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關鍵詞:石英晶體振蕩器 柯爾匹茲振蕩電路 場效應管 分頻器 溫度特性
中圖分類號:TN838 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2013)03-0130-03
1 前言
在中短波調幅廣播發(fā)射機中,音頻信號在載波信號上進行調制后,再經過阻抗變換及選頻濾波網絡輸出高頻已調波信號,經過饋線送至天線,產生電磁波向外傳輸出去。中短波調幅廣播發(fā)射機對載波頻率容差要求很嚴格,這可以保證頻譜資源得到充分的利用,不對鄰頻干擾,因此這樣載波頻率產生電路非常重要,根據(GY/T 225-2007發(fā)射機工作技術等級指標甲級時,中波頻率容限為)載波頻率穩(wěn)定度要求高。頻率產生電路有很多種,對于美國Harris公司生產的并機DX中波發(fā)射機來說,射頻源板上的載波頻率產生電路采用由石英晶體和場效應管和電容元件組成的柯爾匹茲振蕩電路,石英晶體壓電效應而形成的電振蕩信號,其頻率并非絕對標準的,石英晶體振蕩器廣泛應用于各種儀器儀表中,為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的頻率標準。已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)必不可少的元件,并有素稱“心臟”的重要地位。
2 石英晶體振蕩器工作原理
石英晶體振蕩器是一種高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器,是利用石英晶體即二氧化硅的結晶體的壓電效應制成的一種諧振器件,高頻電壓頻率變電場的頻率與石英晶體的固有機械諧振頻率相同時,振動便變得很強烈,這就是晶體諧振特性的反應。利用這種特性,就可以用石英諧振器取代LC諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點,故主要用在要求頻率十分穩(wěn)定的振蕩電路中作諧振元件。與LC振蕩器相比,晶體振蕩器的標準性較好,諧振回路的Q值較高。所以晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度高。所以在需要頻率穩(wěn)定度高的振蕩電路時,就選用晶體振蕩器。
在晶體的兩面制作金屬電極,并與底座的插座相連,最后以金屬殼封裝或玻璃殼封裝,成為晶體諧振器。圖1所示石英晶體諧振器等效電路,是晶體作為電介質的靜電容,即晶體不振動時兩極板間的等效電容,其數(shù)值一般為幾個皮法到幾十皮法。、、是對應于機械共振經壓電轉換而呈現(xiàn)的電參數(shù)。等效電感(表示晶振機械振動的慣性),等效電容(表示晶振的彈性)是機械摩擦和空氣阻尼引起的損耗。
其圖1中的等效阻抗可以表示為:
根據等效阻抗式可得,電抗特性曲線圖如圖2所示。ωq為晶振的串聯(lián)諧振點。ωp為晶振的并聯(lián)諧振點。當ωωo時,晶體諧振器顯容性;當ω在ωq和ωp之間,晶體諧振器等效為一電感,而且為一數(shù)值巨大的非線性電感。由于很大,即使在ωq處其電抗變化率也很大。實際應用中晶體工作于ωq~ωp之間的頻率,因而呈現(xiàn)感性。
晶振在串聯(lián)時由等效電路中、決定的其諧振頻率為:
晶振在并聯(lián)時由等效電路中、、決定的,其諧振頻率為:
因為串聯(lián)和并聯(lián)諧振的關系為:
因為很小,之間間隔小,間隔越小晶體振蕩器工作越穩(wěn)定,品質因數(shù)越高,為晶體振蕩器的工作頻率,ωq~ωp之間其串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率相近即:通過微調晶體振蕩器外部的負載電容使晶體振蕩器工作在標稱頻率上。
振蕩器電路屬于一種信號發(fā)生器類型,即表現(xiàn)為沒有外加信號的情況下能自動生成具有一定頻率、一定波形、一定振幅的周期變振蕩信號的電子線路。振蕩器起振時,是將電路自身噪聲或電源跳變中頻譜很廣的信號進行工作頻率范圍內的頻率放大選頻。此時振蕩器的輸出幅值是不斷增長的,隨著振幅的增大,滿足放大器開環(huán)增益遠大于1的要求,放大器逐漸由放大區(qū)進入飽和區(qū)或者截止區(qū),其增益逐漸下降,當放大器增益下降而導致環(huán)路增益下降到1時,振幅的增長過程將停止,振蕩器達到平衡,進入等幅振蕩狀態(tài)。振蕩器進入平衡狀態(tài)后,直流電源補充的能量剛好抵消整個環(huán)路消耗的能量。
3 柯爾匹茲振蕩電路的起振條件
Colpitts(柯爾匹茲)振蕩電路是電容三點式的一種,主要由一只晶體三極管或場效應管和(石英晶體振蕩器)電感和電容元件組成電路圖,其中晶體三極管或場效應管作為電路中唯一非線性器件,是電路產生振蕩的核心,是一種共漏并聯(lián)振蕩電路,(石英晶體振蕩器)電感和電容元件組成并聯(lián)諧振網絡。電路如圖3(a)所示。根據以上分析晶振在工作在串聯(lián)諧振時為晶體振蕩器的標稱頻率,設和分別為晶體振蕩器的等效電阻和等效電抗,等效電路圖如圖3(b)所示。用負阻的觀點討論柯爾匹茲振蕩電路的起振條件,當晶體振蕩器的、分別和外電路的等效電阻和等效電抗的關系為達到平衡條件,起振條件是為、。為晶振的負載電容。
和并聯(lián)設為:
、和串聯(lián)后與并聯(lián)為:
設場效應管的輸入電阻為與并聯(lián)后為:
根據并聯(lián)振蕩器的復數(shù)振蕩方程,設為負阻器件的跨導:
將上述式子代入得:
(1)式
化簡(1)式因和較大時可以由振幅平衡條件得出與外電路元件參數(shù)的近似關系:當外部電路電阻時,振蕩器起振,當外電阻和晶振等效電阻大約相等是達到平衡狀態(tài)。
虛部為0時,由振蕩器相位平衡條件可得晶振的,的等效電容為振蕩器的負載電容化簡后可得:
根據上式在保證起振的條件下,盡可能的選擇較大的和有利于阻止負阻器件的雜散電容的不利影響;一般來說越大,振蕩器的Q值就越高,對提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度越好,也不能太大,振蕩器的振蕩頻率就很難校準到標稱頻率,既要考慮振蕩器的Q值,又要考慮振蕩器的振蕩頻率的穩(wěn)定性一般取為典型值為。
4 柯爾匹茲振蕩電路在DX發(fā)射機中的應用
在實際應用中不需外加輸入信號,能夠產生特定頻率的交流輸出信號,從而將電源的直流電能轉換成交流電能輸出,這種電路稱為自激振蕩器。振蕩器就是一個沒有外加輸入信號的正反饋放大器,要維持等幅的自激振蕩,放大器的反饋信號必須和原輸入信號大小相等,并且放大器的反饋信號必須和原輸入信號相位相同。振蕩器由放大電路和反饋網絡兩大部分所組成的閉環(huán)系統(tǒng)。為了得到單一頻率的振蕩頻率,整個電路中還應包括有選頻網絡;為了使振蕩器輸出穩(wěn)定,在放大電路中還往往具有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。
上述分析了柯爾匹茲振蕩電路的起振原理和起振條件,下面就實際應用中的電路做一分析(如圖4)。
Colpitts電路是一種共漏并聯(lián)振蕩電路,如圖4為載波產生電路。負載電容為可調電容與,容值與負載電容的在這個范圍內,用來校準振蕩頻率。晶振和負載電容與串聯(lián)成感性支路,再與槽路電容和構成LC并聯(lián)振蕩回路,共漏并聯(lián)電路場效益管為LC并聯(lián)振蕩回路提供能量,源級S給振蕩回路提供正反饋,反饋信號與原輸入信號相同,振蕩器起振。產生設備所需的載波信號。
5 結語
掌握高頻電子電路的基本設計能力及基本調試能力,提高電子電路的理論知識及較強的實踐能力,能夠正確使用實驗儀器進行電路的調試與檢測。來選擇適合自己最佳起動方式,達到節(jié)約維護和運行費用,提高設備運行壽命,希望本文能給同行帶來一定的幫助。
參考文獻
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第一香:花香
原創(chuàng):媽媽
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第二香:書香
原創(chuàng):我
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第三香:茶香
原創(chuàng):爸爸