| 对于150MHz频段的窄带（10－15kHz）调频电台，在上述改进后的频率稳定度之下，频率变化最大可达±15kHz，显然已经超出通带范围了，是不适用的。进一步进改的办法就只有从提高谐振元件的质量入手，如用石英压电晶体代替LC回路中的电感，组成晶体振荡器。它的频率稳定度，一般可达10-5－10-8。 |
| 一、晶体振子的等效电路和阻抗特性 |
| 晶体振子的等效电路如图一所示。图中，C1是弹性电容；L1是机械振动时的机械振动惯性；C0是静电容；r1是损耗电阻。C1、L1和C0的大小取决于晶体片的种类、大小、切割方法和支架的结构。在一般情况下，C1为0.01－0.2pF：L1为5mH－300H，C0在几微法到几十微法之间，r1在几欧到几十欧之间。 |
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| 晶体振子的电抗－频率特性，如图二所示。其固有频率：L1、C1的串联谐振频率fs和L1、C1串联后再与C0并联的谐振频率fp，可用下列二式表示： |
| fs＝1/［2π·（L1·C1）1/2］ ① |
| fp=1/{2π［L1·C1·C0/（C1+C0）］1/2} ② |
| 由于C0比C1大数百倍，因此无论是fs还是fp，主要都由L1和C1决定。如果以频率变化来分析其阻抗特性（见图二），则在fs与fp之间是电感性的，而小于fs和大于fp时是电容性的。作为通信用的晶体振荡器，要求晶体振子是电感性的，即应选择在fs与fp的频率范围内。 |
| 二、晶体振子的稳频原理 |
| 若使晶体振荡器在一个很窄的频率范围（fs－fp）内产生振荡，可以获得很好的稳频作用。其所以能获得很好的稳频作用，首先是由于晶体的等效感抗随频率的变化远比普通电感的感抗随频率的变化要大得多。 |
| 用式②除以式①，得 fp/fs=(1+C1/C0)1/2
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| 再进行简单的运算后，可得 fp－fs≈1/2·C1/C0·fs ③ |
| 由于C0>>C1，所以fp→fs。在fs－fp之间，电感及其感抗可以在0－∞之间变化，即晶体的感抗XL随ω变化很陡峭［图三（b）］。我们知道，普通电感线圈的感抗与频率呈线性关系，即XL＝ωL，如图三（a）所示。比较图三（a）、（b）,在相同的增量ΔXL下，引起ω的变化量Δω，晶体的远比普通电感线圈的小得多。换言之，晶体等效感抗随频率变化的变化量较大，因此它具有很大的控制振荡频率趋于稳定的能力。 |
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| 其次是由于晶体振子具有较高的品质因数，而振荡回路的谐振角频率ω＝1/（LC）1/2，是在忽略了回路损耗，即视Q为无限大的情况下的表达式。当计入回路损耗后，则 |
| Q＝1/R·（L/C）1/2 |
| 故ω≈1/（LC）1/2·1/（1/Q2+1）1/2 ④ |
| 式④表明：振荡频率实际上是与回路损耗R有关。当一个谐振回路的L、C已确定后，损耗电阻R的变化也将引起振荡频率的变化。 |
| 将式④求ω对Q的微分，得 |
| (dω)/(dQ)=[1/（LC）1/2·1/（1/Q2+1）1/2]·d/(dQ)=1/（LC）1/2·1/[Q3（1/Q2+1）3/2] |
| 由于Q>>1，即1/Q2+1≈1。上式又可写成 Δω≈1/（LC）1/2·ΔQ/Q3
⑤ |
| 由式⑤可以看出：谐振回路的Q值越高，由参数变化所引起的频率变化也就越小，即其频率稳定度就越高。由于LC谐振回路Q值一般只有几十到几百，而晶体振子的Q值高达几万到几百万，因此晶体振荡器的频率稳定度远比LC振荡器的高。 |
| 此外，振荡器的频率稳定度还与温度和元件参数的无规律变化有关。 |
| 晶体振子虽然有较小的频率温度系数，但应该注意，这只在一个较窄的温度范围内是如此。当温度范围较宽时，晶体振子的频率也将随温度的变化而变化。不同切型的晶体振子频率随温度变化的规律也不相同，如图四所示。其中，AT切型的频率－温度特性比较好，所以用得最多。如果还要求更高的频率温度系数或更宽的温度范围，则需采取恒温或温度补偿等措施。为了克服元件参数的无规律变化对频率稳定度的影响，对元件和晶体都要进行老化处理。 |
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| 三、晶体对振荡电路的要求 |
| 袖珍电台中常用的晶体振荡器，是用晶体振子代替克拉泼振荡器中LC回路的电感，如图五所示。高频信号可以从振荡器的发射极取出，也可以从集电极取出，或通过集电极的选频回路取出。 |
| 在上述晶体振荡器中，晶体是工作在并联谐振状态。它对振荡电路的要求主要有如下两点： |
| 第一、从晶体两端向电路看去的等效电容要与晶体的负载电容CL相匹配。晶体制造厂一般规定高频晶体的负载电容CL＝30pF。也就是说，晶体的标称频率是在这个规定的负载电容值上校正的。由图六频差与负载电容的关系曲线可以看出：负载电容如果不满足晶体的要求，就是影响中心频率的准确度。因此，在设计振荡器时，必须使从晶体两端看去的等效电容与晶体负载电容相等。但在实际电路中，由于晶体和电路元件的偏差。为了克服这个偏差，通常是引进一个可变电容C（见图五）来校正。 |
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| 第二、要适当选择晶体的激励电平。晶体的激励电平，是指晶体消耗的功率。当激励电平太小，则振荡器输出甚小或者不起振。而当激励电平太大，则频率会发生偏移，使稳定性显著变坏，或者产生寄生振荡。经验证明：用AT切型晶体作振荡器时，当激励电平超过4mW时，50％的晶体都有寄生振荡；当激励电平下降到2mW时，寄生振荡全部消除。可见一般激励电平在2－4mW为宜。激励电平的大小取决于反馈的大小和晶体管的增益。调整激励电平的方法是，通过改变图五中的Rb1或Rb2，使工作点改变，从而改变振荡幅度，达到激励电平的调整。从谐振回路看，改变C1和C2的大小也可达到调整激励电平的目的。激励电平除了应维持在适当范围外，还必须保持稳定。为此，必须使振荡管的增益和工作点稳定，这可在振荡器电路中采用负反馈等措施来实现。 |
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适用于袖珍电台的晶体有JA8、JA12、JA14、JA46、JA48
等系列，它们的外形尺寸如图七所示。它们的主要性能示于
表1。其中JA46和JA48是为25kHz频道间隔的通信机而研制的
小公差晶体。
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表1 常用小型晶体的主要性能
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| 型 号 |
JA8 |
JA12 |
JA14 |
JA46 |
JA48 |
| 频率范围 |
3000－25000kHz |
20－125MHz |
125－250MHz |
10000－25000kHz |
20－75MHz |
| 频率偏差 |
A：≤±50×10-6
B：≤±75×10-6 |
A：≤±50×10-6
B：≤±75×10-6 |
≤±75×10-6 |
A：±10×10-6
B：±10×10-6
C：±15×10-6 |
A：±10×10-6
B：±10×10-6
C：±15×10-6 |
| 工作温度 |
-55至+85℃ |
-55至+85℃ |
-55至+85℃ |
A：-25至+55℃
B：-10至+55℃
C：-25至+55℃ |
A：-25至+55℃
B：-10至+55℃
C：-25至+55℃ |
| 负载电容 |
30pF |
串联谐振 |
串联谐振 |
30pF |
串联谐振 |
| 激励电平 |
4mW |
2mW |
2mW |
2mW |
1mW |
| 振荡模式 |
基 频 |
泛 音 |
泛 音 |
基 频 |
泛 音 |
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| 四、晶体振荡器电路设计 |
| 由于晶体振荡器在达到稳态以后将工作在非线性区，很难进行准确的计算。一般都是根据振荡器的要求选择适当的电路形式，初步估算回路的各项参数后，再通过实验来确定各个参数的值。 |
| 1.晶体管的选择 |
| 手册中通常给出晶体管的特征频率fT，作为振荡器，一般选取fT≥（5－10）f0(f0为振荡器的振荡频率)。fT愈高、晶体管的极间电容愈小，因而极间电容对频率的影响也愈小。很显然，用此晶体管制作的振荡器的频率稳定度也愈高。另外，晶体管的Icbo愈小，工作点的温度稳定性也愈好，一般硅管的Icbo比锗管小100倍以上，因此，要求频率稳定度高、工作温度范围宽的振荡器，宜选用硅管。我们知道，晶体管β的大小对振荡器也有一定的影响。β大，则容易起振，这样给晶体管的振荡回路之间的松耦合提供了条件。例如，根据上述考虑，对于工作在10－20MHz的振荡器，可以选择3DG14B。该管fT≥500MHz，Pcm＝75mW，Cob≤3pF,BUcbo=15V,Icm=20mA,Icbo≤0.5μA，β＝80－150。也可以选择较常见的9018。 |
| 2.电路及工作点的选择 |
| 由前面分析可知，克拉泼振荡器与其他各种振荡器相比，频率稳定度较高。若使用同样的晶体管可以得到较高的振荡频率，同时高次谐波分量小，波形好，所以最好选择如图五所示的电路。 |
| 由起振条件可以看出，若要电路容易起振，应该使晶体管静态工作点设置在电流放大系数β较大的区域内，即静态集电极电流IC应该大一些。由于振荡器振荡幅度的稳定又要靠晶体管的非线性区来达到，所以振荡器由起振到达稳态后，必然在振荡周期的某些时间内使晶体管工作在非线性区域内。非线性区可能是截止区，也可能是饱和区。但是当晶体管工作在饱和区时，晶体管相当于一个很小的电阻并联于谐振回路两端，致使输出波形严重失真，甚至停振。而当晶体管进入截止区时，晶体管相当于一个非常大的电阻并联在谐振回路上，基本上不影响谐振波形。所以静态工作点应设置在远离饱和区，而靠近截止区，即工作在甲乙类状态，这时静态电流Ic≈2mA。 |
| 为了提高温度稳定性，在发射极到地之间接一个电阻Re＝2kΩ，取Rb2＝15kΩ，则 |
| Ue≈IcRe≈2×10-3×2×103≈4V |
| Ub=Uc+Ube=4+0.7=4.7V |
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Ib=Ic/β＝2×10-3÷80＝0.025mA |
| Ib2=Ub/Rb2=4.7÷（15×103）≈0.31mA |
| Rb1=Ec-Ub/Ib+Ib2=（9.5-4.7）÷（0.025+0.31）≈14.3kΩ |
| 取Rb1=15kΩ |
| 3.调谐回路参数的确定 |
| 谐振回路的元件除了晶体以外，还有电容C1、C2和C。C1和C2不但与振荡频率有关，而且也与反馈的大小有关。C1、C2取得大一点，晶体管极间电容的影响可以小一些，从而有利于提高频率稳定度。C2/C1比值大，则反馈小；反之，则反馈大。对这类晶体振荡器来说，电路几乎没有多大变化，一般取C1＝C2，电容值范围取在50-200pF之间。C是微调电容，通常还与它并联一个适当的固定电容，C一般在40-120pF之间。电容要选用温度系数小的瓷介电容或去母电容。 |
| 4.稳定措施 |
| 引起不稳定的因素，主要有电源电压的变化、温度的变化，以及反馈和负载的变化。袖珍电台通常都是使用电池作电源，在使用的过程中，电池电压不继降低，外界温度的变化，如盛夏与寒冬、南方与北方，温差都较大，就是在一天之内温度变化也很大。另外，机器在工作时，功放管在不断散发热量，也引起机内温度的变化。元器件内部或电路结构有可能产生反馈，负载也可能在变化。这些针影响到振荡器的频率稳定度。 |
| 解决这些问题的主要办法是：通过如图八所示的电路中BG2、D和R组成的稳压电源，当电池电压在12.5V±15％范围内变动时，稳压器输出的9V电压始终保持恒定。BG1发射极接入一个适当大小的电阻Re以提高振荡器的温度稳定性。为了防止反馈和寄生振荡，可以考虑接入适当的滤波电容。为了克服和减小负载变化的影响，可以采用射极输出器、倍频器或缓冲电路。 |
| 根据以上考虑设计的晶体振荡器电路如图八所示。该电路工作在12.5V、5mA，其主要指标如下： |
| 振荡频率f0=18000kHz |
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频率稳定度Δf/f0≤±50×60-6（在-10至+50℃时） |
| 输出功率P0≈5mW |
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电源变化范围12.5V±15％ |
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