評元增民《模擬電子技術》系列02(zt)

PowerAnts

石英晶體振蕩電路
　　元增民教授說：“石英晶體接在同相放大器輸入與輸出端之間，或接在反相放大器輸入與輸出端之間，都能形成正反饋構成振蕩電路。但要注意，同樣一個石英晶體與反相放大器配用時的振蕩頻率遠遠高于與同相放大器配用時的振蕩頻率，前者約是后者的100倍”(元增民書，p.293)。下面是元增民書截圖。

　　圖05  頻率百倍
　　我很懷疑，“同樣一個石英晶體”在不同的振蕩電路中頻率相差達百倍，這還是石英晶體穩頻嗎？

　　圖06  石英晶體的等效電路

　　圖07  石英晶體電抗特性
　　上面“石英晶體的等效電路”一圖，元增民書中也有(圖9.4.1)，但元增民書中沒有上面的“石英晶體電抗特性”一圖。此圖中曲線完全可以根據前一圖等效電路計算出來，在幾乎任何一本講到石英晶體的模擬電路教材中都可以找到。注意此圖僅是定性地描述，不是準確的定量曲線。事實上，fp和fs相差僅千分之一量級，定量是看不出來的，將重合幾乎成一條線。
　　“石英晶體電抗特性”曲線圖中可以清楚地看到，在兩個頻率上石英晶體顯現電阻性，一個是頻率fs，稱為串聯諧振頻率，另一個是頻率fp，稱為并聯諧振頻率。兩個頻率相差很小，據元增民書中計算，為千分之一左右。在兩個諧振頻率之間，石英晶體呈電感性，低于頻率fs或者高于頻率fp，石英晶體呈電容性。從石英晶體電抗特性曲線中可以看出，頻率為fs或者fp的百分之一時，容抗很大，即石英晶體在此較低頻率下相當于一個不大的電容。
　　用石英晶體構成振蕩器，石英晶體一般是作為一個電感參與電路工作，而不能作為一個電容參與電路工作。換句話說，石英晶體一般是工作于上圖中曲線位于橫軸以上那部分，通常不能工作于橫軸以下部分。關于這一點，謝沅清老師說得很清楚：
　　“……石英晶體振蕩器實質上是用石英晶體作為一個電抗元件，在三點式振蕩電路中，取代電感元件，也就是令石英晶體工作于感性區。這是在用石英晶體構成振蕩電路時的一個重要原則。因為只有這樣，才能保證振蕩是由石英晶體所控制。如果用石英晶體取代電容，則即使石英晶體停止振動，其支架電容呈現的容抗，可以使電路依然滿足自激振蕩所需的相位條件，只是振蕩頻率改變。這樣我們就很難保證振蕩是由石英晶體所控制。而當石英晶體工作于感性區時，一旦石英晶體停止振動，則其電顯現的電抗立即改變符號。使電路不滿足自激所需相位條件而停振。而只要電路中有振蕩，必然是石英晶體在工作。
　　石英晶體工作于感性區時，由于石英晶體的高Q特性，該區域的頻率范圍很窄，電抗隨頻率變化的速度很大，諧振回路的其它元件稍有變化而引起頻率變化時，石英晶體的等效電抗立即產生很大的變化與之抵消，使振蕩頻率不致有很大的變化。而石英晶體本身參數的穩定性是很高的，這也就是石英晶體穩頻的物理解釋。”(《電子電路基礎》謝沅清 解月珍 人民郵電出版社 1999 p.413)
　　我毫不懷疑元增民曾經用同相放大器和石英晶體搭建過振蕩器，也毫不懷疑元增民的實驗結果：振蕩頻率與反相放大器和同一塊石英晶體搭的振蕩電路相差達百倍。
　　為解釋這個實驗結果，需要仔細看看下面的電路。

　　圖08  兩級放大電路
　　上圖中，除去虛線部分，就是一個兩級基本放大電路構成的同相放大器，元件數值合理的話，增益很高。如果在放大器輸出端和輸入端之間如虛線所示接入一支電容CX，該同相放大器將產生強烈振蕩，輸出波形為矩形波。
　　實際上，把電路稍微改畫一下管子T1的左右方向，就是下面圖中電路。下面圖中CY為上面圖中C1、C3和CX串聯的等效電容，其它元件標號和前面圖中完全相同。
　　此圖在幾乎任何一本模擬電路教材中都可以找到(但元增民教授書中沒有)，典型的多諧振蕩器電路。其振蕩周期由RC電路充放電時間決定。
　　把前圖中CX換成石英晶體，晶體引線和支架的分布電容就構成了CX。只要晶體引線和支架的分布電容夠大，兩級放大增益夠高，該電路就會振蕩，即使石英晶體損壞(例如晶體破裂)也能產生振蕩。

　　圖09  多諧振蕩器
　　但這不是石英晶體振蕩器，而是多諧振蕩器，或者叫弛張振蕩器。其振蕩頻率不由石英晶體決定，而是由電路中RC充放電時間決定。
　　所以，可憐元增民教授忙了半天，用石英晶體搭出來的同相放大振蕩器卻不是石英晶體振蕩器，而是弛張振蕩器。之所以兩種放大器構成的振蕩器頻率相差百倍，就是因為同相放大器和石英晶體構成的振蕩器并沒有工作在石英晶體的頻率上。雖然也產生了振蕩，振蕩周期卻是由電路中RC數值和電源電壓(電源電壓也影響充放電時間)決定的，石英晶體在此只不過起到了一個電容的作用。看來元增民教授根本沒有認識到這一點。
　　有些奇怪的是：元增民做了實驗，結果與晶體的標稱頻率相差達百倍，居然不認為自己的實驗出現了錯誤，還作為一條經驗要讀者“但要注意”。過于相信自己的“實踐”了吧？
　　元增民書中說：“很多人對同一個問題冥思苦想，甚至夜不能寐，但就是不得要領，這是不要總懷疑自己，而要大膽地懷疑目前的一些理論是否不足，路子是否不對頭”(元增民書p.2)。確實，元增民教授一點也不“懷疑自己”，夠“大膽”。
　　元增民書中又說：“唯物辯證法是學好模擬電子技術的哲學基礎。要善于區別主要矛盾和次要矛盾，要注意具體問題具體分析，要注意避免形而上學，防止先入為主，要以實踐作為檢驗真理的唯一標準”(元增民書p.2)。不知道元增民教授是如何“具體分析”同相放大器和反相放大器用同一塊石英晶體構成的兩個振蕩器振蕩頻率相差達百倍這個“具體問題”的，也不知道元增民教授是如何“避免形而上學，防止先入為主”的，更不知道元增民教授如何“檢驗真理”。
　　元增民書中還說：“學習模擬電子技術要過四道坎。第一道坎是從直流半導體器件到交流放大電路的臺階，第二道坎是從開環到閉環的臺階，第三道坎是從分立元件到集成電路的臺階，第四道坎是是從放大到振蕩的臺階”(元增民書p.2)。看來，元增民教授自己就沒能過這第四道坎。至于前三道坎，好像也過得不怎么樣，不過那已經超出本文范圍，當另文敘述。

david-xia

謝謝，好好看看！

Refee

哈哈 頂上去先

panminghui

受教育了！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！