无源元件的射频特性.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1.3 无源元件的射频特性,在射频频段，集总电阻、集总电容和集总电感的特性是不具有“纯”的电阻、电容和电感的性质，这是在射频电路设计、模拟和布线过程中必须注意的。,1.3.1 电阻（器）的射频特性,一个电阻器的高频等效电路如图1.3.1所示，图中，两个电感,L,等效为引线电感；电容,C,b,表示电荷分布效应，,C,a,表示为引线间电容，与标称电阻相比较，引线电阻常常被忽略。,从图1.3.1可见，在低频时电阻的阻抗是,R,；随着频率的升高，寄生电容的影响成为引起电阻阻抗下降的主要因素；然而随着频率的进一步升高，由于引线电感的影响，电阻的总阻抗上升。在很高的频率时，引线电感会成为一个无限大的阻抗，甚至开路。,一个金属膜电阻的阻抗绝对值与频率的关系如图1.3.2所示。,图1.3.1 电阻的高频等效电路,图1.3.2 一个金属膜电阻的阻抗绝对值与频率的关系,目前，在射频电路中主要应用的是薄膜片状电阻，该类电阻的尺寸能够做得非常小，可以有效地减少引线电感和分布电容的影响。,10M,。,例如，0603的封装尺寸仅为1.60mm（长）0.8mm（宽）0.45mm（高）。,1.3.2 电容（器）的射频特性,一个电容器的高频等效电路如图1.3.3所示，图中，电感,L,等效为引线电感，电阻,R,s,表示引线导体损耗，电阻,R,e,表示介质损耗。,由图1.3.3可见，电容器的引线电感将随着频率的升高而降低电容器的特性。如果引线电感与实际电容器的电容谐振，这将会产生一个串联谐振，使总电抗趋向为0,。由于这个串联谐振产生一个很小的串联阻抗，所以非常适合在射频电路的耦合和去耦电路中应用。然而，当电路的工作频率高于串联谐振频率时，该电容器将表现为电感性而不是电容性。,一个电容器的阻抗绝对值与频率的关系如图1.3.4所示。,图1.3.3 一个电容器的高频等效电路,图1.3.4 一个电容器的阻抗绝对值与频率的关系,片状电容器有高频用（高,Q,）多层陶瓷片状电容器、X7R介质片状电容器、NPO介质片状电容器、Y5V介质片状电容器、固体钽质片状电容器等多种形式。,目前，多层陶瓷片状电容器在射频电路中广泛使用，它们可用于射频电路中的各个部分，使用频率可以高达15GHz。,例如一种型号为CDR系列的片状电容器，最小封装尺寸仅为2.00mm（长）1.25mm（宽）1.30mm（高），电容值范围从0.1470 000pF，电压为100V。,电容Cb表示电荷分布效应，Ca表示为引线间电容，与标称电阻相比较，引线电阻常常被忽略。,5 一个电感器的高频等效电路,（1）机械作用力转换成电效应,当sp时，Z=+jx，等效阻抗Z呈感性。,图中，Lq为动态电感（等效电感）；,当高频交流电压加于晶片两端时，晶片将随交变信号的变化而产生机械振动，当信号频率与晶片固有振动频率相等时，产生了谐振。,3所示，图中，电感L等效为引线电感，电阻Rs表示引线导体损耗，电阻Re表示介质损耗。,5 一个电感器的高频等效电路,另外由于采用了新的晶体材料和最新的精细加工技术，使得声表面波器件（SAW）的使用上限频率提高到2.,石英晶体谐振器由石英晶体薄片加上电极构成。,矩形系数，指两个规定的损耗值所确定的频带宽度之比。,4 石英晶体谐振器的射频特性,中心频率，给定相对插入损耗（比如-3dB）电平的两个截止频率值的算术平均值。,3可见，电容器的引线电感将随着频率的升高而降低电容器的特性。,中心频率，给定相对插入损耗（比如-3dB）电平的两个截止频率值的算术平均值。,SAW滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料（石英晶体，锆钛酸铝PZT陶瓷，铌酸锂LiNbO3等）抛光面上制作输入和输出两个声电换能器叉指换能器（IDT），输入换能器将电信号变成声信号，沿晶体表面传播，输出换能器再将接收到的声信号变成电信号输出。,品质因数表征无源电路的电阻损耗，通常希望得到尽可能高的品质因数。,1.3.3 电感（器）的射频特性,一个电感器的高频等效电路如图1.3.5所示，图中，电容,C,s,为等效分布电容，,R,s,为等效电感线圈电阻。,从图1.3.5可见，分布电容,C,s与电感线圈并联，这也意味着，一定存在着某一频率，在该频率点线圈电感和分布电容产生并联谐振，使阻抗迅速增加。通常称这一谐振频率点为电感器的自谐振频率（SRF，Self Resonant Frequency）。当频率超过谐振频率点时，分布电容,C,s的影响将成为主要因素。,一个射频线圈的阻抗绝对值与频率的关系如图1.3.6所示。,图1.3.5 一个电感器的高频等效电路,图1.3.6 一个射频线圈的阻抗绝对值与频率的关系,线圈电阻的影响通常用品质因数,Q,来表示,（1.3.1）,式中，,X,是电抗；,R,s,是线圈的串联电阻。,品质因数表征无源电路的电阻损耗，通常希望得到尽可能高的品质因数。,目前片式电感也在射频电路中被广泛使用。片式电感器有绕线型片式电感器、陶瓷叠层片式电感器、多层铁氧体片式电感器、片式磁珠等多种形式。,例如一种FHW系列的绕线型片式电感器有0603、0805、1008、1210、1812形式，电感范围为3.3100 000nH，0603的封装尺寸为1.70mm（长）1.16mm（宽）1.02mm（高）。,1.3.4 石英晶体谐振器的射频特性,1石英晶体谐振器的等效电路,图1.3.7 石英晶体谐振器的等效电路和符号,石英晶体谐振器由石英晶体薄片加上电极构成。石英晶体薄片具有正、反压电效应。当石英晶体薄片的几何尺寸和结构一定时，具有一个固有的机械振动频率。当高频交流电压加于晶片两端时，晶片将随交变信号的变化而产生机械振动，当信号频率与晶片固有振动频率相等时，产生了谐振。,石英晶体谐振器的等效电路如图1.3.7（a）所示，石英晶体谐振器的符号如图1.3.7（b）所示。,图中，,L,q,为动态电感（等效电感）；,C,q,为动态电容；,r,q,为动态电阻；,C,0,为晶片与金属极板构成的静态电容。,图1.3.7 石英晶体谐振器的等效电路和符号,石英晶体谐振器的等效电感,L,q,非常大，而,C,q,和,r,q,都非常小，所以石英晶体谐振器具有非常高的,Q,值，其,Q,值为,（1.3.2）,从图1.3.7（a）等效电路可看出，石英晶体谐振器有两个谐振频率，串联谐振频率,f,s,和并联谐振频率,f,p,。,2串联谐振频率,f,s,在等效电路中，,L,q,、,C,q,组成串联谐振回路，串联谐振频率,f,s,为,（1.3.3）,3并联谐振频率,f,p,L,q,、,C,q,与,C,0,组成并联谐振回路，并联谐振频率,f,p,为,（1.3.4）,由于,C,0,C,q,，所以,f,s,f,p,。,4石英谐振器的阻抗特性,忽略,r,q,（设,r,q,=0），石英晶体谐振器的等效阻抗,Z,为,（1.3.5）,从式（1.3.5）可见，,当,=,s,时，,L,q,、,C,q,支路产生串联谐振，,Z,=0；当,=,p,时，产生并联谐振，,Z,；,当,s,或,p,时，,Z,=,j,x,，等效阻抗,Z,呈容性；当,s,p,时，,Z,=+j,x,，等效阻抗,Z,呈感性。,阻抗特性如图1.3.8所示。,实际使用时，石英晶体谐振器工作在频率范围窄的电感区，等效为一个电感。,图1.3.8 石英晶体谐振器的阻抗特性,1.3.5 压电陶瓷元件的射频特性,采用压电陶瓷材料（如铁钛酸铅）构成的压电陶瓷元件有压电陶瓷谐振器、压电陶瓷滤波器等。它们在射频电路的振荡槽路、选频网络、滤波等电路中应用，具有频率稳定性好，选频特性尖锐和调试简单等优点。,通常将压电陶瓷材料做成片状，在其两面涂以银层，作为电极，构成压电陶瓷元件。,1压电陶瓷元件的压电效应,压电陶瓷材料具有压电效应，即能将机械的作用力转换成电效应，也能将电的作用转换成机械效应。,（1）机械作用力转换成电效应,在压电陶瓷片上施加机械力,F,（拉力或压缩力），则陶瓷材料内部的晶体结构在外力作用下发生变形，造成晶体结构中的负电荷有规则的相对位移（称为极化），可以在两面导电极板上感应出符号相反的自由电荷。,如果改变机械作用力的方向，则内部极化的方向及表面电极上感应电荷的极性也随之改变。,如果机械力呈周期性变化，则感应电荷极性亦按同一频率变化，电荷的变化在外电路中形成电流，机械力愈大，则电流也愈大。,（2）电作用转换成机械效应,在压电陶瓷片的极板上加一电压,u,，则在陶瓷介质内建立起电场，在电场力的作用下，陶瓷介质将发生极化并产生机械变形（伸长或收缩）。当,u,的极性改变时，介质极化及机械变形的方向也改变。,设,u,为某一频率的交流信号，则压电陶瓷片亦按同一频率伸缩，形成机械振动，,u,愈大，则振动愈强。压电陶瓷片的机械振动有一个固有频率。如果所加电压,u,的频率正好等于其固有频率，则很小的,u,就可使压电陶瓷片发生很强的机械振动，即压电陶瓷片处于共振状态（谐振状态）。,2二端陶瓷元件,二端陶瓷元件的等效电路如图1.3.9所示，其等效参数分别由机械振动的阻尼、惯性和弹性、极板间电容等决定。,从图1.3.9可见，二端陶瓷元件的等效电路与石英晶体谐振器类似。二端陶瓷元件有一个串联谐振频率（,f,s,）和一个并联谐振频率（,f,p,）。在这两个频率点，其等效阻抗,Z,分别具有极小值和极大值，等效阻抗的频率特性如图1.3.10所示。,图1.3.9 二端陶瓷元件的等效电路 图1.3.10 二端陶瓷元件等效阻抗的频率特性,3三端陶瓷元件,三端陶瓷元件的结构与符号如图1.3.11所示，由两片陶瓷片A和B用导电胶粘合起来，由粘合面引出的端子作为公共端，而由另两面引出的端子分别作为输入端和输出端，,输入信号,u,加在A片上，它将电能转换成机械能，并产生机械振动。机械振动通过粘合面传到B片上，又将机械能转换成电能，输出给外接负载,R,L,。同样，当信号频率与陶瓷片固有的机械振动频率相等时，形成共振。共振状态可形成强的电流，提供最大的电流到外部电路。在共振的条件下，输出和输入信号间可能是同相位，也可能有180的相位差，与A、B陶瓷片的粘合面有关。,图1.3.11 三端陶瓷元件结构与符号,1.3.6 SAW滤波器的射频特性,声表面波（SAW，Surface Acoustic Wave）是沿物体表面传播的一种弹性波。SAW滤波器是SAW的一种应用形式。SAW滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料（石英晶体，锆钛酸铝PZT陶瓷，铌酸锂LiNbO3等）抛光面上制作输入和输出两个声电换能器叉指换能器（IDT），输入换能器将电信号变成声信号，沿晶体表面传播，输出换能器再将接收到的声信号变成电信号输出。,SAW滤波器可以实现所需任意精度的幅频特性和相频特性的滤波，这是其他的滤波器难以完成的。另外由于采用了新的晶体材料和最新的精细加工技术，使得声表面波器件（SAW）的使用上限频率提高到2.53GHz。,声表面波（SAW）滤波器是无源器件，主要电性能参数有：,中心频率，给定相对插入损耗（比如-3dB）电平的两个截止频率值的算术平均值。,通带宽度（带宽），给定相对插入损耗电平的两个截止频率间的频率间隔。,插入损耗，在给定端接入负载，插入滤波器前信号源直接传给负载的功率与插入滤波器后传给负载的功率之比，通常以分贝表示。一般情况下，滤波器的插入损耗是用通带中最大输出电平频率点的插入损耗值来衡量。,当=p时，产生并联谐振，Z；,在很高的频率时，引线电感会成为一个无限大的阻抗，甚至开路。,目前片式电感也在射频电路中被广泛使用。,（1.,3所示，图中，电感L等效为引线电感，电阻Rs表示引线导体损耗，电阻Re表示介质损耗。,石英晶体谐振器由石英晶体薄片加上电极构成。,中心频率，给定相对插入损耗（比如-3dB）电平的两个截止频率值的算术平均值。,7（a）等效电路可看出，石英晶体谐振器有两个谐振频率，串联谐振频率fs和并联谐振频率fp。,图中，Lq为动态电感（等效电感）；,SAW滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料（石英晶体，锆钛酸铝PZT陶瓷，铌酸锂LiNbO3等）抛光面上制作输入和输出两个声电换能器叉指换能器（IDT），输入换能器将电信号变成声信号，沿晶体表面传播，输出换能器再将接收到的声信号变成电信号输出。,1压电陶瓷元件的压电效应,（1）机械作用力转换成电效应,共振状态可形成强的电流，提供最大的电流到外部电路。,一个射频线圈的阻抗绝对值与频率的关系如图1.,通带波纹，指通带内规定频域的最大损耗之间的差值。对于声表面波滤波器，还给出了另一个通带波纹的概念，定义为平顶通带内最大的两个相邻峰和谷之间的损耗差值。,阻带抑制，指在给定频带内器件的最大旁瓣电平。,矩形系数，指两个规定的损耗值所确定的频带宽度之比。未特别指明时，可用损耗值为40dB时的带宽与损耗值为3dB时的带宽之比来量度。,群时延波动，在规定通带范围内，群延时的最大差值。,一种用于GPS射频前端的SAW滤波器带通特性如图1.3.12所示。,图1.3.12 一种用于GPS射频前端的SAW滤波器带通特性,