16振荡器频率稳定和幅度稳定

一、振荡器频率稳定和幅度稳定
1、相位的稳定性
外界因素的变化会破坏相位平衡条件，使环路相移偏离2nπ。

相位稳定条件是指相位条件一旦被破坏时环路能自动恢复φT=2nπ所应具有的条件。

相位稳定条件满足相位稳定条件的φT(ω)特性曲线如图所示。

上式表示φT(ω)在ω0附近具有负斜率变化，其绝对值愈大，相位愈稳定。

在LC并联谐振回路中，振荡环路φT(ω)=φA(ω)+φF(ω)，即φT(ω)由两部分组成，其中,
φF(ω)是反馈网络相移，与频率近似无关；φA(ω)是放大器相移，主要取决于并联谐振回路的相频特性φZ(ω)
并联振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性的谐振回路来满足相位稳定条件的，且Ｑ越大，φZ(ω)随ω增加而下降的斜率就越大，振荡器的频率稳定度也就越高。

2、频率的稳定
（1）影响振荡器振荡频率变化的原因：温度、湿度、电源电压、负载的变化以及机械振动、元件器的老化、周围磁场等外部因素，都有可能引起决定振荡频率的回路元件参数（L、C、Q e、r）、管子的参数和相位（主要回路相位φ的变化）的变化，从而使振荡频率发生变化，后者是引起频率不稳定的内因。

（2）稳频措施为一是减少外界因素的变化。

例如，将振荡器或回路元件置于恒温槽内来减小温度的变化，采用密封工艺来减小湿度的变化，采用高稳定的稳压电源来减小电源电压的变化，采用减振装置来减小机械振动，采用屏蔽罩来减小周围磁场的影响，在振荡器与负载之间插入跟随器来减小负载变化等。

二是合理选择元器件。

例如，选择f T高且性能稳定可靠的振荡管，不但有利于起振（因在振荡频率上β较高），而且由于极间电容小，相移小，使振荡频率更接近回路的固有谐振频率，有利于提高频率稳定度；选择温度系数小、Q值高的回路电感L（如在高频瓷骨架上用烧渗银法制成的电感）和电容C，一方面使L和C在温度改变时变化很小，振荡频率的变化也很小，另一方面由于Q值高，其频率稳定度也高；采用贴片元器件，可减小分布参数的影响，有利于振荡频率的稳定。

此外，L一般具有正温度系数，若选用适当负温度系数的电容（如陶瓷电容器）进行温度补偿，就可以使温度改变时振荡频率的变化大大减小。

为了防止元器件老化带来的振荡频率变化，在组装电路前应对元器件进行老化处理。

三是合理设计振荡电路。

例如，减小管子与回路之间的耦合，如采用部分接入法，可有效减小管子参数和分布参数对回路的影响，使回路电感和电容变化小，且Q值下降很少，起到稳定振荡频率的作用；适当增加回路总电容，可减小管子的输入、输出电容在总电容中的比重，从而提高回路总电容的稳定性，则频率的稳定度也提高了；采用稳定静态工作点的偏置电路，可减小振荡管参数和工作状态的变化，也可使振荡频率的变化减小。

3、幅度的稳定
幅度稳定度：在规定的条件下，输出信号幅度的相对变化量。

如振荡器输出电压标称值为UO，实际输出电压与标称值之差为ΔU，则振幅稳定度为ΔU/UO。

实现方法：
内稳幅：利用放大器工作于非线性区来实现的方法，与晶体管的静态初始工作状态、自给偏压
效应以及起振时AF的大小有关。

静态时工作电流越小，起振时AF越大，自给偏压效应越灵敏，稳幅效果越好，但波形失真也会越大。

外稳幅：使放大器工作在线性工作状态，而另外接入非线性环节进行稳幅。

二、石英晶体振荡器
在LC振荡器中，尽管采取了各种稳频措施，但实践证明，因为电感、电容元件本身的标准性和稳定性的原因，它的频率稳定度一般很难突破10-5数量级。

为了进一步提高振荡频率的稳定度，可采用一些特殊的振荡器作为选频网络。

1、特点：一般用石英晶体代替LC谐振回路，通称石英晶体振荡器，其频率稳定度可高达
10-6~10-11数量级。

2、分类：
并联型晶体振荡器：晶体在振荡电路中做电感元件，构成电容三点式振荡器。

串联型晶体振荡器：晶体作为短路元件，工作在它的串联谐振频率上，接于反馈放大器的正反馈支路中。

3、石英谐振器及特性
（1）石英谐振器（简称晶体）是利用石英晶体（二氧化硅）的压电效应而制成的一种谐振元件。

它的内部结构如图所示，在一块石英晶片的两面涂上银层作为电极，并从电极上焊出引线固定于管脚上，通常做成金属封装的小型化元件。

石英晶体的内部结构如图所示：石英是一种各向异性的结晶体其化学成分是SiO2。

从一块晶体上切割成的薄片称为晶片，它的形状可以为正方形、矩形或圆形，然后在晶片的两面涂上银层作为电极，电极上焊出两根引线固定在管脚上，就构成了石英晶体振荡器。

它的外壳有金属、玻璃、胶壳等几种。

（2）压电效应：
我们在前面学习集中选频放大器中陶瓷片的结构和性能时已经讲过什么是压电效应：若在晶体的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在变形方向施加机械力，又会在极板上产生相应的电场，这就是压电效应。

如在极板间加的是交变电压，就会产生机械振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。

在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微弱，但当外加交变电场的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的几何形状、尺寸和切割方向）相等时，振幅就急剧增加（比其他频率下的振幅大得多），这种现象称为压电谐振。

（3）等效电路及谐振频率
石英晶体在电路中的符号如图所示。

，等效电路如图3所示，C O为晶片的静态电容，C q和L q
分别为晶片振动时的等效动态电感和电容，r q等效为晶片振动时的摩擦损耗。

一般C O的大小与晶片的几何尺寸和电极面积有关，在几个皮法到几十个皮法之间；L q很大，约几十到几百毫亨C q很小，约百分之几皮法；r q的数值从几欧到几百欧，所以石英晶体的品质因数Q值很高。

如国产B45型1MHZ中等精度晶体参数：C O=2~3PF，L q=4.00H，C q=0.0063PF，r q=100~200欧，L q很大，C q很小，且振动损耗小，则振动时的品质因数为
Q q =(L q /C q )1/2
/r q ≧(125000~250000)，远大于LC 振荡回路的Q 值。

由图3可求得石英晶体的等效阻抗为（忽略r q ）
式中，ωs 为晶体串联谐振角频率，ωp 为晶体并联谐振角频率，因为C q 远远小于C O ，
则有ωp =(1+C q /C o )1/2/L q C q =ωs (1+C q /C o )1/2=ωs (1+C q /2C o )（近似），
两个频率之间的距离很小，晶片呈感性电抗的频率宽度窄，两个频率之间的电抗曲线非常陡峭 曲线的变化率大，电路的稳频效果越好。

上面例题中的相对频率宽度
（ωp -ωs ）/ωs =（1/2）（C q /C o ）=0.5(0.002~0.003)=0.001~0.0015属于窄频带的范围
由于C q /C o =0.002~0.003，意味着电路的接入系数很小。

当工作与电容三点式时，接入系数越小，
晶体对外电路的耦合就越弱很弱，频率稳定性就越高，谐振回路的品质因数得到保障。

（4）泛音
当外加交变电压的作用下，晶片产生机械振动，其中除了基频的机械振动外，还有许多奇次（三
次、五次等）频率的机械振动，这些机械振动（谐波）统称为泛音。

晶体在不同频率的机械振C 0C q
r q L q
感性
X e
容性容性
ω
ωp ω
s
动可以分别用一个LC串联谐振回路等效如上面图2。

利用晶片的基频可以得到较强的振动，但在振荡频率很高时，晶体的厚度会变的很薄。

薄的晶片加工困难，使用中也容易损坏，所以如果需要的频率较高，一般使用晶体的泛音频率，以使晶片的厚度加厚。

利用泛音振动的称为泛音晶体。

（5）使用注意事项
石英晶体或者工作于感性区，或者工作在ωp附近，容性区域不适合；使用时一定要外接一定量的电容（负载电容C L），标在晶体外壳上的振荡频率就是接有规定负载电容后晶片的串联谐振频率。

通常对于高频晶体，C L为30PF或标为无穷（即无须外接负载电容，常用于串联型晶体震荡器）；要注意合适的工作环境（电平或频率）。

4、石英晶体振荡器
（1）并联型晶体振荡器(皮尔斯晶体振荡器)。

并联型晶振电路的工作原理和一般三点式LC振荡器相同，只是把其中的一个电感元件用晶体置换，目的是保证反馈电压中仅包含所需要的基音频率或泛音频率，而滤除其它的奇次谐波分量。

（石英晶体接在B、E间的为密勒振荡电路是电感三点式）。

密勒振荡电路与皮尔斯振荡电路相比，频率稳定度低，原因是密勒电路石英晶体接在晶体管输入阻抗较低的B、E之间，降低石英晶体的标准性。

（2）串联型晶体振荡器
频率稳定度完全取决于晶体的稳定度。

（也可以说是接入系数的影响）
注意：泛音次数不能太高，一般为3、5、7次，更高次泛音晶振，由于接入系数降低，使等效到晶体管输出端的负载电阻下降，从而导致放大器的增益下降，而产生停振的可能。

三、小结（略）。