器的作用。
JT
C2
C2 C1 JT
(b) 密勒（Miller）电路
(a) 皮尔斯（pirce）电路
r

Q
p
q Lq
rq
Cq Cq C0
1 fq 2 Lq Cq
fp 2 Lq 1 C q C0 C q C0
C q C0
5.5.1 石英谐振器的基本特性（续2）
上图
3. 石英谐振器的基本特性 很高的等效品质因数 Q ：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 的等效品质因数。（ 105 ~ 106 ） 很小的接入系数 P：当外界电抗元件与之相连接时，对石英 谐振器的固有谐振特性的影响是十分微弱的。（ 10 3 ）
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~几十 。
PF
5.5.1 石英谐振器的基本特性（续1）
上图
返回
X ( )
2. 石英谐振器的谐振频率
q
0
1
2
p
如令 q 为不考虑晶体内部 损耗（即 q = 0）时石英谐 振器的串联谐振频率；Q为 石英谐振器的等效品质因数； p为接入系数，其数值分别为：
VCC
C
C
C1 C1
E
Lq
Rb 2
Cb
E
Re
C2
JT
B
C2
+
C0 C q rq
）的串联。
如令 C L
0
1 Lq C
C1C2 ， C 是 C1 C2
Cq 和（ C0
CL
Lq
Cq 1 q 1 C0 CL Cq (C0 CL )
Cq (C0 CL )
1. 并联型晶体振荡电路（续1）
5.5.1 石英谐振器的基本特性
1. 石英谐振器的等效电路
返回
Lq1
晶体
Lqn
Lq1
ห้องสมุดไป่ตู้
C0 C q1 rq1

Cqn
C0
C q1
rqn
rq1
其中：
Lq 大体反映石英片的质量； 几十~几百亨； Cq 反映其材料的刚性； 103 ~ 104 PF ；
rq 等效石英片产生机械形变时材料的能耗；几百欧； C0 称为石英谐振器的并联电容，它相当于以石英片为


2
f0
f 01
Q
外因：温度变化 (f 0 )、电压变化
( h ) 、负载变化 (Q) 。
内因：相位平衡条件。
5.4.2 导致振荡频率不稳定的原因（续1）
1. 影响
f 0（或 0

2
）的主要因素 各种环境因素如温度、湿度、大气 压力、振动等因素对回路电感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。
0
Cq C0 C L
1 Lq C
1
Lq
Cq 1 q 1 C0 CL Cq (C0 CL ) Cq (C0 CL )
(1 X )
1 2
由于
，（
1
1 X 2
X 1 ）
0 q [1
Cq
2(C0 C L )
]
讨论： q 很稳定， 0 也很稳定。 • 石英晶体参数具有高度稳定性， • 由于 Cq (C0 CL ) ，振荡管与石英谐振器之间耦合很松。 • 由于 0 q ，石英谐振器是等效为电感 L 用。
具有两个谐振频率 f q 和 f p ： f f p f q 两个谐振频率十分接近： 举例： 2.5MHz石英谐振器的接入系数 p=4.2×10-5 故串并联谐振频率绝对频差为：
1 pf q 2
石英谐振器的两种工作方式：高 Q 短路线 (
1 f f 2 f1 pf q 52.5( Hz ) 2
5.5 晶体振荡器
晶体振荡器：利用石英晶体的压电和反压电效应对正弦振荡频 率进行控制的振荡器。 •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 4 6 度可以比较容易地实现 10 ~ 10 .对晶体施加恒温控制，还可提 高到 10 ~ 10 数量级。目前晶体振荡器频率稳定度的极限是 1012 ~ 1013 。 压电和反压电效应：石英是一种具有晶体结构、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 侧面施加外力使其产生形变（压缩或伸长）则薄片另两侧将出现 正、负电荷的集聚，该正负电荷的电荷量相等，并与石英的形变 量成正比。反之，在晶片两侧加一电压使之形成电场，则石英 片晶格中偶极子由于电场力的作用，将使薄片产生机械形变。 石英谐振器(晶体）：利用石英晶体压电效应制成的谐振器件。 在石英片两侧形成两个与外电路连接的电极，并把电极固定在支 架上，再加以合适的封装。
5.4.3 主要稳频措施（续3）
采用改进型的电路（克拉泼和西勒电路）：减小振荡管自 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 Z ce 、 Z be 、Z cb 直接与回路三个电抗元件相连接， 由于器件端口等效阻抗的稳定性很差，且随工作状态改变而 改变，其频率稳定度的提高受到严重的影响。 谐振回路的选择：选择高品质因数的谐振回路（石英谐振 器）。
• 振荡回路的振荡频率近似等于 q
。
1. 并联型晶体振荡电路（续2）
注意三种频率： • 石英谐振器的 振荡频率：
1 fq 2 Lq Cq
fp 2 Lq
1 C q C0 C q C0
• 振荡回路的振荡频率：
0 q [1
Cq 2(C0 C L )
]
• 并联型晶体振荡电路的振荡频率 （2）密勒（Miller）电路 石英晶体


2
5.4.2 导致振荡频率不稳定的原因（续3）
3. 影响
h
的因素 反馈变压器的非理想电抗因素。
o

2
f 01 f 02
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。
h1 h2
f0
f
事实上，还有许多其它原因，通 过上述三途径对振荡频率的稳定 性起着不良影响。
笫5章
正弦波振荡器
5.1 引 言 5.2 LC 振荡器的基本工作原理 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原因 5.4.3 主要稳频措施 5.5 晶体振荡器 5.5.1 石英谐振器的基本特性 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 特殊振荡现象（*）


2
5.4.3 主要稳频措施
1. 提高谐振回路的标准性
回路的标准性是指在外界因素如温度、湿度、大气压力等变化 时，谐振回路保持其谐振频率固定不变的能力。标准性越高， 回路自然谐振频率随环境条件变化的可能性就越小。 提高回路标准性的主要措施是选用高品质因数、高稳定性和 低温度系数、低吸水性的电容器与电感器。
o
f 01 f0

2
电路元件间分布电容的变化。
f 02
f
负载电抗参数的变化。

5.4.2 导致振荡频率不稳定的原因（续2）
2. 影响环路 Q 值的因素
o
Q2
f0

2
Q1 Q2
器件输入、输出阻抗中的有功 部分。
负载电阻的变化。
Q1
f 01 f 02
f
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 响应等。
5.4 振荡器的频率稳定度
5.4.1 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 来衡量。
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 f 偏离标称频率 f 0 的程度。 • 相对频率准确度：为了合理评价不同标称频率振荡器的 频率偏差，频率准确度也可用其相对值 f / f 0 来表示。