畢業(yè)論文----高穩(wěn)定振蕩器的研究

1、<p><b>　　高穩(wěn)定振蕩器的研究</b></p><p>　　摘 要 </p><p>　　石英晶體振蕩器是目前頻率穩(wěn)定度和精確度較高的晶體振蕩器。它在老化率、溫度穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度等方面的性能都非常好，作為精密時頻信號源被廣泛應(yīng)用在全球定位系統(tǒng)、通信、計量、

2、遙測遙控，頻譜及網(wǎng)絡(luò)分析儀等電子儀器中。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對石英晶體振蕩器的性能提出了更高的要求。本文主要研究普通高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器的設(shè)計。</p><p>　　圍繞著如何提高石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度，本文集中探討了以下幾個方面的工作：分析了石英諧振器的特性及其對晶體振蕩器性能的影響，從而為高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器中對石英晶體的選擇提供了依據(jù)。分析了振蕩電路基本原理，從而設(shè)計出由2N3904構(gòu)成的石英晶體振

3、蕩電路，并對電路中輸出電路部分及穩(wěn)壓部分設(shè)計中的問題進行討論。最后，論述了恒溫晶體振蕩器的主要制作過程和技術(shù)指標，并對試制石英晶體振蕩器樣品技術(shù)性能進行了測試和分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：石英晶體振蕩器；壓電效應(yīng)；頻率穩(wěn)定度；穩(wěn)壓電路；射極輸出器</p><p>　　The research of high stable oscillator</p><p>

4、;<b>　　Abstract</b></p><p>　　Quartz crystal oscillators as a high frequency stability among crystal oscillator is widely used in communications equipment, measuring instruments, navigation, rada

5、r, mobile communication, programmed telephone, audio-visual equipment etc. With the development of science and technology, quartz crystal oscillator for the performance of a higher demand. This paper on the general high

6、stability crystal oscillator design.</p><p>　　Centered on how to improve the quartz crystal oscillator frequency stability, the paper focused on the following aspects of work: analysis of the quartz resonato

7、r and the characteristics of the performance of crystal oscillator, so as to the high degree of stability in the quartz crystal oscillator The crystal to provide the basis for the choice. Analysis of the basic tenets of

8、oscillation circuit, designed by 2 N3904 posed by quartz crystal oscillator circuit, and circuits in output regulators </p><p>　　Keyword: Quartz crystal oscillator, Piezoelectricity, Frequency stability, Reg

9、ulators circuit, Emitter output</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　振蕩器發(fā)展簡史</b></p><p>　　振蕩器（oscillator）是不需外信號激勵、自身將

10、直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的裝置。凡是可以完成這一目的的裝置都可以作為振蕩器。例如，無線電發(fā)明初期所用的火花發(fā)射機、電弧發(fā)生器等，都是振蕩器。它與放大器的區(qū)別在于，無需外加激勵信號，就能產(chǎn)生具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交流信號。</p><p>　　正弦波振蕩器在各種電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。例如，無線發(fā)射機中的載波信號源，接收設(shè)備中的本地振蕩信號源，各種測量儀器如信號發(fā)生器、頻率計、fT測試儀中的核心部分以及

11、自動控制環(huán)節(jié)，數(shù)字系統(tǒng)中的時鐘信號源，都離不開正弦波振蕩器。在這些應(yīng)用中，對振蕩器提出的主要要求是振蕩頻率和振蕩幅度的準確性和穩(wěn)定性，其中尤以振蕩頻率的準確性和穩(wěn)定性最為重要。</p><p>　　對于振蕩器的輸出信號，應(yīng)該由以下指標來衡量：一是頻率，即頻率的準確度與穩(wěn)定度；二是振幅，即振幅的大小與穩(wěn)定性；三是波形及波形的失真；四是輸出功率，要求該振蕩器能帶動一定阻抗的負載。</p><p&g

12、t;　　振蕩器的種類很多。從振蕩電路中有源器件的特性和形成振蕩的原理來看，可以把振蕩器分為反饋式振蕩器和負阻式振蕩器兩大類。反饋式振蕩器是目前應(yīng)用最廣泛的一類振蕩器，它是在放大器電路中加入正反饋，當正反饋足夠大時，放大器產(chǎn)生振蕩，變成振蕩器。所謂產(chǎn)生振蕩是指這時放大器不需要外加激勵信號，而是由本身正反饋信號來代替外加激勵信號的作用。而這里所說的負阻式振蕩器主要是指它是將負阻器件直接接到諧振回路中，利用負阻器件的負電阻效應(yīng)去抵消回路中的損

13、耗，從而產(chǎn)生出等幅自由振蕩。在反饋式振蕩器中，按所采用的選頻網(wǎng)絡(luò)的形式，分為LC振蕩器、晶體振蕩器、RC振蕩器以及壓控振蕩器等。</p><p>　　用電感線圈和電容器做成的LC振蕩器，由于受到諧振回路標準性的限制，采用一般穩(wěn)頻措施時，其頻率穩(wěn)定度在10-3～10-4之間。要想進一步提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，應(yīng)采用其他類型的高穩(wěn)定度振蕩器。</p><p>　　1.2 采用石英晶振的原因&l

14、t;/p><p>　　通過對振蕩器的頻率穩(wěn)定度進行分析可知，LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度最多只能達到10-4數(shù)量級。但是，在許多應(yīng)用場合要求振蕩器能提供比10-4數(shù)量級高得多的頻率穩(wěn)定度。例如，在廣播發(fā)射機、單邊帶發(fā)射機及頻率標準振蕩器中，分別要求振蕩頻率穩(wěn)定度高達10-5、10-6、10-8～10-9數(shù)量級。顯然，普通的LC振蕩器是不可能滿足上述要求的。為了獲得頻率穩(wěn)定度這樣高的振蕩信號，需要采用石英晶體振蕩器。<

15、/p><p>　　利用石英晶體的壓電效應(yīng)，將石英晶體作為濾波元件，構(gòu)成石英晶體振蕩器，可以獲得很高的穩(wěn)定度。采用中精度的晶體，頻穩(wěn)度可達10-6數(shù)量級；若加單層恒溫控制，則頻穩(wěn)度可提高到10-7～10-8數(shù)量級；在實驗室條件下。采用高精度晶體，并用雙層恒溫控制。則頻穩(wěn)度可以高達10-9～10-10數(shù)量級。 </p><p>　　為什么用石英晶體作為諧振元件，就能使振蕩器的穩(wěn)定度大大提高呢？石英

16、晶體諧振器與一般的LC諧振回路相比具有優(yōu)良的特性，具體表現(xiàn)為：</p><p>　　石英晶體諧振器具有很高的標準性。石英晶體振蕩器的振蕩頻率主要由石英晶體諧振器的諧振頻率決定。石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fq主要取決于晶片的尺寸，石英晶體的物理性能和化學(xué)性能都十分穩(wěn)定，它的尺寸受外界條件如溫度、濕度等影響很小，因而其等效電路的Lq、Cq值很穩(wěn)定，使得fq很穩(wěn)定。</p><p>　　石英晶體諧振

17、器與有源器件的接入系數(shù)n=Cq/(Cq+C0)<<1,一般為10-3～10-4數(shù)量級，這大大減弱了有源器件的極間電容等參數(shù)和外電路中不穩(wěn)定因素對石英晶體的影響，使石英晶體振蕩器的振蕩頻率基本不受外界不穩(wěn)定因素的影響。</p><p>　　石英晶體諧振器具有非常高的Q值。因為Qq=1/rq。Q值可達幾萬到幾百萬，與Q值僅為幾百數(shù)量級的普通LC回路相比，其Q值極高，維持振蕩頻率穩(wěn)定不變的能力極強。<

18、/p><p>　　石英晶體在工作頻率﹙fq＜f＜fp＝附近阻抗變化率大，有很高的并聯(lián)諧振阻抗，且呈電感性。</p><p>　　基于上述特性，采用高精度和穩(wěn)頻措施后，有石英晶體構(gòu)成的振蕩器就可</p><p>　　以具有較高的穩(wěn)頻度。</p><p>　　石英晶體振蕩器的原理、類型及參數(shù)</p><p>　　2.1 石英晶

19、體諧振器的基本原理 </p><p>　　一、石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　石英晶體諧振器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的 一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱為

20、石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。下圖2.2.1是一種金屬外殼封裝的石英晶</p><p><b>　　體結(jié)構(gòu)示意圖。</b></p><p><b>　　圖 2.2.1</b></p><p>　　二、壓電效應(yīng) 若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機械變形。

21、反之，若在晶片的兩側(cè)施加機械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機械振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。 </p&g

22、t;<p>　　三、符號和等效電路 石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖2.1.2所示。當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個pF到幾十pF。當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH 到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數(shù)值約為10

23、0Ω。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。 </p><p><b>　　四、諧振頻率</b></p><p>　　從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個諧振頻率，即（

24、一）當L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時，它的等效阻抗最小（等于R）。串聯(lián)揩振頻率用fs表示，石英晶體對于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性，（二）當頻率高于fs時L、C、R支路呈感性，可與電容C。發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用fd表示。根據(jù)石英晶體的等效電路，可定性畫出它的電抗—頻率特性曲線如圖2.1.2所示?？梢姰旑l率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時，石英晶體呈容性。僅在fs＜f＜fd極窄的范圍內(nèi)，石英晶體呈感性。</p&g

25、t;<p><b>　　圖2.1.2</b></p><p>　　2.2 石英晶體振蕩器的類型特點</p><p>　　石英晶體振蕩器是由品質(zhì)因素極高的石英晶體振子（即諧振器）和振蕩電路組成，晶體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子的結(jié)構(gòu)及電路形式等，共同決定振蕩器的性能。國際電工委員會（IEC）將石英晶體振蕩器分為4類：普通晶體振蕩（PXO），電壓控制式晶體振蕩

26、器（VCXO），溫度補償式晶體振蕩（TCXO），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO）。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補償式晶體振蕩（DCXO）等。普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10-5～10-4量級的頻率精度，標準頻率1～100MHZ，頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施，價格低廉，通常用作微處理器的時鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。電

27、壓控制式晶體振蕩器（VCXO）的精度是10-6～10-5量級，頻率范圍1～30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。溫度補償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償，頻率精度達到10-7～10-6量級，頻率范圍1—60MHz，頻率穩(wěn)定度為±1～±2.5ppm，封裝尺寸從30×30×15mm至11.

28、4×</p><p>　　2.3 石英晶體諧振器的主要參數(shù)</p><p>　　晶體的主要參數(shù)有標稱頻率，負載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。不同的晶體標稱頻率不同，標稱頻率大都標明在晶體外殼上。如常用普通晶體標稱頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對于特殊要求的晶體頻率可達到1000 MHz以上，也有的沒有標稱頻率，如CRB、Z

29、TB、Ja等系列。負載電容是指晶體的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶體在電路中串接電容。負載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標稱頻率相同的晶體，負載電容不一定相同。因為石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率，一個是串聯(lián)揩振晶振的低負載電容晶振：另一個為并聯(lián)揩振晶振的高負載電容晶振。所以，標稱頻率相同的晶體互換時還必須要求負載電容一至，不能冒然互換，否則會造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩(wěn)定度：由于普通晶體的性能基本都能達

30、到一般電器的要求，對于高檔設(shè)備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定度。頻率精度從10-4量級到10-10量級不等。穩(wěn)定度從±1到±100ppm不等。這要根據(jù)具體的設(shè)備需要而選擇合適的晶體，如通信網(wǎng)絡(luò)，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶體的</p><p>　　高穩(wěn)定石英晶體振蕩器的設(shè)計</p><p>　　3.1 振蕩器的頻率穩(wěn)定度</p>

31、;<p>　　一、頻率準確度和頻率穩(wěn)定度</p><p>　　評價振蕩器頻率的主要指標有兩個，即準確度和穩(wěn)定度。</p><p>　　所謂頻率準確度是指振蕩器實際工作頻率f與標稱頻率f0之間的偏差，即</p><p>　　△f=f-fo (3.1.1)</p>

32、;<p>　　為了合理評價不同標稱頻率下振蕩器的頻率偏差，頻率準確度也常用其相對值來表示，即</p><p>　　△f／fo=(f-fo)／fo (3.1.2)</p><p>　　頻率穩(wěn)定度通常定義為在一定時間間隔內(nèi)，振蕩器頻率的相對偏差的最大值。用公式表示為</p><p>　　頻率穩(wěn)定度

33、 δ=△fmax／fo│時間間隔 (3.1.3)</p><p>　　按照時間間隔長短不同，通?？梢苑譃橄旅嫒N頻率穩(wěn)定度。</p><p>　　長期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以上乃至幾個月內(nèi)振蕩頻率的相對變化量。這種變化量主要取決于有源器件、電路元件的老化特性。</p><p>　　短期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以內(nèi)振蕩頻率的相對變化量。它主要與溫

34、度、電源電壓變化和電路參數(shù)不穩(wěn)定因素有關(guān)。</p><p>　　瞬時頻率穩(wěn)定度：一般指秒或毫秒內(nèi)振蕩頻率的相對變化量。這種頻率變化一般都具有隨機性質(zhì)并伴隨著相位的隨機變化，這些變化均有設(shè)備內(nèi)部噪聲或各種突發(fā)性干擾所引起。</p><p>　　以上三種頻率穩(wěn)定度的劃分并沒有嚴格的界限，但這種大致的區(qū)分還是有一定實際意義的。因為人們更多注意短期穩(wěn)定度的提高問題，所以通常講的頻率穩(wěn)定度一般是指短

35、期頻率穩(wěn)定度。</p><p>　　二、提高頻率穩(wěn)定度的措施</p><p><b>　　減小外界因素的變化</b></p><p>　　減小外界因素變化的措施很多，例如為了減小溫度變化對振蕩頻率的影響，</p><p>　　可將整個振蕩器或諧振器回路置于恒溫槽內(nèi)，以保持溫度的恒定；采用高穩(wěn)定度直流穩(wěn)壓源來減小電源電壓的

36、波動而帶來晶體管工作點電壓、電流發(fā)生的變化；</p><p>　　采用金屬屏蔽罩減小外界磁場的變化而引起電感量的變化；采用減震器可減小由于機械振動而引起電感、電容值的變化；采用密封工藝來減小大氣壓力和濕度變化而帶來電容器介電系數(shù)的變化；在負載和振蕩器之間加一級射極跟隨器作為緩沖，可減小負載變化等。</p><p>　　提高諧振回路的標準性</p><p>　　所謂諧

37、振回路的標準性是指諧振回路在外界因素變化時，保持其諧振頻率不</p><p>　　變的能力?；芈窐藴市栽礁撸l率穩(wěn)定度就越好。實質(zhì)上，提高諧振回路的標準性就是從振蕩電路本身入手來提高頻率的穩(wěn)定度。可采用以下措施：</p><p>　?、挪捎脜?shù)穩(wěn)定的回路電感和電容器。</p><p>　　⑵采用溫度補償法。選擇合適的具有不同溫度系數(shù)的電感和電容，同時接入諧振回路，從

38、而使因溫度變化引起的電感和電容值的變化相互抵消，使回路總電抗量變化減小。</p><p>　?、歉倪M安裝工藝?？s短引線、加強機械強度、牢固安裝元件和引線可減小分布電容和分布電感及其變化量。</p><p>　　3.2 三種方案的提出與比較</p><p>　　一、有溫度補償?shù)木w振蕩器電路（TCXO）</p><p>　　采用溫度補償法，一般

39、可以使晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度提高1～2個數(shù)量級，即在-40～+70℃的環(huán)境溫度中，可以使晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度達到+5×10-7數(shù)量級。實現(xiàn)溫度補償?shù)姆椒ê芏?，下面以最常用的熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)和變?nèi)荻O管所組成的補償電路，來說明溫度補償石英晶體振蕩器的工作原理，如圖3.2.1所示。 </p><p><b>　　圖 3.2.1</b></p><p>

40、　　圖中，VT1結(jié)成皮爾斯晶體振蕩器，VT2為共射極放大器，VT3為射極跟隨器。虛線方框為溫度補償電路，它是由R1、R2、Rt1和Rt2、R3構(gòu)成的電阻分壓器，其中，Rt1和Rt2為阻值隨周圍溫度變化的熱敏電阻，該電路的作用是使Rt2和R3上的分壓值Ut反應(yīng)周圍溫度變化。將Ut加到與晶體相串聯(lián)的變?nèi)荻O管上，可控制變?nèi)荻O管的電容量變化。由于當環(huán)境溫度改變時，石英晶體的標稱頻率隨溫度改變而略有變化，因而振蕩器的頻率也就有所變化。如果Ut

41、的溫度特性與晶體的溫度特性相匹配，當變?nèi)荻O管的電容隨Ut改變時，可補償因溫度變化而引起的晶體頻率的變化，則整個振蕩器頻率受溫度變化的影響便大大減小，從而得到比較高的頻率穩(wěn)定度，振蕩器的頻率穩(wěn)定度就可提高1～2個數(shù)量級。</p><p>　　然而，變?nèi)荻O管上的反向偏壓是由圖3.2.1中虛線框內(nèi)的與石英諧振器處于同樣環(huán)境溫度的熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生的。它的阻值通常都是利用曲線擬合法通過計算機輔助設(shè)計，得到熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)

42、的具體阻值數(shù)據(jù)，鑒于目前實驗室條件，熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)的機輔設(shè)計還難以實現(xiàn)。</p><p><b>　　二、LC振蕩電路</b></p><p>　　如圖3.2.2所示的電路是由晶體管T1組成的電容三點式振蕩器的改進型電路即西勒電路。Cb對交流短路，因此是基極接地電路。對于振蕩電路選擇共基組態(tài)主要考慮變?nèi)荻O管接入對實現(xiàn)振蕩電路有利。晶體管T1的靜態(tài)工作點由Rb1、Rb2

43、、Re、Rc所決定，振蕩器的靜態(tài)工作電流IcQ通常選在（1～4）mA。IcQ偏大，可使輸出電壓幅度增加，但波形失真加重，頻率穩(wěn)定度變差。IcQ過小，起振困難。為了減小晶體管的極間電容對回路振蕩頻率的影響，C1、C2的取值要大。</p><p>　　該電路頻率穩(wěn)定性較好，振蕩頻率可以較高。但是即使采取各種基本穩(wěn)頻措施，其頻率穩(wěn)定度只能達到10-4，對于本課題要求來說還不夠高。</p><p>

44、;<b>　　圖 3.2.2</b></p><p>　　三、4M石英晶體振蕩器</p><p>　　如圖3.2.3所示，該電路所產(chǎn)生的頻率由石英晶體的固有頻率所決定。電路由晶體管T1構(gòu)成克拉潑振蕩電路部分，晶體管T2是一個射極跟隨器，用于緩沖驅(qū)動負載。穩(wěn)壓二極管Vz和電阻Rs構(gòu)成的穩(wěn)壓回路可以減小電源電壓波動給晶體管工作點帶來的影響。用鍍銀云母電容C2、C3消除引起

45、振蕩頻率的內(nèi)阻抗變化。該電路使用各種提高頻率穩(wěn)定度的方法和手段，電路模式清晰易懂，在實際</p><p><b>　　操作中可以實現(xiàn)。</b></p><p><b>　　圖 3.2.3 </b></p><p>　　經(jīng)過三種方案的提出與比較，選擇最為合適的第三套電路作為最后確定的方案。</p><p&

46、gt;　　3.3 最后選定方案的設(shè)計過程與原理分析</p><p><b>　　選定方案的原理框圖</b></p><p><b>　　圖 3.3.1</b></p><p>　　如圖 3.3.1所示，選定方案的總電路可以被分成三部分，下面將分別對這三部分進行說明和分析。</p><p>　　二、選

47、定方案的分部分析</p><p>　　1、振蕩電路部分的設(shè)計與分析</p><p><b>　?。╝）</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p><b>　　圖 3.3.2</b></p><p>　　如圖 3.3.2(a)所示

48、，為圖3.3.1的第一部分，即振蕩電路部分。（b）為其對應(yīng)的交流等效電路圖。正是這部分電路使石英晶體在它的標稱頻率上起振。該電路采用的是并聯(lián)型晶振電路中的皮爾斯振蕩電路模型。并聯(lián)型晶振電路的工作原理和一般三點式LC振蕩器相同，只是把其中的一個電感元件用石英晶體置換了,石英晶體接在晶體管T1的c、b極之間.皮爾斯電路類似于克拉潑電路，但由于石英晶振中Cq極小，Qq極高，所以皮爾斯電路具有以下特點：</p><p>

49、　　振蕩回路與晶體管、負載之間的耦合很弱。晶體管c、b端，c、e端和e、</p><p>　　b端的接入系數(shù)一般均小于10-4～10-3，所以外電路的不穩(wěn)定參數(shù)對振蕩回路影響很小，提高了回路的標準性。</p><p>　　振蕩頻率幾乎由石英晶振的參數(shù)決定，而石英晶振本身的參數(shù)具有高度</p><p><b>　　的穩(wěn)定性。</b></p&

50、gt;<p>　　由于振蕩頻率f0一般調(diào)諧在標稱頻率fN上，位于晶振電抗曲線陡峭的感</p><p>　　性區(qū)內(nèi)，所以穩(wěn)頻性能極好。</p><p>　　由于晶振的Q值和特性阻抗很高，所以晶振的諧振電阻也很高，一般可</p><p>　　達1010Ω以上。這樣即使外電路接入系數(shù)很小，此諧振電阻等效到晶體管輸出端的阻抗仍很大，使晶體管的電壓增益能滿足振幅

51、起振條件的要求。</p><p>　　在石英晶體旁串聯(lián)一個容值為51pF的電容C0，使皮爾斯電路變?yōu)榭死瓭婋娐?。這樣電容C2、C3對振蕩頻率的影響顯著減小，那么與之并聯(lián)的晶體管T1極間電容的影響也就很小了，提高了振蕩頻率的穩(wěn)定度。從減小晶體管極間電容的影響出發(fā)，必須滿足C2、C3較大。這樣雖然使頻率穩(wěn)定性得到了改善，但是晶體管c、e端與回路的接入系數(shù)卻要下降，這將影響振蕩器的起振，振蕩幅度將會降低。所以設(shè)計C2、

52、C3的值也不可以過大。可調(diào)電容C7起到了微調(diào)振蕩頻率的作用。</p><p>　　由于選擇了標稱頻率為4MHz的石英晶體，所以注意到振蕩電路中所使用的晶體管的中心頻率fT 至少應(yīng)為數(shù)十兆或數(shù)百兆赫茲的晶體管。而2N3904的中心頻率fT 為300MHz，所以應(yīng)用在該振蕩電路中綽綽有余。而且考慮到要提高電路的頻率穩(wěn)定度，電容C2、C3均使用參數(shù)性能較為穩(wěn)定的鍍銀云母電容，盡可能地提高了回路的標準性。</p&g

53、t;<p>　　2、射極輸出器部分的設(shè)計與分析</p><p><b>　　圖3.3.3</b></p><p>　　如圖3.3.3所示，這是一個由高頻管9014構(gòu)成的射極跟隨器作為整個電路的輸出部分，它起到了緩沖和減小負載變化對振蕩回路的影響等作用。C6和R7構(gòu)成自舉電路，提高輸入阻抗使輸出電壓的幅度得到較大的動態(tài)范圍。在4MHz頻率下工作，電容C6的

54、等效阻抗大約應(yīng)為幾個歐姆到十幾歐姆之間，經(jīng)過計算令C6的容值為0.01uF。而電阻R8上的電流應(yīng)為幾毫安以內(nèi)的數(shù)值，最終確定阻值為2KΩ。</p><p>　　2、穩(wěn)壓電路部分的設(shè)計與分析</p><p><b>　　圖 3.3.4</b></p><p>　　如圖3.3.4所示，由穩(wěn)壓二極管Vz和限流電阻Rs所組成的穩(wěn)壓電路是一種</p

55、><p>　　最簡單的直流穩(wěn)壓電源。根據(jù)圖3.3.5所示的穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線，進行電路參數(shù)的選擇設(shè)計。</p><p><b>　　圖 3.3.5</b></p><p>　?、欧€(wěn)壓電路輸入電壓Ui的選擇</p><p>　　輸入電壓為Ui，輸出電壓Uo就是負載振蕩電路所要求的穩(wěn)定電壓+12V.根據(jù)經(jīng)驗，一般選擇<

56、/p><p>　　Ui=（1～3）Uo （3.3.1）</p><p>　　所以可以設(shè)Ui=1.25×12=15V。</p><p><b>　　⑵穩(wěn)壓管的選擇</b></p><p>　　在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中Uo=Uz；當輸入電壓Ui隨電網(wǎng)電壓升高而增大時，限流電

57、阻Rs的電壓增量與Ui的增量幾乎相等，它所引起的增大部分電流幾乎全部流過穩(wěn)壓管；另外電路空載時穩(wěn)壓管流過的電流Iz將與Rs上的電流IR相等，所以穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流IZM的選取應(yīng)留有充分的余量。選擇穩(wěn)壓管的原則可歸納為</p><p><b>　　Uz=Uo=12V</b></p><p>　　IZM≥IL+Iz

58、 (3.3.2)</p><p>　　經(jīng)測量IL=0.24mA，一般最小穩(wěn)定電流Iz=5mA，所以必須滿足IZM≥5.24mA。選擇功率為1W的12V穩(wěn)壓管，IZM==83.3mA≥5.24mA，滿足所需條件。</p><p>　　⑶限流電阻Rs的選擇</p><p>　　Rs的選擇必須滿足兩個條件：一是穩(wěn)壓管流過的最小電流應(yīng)大于穩(wěn)壓管的最小穩(wěn)定電流Iz；二是穩(wěn)壓管

59、流過的最大電流應(yīng)小于穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流IZM。</p><p><b>　　即 </b></p><p>　　Iz≤IVZ≤IZM (3.3.3)</p><p>　　假設(shè)負載電流不變且電網(wǎng)電壓允許波動范圍為±10%。當電網(wǎng)電壓最低（即Ui最低）時，流過

60、穩(wěn)壓管的電流最小，根據(jù)式（3.3.3）可寫成表達式</p><p>　　IVZ=-IL≥Iz </p><p>　　由此得出限流電阻的上限值為</p><p>　　Rsmax= (3.3.4)</p><p>　　當電網(wǎng)電壓最高（即Ui最高）時，流過穩(wěn)壓管的電流最大，根據(jù)式（3.3.

61、3）可寫成表達式</p><p>　　IVZ=- IL≤IZM </p><p>　　由此得出限流電阻的下限值為</p><p>　　Rsmin= (3.3.5)</p><p>　　在該實際電路中Uimin=15×(1-10%)=13.5V, Uimax=15×(1+1

62、0%)=16.5V, Uz=12V, Iz=5mA, IZM==83.3mA,根據(jù)式（3.3.4），（3.3.5）可得</p><p>　　Rsmax=≈286.26Ω</p><p>　　Rsmin=≈53.87Ω</p><p>　　所以Rs的取值范圍是53.87～286.26Ω，令Rs=250Ω即可。</p><p>　　電路的調(diào)試和數(shù)

63、據(jù)的整理</p><p>　　4.1 振蕩電路部分的調(diào)試和修改</p><p>　　出現(xiàn)問題：根據(jù)圖3.3.2在硬件上實現(xiàn)振蕩電路部分（未加射極輸出器</p><p>　　和穩(wěn)壓電路部分）。起先電容C2、C3都設(shè)為56pF。用示波器測試輸出波形，發(fā)現(xiàn)波形頻率大約為10MHz，而不是石英晶體的標稱頻率4MHz。 </p><p>　　解

64、決方法： 分別在C2、C3兩端并聯(lián)一個51 pF的電容，使其適當增大，之</p><p>　　后發(fā)現(xiàn)波形頻率正常。確定C2=107pF，C3=107pF。</p><p>　　二、出現(xiàn)問題： 得到了頻率正常的輸出信號，但是波形產(chǎn)生了失真。</p><p>　　解決方法：這就需要調(diào)整T1構(gòu)成的放大器的靜態(tài)工作點。起先電阻 R2=15K,R3=560Ω。用萬用表

65、測量晶體管T1的各極間電壓，VC=11.76V,Vb=3.0V,Ve=2.4V。Vb- Ve=0.6V。發(fā)射極電流</p><p>　　Ie==≈4.28mA ，這個數(shù)值來說偏大，需要調(diào)整偏置電阻R2、R3</p><p>　　的大小比例。分別給R2、R3串聯(lián)一個電位器，在接通示波器顯示出波形的</p><p>　　情況下調(diào)整兩個電阻的大小直至出現(xiàn)標準的正弦為止。此

66、時可以用萬用表測量串聯(lián)電位器以后R2、R3的實際阻值是R2=15.10K,R3=5.95K。（Ie =？）</p><p>　　三、在還未加射極輸出器的時候，用萬用表測量電阻R4兩端的電壓為0.024V，</p><p>　　根據(jù)歐姆定律可計算出振蕩電路的電流（即設(shè)計穩(wěn)壓電路時的負載電流）</p><p>　　IL==0.24mA。這個電流值在設(shè)計穩(wěn)壓電路時將會用到

67、。</p><p>　　4.2 穩(wěn)壓電路部分的調(diào)試和修改</p><p>　　根據(jù)圖3.2.3、圖3.3.3和圖3.3.4在原有的振蕩電路部分加上穩(wěn)壓部分和射極輸出部分。在輸入端用直流穩(wěn)壓電源加上+15V的電壓，再用萬用表測量穩(wěn)壓電路中的Uo=Uz=11.76V，接近所要求的 +12V，所設(shè)計的電路能夠正常工作。</p><p>　　二、用頻率計在未采取穩(wěn)壓措施之前

68、和之后分別測量該振蕩器輸出正弦信號的頻率，每隔10秒記錄一個數(shù)值，用于求頻率穩(wěn)定度的參考資料。</p><p>　　4.3 振蕩器電路的最終結(jié)果</p><p>　　一、輸出波形的繪制及數(shù)據(jù)記錄</p><p>　　二、未采取穩(wěn)壓措施時輸出頻率變化：</p><p>　　采取穩(wěn)壓電路以后的頻率變化：</p><p>　

69、　根據(jù)式（3.1.1）、（3.1.2）（3.1.3）可知，未采取穩(wěn)壓措施時電路的頻率穩(wěn)定度為δ1=3.3925×10-5，而采取穩(wěn)壓電路之后穩(wěn)定度δ2=2.55×10-5，由此可見采用穩(wěn)壓措施之后對該振蕩電路的頻率穩(wěn)定度有一定程度的改善。</p><p>　　第五章 石英晶體振蕩器的發(fā)展及應(yīng)用</p><p>　　5.1 石英晶體振蕩器的發(fā)展趨勢  

70、;   1、小型化、薄片化和片式化：為滿足移動電話為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉(zhuǎn)變。例如TCXO這類器件的體積縮小了30～100倍。采用SMD封裝的TCXO厚</p><p>　　度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已經(jīng)上市。</p><p>　　2、高精度與高穩(wěn)定度，目前無補償式晶體振蕩

71、器總精度也能達到±25ppm，VCXO的頻率穩(wěn)定度在10～7℃范圍內(nèi)一般可達±20～100ppm，而OCXO在同一溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度一般為±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。     3、低噪聲，高頻化，在GPS通信系統(tǒng)中是不允許頻率顫抖的，相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個重要參數(shù)。目前OCXO主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有很大改善。

72、除VCXO外，其它類型的晶體振蕩器最高輸出頻率不超過200MHz。例如用于GSM等移動電話的UCV4系列壓控振蕩器，其頻率為650～1700 MHz，</p><p>　　電源電壓2.2～3.3V，工作電流8～10mA。</p><p>　　4、低功能，快速啟動，低電壓工作，低電平驅(qū)動和低電流消耗已成為一個趨勢。電源電壓一般為3.3V。目前許多TCXO和VCXO產(chǎn)品，電流損耗不超

73、過2 mA。石英晶體振蕩器的快速啟動技術(shù)也取得突破性進展。例如日本精工生產(chǎn)的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm規(guī)定值范圍條件下，頻率穩(wěn)定時間小于4ms。日本東京陶瓷公司生產(chǎn)的SMD TCXO，在振蕩啟動4ms后則可達到額定值的90%。</p><p>　　OAK公司的10～25 MHz的OCXO產(chǎn)品，在預(yù)熱5分鐘后，則能達到±0.01 ppm

74、</p><p><b>　　的穩(wěn)定度。</b></p><p>　　5.2 石英晶體振蕩器的應(yīng)用     </p><p>　　1、石英鐘走時準、耗電省、經(jīng)久耐用為其最大優(yōu)點。不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘都是以石英晶體振蕩器為核心電路，其頻率精度決定了電子鐘表的走時精度。從石英晶體振蕩器原理

75、的示意圖5.2.1中，其中V1和V2構(gòu)成CMOS反相器石英晶體Q與振蕩電容C1及微調(diào)電容C2構(gòu)成振蕩系統(tǒng)，這里石英晶體相當于電感。振蕩系統(tǒng)的元件參數(shù)確定了振頻率。一般Q、C1及C2均為外接元件。另外R1為反饋電阻，R2為振蕩的穩(wěn)定電阻，它們都集成在電路內(nèi)部。故無法通過改變C1或C2的數(shù)值來調(diào)整走時精度。但此時我們?nèi)钥捎眉咏右恢浑娙軨有方法，來改變振蕩系統(tǒng)參數(shù)，以調(diào)整走時精度。根據(jù)電子鐘表走時的快慢，調(diào)整電容有兩種接法：若走時偏快，則可在

76、石英晶體兩端并接電容C，如圖5.2.2所示。此時系統(tǒng)總電容加大，振蕩頻率變低，走時減慢。若走時偏慢，則可在晶體支路中串接電容C。如圖5.2.3所示。此時系統(tǒng)的總電容減小，振蕩頻率變高，走時增快。只要經(jīng)過耐心的反復(fù)試驗，就可以調(diào)整走時精度。因此，晶振可用于時鐘信號發(fā)生器。</p><p>　　圖 5.2.1 圖5.2.2</p><p

77、><b>　　圖 5.2.3</b></p><p>　　2、隨著電視技術(shù)的發(fā)展，近來彩電多采用500kHz或503 kHz的晶體振蕩器作為行、場電路的振蕩源，經(jīng)1/3的分頻得到 15625Hz的行頻，其穩(wěn)定性和可靠性大為提高。面且晶振價格便宜，更換容易。     3、在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的價值得到了更廣泛的體

78、現(xiàn)，同時也得到了更快的發(fā)展。許多高性能的石英晶振主要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?lt;/p><p>　　石英晶體振蕩器是目前性能較好的電路。由于石英晶體的價格大幅度降低,將會被越來越多的電子設(shè)備采用。</p><p><b>　　5.3 總結(jié)</b></p><p>　　本課題的主要任務(wù)是對高穩(wěn)振蕩器進行研究開發(fā)，研制出頻

79、率穩(wěn)定度較高的振蕩器。針對本科題，在老師的指導(dǎo)下，從以下幾個方面進行了研究。</p><p>　?。?）分析石英諧振器技術(shù)參數(shù)對晶體振蕩器性能的影響。提出了高穩(wěn)晶體振蕩器對石英諧振器的要求，并基于振蕩電路原理設(shè)計出由晶體管構(gòu)成的克拉潑晶體振蕩電路。</p><p>　?。?）穩(wěn)壓電路的設(shè)計。本文論述了最簡便的穩(wěn)壓方法，即使用穩(wěn)壓二極管和限流電阻的方法。并計算出了所需元件的參數(shù)和性能指標。&

80、lt;/p><p>　?。?）論述了射極輸出器的工作原理，并對自舉電路進行分析，從而設(shè)計出較高性能的輸出器。</p><p>　?。?）裝配調(diào)試石英晶體振蕩器樣品，測試石英晶體振蕩器的性能并對結(jié)果進行分析。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 段九州.振蕩電路實用設(shè)計手冊.沈陽：遼寧科

81、學(xué)技術(shù)出版社，2002.</p><p>　　[2] 宋樹祥 周冬梅.高頻電子線路.北京：北京大學(xué)出版社，2007.</p><p>　　[3] 楊霓清.高頻電子線路.北京：機械工業(yè)出版社，2007.</p><p>　　[4] 王衛(wèi)東 傅佑麟.高頻電子線路.北京：電子工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　[5] 吳慎山.高頻電

82、子線路.北京：電子工業(yè)出版社，2007.</p><p>　　[6] 張義芳 馮健華.高頻電子線路.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002.</p><p>　　[7] 周選昌.高頻電子線路.杭州：浙江大學(xué)出版社，2006.</p><p>　　[8] 于海勛 鄭長明.高頻電路實驗與仿真.北京：科學(xué)出版社，2005.</p><p>　

83、　[9] 楊翠娥.高頻電子線路實驗與課程設(shè)計.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001.</p><p>　　[10] 莫懷忠.高頻電子線路.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.</p><p>　　[11] 李金明.高頻電子技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　[12] 劉福太.藍版電子電路495例.北京：科學(xué)出版社，2007.&