《通信電子電路》全套PPT課件

《通信電子電路》全套PPT課件,通信電子電路,通信,電子電路,全套,PPT,課件 近代科學技術(shù)的發(fā)展近代科學技術(shù)的發(fā)展對正弦波振蕩器的穩(wěn)定度對正弦波振蕩器的穩(wěn)定度要求愈來愈高。要求愈來愈高。例如，作為頻率標準的振蕩器的頻例如，作為頻率標準的振蕩器的頻率穩(wěn)定度要求達到率穩(wěn)定度要求達到 以上，而對于以上，而對于LC振蕩器，盡振蕩器，盡管采用各種穩(wěn)頻措施，但理論分析和實踐都表明，管采用各種穩(wěn)頻措施，但理論分析和實踐都表明，其頻率穩(wěn)定度一般只能達到其頻率穩(wěn)定度一般只能達到 ，究其原因主要是，究其原因主要是回路的回路的Q 值不能做得很高（約值不能做得很高（約200200以下）。以下）。石英晶體石英晶體振蕩器就是振蕩器就是以石英晶體諧振器取代以石英晶體諧振器取代LC振蕩器中構(gòu)成振蕩器中構(gòu)成諧振回路的電感、電容元件所組成的正弦波振蕩諧振回路的電感、電容元件所組成的正弦波振蕩器，器，它的頻率穩(wěn)定度可達它的頻率穩(wěn)定度可達 數(shù)量級。數(shù)量級。4.6 石英晶體諧振器石英晶體諧振器 石英晶體振蕩器之所以具有極高的頻率穩(wěn)定度，石英晶體振蕩器之所以具有極高的頻率穩(wěn)定度，其關(guān)鍵是采用了石英晶體這種具有高其關(guān)鍵是采用了石英晶體這種具有高Q 值的諧振元值的諧振元件。件。由石英諧振器（石英晶體振子）構(gòu)成的振蕩電由石英諧振器（石英晶體振子）構(gòu)成的振蕩電路通常叫路通常叫“晶振電路晶振電路”。晶體振蕩器電路的種類很晶體振蕩器電路的種類很多，但從晶體在電路中的作用來看分兩類：多，但從晶體在電路中的作用來看分兩類：一類是一類是工作在晶體并聯(lián)諧振頻率附近，晶體等工作在晶體并聯(lián)諧振頻率附近，晶體等效為電感的情況，叫做效為電感的情況，叫做“并聯(lián)晶振電路并聯(lián)晶振電路”。另一類是另一類是工作在晶體串聯(lián)諧振頻率附近，晶體工作在晶體串聯(lián)諧振頻率附近，晶體近于短路的情況，叫做近于短路的情況，叫做“串聯(lián)晶振電路串聯(lián)晶振電路”。一、石英晶體的壓電效應及等效電路一、石英晶體的壓電效應及等效電路1.等效電路和符號等效電路和符號(a)a)結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖(b)b)等效電路等效電路(c)c)符號符號 圖圖4-20 4-20 石英諧振器的的結(jié)構(gòu)示意圖、等效電路和符號石英諧振器的的結(jié)構(gòu)示意圖、等效電路和符號 2.2.石英諧振器的特點石英諧振器的特點 等效電感等效電感Lq非常大，而非常大，而Cq和和rq都非常小，所都非常小，所以以石英諧振器的石英諧振器的Q 值非常高值非常高（），可），可以達幾萬到幾百萬，因此以達幾萬到幾百萬，因此石英晶體諧振器的振蕩石英晶體諧振器的振蕩頻率穩(wěn)定度非常高。頻率穩(wěn)定度非常高。3.等效參數(shù)等效參數(shù) 一般常用石英諧振器的等效參數(shù)大致是：一般常用石英諧振器的等效參數(shù)大致是：Cq大約大約0.005 0.1pF；C0大約大約2pF 5pF；rq大約大約1歐姆到幾十歐姆；歐姆到幾十歐姆；Q大約大約105；Lq大約大約100H（頻率約頻率約100 kHz）；）；1H（頻率約頻率約1MHz）；）；10mH（頻率約頻率約10MHz）。）。Lq的數(shù)值取決于晶片的厚度，低頻晶體較厚，質(zhì)的數(shù)值取決于晶片的厚度，低頻晶體較厚，質(zhì)量較大，動態(tài)電感量較大，動態(tài)電感Lq 較大，而高頻晶體較薄，質(zhì)量較大，而高頻晶體較薄，質(zhì)量較小，所以較小，所以Lq較小。較小。二、石英晶體的阻抗特性二、石英晶體的阻抗特性 從等效電路可看出，石英諧振器有兩個諧從等效電路可看出，石英諧振器有兩個諧振頻率，串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率。振頻率，串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率。1.1.串聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率 fs 在等效電路中，在等效電路中，Lq、Cq組成串聯(lián)諧振回路組成串聯(lián)諧振回路，串聯(lián)諧振頻率為，串聯(lián)諧振頻率為2.并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率 fp 如果將如果將C0 也考慮進去，則也考慮進去，則Lq、Cq與與C0 組成并聯(lián)諧振回路，并聯(lián)諧振頻率為組成并聯(lián)諧振回路，并聯(lián)諧振頻率為（4-38）由于由于 ，所以，所以fp 和和fs 相隔很近，相隔很近，由式（由式（4-384-38）有）有當當 時時,圖圖4-21 4-21 石英諧振器的電抗特性石英諧振器的電抗特性3.電抗電抗頻率曲線（頻率曲線（rq=0）不計動態(tài)電阻不計動態(tài)電阻 rq 時的等效阻抗時的等效阻抗 （4-404-40）由上式看出：由上式看出：當當 時，時，L Lq、Cq支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振，支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振，Z=0；當當 時時，產(chǎn)生并聯(lián)諧振，產(chǎn)生并聯(lián)諧振，或或 時，時，電抗呈容性；電抗呈容性；時，時，電抗呈感性。電抗呈感性。由于由于 與與 兩諧振頻率與之差很小，所以呈感兩諧振頻率與之差很小，所以呈感性的阻抗曲線非常陡峭。性的阻抗曲線非常陡峭。實用中，石英諧振器工實用中，石英諧振器工作在頻率范圍窄的電感區(qū)（可以把它看成一個電作在頻率范圍窄的電感區(qū)（可以把它看成一個電感），感），只是在電感區(qū)，電抗曲線才有非常大的斜只是在電感區(qū)，電抗曲線才有非常大的斜率（這對穩(wěn)定頻率很有利），電容區(qū)是不宜使用率（這對穩(wěn)定頻率很有利），電容區(qū)是不宜使用的。的。4.4.考慮考慮 rq 的晶體等效阻抗特性的晶體等效阻抗特性這時，晶體的等效阻抗這時，晶體的等效阻抗 Z 表達式為表達式為（4-414-41）三、三、石英諧振器的頻率溫度特性石英諧振器的頻率溫度特性 雖然石英諧振器等效回路具有高雖然石英諧振器等效回路具有高Q 的優(yōu)點，的優(yōu)點，但是，如果它的電參數(shù)不穩(wěn)定，仍然不能保證但是，如果它的電參數(shù)不穩(wěn)定，仍然不能保證頻率穩(wěn)定度的提高。這還要看溫度變化時，它頻率穩(wěn)定度的提高。這還要看溫度變化時，它的頻率是否穩(wěn)定。的頻率是否穩(wěn)定。在一定的溫度范圍之內(nèi)，石英晶體的各電在一定的溫度范圍之內(nèi)，石英晶體的各電參量具有較小的溫度系數(shù)。具體情況與晶片切參量具有較小的溫度系數(shù)。具體情況與晶片切割類型有關(guān)割類型有關(guān)。1.1.它的頻率溫度系數(shù)小，它的頻率溫度系數(shù)小，用恒溫設(shè)備后，用恒溫設(shè)備后，更可保證頻率穩(wěn)定。更可保證頻率穩(wěn)定。2.2.石英諧振器的石英諧振器的Q值非常高，值非常高，在諧振頻率在諧振頻率fp或或 fs 附近，相位特性變化率很高（相頻特性的附近，相位特性變化率很高（相頻特性的斜率很大），這有利于穩(wěn)頻。斜率很大），這有利于穩(wěn)頻。3.3.石英諧振器的石英諧振器的 ，使振蕩頻率基，使振蕩頻率基本上由本上由Cq和和 Lq 決定，外電路對振蕩頻率的影決定，外電路對振蕩頻率的影響很小。響很小。四、石英諧振器頻率穩(wěn)定度高的原因四、石英諧振器頻率穩(wěn)定度高的原因4.7 4.7 石英晶體振蕩器電路石英晶體振蕩器電路 由石英諧振器（石英晶體振子）構(gòu)成的振由石英諧振器（石英晶體振子）構(gòu)成的振蕩電路通常叫蕩電路通常叫“晶振電路晶振電路”。并聯(lián)晶振電路并聯(lián)晶振電路工作在晶體并聯(lián)諧振頻工作在晶體并聯(lián)諧振頻率附近，晶體等效為電感；率附近，晶體等效為電感；串聯(lián)晶振電路串聯(lián)晶振電路工作在晶體串聯(lián)諧振頻工作在晶體串聯(lián)諧振頻率附近，晶體近于短路。率附近，晶體近于短路。1.1.電路電路 電路電路由晶體與外接電容由晶體與外接電容器或線圈構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，器或線圈構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，按三點線路的連接原則組成按三點線路的連接原則組成振蕩器，晶體等效為振蕩器，晶體等效為?理論上可以構(gòu)成三種類理論上可以構(gòu)成三種類型基本電路，但在實際應用型基本電路，但在實際應用中常用的是圖所示的電路，中常用的是圖所示的電路，稱稱“皮爾斯皮爾斯”電路。電路。這種電這種電路不需外接線圈，而且頻率路不需外接線圈，而且頻率穩(wěn)定度較高。穩(wěn)定度較高。圖圖4-25 并聯(lián)晶體振蕩器并聯(lián)晶體振蕩器 原理電路圖原理電路圖一、并聯(lián)晶振電路一、并聯(lián)晶振電路圖圖4-26 4-26 并聯(lián)晶體振蕩器實例并聯(lián)晶體振蕩器實例2振蕩頻率振蕩頻率 f0的確定的確定 這里，這里，晶體等效為電感，晶體等效為電感，晶體與外接電容（包括晶體與外接電容（包括4.54.520pF20pF與與 20pF 20pF 兩個小電容）和兩個小電容）和C1、C2 組成并聯(lián)回組成并聯(lián)回路，其振蕩頻率應落在路，其振蕩頻率應落在 fp 與與 fs 之間。之間。圖圖4-274-27是圖是圖4-264-26中諧振回路的等效電路。該諧振回中諧振回路的等效電路。該諧振回路的電感就是路的電感就是Lq ，而諧振回路的總電容應由而諧振回路的總電容應由Cq、C0及及外接電容外接電容 C、C1、C2 組合而成。組合而成。由下式?jīng)Q定，即由下式?jīng)Q定，即 圖圖4-27 4-27 圖圖4-264-26中諧振回路的等效電路中諧振回路的等效電路選擇電容時，選擇電容時，所以所以（4-494-49）3 3f0 總是處在總是處在 fp 與與 fs 兩頻率之間兩頻率之間 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)C 可使可使 f0 產(chǎn)生很微小的變動。如產(chǎn)生很微小的變動。如果果C 很大，取很大，取 代入式代入式（4-494-49）可得可得f0 最小值為最小值為 即晶體串聯(lián)諧振頻率即晶體串聯(lián)諧振頻率 若若C 很小，取很小，取 代入式代入式（4-494-49）可得可得 f0 的最大值為的最大值為 即晶體并聯(lián)諧振頻率。即晶體并聯(lián)諧振頻率?？梢?，無論怎樣調(diào)節(jié)可見，無論怎樣調(diào)節(jié)C，f0 總是處于晶體總是處于晶體fp 與與 fs 的兩頻率之間。但是，的兩頻率之間。但是，只有在只有在fp 附近，晶體才具有并聯(lián)諧振回路的特點。附近，晶體才具有并聯(lián)諧振回路的特點。圖圖4-28 4-28 串聯(lián)型晶體振蕩器的一種方框圖串聯(lián)型晶體振蕩器的一種方框圖 二、串聯(lián)型晶振電路二、串聯(lián)型晶振電路 晶體工作在串聯(lián)諧振頻率附近，阻抗呈短路，晶體工作在串聯(lián)諧振頻率附近，阻抗呈短路，構(gòu)成正反饋產(chǎn)生振蕩。構(gòu)成正反饋產(chǎn)生振蕩。串聯(lián)型晶體振蕩器的一種框圖如串聯(lián)型晶體振蕩器的一種框圖如圖圖4-284-28所示。所示。因為是兩級共發(fā)放大器因為是兩級共發(fā)放大器,所以輸出電壓與輸入電壓所以輸出電壓與輸入電壓同相。輸出經(jīng)石英諧振器和負載電容反饋到輸入端，同相。輸出經(jīng)石英諧振器和負載電容反饋到輸入端，這個反饋是正反饋。這個反饋是正反饋。由于石英諧振器的選頻作用，由于石英諧振器的選頻作用，只有在石英諧振器和負載電容所決定的串聯(lián)諧振頻只有在石英諧振器和負載電容所決定的串聯(lián)諧振頻率上，串聯(lián)阻抗最小，正反饋最強。因此，在這個率上，串聯(lián)阻抗最小，正反饋最強。因此，在這個頻率上產(chǎn)生振蕩。頻率上產(chǎn)生振蕩。圖圖4-29 4-29 串聯(lián)型晶體振蕩器的實例（一）串聯(lián)型晶體振蕩器的實例（一）圖圖4-30 4-30 串聯(lián)晶振實例（二）串聯(lián)晶振實例（二）所謂泛音，是指石英片振動的機械諧波。所謂泛音，是指石英片振動的機械諧波。它與電氣諧波的主要區(qū)別是，電氣諧波與基頻它與電氣諧波的主要區(qū)別是，電氣諧波與基頻是整數(shù)倍的關(guān)系，且諧波和基波同時并存；而是整數(shù)倍的關(guān)系，且諧波和基波同時并存；而泛音是在基頻奇數(shù)倍附近，且兩者不能同時并泛音是在基頻奇數(shù)倍附近，且兩者不能同時并存。存。石英諧振器的頻率越高，則要求晶片越薄，石英諧振器的頻率越高，則要求晶片越薄，則機械強度越差，用在電路中易于振碎。一般則機械強度越差，用在電路中易于振碎。一般晶體頻率不超過晶體頻率不超過30MHz。三、泛音晶振電路三、泛音晶振電路 為了提高晶振電路的工作頻率可使電路振為了提高晶振電路的工作頻率可使電路振蕩頻率工作在晶體的諧波（一般在三次到七次蕩頻率工作在晶體的諧波（一般在三次到七次諧波）頻率上，諧波）頻率上，這是一種特制的晶體，叫做這是一種特制的晶體，叫做泛泛音晶體音晶體（例如（例如JA12型）。型）。這樣就可利用幾十兆赫基頻的晶片產(chǎn)生上這樣就可利用幾十兆赫基頻的晶片產(chǎn)生上百兆赫的穩(wěn)定振蕩。百兆赫的穩(wěn)定振蕩。圖圖4 431 31 并聯(lián)型泛音晶體振蕩器并聯(lián)型泛音晶體振蕩器并聯(lián)型泛音晶體振蕩器如圖所示。并聯(lián)型泛音晶體振蕩器如圖所示。它與皮爾斯振蕩器不同之處是它與皮爾斯振蕩器不同之處是用諧振回路用諧振回路代替了電容，代替了電容，而根據(jù)三點式振蕩器的組成原則，而根據(jù)三點式振蕩器的組成原則，該諧振回路應該呈容性阻抗。該諧振回路應該呈容性阻抗。假如要求晶體工假如要求晶體工作在作在5 5次泛音，則調(diào)諧好的回路對次泛音，則調(diào)諧好的回路對3 3次泛音呈現(xiàn)次泛音呈現(xiàn)感性阻抗，不滿足三點式電路的相位條件，電感性阻抗，不滿足三點式電路的相位條件，電路不能起振；而對路不能起振；而對5 5次泛音，回路又相當一電次泛音，回路又相當一電容，即滿足了起振的相位條件，若又滿足了振容，即滿足了起振的相位條件，若又滿足了振幅條件，電路才可以振蕩。幅條件，電路才可以振蕩。用泛音晶振也可以組成串聯(lián)型泛音晶用泛音晶振也可以組成串聯(lián)型泛音晶體振蕩器其電路圖類似于圖體振蕩器其電路圖類似于圖4-304-30，不同的是，不同的是回路應調(diào)諧在需要的回路應調(diào)諧在需要的 n 次泛音上，其頻率次泛音上，其頻率穩(wěn)定度仍由晶體控制，可以做得很高。穩(wěn)定度仍由晶體控制，可以做得很高。采用壓電陶瓷元件作為振蕩槽路及選頻網(wǎng)采用壓電陶瓷元件作為振蕩槽路及選頻網(wǎng)絡(luò)，具有頻率穩(wěn)定性好，選頻尖銳和調(diào)試簡單絡(luò)，具有頻率穩(wěn)定性好，選頻尖銳和調(diào)試簡單的優(yōu)點。但是其抗振性能較差。的優(yōu)點。但是其抗振性能較差。4.8 陶瓷振子和陶瓷振子電路陶瓷振子和陶瓷振子電路1 1機械作用轉(zhuǎn)換成電效應機械作用轉(zhuǎn)換成電效應2 2電作用轉(zhuǎn)換成機械效應電作用轉(zhuǎn)換成機械效應圖圖4-32 4-32 壓電效應示意圖壓電效應示意圖一、壓電陶瓷元件的特性一、壓電陶瓷元件的特性圖圖4-33 4-33 二端陶瓷元件的等效電路及其頻率特性二端陶瓷元件的等效電路及其頻率特性 二、陶瓷振子二、陶瓷振子 由一陶瓷片構(gòu)成的二端陶瓷元件是最簡單由一陶瓷片構(gòu)成的二端陶瓷元件是最簡單的陶瓷選頻元件，可用于要求不高的場合。廣的陶瓷選頻元件，可用于要求不高的場合。廣泛應用的是三端陶瓷元件，它是由兩片陶瓷片泛應用的是三端陶瓷元件，它是由兩片陶瓷片和用導電膠粘合起來。由粘合面引出的端子作和用導電膠粘合起來。由粘合面引出的端子作為公共端，而由另兩面引出的端子分別作輸入為公共端，而由另兩面引出的端子分別作輸入和輸出端，如和輸出端，如圖圖4-344-34（a a）所示，其代表符號所示，其代表符號見圖見圖4-344-34（b b）。）。圖圖4-34 4-34 三端陶瓷元件三端陶瓷元件 輸入信號輸入信號 u 加在片加在片A 上，它將電能轉(zhuǎn)換成上，它將電能轉(zhuǎn)換成機械能，并發(fā)生振動。振動通過粘合面?zhèn)鞯狡?，機械能，并發(fā)生振動。振動通過粘合面?zhèn)鞯狡?，它將機械能又轉(zhuǎn)換成電能，輸出給外接負載。它將機械能又轉(zhuǎn)換成電能，輸出給外接負載。同樣，當信號頻率與陶瓷片的固有頻率相等時，同樣，當信號頻率與陶瓷片的固有頻率相等時，可以得到最大輸出。在共振的條件下，輸出和可以得到最大輸出。在共振的條件下，輸出和輸入信號間可能是同相位，也可能有輸入信號間可能是同相位，也可能有180180相位相位差，這要視該元件是由陶瓷片的哪兩個面粘合差，這要視該元件是由陶瓷片的哪兩個面粘合起來而定。起來而定。這樣的三端元件可用于振蕩器，并這樣的三端元件可用于振蕩器，并稱之為陶瓷振子。稱之為陶瓷振子。其集電極槽路調(diào)諧于陶瓷振子的頻率其集電極槽路調(diào)諧于陶瓷振子的頻率。副邊有兩個線圈，一個為輸出線圈，另一副邊有兩個線圈，一個為輸出線圈，另一個為反饋線圈，個為反饋線圈，通過三端陶瓷振子選頻反饋至通過三端陶瓷振子選頻反饋至的基極。其振蕩頻率基本上等于陶瓷振子的頻的基極。其振蕩頻率基本上等于陶瓷振子的頻率，因為在此頻率下的反饋量最大且相位可以率，因為在此頻率下的反饋量最大且相位可以滿足振蕩條件。滿足振蕩條件。集電極槽路的調(diào)諧狀況對振蕩頻率有一定集電極槽路的調(diào)諧狀況對振蕩頻率有一定影響，但與振子比起來是次要的，可作頻率微影響，但與振子比起來是次要的，可作頻率微調(diào)用。調(diào)用。R1、C2 組成低通濾波器，有抑制陶瓷振組成低通濾波器，有抑制陶瓷振子其他高頻模式的作用子其他高頻模式的作用（由于物體的振動可以（由于物體的振動可以有若干種不同的模式，如橫向振動，縱向振動，有若干種不同的模式，如橫向振動，縱向振動，彎曲振動等，相應地，一片陶瓷元件可以具有彎曲振動等，相應地，一片陶瓷元件可以具有若干種不同的串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率。在實際工若干種不同的串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率。在實際工作中，當旨在應用某一振動模式時，應采取措作中，當旨在應用某一振動模式時，應采取措施將其他模式抑制下去）。施將其他模式抑制下去）。C1、C2亦可微調(diào)頻亦可微調(diào)頻率。率。圖圖4-35 4-35 陶瓷振子振蕩電路陶瓷振子振蕩電路 單片集成振蕩器單片集成振蕩器E1648是是ECL中規(guī)模集成電路。中規(guī)模集成電路。圖所示是利用圖所示是利用E1648組組成的正弦波振蕩器。振蕩成的正弦波振蕩器。振蕩頻率頻率 圖圖4-36 4-36 利用利用E16481648組成的正弦波振蕩器組成的正弦波振蕩器4.9 單片集成振蕩電路單片集成振蕩電路E1648圖圖4-36 4-36 利用利用E1648E1648組成的正弦波振蕩器組成的正弦波振蕩器