晶体振荡器与压控振荡器

晶体振荡器与压控振荡器

一、实验目的：

1．掌握高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力，并在此基础上设计并联变换的晶体正弦波振荡器。

2．比较LC振荡器和晶体振荡器的频率稳定度。

二、实验内容：

1．熟悉振荡器模块各元件及其作用。

2．分析与比较LC振荡器与晶体振荡器的频率稳定度。

3．改变变容二极管的偏置电压，观察振荡器输出频率的变化。

三、基本原理：

1.下图是石英晶体谐振器的等效电路：

图中C0是晶体作为电介质的静电容，其数值一般为几个皮法到几十皮法。L q、C q、r q是对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数。r q是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗。由图3-1可以看出，晶体振荡器是一串并联的振荡回路，其串联谐振频率f q和并联谐振频率f0分别为

f q=1/2πLqCq，f0= f q Co

1

Cq/

图1 晶体振荡器的等效电路

当W＜W q或W> W o时，晶体谐振器显容性；当W在W q和W o之间，晶体谐振器等效为一电感，而且为一数值巨大的非线性电感。由于Lq很大，即使在W q处其电抗变化率也很大。其电抗特性曲线如图所示。实际应用中晶体工作于W q~W o之间的频率，因而呈现感性。

图2 晶体的电抗特性曲线

设计内容及要求

2 并联型晶体振荡器

图 3 c-b 型并联晶体振荡器电路

Q1

Re C1

C2

1

2

Y1

C3

Rb2Cb

Rb1

Lc

VCC GND

Cc

Q1

Re

C1

C2

1

2

Y1

C3

图 4 皮尔斯原理电路

图 5 交流等效电路

C3用来微调电路的振荡频率，使其工作在石英谐振器的标称频率上，C1、C2、C3串联组成石英晶体谐振器的负载电容C L 上，其值为 C L =C1C2C3/(C1C2+C2C3+C1C3)

C q / (C 0+C L )<<1

3.电路的选择：

晶体振荡电路中，与一般LC 振荡器的振荡原理相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡电路之中，作为一感性元件，与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。根据实际常用的两种类型，电感三点式和电容三点式。由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性容性之间有一条极陡峭的感抗曲线，而振荡器又被限定在此频率范围内工作。该电抗曲线对频率有极大的变化速度，亦即石英晶体在这频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。所以它具有很高的稳频能力，或者说具有很高的电感补偿能力。因此选用c-b 型皮尔斯电路进行制作。

R210kΩ

R3510Ω

R46.8kΩ

Q12N3904

VCC

12V

R1100kΩKey=A 35%

C120pF

C2120pF L110µH

C4

0.01µF

C5

30pF

X1

HC-49/US_7MHz

图 6 工作电路

4.选择晶体管和石英晶体

根据设计要求，

选择高频管2N3904型晶体管作为振荡管。查手册其参数如下： ƒT =300MHz ；ß≥40，取ß =60；NPN 型通用；额压：20V ；Icm=20mA ；Po= 0.1W ；ƒß≈ƒT / ß=5 MHz 。 石英谐振器可选用HC-49S 系列，其性能参数为： 标称频率ƒ。=6 MHz ；工作温度：-40℃~+70℃；25℃时频率偏差：士3×10-6士30×10-6；串联谐振电阻：60 ；负载电容：C L =10PF,激励功率：0.01~0.1mW 。

5.元器件参数的计算

a ）、 确定三极管静态工作点

正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素，静态工作点主要影响晶体管的工作状态，若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大，振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。振荡器主电路的静态工作点主要由R b1、R b2、R e 、R 决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路如图所示。

图7 直流通路等效电路

高频振荡器的工作点要合适，若偏低、偏高都会使振荡波形产生严重失真，甚至停振。取I CQ CC ≈10V ,则有

(.1)

I BQ CQ b2I b2为10 I BQ ，则I b2=10 I BQ=0.40mA ，(.2) b1b2 6.5 k Ω，以便工作点的调整。 b ）、交流参数的确定

对于振荡器，当电路接为并联型振荡器时，晶体起到等效电感的作用，输出频率应为

6MHZ ，则由晶振参数知负载电容C L =10pF ，即C2，C3，C1串联后的总电容为10 pF 根据负载电容的定义，C L =1/[(1/C 1,2)+1/C3]

由反馈系数F=C1/C2和C 1,2=C1C2/C1-C2两式联立解，并取F=1/2 则C1=51pF ，C2=100pF ，C3=30pF

为了提高振荡器的工作性能和稳定度，在电路中还应有高频扼流圈。

四．仿真：

仿真电路

R210kΩ

R31kΩ

R46.8kΩ

Q12N3904

VCC

12V

R1100kΩKey=A 35%

C150pF

C2100pF L1

10µH

C4

0.01µF

C520pF

X1

HC-49/US_7MHz

J1

Key = A C3

30pF Key=A 30%

RL 10kΩ

XSC2

A B

Ext T rig

+

+

_

_

+_

调R1 可以调静态工作点；

C3用来微调电路的振荡频率，使其工作在石英谐振器的标称频率上。

，输出波形为正弦波，幅值为V o=1.554V ，输出频率f=10.08MHZ ，波形有较小的失真，这是由于元件参数的精度较低导致的，该振荡器的设计符合设计要求.

输出稳定正弦波，频率和幅度均可达到要求