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基于石英晶体的正弦波振荡器


武汉理工大学《高频课程设计》报告





摘 要 .....................................................................................................................................

......... I Abstract .......................................................................................................................................... II 1 绪论 ............................................................................................................................................. 1 2 设计内容及要求 ......................................................................................................................... 1 2.1 设计目的及主要任务 ............................................................................................................................ 1 2.1.1 设计目的 ..................................................................................................................................... 1 2.1.2 设计任务及要求 ........................................................................................................................ 1 2.2 设计思想 ................................................................................................................................................ 2 3 石英晶体特性简介 ..................................................................................................................... 2 3.1 物理特性 ............................................................................................................................................... 2 3.2 等效电路及阻抗特性 ........................................................................................................................... 2 3.3 晶体谐振器的应用 ............................................................................................................................... 3 4 晶体正弦波振荡器的设计 ......................................................................................................... 3 4.1 串联型晶体振荡器 ............................................................................................................................... 4 4.2 并联型晶体振荡器 ............................................................................................................................... 5 4.2.1 c-b 型并联晶体振荡器 ............................................................................................................... 5 4.2.2 b-e 型并联晶体振荡器 ............................................................................................................... 6 4.3 输出缓冲级设计 ................................................................................................................................... 7 4.4 晶体振荡器设计总原理图 ................................................................................................................... 7 4.4.1 电路原理图的设计 ..................................................................................................................... 7 4.4.2 元件参数的计算 ........................................................................................................................ 8 5 电路仿真与硬件调试 ................................................................................................................. 9 5.1 电路仿真 ............................................................................................................................................... 9 5.1.1 静态工作点的测试 ..................................................................................................................... 9 5.1.2 串联型振荡器输出测试 ........................................................................................................... 10 5.1.3 并联型振荡器输出测试 ........................................................................................................... 11 5.2 硬件调试 .............................................................................................................................................. 11 6 元器件清单 ............................................................................................................................... 13 7 总结与心得体会 ....................................................................................................................... 14 参考文献 ....................................................................................................................................... 15

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石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器, 被广泛应用于彩电, 计算机, 遥控器等各类振荡电路中,以及通信系统中用于频率发生器,为数据处理设备产生时 钟信号和为特定系统提供基准信号.石英谐振器因具有极高的频率稳定性,故主要用 在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件,如彩电的色副载波振荡器,电子钟表 的时基振荡器及游戏机中的时钟脉冲振荡器等,石英晶体成本较高,故在要求不太高 的电路中一般采用陶瓷谐振元件. 本设计对利用石英晶体构成正弦波的振荡器的方法做了较深入的研究, 对振荡器 的原理及石英晶体振荡器原理做了详细的介绍并通过 Multisim 软件设计,仿真出串 并联可交换的石英晶体振荡器, 最后按照原理图进行实物的连接, 调试和参数的计算. 关键词:晶体;振荡器;串并联;Multisim 仿真;

I

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Abstract
Quartz crystal oscillator is a high precision and high stability of the oscillator, is widely used in color television sets, computers, remote controls and other kinds of oscillator circuits, and communications systems for the frequency generator, generate the clock for the data-processing equipment signal and reference signals for a particular system. Quartz resonators for very high frequency stability, it is mainly used in the required oscillation frequency is very stable as resonant circuit elements such as color TV color subcarrier oscillator, electronic watches and games when the base of the clock oscillator pulse oscillators, quartz crystal high cost, it is not too high in the required circuit components generally use ceramic resonators. This design constitutes a sine wave on the use of quartz crystal oscillator method to do a more in-depth research on the oscillator principle and principle of quartz crystal oscillators made a detailed introduction and adoption of Multisim software design, simulation a commutative series-parallel quartz crystal oscillator, and finally in accordance with the schematic diagram for physical connections, debugging and parameter calculation. Keywords:Crystal;Oscillator;Series-parallel;Multisim Simulation;

II

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1 绪论
石英晶体振荡器是利用石英晶体即二氧化硅的结晶体的压电效应制成的一种谐振器 件,它的基本构成大致是:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可 以是正方形,矩形或圆形等) ,在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各 焊一根引线接到管脚 上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或 晶体,晶振.其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳,陶瓷或塑料封装的.变电场的 频率与田英晶体的固有频率相同时,振动便变得很强烈,这就是晶体谐振特性的反应.利 用这种特性,就可以用石英谐振器取代 LC 谐振回路,滤波器等.由于石英谐振器具有体 积小,重量轻,可靠性高,频率稳定度高等优点,被应用于家用电器和通信设备中. 本次设计给出了两种较为实用的晶体振荡器电路,对这两种电路做了各方面的比较, 并对振荡器的输出特性做了细致的测试.

2 设计内容及要求
2.1 设计目的及主要任务
2.1.1 设计目的
(1)掌握高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力,并在此基础上设计一个通 过跳线可实现串并联变换的晶体正弦波振荡器. (2)提高电子电路的理论知识及较强的实践能力,能够正确使用实验仪器进行电路 的调试与检测.

2.1.2 设计任务及要求
根据已知条件,完成通过基于石英晶体的正弦波振荡器的设计,连接与仿真.该振荡 器须符合以下要求: (1)采用晶体三极管构成一个多功能正弦波振荡器; (2)额定电源电压 5.0V ,电流 1~3mA; 输出频率 10 MHz; (3)通过跳线可构成串,并联晶体振荡器; (4)有缓冲级,在 100 欧姆负载下,振荡器输出电压≥ 1 V (D-P).
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2.2 设计思想
本次设计首先以 NPN 型晶体管 2N2222 和 10M 石英晶体为基础分别设计出不同形式 的串并联型振荡器,通过对各种不同形式的串联型振荡器和并联型振荡器做出比较之后, 综合设计出一个通过跳线可实现串并联转换的石英晶体正弦波振荡器,然后根据石英晶体 振荡器的输出要求设计出对应的缓冲输出级,将两部分连接之后根据电路图的基本形式和 设计的要求计算出各元件的参数和性能要求.根据仿真后的电路原理图进行实物的连接和 调试,从而完成整个正弦波振荡器的设计.

3 石英晶体特性简介
3.1 物理特性
石英晶体谐振器是由天然或人工生成的石英晶体切片制成.石英是二氧化硅,在自然 界中以六角锥体出现,常用的石英晶体是压电石英,它是一种各向异性的结晶体,振荡器 中所用的石英片或石英棒都是按一定的方位从石英晶体中切割出来的.在晶体的两面制作 金属电极,并与底座的插座相连,最后以金属壳封装或玻璃壳封装,成为晶体谐振器. 石英晶体之所以能够成为电的谐振器,是由于它具有压电效应.所谓压电效应,就是 当晶体受外力的作用而变形时,就在它对应的表面上产生正,负电荷,呈现出电压.如果 在晶体振子板极上施加交变电压,就会是晶片产生机械变形振动.此现象即所谓逆压电效 应.当外加电压频率等于晶体振荡器的固有频率时就会发生压电谐振,从而导致机械变形 的振幅突然增大.对于一定形状和尺寸的某一晶体,它既可以在某一基频上谐振,也可以 在某一高次谐波上谐振.通常把利用晶片基频共振的谐振器称为基频谐振器,频率用 KHZ 表示.把利用晶片谐频共振的谐振器称为谐频谐振器,频率用 MHZ 表示.

3.2 等效电路及阻抗特性
图 3-1 是石英晶体谐振器的等效电路.图中 C0 是晶体作为电介质的静电容,其数值一 般为几个皮法到几十皮法.Lq,Cq,rq 是对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数.rq 是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗.由图 3-1 可以看出,晶体振荡器是一串并联的振荡回 路,其串联谐振频率 fq 和并联谐振频率 f0 分别为

fq=1/2π LqCq ,f0= fq 1 + Cq / Co
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图 3-1

晶体振荡器的等效电路

当 W<Wq 或 W> Wo 时,晶体谐振器显容性;当 W 在 Wq 和 Wo 之间,晶体谐振器等效 为一电感,而且为一数值巨大的非线性电感.由于 Lq 很大,即使在 Wq 处其电抗变化率也 很大.其电抗特性曲线如图 3-2 所示.实际应用中晶体工作于 Wq~Wo 之间的频率,因而呈现感
性.

图 3-2

晶体的电抗特性曲线

3.3 晶体谐振器的应用
晶体谐振器主要应用于晶体振荡器中. 振荡器的振荡频率决定于其振荡回路的频 率.由于晶体振荡器的输出频率具有很高的稳定度,因此它主要有以下应用: 通用晶体振荡器, 用于各种电路中, 产生振荡频率; 时钟脉冲用石英晶体谐振器, 与其它元件配合产生标准脉冲信号,广泛用于数字电路中;微处理器用石英晶体谐振 器;CTVVTR 用石英晶体谐振器;钟表用石英晶体振荡器.

4 晶体正弦波振荡器的设计
振荡器电路属于一种信号发生器类型, 即表现为没有外加信号的情况下能自动生成具 有一定频率,一定波形,一定振幅的周期性交变振荡信号的电子线路.振荡器起振时是将 电路自身噪声或电源跳变中频谱很广的信号进行放大选频.此时振荡器的输出幅值是不断
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增长的,随着振幅的增大,放大器逐渐由放大区进入饱和区或者截止区,其增益逐渐下降, 当放大器增益下降而导致环路增益下降到 1 时, 振幅的增长过程将停止, 振荡器达到平衡, 进入等幅振荡状态.振荡器进入平衡状态后,直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗 的能量.

4.1 串联型晶体振荡器
在串联型晶体振荡器中,晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间,通常接在反馈电路 中.图 4-1 和图 4-2 显示出了一串联型振荡器的实际路线和等效电路.可以看出,如果将 石英晶体短路,该电路即为电容反馈的振荡器.电路的实际工作原理为:当回路的谐振频 率等于晶体的串联谐振频率时,晶体的阻抗最小,近似为一短路线,电路满足相位条件和 振幅条件,故能正常工作;当回路的谐振频率距串联谐振频率较远时, ,晶体阻抗增大, 是反馈减弱,从而使电路不能满足振幅条件,电路不能正常工作.

图 4-1

串联型晶体振荡器实际电路

图 4-2

串联型晶体振荡器等效电路
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串联型晶体振荡器只能适应高次泛音工作,这是由于晶体只起到控制频率的作用,对 回路没有影响,只要电路能正常工作,输出幅度就不受晶体控制.

4.2 并联型晶体振荡器
4.2.1 c-b 型并联晶体振荡器
c-b 型并联晶体振荡器的典型电路如图 4-3 所示,振荡管的基极对高频接地,晶体接集 电极与基极之间, 和 C3 位于回路的另外两个电抗元件, C2 振荡器的回路等效电路如图 4-4 所示,它类似于克拉泼振荡器,由于 Cq 非常小,因此,晶体振荡器的谐振回路与振荡管 之间的耦合电容非常弱,从而使频率稳定度大大提高.由于晶体的品质因数很高,故其并 联谐振阻抗也很高,虽然接入系数很小,但等效到晶体管 CE 两端的阻抗仍很高,因此放 大器的增益高,电路容易满足振幅齐起振条件.

图 4-3

c-b 型并联晶体振荡器实际线路

图 4-4

c-b 型并联晶体振荡器等效线路
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4.2.2 b-e 型并联晶体振荡器
b-e 型并联晶体振荡器的典型电路如图 4-5 所示,该电路是一个双回路振荡器,它的固 有谐振频率略高于振荡器的工作频率,负载回路选用的是并联谐振回路,可以抑制其他谐 波,有利于改善输出波形,并且电路的输出信号较大,但频率稳定度不如 b-c 型振荡电路, 因为在 b-e 型电路中,石英晶体则接在输入阻抗低的 b-e 之间,降低了石英晶体的标准性. 其等效电路如图 4-6 所示.

图 4-5

b-e 型并联晶体振荡器实际电路

图 4-6

b-e 型并联晶体振荡器等效电路

和一般 LC 振荡器相比,石英晶体振荡器在外界因素变化而影响到晶体的回路固有频 率时,它还具有使频率保持不变的电抗补偿能力,原因是石英晶体谐振器的等效电感 Le 与普通电感不同,当频率由 Wq 变化到 Wo 时,等效电感值将由零变到无穷大,这段曲线 十分陡峭,而振荡器又刚好被限定在工作在这段线性范围内,也就是说,石英晶体在这个
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频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线,因而它具有很高的电感补偿能力.

4.3 输出缓冲级设计
常用的输出缓冲级是在电路的输出端加一射极跟随器,从而提高回路的带负载能力. 射极跟随器的特点是输入阻抗高,输出阻抗低,电压放大倍数略低于 1,带负载能力强, 具有较高的电流放大能力,它可以起到阻抗变换和极间隔离的作用,因而可以减小负载对 于振荡回路的影响,射极跟随器的典型电路如图 4-7 所示.

图 4-7 输出缓冲级电路 输出缓冲级主要完成对所产生的振荡信号进行输出,不管是并联谐振正弦波晶体电路 还是串联谐振晶体电路,它们的带负载都不是很强,负载值改变时可能造成振荡器的输出 频率变化,也可能影响振荡器的输出幅度,输出缓冲级的作用就是提高整个振荡器的带负 载能力,即使振荡器的输出特性不受负载影响,或影响较小.

4.4 晶体振荡器设计总原理图
4.4.1 电路原理图的设计
根据设计要求,该晶体振荡器通过跳线能够实现串联谐振和并联谐振晶体振荡器的转 换,通过比较并联谐振晶体振荡器和串联谐振晶体振荡器的原理可以发现,串联型晶体振 荡器同 c-b 型并联晶体振荡器结构类似,二者同为电容三点式反馈振荡器.晶体在并联和 串联振荡器方式下作用不同,在并联方式下,要求晶体工作于感性区,其等效电感与外部 电容构成振荡回路,该回路满足电容三点式条件,而在串联谐振振荡器中晶体则充当选频
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短路线作用,因晶体 Q 值很高,通频带很窄,而频率选择性很高,可以从振荡回路中选出 频率为晶体振荡频率的谐波, 反馈至振荡器的输入, 从而使振荡器输出频率稳定的正弦波. 若将晶体短路,则电路变成电容三点式振荡器,并且可以正常起振.依据各部分的方案设 计并结合设计要求,综合考虑各种影响因素,设计系统原理图如图 4-8 所示.

图 4-8

晶体振荡器总原理图

从图 4-8 中可以看到,图中 R1 和 R2 分压为三极管 Q1 提供偏置电压,通过改变 R8 阻值的大小可以改变 Q1 的静态工作点,C1 用于在振荡器起振时将 R2 短路从而可以是振 荡器可以正常的振荡,C2,C3 组成反馈分压,用于为振荡器提供反馈信号, ZL1 和 ZL2 为高频扼流圈,目的是防止高频信号流经电源.C6,C7,C8,C9 为高频旁路电容,Q2 连接成射极跟随器,用于提高系统的带负载能力.J1 上端打开时,J2 断开时振荡器为串联 型晶体振荡器,此时晶体相当于选频短路线;当 J1 下端打开,J2 接通时振荡器为并联型 晶体振荡器,此时晶体相当于一等效电感.

4.4.2 元件参数的计算
正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素,静态工作点主要影响晶体管的 工作状态,若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大,振荡器在没有对反馈 信号进行放大时是无法工作的.振荡器主电路的静态工作点主要由 R1,R2,R3,R8 决定,
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将电感短路,电容断路,得到直流通路如图 4-9 所示.

图 4-9 直流通路等效电路 如图 4-9 所示, 其中 V1=5V, 要使三极管满足起振条件, 则静态时它应工作在放大区, 故 R3 两端电压应大于 0.7V,一般情况下发射极电流为 mA 级,基极电流 uA 级.不妨取 R1=R3=5.1K ,R2=400 ,β=45 则 Vb=2.5V,Ie=4.5mA,Ib=100uA,符合射级要求.为了调 节方便,在 R1 处在串联一电位器,最大阻值为 10K.对于振荡器,当该电路接为串联型 振荡器时,晶体起到选频短路线的作用,输出频率应为 10MHZ,不妨取 L1=1uH,则由

f0=2π LC 回路总电容 C=253.3pF, C2, 串联后的总电容为 253.3 pF, 即 C3 则取 C2=300pF,
C3=1600pF.为了便于调节 C2 由一定值电阻和可变电阻并联而成.当该电路接为并联型振 荡器时,晶体起到等效电感的作用,此时工作频率介于两谐振频率之间.同时为了提高振 荡器的带负载能力,应附加一个缓冲输出级,本设计中使用的是一个射级跟随器,其各参 数如图 4-8 所示.为了提高振荡器的工作性能和稳定度,在电路中还应有高频电源去耦电 容和高频扼流圈,一般取电解电容 C=100nF,瓷片电容 C=10 nF,扼流圈 L=330mF.

5 电路仿真与硬件调试
5.1 电路仿真
5.1.1 静态工作点的测试
根据设计好的静态工作点的电路图, Multisim 软件中分别在晶体管 Q1, 的 b, 在 Q2 e, c 三端接入示波器,观察静态时各极上的电压.测量结果如表 5-1 所示.
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表 5-1 静态工作时各极电压 参数 Q1 Q2 Vb 1.901V 4.535V Vc 1.168V 3.805V Ve 5.00V 5.00V Vbe 0.733V 0.720V

根据表 5-1 中的数据可以看出,Q1,Q2 均工作在放大状态,满足起振条件,该电路 的静态工作点符合要求.

5.1.2 串联型振荡器输出测试
在 Multisim 软件环境下进行仿真,此时开关 J1 上端接通,下断开,J2 全部断开,形 成串联型振荡器,为了便于观察振荡器工作时各部分电路的工作情况,分别在振荡器输出 端和缓冲级输出端接入示波器观察波形,记录示波器上显示的输出振幅和输出频率,仿真 波形如图 5-1 所示.

图 5-1

串联型振荡器输出波形

从图 5-1 中可以看出,输出波形为正弦波,幅值为 Vo=1.535V,输出频率 f=9.85MHZ, 波形有较小的失真, 这是由于元件参数的精度较低导致的, 该振荡器的设计符合设计要求.
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5.1.3 并联型振荡器输出测试
在 Multisim 软件环境下进行仿真,此时开关 J1 上端断开,下端接通,J2 接通,形成 并联联型振荡器,为了便于观察振荡器工作时各部分电路的工作情况,分别在振荡器输出 端和缓冲级输出端接入示波器观察波形,记录示波器上显示的输出振幅和输出频率,仿真 波形如图 5-2 所示.

图 5-2

并联型振荡器输出波形

从图 5-1 中可以看出, 输出波形为正弦波, 幅值为 Vo=1.554V, 输出频率 f=10.08MHZ, 波形有较小的失真, 这是由于元件参数的精度较低导致的, 该振荡器的设计符合设计要求.

5.2 硬件调试
根据本设计中的电路原理图进行实物的连接,本次使用的是面包板,不需要焊接直接 用导线连接各元件即可.连接完成后,引出三根导线,红色导线接+5V 电源的正极,黑色 导线接地,绿色导线为输出端,接入示波器的 CH1 通道,观察输出的波形.一边调整可变 电容和电位器,一边观察输出的波形.观察可知,当该振荡器接为串联型振荡器时,输出 波形为正弦波,频率为 7.5MHZ,幅值为 1.317V;当该振荡器接为并联型振荡器时,输出
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波形为正弦波,频率为 7.8MHZ,幅值为 1.384V.这是由于元器件参数的精度不够,实物 连接时引入附加阻值,面包板的性能不够高以及环境温度等多方面的影响所致.在实际生 活中可以通过多种措施来提高石英晶体正弦波振荡器的稳定度,如可以选择温度系数小的 石英晶体;可以采取恒温措施,是外界温度恒定,或在电路中采取措施,进行温度补偿; 也可以进行有效屏蔽,使外围电磁场的影响减弱.

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6 元器件清单
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12 14 15 16 17 18 名称 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电位器 瓷片电容 瓷片电容 瓷片电容 瓷片电容 瓷片电容 电解电容 可变电容 电感 电感 晶振 三极管
拨码开关

型号 5.1K 1.2K 400 330 100 10K 103 101 104 271 152 100uF/16V 60pF 1uH 330uH 10M 2N2222

数量 2 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2
2

备注 R1,R2 R6 R3 R5 R7 R8 C1,C6,C8 C4 C5 C2 C3 C7,C9 C10 L1 L2,L3 X1,X2 Q1,Q2 J1,J2

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7 总结与心得体会
本次课设是完成一个高频晶体正弦波振荡器的设计,首先在 Multisim 软件环境下进行 电路原理图的设计,绘制和仿真,然后对电路中的各个部分进行调整修改,按照设计的电 路原理图完成实物的连接,连接后在实验室不断地调试,修改,最后得到设计要求的输出 波形.此次高频课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严格,需要通过翻阅复习以前 学过的知识确立了实验总体设计方案,然后逐步细化进行各模块的设计;其次,在电路仿 真的过程中总会出现一些问题,需要我们细心解决,所以这周下来,我对电路故障的排查 能力有了很大的提高;再次,通过此次课程设计,我对设计所用到的软件有了更加深刻地 了解,这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处.当然,经过了课程设计,我也发现 了自己的很多不足.但是通过自己的动手动脑,既增加了知识,又给了我专业知识以及专 业技能上的提升,我也会更加努力,认真学习,争取在以后的课程中做得更好! 在这次课设中,我首先要感谢学校给我们提供的机会,其次我要感谢我的老师在课程 设计上给予我的指导,提供给我的支持和帮助,这是我能顺利完成这次报告的主要原因, 更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题,让我能把设计做得更加完善.在此期间, 我不仅学到了许多新的知识,而且也开阔了视野,提高了自己的设计能力.最后,我要感 谢帮助过我的同学,他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题.同时也感谢学院 为我提供良好的做课程设计的环境.最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益 友和同学.

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参考文献
[1] 曾兴雯,刘乃安,陈建.高频电路原理与分析.西安:线电子科技大学出版社,2007.9. [2] 刘泉.通信电子线路.北京:高等教育出版社,2005.5. [3] 林嘉瑞.高频电路原理.北京:电子工业出版社,2003.1. [4] 高吉祥.高频电子线路.北京:电子工业出版社,2005.7. [5] 刘骋.高频电子技术.北京:人民邮电出版社,2006.5. [6] 张肃文.高频电子线路.北京:高等教育出版社,2004.8.

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