高频课程设计

1 总体设计方案与要求

1.1 设计任务的目的

（1）掌握高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力，并在此基础上设计一个可实现调频，调幅功能的晶体正弦波振荡器。

（2）提高电子电路的理论知识及较强的实践能力，能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。

1.2 设计任务的性能指标

根据已知条件，完成通过基于石英晶体的正弦波振荡器的设计、连接与仿真。该振荡器须符合以下要求：

（1）采用晶体三极管构成一个正弦波振荡器；

（2）额定电源电压12.0V ，电流1～3mA;

其中本振的输出频率为16.455MHz;振荡器的输出频率为10MHz;

（3）振荡器输出信号幅度≥0.5 V (P-P)。

2 设计课题总体方案及工作原理说明

2.1 设计方案

本次设计首先以NPN型晶体管9014/9013和标称频率为10MHz/16.455MHz的石英晶体为基础分别设计出16.455MHz本振信号振荡器和10MHz的晶体振荡器，然后根据石英晶体振荡器的输出要求设计电路，然后根据电路图的基本形式和设计的要求计算出各元件的参数和性能要求。根据仿真后的电路原理图进行调试，从而完成整个正弦波振荡器的设计。

2.2 设计方案晶体管的介绍和工作原理

2.2.1 石英晶体的详细介绍

石英晶体作为滤波、振荡元件已广泛应用在广播通讯、电子测量、航空、航天等方面。其发展历史只有短短几十年,美国是发展石英晶体最早的国家,而像CORNIGN这样的老牌公司也只是在1941年才注册成立。最近一、二十年来,由于PCS、GSM、GPS、PDC、CDMA等诸多移动通讯技术的需求,石英晶体振荡器中的石英晶体谐振器不再是单一元件,它已发展成为组件,而且几乎全部以集成化、全集成化、全数字化形式展现出来,体积比过去缩小了数倍乃至数十倍。石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。

石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械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小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

2.2.2 晶体振荡器的原理及特性

(1)原理：本次设计首先以NPN振荡器由一个放大器和反馈网络组成，反馈网络起到频率选择的作用。图2.1通过一个框图来说明振荡器的基本原理。

图2.1 振荡器的基本原理

其中：

A(f)是放大器部分，给这个闭环系统提供能量以保持其振荡。

()()()f jf e

∙

=

Aα

f

f

A

式2.1 B(f)是反馈通道，它决定了振荡器的频率。

()()()f jf e

∙

=式2.2

Bβ

f

B

f

为了起振，Baukhausen条件必须得到满足。即闭环增益应大于1，并且总相移为360°。

()()()()π

α2

β

f

B

f

A式2.3 f

⋅f

+

1=

≥

为了让振荡器工作，要保证|A(f)|.|B(f)| >> 1。这意味着开环增益应远大于1，到达稳定振荡所需的时间取决于这个开环增益。然而，仅满足以上条件是不够解释为什么晶体振荡器可以开始振荡。为了起振，还需要向其提供启动所需的电能。一般来说，上电的能量瞬变以及噪声可以提供所需的能量。应当注意到，这个启动能量应该足够多，从而能够保证通过触发使振荡器在所需的频率工作。

实际上，在这种条件下的放大器是非常不稳定的，任何干扰进入这种正反馈闭环系统都会使其不稳定并引发振荡启动。干扰可能源于上电，器件禁用/使能的操作以及晶振热噪声等...。同时必须注意到，只有在晶振工作频率范围内的噪声才能被放大，这部分相对于噪声的全部能量来说只是一小部分，这也就是为什么晶体振荡器需要相当长的时间才能启动的原因。

（2）特性：石英晶体是一种可将电能和机械能相互转化的压电器件，能量转变

发生在共振频率点上。它可用如下模型表示：

图2.2 振荡器的模型

C0：等效电路中与串联臂并接的电容(译注：也叫并电容，静电电容，其值一般仅与晶振的尺寸有关)。

Lm ：(动态等效电感)代表晶振机械振动的惯性。 Cm ：(动态等效电容)代表晶振的弹性。 Rm ：(动态等效电阻)代表电路的损耗。

晶振的阻抗可表示为以下方程(假设Rm 可以忽略不计)：

()0

2

2

1

C

C L w

C

C

C L w w

j Z m

m

m

m

m

-+-⨯

=

式2.4

图2.3 石英晶振的频域电抗特性

其中Fs 的是当电抗Z=0时的串联谐频率(译注：它是Lm 、Cm 和Rm 支路的谐振频率)，其表达式如下：

m

m

C

L Fs π

21=

式2.5