谈谈手机电路---振荡电路-湖南电子技工学校

手机电路---振荡电路

    一、电容三点式振荡电路
    电容三点式的振荡电路由于高频性能好，在手机的频率合成器电路中得到了广泛的应用，振荡电路与变容二极管一起构成一个压控振荡电路(VCO电路)，用以产生稳定的一本振或二本振信号。
    1.电容三点式基本电路
    电容三点式振荡器基本电路如图3-7所示。

    该电路实质上是一个放大器，只不过它没有输入而产生输出，在满足振荡条件的情况下，即电路具备正反馈条件的情况下可以产生振荡。
    2.考毕兹振荡电路
    以上电路是一种性能优良的振荡屯路，但是，它有两个缺点：一是不能作为频率可调的振荡器；二是振荡器的频率稳定性较差。为了克服这两个缺点，提出了改进型的电容三点式振荡电路，如图3-8所示。这种电路又叫考毕兹振荡电路。

    从图可以看出，改进的方法很简单，只是在振荡回路的电感支路上串联了一支小电容C3，C1、C2对振荡频率的影响大大减小，振荡频率主要由C3决定，可以通过调整C3来改变振荡频率而不影响反馈。
    3.压控振荡电路(VCO)
    在上图中，若将C3换成一个变容二极管，就变成了图3—9所示的电路。
    这种电路是通过改变变容二极管的反偏压VD来使变容二极管的结电容发生变化，从而改变了振荡频率。由手是用电压来控制频率的变化，从这个意义上说，这样的电路称为压控振荡电路。压控振荡电路在手机一本振、二本振等振荡电路中得到了广泛的应用，如摩托罗拉V998手机的一本振和二本振电路就采用了这种形式的压控振荡电路，不过，对于大多数手机，本振电路则是将整个压控振荡电路全部给合在一起封装起来，组成一个VCO组件，只有几引脚(一般有供电脚、接地脚、输出脚和控制脚)和外电路相连，但不管如何组合，内部工作原理却是不变的，仍是一个压控振荡电路。
    二、石英晶体振荡电路
    1.石英晶体的特性
    石英晶体是一种天然结晶体，具有稳定的物理化学性能，石英晶体之所以能成为电的谐振器，是利用了它特有，的压电效应，当机械力作用于晶片时，晶片的两面将产生电荷，呈现出电压，这称为正压电效应，当晶片两面加上电压时，晶片又会发生形变，这称为反压电效应。因此，若在晶片两端加上交变电压时，晶片将随交流信号的变化而产生机械振动，晶片本身有一固有的振动频率，频率的高低取决于晶片的几何尺寸和结构。当外加交流信号的频率与晶片固有的机械振荡频率相等时，就会发生谐振现象。它既表现为晶片的机械共振，又表现为电谐振，这时有很大的电流流过晶片，产生电能和机械能的转换。
    2.石英晶体的等效电路
    石英晶片的谐振特性可以用一个串并联谐振回路来等效，等效电路和电路符号如图3-10所示。
    石英晶体的谐振曲线如图3-11所示。

    当f<fq，等效回路阻抗呈容性，当fq<f<fq时，等效回路阻抗呈感性，当f>fq时，等效回路又呈容性。
    石英晶体的谐振频率fq、fq非常稳定，因为Lq、Cq、C0由晶片尺寸决定，它们受外界因素影响极小，且石英晶体有很高的品质因素。石英晶体作回路元件时，应工作在感性区，等效为一个电感元件，从谐振曲线可以看出，石英晶体在一个很窄的范围内(fq-fq)才呈现感性，且在这个狭窄的频率范围内感性曲线非常陡峭，因此，对频率的补偿能力极强。
    需要说明的是：石英晶体不应工作在容性区，这是因为即使晶体的压电效应失效，晶体仍有静电容,它仍呈容性状态，因此，晶体如果作为电容元件接在回路中，一旦压电效应失效，晶体仍能工作，振荡器仍可维持振荡，但石英晶体已完全失去了稳频作用，这就违背了使用石英晶体的本意。
    3.石英晶体振荡电路
    石英晶体振荡电路形式有很多种，常用的有两类：一类是石英晶体接在振荡回路中，作为电感元件使用，这类振荡器称为并联晶体振荡器；另一类是把晶体作为串联短路元件使用，使其工作于串联谐振频率上，称为串联晶体振荡器。
    (1)并联晶体振荡器
    这类晶体振荡器的原理和一般LC振荡器相同，只是把晶体接在振荡回路中作为电感元件使用，并与其它回路元件一起，按照三点式电路的组成原则与晶体管相连。图3-12(a)是一种用晶体构成的考毕兹电容三点式振荡电路。图3—12(b)为交流等效电路。

    石英晶体的振荡频率由石英谐振器和负载电容CL共同决定。所谓“负载电容”是指从晶振的插脚两端向振荡电路的方向看进去的等效电容，晶振在振荡电路中起振时等效为感性，负载电容与晶振的等效电感形成谐振，决定振荡器的振荡频率。对于上图所示电路，负载电容cI由c、c2、c3共同组成，由于C3远远小于C1和C2，可见石英晶体确定后，Lq、C0、Cq也就确定了，振荡频率主要由C3决定，实际电路中，C3一般用一个变容二极管代替，通过改变变容二极管的反偏压Ⅷ来使变容二极管的结电容发生变化，从而改变了振荡频率。使振荡频率符合要求。
    (2)串联晶体振荡电路
    串联晶体振荡电路是把晶体接在正反馈支路中，当晶体工作在串联谐振频率上时，其总电抗为零，等效为短路元件，这时反馈作用强，满足振幅起振条件。图3-13(a)给出了一种串联晶体振荡电路的实际电路，图3-13(b)为其交流等效电路。

    由图可知，该电路与电容三点式振荡电路十分相似，所不同的只是反馈信号不是直接接到晶体管的输入端，而是经过石英晶体接到振荡的发射极，从而实现正反馈。当石英晶体工作在串联谐振频率时，石英晶体呈现极低的阻抗，可以近似地认为是短路的，则在这个频率上，该电路与三点式振荡器没有什么区别。基于这种原理，我们可以调谐振荡回路，使振荡频率正好等于晶体的谐振频率，这时，正反馈强，正好满足起振条件。对于其它频率，石英谐振器不可能发生串联谐振，它在反馈支路中呈现一个较大的电阻，使振荡电路不能满足起振；条件，故不能振荡。可见，串联石英晶体振荡器的振荡频率及频率稳定度都是由石英谐振器的串联振荡频率决定的，而不是由振荡回路决定的。显然，由振荡回路元件决定的固有频率，必须与石英谐振器的串联谐振频率相一致。
    由于串联晶振电路中振荡频率等于晶体串联谐振频率，因此它不需要外加负载电容CL，通常这种晶体标明其负载电容为无穷大。在实际应用中，若有小的误差，则可以通过回路电容C3来微调频率。
实际电路中，C3一般用一个变容二极管代替，通过改变变容二极管的反偏压Ⅷ来使变容二极管的结电容发生变化，使串联晶振电路中振荡频率等于晶体串联谐振频率。
    4.使用石英晶体时应注意的事项
    为了正确地使用石英谐振器，充分利用其优点，有必要指出使用石英谐振器时应注意的事项。
    (1)石英晶体谐振器成品上标有一个标称频率，当电路工作在这个标称频率时，频率稳定度高。这个标称频率通常是在成品出厂前，在石英晶体上并接一定的负载电容条件下测定的。在实际组成石英晶体振荡器时必须在石英晶体两端并接负载电容，且负载电容必须符合石英晶体技术条件中所规定的数值，这个电容大都采用微调电容，以便调整。规定的负载电容值载于厂家的产品说明书中，通常为30pF(高频晶体)，或为100pF (低频晶体)，或标示为田(这是指无需外接负载电容，通常用在串联晶体振荡器中)。
    (2)石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。石英晶体谐振器在振荡器中被激励时，要通过激励电流，要消耗一定的激励功率。在实际应用时，应使输入石英晶体的激励功率不超过额定值。过高的激励功率会使石英谐振器内部温度升高，使石英晶片的老化效应和频率漂移增大；极强的激励功率会使石英晶片的机械振动过于剧烈而损坏。
    (3)在并联石英晶体振荡器中，石英晶体只能工作在感性区，而不能工作在容性区。因为若把晶体当作容性元件使用，一旦压电效应失效，它仍呈容性，此时振荡器仍可能维持振荡，但石英晶体已失去稳频作用。
    (4)由于石英谐振器在一定的温度范围内才具有很高的频率稳定度，当对频率稳定度要求很高时，可以考虑采用恒温设备或温度补偿措施。
    (5)晶振在振荡电路中起振时等效为感性，负载电容与晶振的等效电感形成谐振，决定振荡器的振荡频率。负载电容值不同，振荡器的振荡频率也不一样，改变负载电容的大小，就可以改变振荡频率。因此，通过适度调整负载电容，一般可以将振荡器的振荡频率精确地调整到标准值。在晶振资料主要参数中提供的负载电容是一个测试条件，也是一个不容忽视的使用条件，忽略这个负载电容参数，会使振荡频率偏离标准值，偏离过大时会使振荡器起振困难造成停振。
    (6)晶振的负载电容有高、低两类之别。低者一般仅为十几至几百PF，而高者则为无穷大，两者相差悬殊，决不能混用，否则会使振荡频率偏离。两类不同负载电容的晶振使用方式绝然不同。低负载电容晶振都串联几十pF容量的电容器；而高负载电容晶振不但不能串联电容器，还须并联数pF小容量电容器(外电路的分布电容有时也能取代这个并联小电容)。

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由佚名刊于：2010-8-16 22:46:23

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