高频电子技术2.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,*,第,2,章 选频和滤波电路,无线电信号有不同波段，它们的频率相差很大，用途也各不相同。如调幅广播中波的频率范围为,526.6,1606.5KHz,，调幅广播短波的频率范围为,2,18MHz,，调频广播的频率范围为,87,108MHz,。要选择所需要的某一波段或频段的信号接收，首先就要选频和滤波。,LC,谐振回路是最常用的选频网络,携带有用信息的高频已调波信号特点是频率高，相对頻带宽度较窄。,要从多个高频信号中选取需要接收的信号，选频和滤频电路不可缺少。,LC,谐振回路是常用的选频网络，它有串联回路和并联回路两种类型。,2.2,串联谐振回路,在,LC,谐振回路中，当信号源与电容、电感以及负载串接，就组成串联谐振（,series resonance,）回路。如图,2-1,所示，其中是负载电阻，,r,是电感,L,的损耗电阻。串联谐振回路的主要参数。,1.,回路总阻抗,2.,回路谐振频率,在某一特定频率时，回路电抗为,0,，回路总阻抗为最小值，回路电流达到最大值，回路发生谐振。,谐振角频率,谐振频率为,LC,1,0,=,w,f,0,=,空载品质因数,：表示回路选择性能好坏。几十,几百，较好,谐振特点：,X=0,为纯阻性，此时回路阻抗最小，回路电流达到最大值,，此时的空载回路电流为：,且,=0,纯阻性,0感性,0,容性,单位谐振曲线：,回路电流随频率变化的曲线。,图,2,2,谐振回路的单位谐振曲线,失谐：,=,-,0,：,外加信号的频率,与,0,很接近时,相对失谐：,单位谐振曲线,:,回路的选择性,由图可以看出，,LC,谐振回路对偏离谐振频率信号的抑制作用，偏离越大，,N,（,f,）越小；而且,回路,Q,值越大,，曲线就越尖锐，说明,回路的选频性能越好,，回路,Q,值越小，曲线越平缓，回路的选频性能就越差。,通频带,定义：,在输入信号幅值不变的前提下改变其频率，使回路电流幅度为谐振时的 时，对应的频率范围，用,BW0.7,表示。,单位,:,赫兹,1),Q0,为空载的品质因数时，,BW0.7,也为空 载值，记为：,B,Qe,为带载的品质因数时，,BW0.7,也为带载值，记为：,BL,（,2,）,B,增加，,Q,减少，,通频带宽与回路的选择性相矛盾,。,4,）矩形系数,理想谐振回路的幅频特性曲线，它是高度为,1,，宽度为,BW0.7,的矩形。,矩形系数,Kr0.1,定义：单位谐振曲线,N,（,f,）值下降到,0.1,时的频带范围与通频带之比，即,理想谐振回路,Kr0.1,1,，实际回路的,Kr0.1,总是大于,1,，而且其数值越大，表示偏离理想值越大；其值越小，表示偏离理想值越小。,实际单级单调谐,LC,谐振回路的矩形系数：,它是一个与回路的,Q,值以及谐振频率,f0,无关的定值，偏离理想回路值较大。,3,串联谐振回路的应用,串联谐振回路常用在接收机的输入选频电路以及滤波电路,例题,2.1,见书,2.3,并联谐振回路,(a),并联谐振回路,;,（,b,）等效电路,;,（,c,）阻抗特性,;,（,d,）辐角特性,1,）谐振特性,谐振条件,：,谐振频率：,谐振特点,：,且,=0 X=0,纯阻性,0,容性,0,感性,F,0,=,空载品质因数,：表示回路选择性能好坏。,几十几百,等效电路：回路在谐振时的阻抗最大,为一电阻,R,0,R,0,为并联等效电阻；而,r,是串联电阻，,且通常仅为电感的漏电阻，所以，阻值很小。,回路的选择性（,如图,）,由图可以看出，,LC,谐振回路对偏离谐振频率信号的抑制作用，偏离越大，,|ZP|/R0,越小；而且,回路,Q,值越大,，曲线就越尖锐，说明,回路的选频性能越好,，回路,Q,值越小，曲线越平缓，回路的选频性能就越差。,通频带,单位,:,赫兹,求,:1,、谐振频率或确定参数：,2,、带宽：,3,、空载品质因数：,4,、并联等效电阻：,例,1,设一放大器以简单并联振荡回路为负载,信号中心频率,f,s=10MHz,回路电容,C,=50 pF,(1),试计算所需的线圈电感值。,(2),若线圈品质因数为,Q0,=100,试计算回路谐振电阻及回路带宽。,(3),若放大器所需的带宽,B,L=0.5 MHz,则应在回路上并联多大电阻才能满足放大器所需带宽要求,?,解,:,(1),计算,L,值。由式,(3 5),可得,将,f,0,以兆赫兹,(MHz),为单位,以皮法,(pF),为单位,L,以微亨（,H,）为单位，上式可变为一实用计算公式,:,将,f,0=,f,s=10 MHz,代入,得,(2),回路谐振电阻和带宽,回路带宽为（,3-9,）,(3),求满足,0.5 MHz,带宽的并联电阻。设回路上并联电阻为,R,1,并联后的总电阻为,R,1,R,0,总的回路有载品质因数为,Q,L,。,由带宽公式,有,此时要求的带宽,B,L,=0.5 MHz,故,需要在回路上并联,7.97 k,的电阻。,回路总电阻为,2.3.2,并联谐振回路的应用,并联谐振回路在高频小信号放大器、高频功率放大器、混频器以及正弦波振荡器中常用。,图,25,并联谐振回路的应用,2.4,回路的阻抗变换,图,26,串并联回路等效互换,R,0,=(Q,2,+1)r,X,P,=(1+1/Q,2,)X,S,Q 1 X,P,=X,S,2.4.2,回路部分接入的阻抗变换,回路是,采用部分接入的并联谐振回路,目的是,实现阻抗匹配或变换,。,图,27,自耦变压器抽头接入的阻抗变换,N1,总匝数,N2,抽头接入的匝数,P=N2/N1,接入系数,R,L,/,=(N1/N2,）,2,R,L,=R,L,/P,2,N2,小于,N1,，,P,小于,1,所以变换后,R,L,/,增大,U1/U2=N1/N2,I1/I2 =N2/N1,图,28,变压器耦合联接的阻抗变换,P=N2/N1,接入系数,R,L,/,=(N1/N2,）,2,R,L,=R,L,/P,2,N2,小于,N1,，,P,小于,1,所以变换后,R,L,/,增大,图,29,电容分压接入电路及其阻抗变换等效电路,P =C1/C1+C2,接入系数,R,L,/,=R,L,/P,2,虽然双电容抽头的连接方式多了一个电容元件，但是，它避免了绕制变压器和线圈抽头的麻烦，调整方便，同时还起到隔电流作用。再频率较高时，可将分部电容作为此类电路总的电容，这个方法得到广泛应用。,图,2-10,级间耦合连接的阻抗变换,2.5,耦合回路,常用的两种耦合回路,耦合系数,k,：,耦合回路的特性和功能与两个,回路的耦合程度有关,按耦合参量的大小：强耦合、弱耦合、临界耦合,电感耦合回路,电容耦合回路,+,L,1,R,2,L,2,M,C,2,1,V,&,R,1,C,1,I,s,G1,L1,C1,C2,L2,G2,CM,+,-,为了说明回路间耦合程度的强弱，引入,“,耦合系数,”,的概念并以,k,表示。,对电容耦合回路：,通常,C,M,C,：,k,1,对电感耦合回路：,任何电路的耦合系数不但都是无量纲的常数，而且永远是个小,1,的正数,。,4,）耦合回路的频率特性：,当初，次级回路,01,=,02,=,0,，,Q,1,=Q,2,=Q,时，,广义失调,，可以证明次级回路电流比,为广义失谐,，,为耦合因数,，,表示耦合回路的频率特性,。,耦合因数,是表示,耦合谐振回路耦合相对强弱,的一个重要参量。,1,称为,强耦合,。,*各种耦合电路都可定义,k,，但是,只能对双谐振回路才可,定义,。,图,212,耦合回路次级回路谐振曲线,当回路谐振频率,=,0,时，,1,称为强耦合，谐振曲线出现双峰,，谷值,1,在 处，,x,11,+,x,f1,=0,R,f1,=R,11,回路达到匹配，相当于复谐振，谐振曲线呈最大值，,=1,。,a,f,f,0,h,1,不应小于,2,1,5,）耦合回路的通频带,根据前述单回路通频带的定义，,当 ，,Q,1,=Q,2,=Q,01,=,02,=,时可导出,若,=1,时，,一般采用,稍大于,1,，这时在通带内放大均匀，而在通,带外衰减很大，为较理想的幅频特性。,BW,0.7,=,矩形系数：,K,r0.1 =,BW0.1,BW0.7,=,3.15,2.6,滤波器原理与特性,根据组成元件的不同可分为：,由电感和电容组成的,LC,滤波器；,由电阻和电容组成的,RC,滤波器；,由压电晶体材料制成的晶体滤波器和陶瓷滤波器等。,LC,滤波器,1,串联谐振滤波器,r,L,C,当,0,时，感抗与容抗相等，,|Zs|,最小，,并为纯电阻,r,串联在电路中时，频率为,F0,的信号容易通过。,并联在电路中时，频率为,F0,的信号旁路接地,2,并联谐振滤波器,当,0,时，感抗与容抗相等，,|Zs|,最大，,并为纯电阻,R0,串联在电路中时，能阻止频率为,F0,的信号通过。,并联在电路中时，频率不为,F0,的信号旁路接地,3 LC,串并联组合谐振滤波器,1,）,K,式低通滤波器,型,型,型,此滤波器让低频信号通过,f,fc,Fc=,Lc,1,2 K,式高通滤波器,f,fc,型,型,型,此滤波器让低频信号通过,Fc=,Lc,1,4,3 K,式带通滤波器,fc1,fc2,f,结构见图,2 18,图,220,石英晶体谐振器,石英晶体具有正、反两种压电效应。当石英晶体沿某一电轴受到交变电场作用时，就能沿机械轴产生机械振动，反过来，当机械轴受力时，就能在电轴方向产生电场。且换能性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效率最高。,石英片相当一个,串联谐振电路,，可用集中参数,Lq,、,Cq,、,rq,来模拟，,L,q,为晶体的,质量（惯性），,C,q,为,等效弹性模数,，,r,g,为机械振动中的,摩擦损耗,。,C,r,q,C,q,L,q,a,石英晶体的特点是：,等效电感,L,q,特别大、等效电容,C,q,特别小，因此，石英晶体的,Q,值 很大，一般为几万到几百万。这是普通,LC,电路无法比拟的。,石英谐振器的等效电抗（阻抗特性）,石英晶体有两个谐振角频率。一个是左边支路的,串联谐振角频率,q,，即石英片本身的,自然角频率,。另一个为石英谐振器的,并联谐振角频率,p,。,串联谐振频率,并联谐振频率,x,o,容性,O,容性,w,q,w,p,感,性,当,=,q,时,z0=0 Lq,、,Cq,串谐谐振，当,=,p,，,z0=,，回路,并谐谐振,。,当 为,容性,。,当 时,jx0,为,感性,。其电抗曲线如上图所示。,石英晶体用作滤波器，其,Q,值很高，所以滤波器的选择性,很好，阻频带衰减特性陡峭，工作频率稳定。,石英晶体的二个谐振频率之间的宽度决定了滤波器,的通频带带宽，因二个谐振频率很接近，所以滤波器带宽,很窄，通常希望适当移动滤波器的通频带，可以通过外,加电感与石英晶体串联或并联实现。,陶瓷滤波器,利用某些陶瓷材料的压电效应构成的滤波器，称为陶瓷滤波器。它常用锆钛酸铅,Pb(zrTi)O3,压电陶瓷材料（简称,PZT,）制成。,这种陶瓷片的两面用银作为电极，经过直流高压极化之后具有和石英晶体相类似的压电效应。,优点：容易焙烧，可制成各种形状；适于小型化；且耐热耐湿性好。,它的等效品质因数,Q,L,为几百，比石英晶体低但比,LC,滤波高。,符号及等效电路,图中,C,0,等效为压电陶瓷谐振子的固定电容；,L,q,为机械振动的等效质量；,C,q,为机械振动的等效弹性模数；,R,q,为机械振动的等效阻尼；其等效电路与晶体相同。,并联谐振频率,式中，,C,为,C,0,和,C,8,串联后的电容。,其串联谐振频率,C,o,R,q,C,q,L,q,2,L,四端陶瓷滤波器：,如将陶瓷滤波器连成如图所示的形式，即为四端陶瓷滤波器。图,(a),为由二个谐振子组成的滤波器，图,(b),为由五个谐振子组成四端滤波器。谐振子数目愈多，滤波器的性能愈好。,2,L,2,2,L,1,(a),(b),三端陶瓷滤波器,1,2,3,1,2,3,等效电路相当于一个双调谐耦合回路，具有较好的选择性,与适当的带宽，无须调整。,声表面波滤波器,声表面波滤波器,SAWF,（,Surface Acoustic Wave Filter,）,是一种以铌酸锂、石英或锆钛酸铅等压电材料为衬底（基体）的一种电声换能元件。,1.,结构与原理：,声表面波滤器是在经过研磨抛光的极薄的压电材料基片上，用蒸发、光刻、腐蚀等工艺制成两组叉指状电极，其中与信号源连接的一组称为发送叉指换能器，与负载连接的一组称为接收叉指换能器。当把输入电信号加到发送换能器上时，叉指间便会产生交变电场。,R,s,U,s,R,L,压电基片,发送叉指,换,能,器,发收叉指,换,能,器,吸声材料,声表面波滤器的滤波特性，如中心频率、频带宽度、频响特性等一般由叉指换能器的几何形状和尺寸决定。这些几何尺寸包括叉指对数、指条宽度,a,、指条间隔,b,、指条有效长度,B,和周期长度,M,等。上图是声表面波滤波器的基本结构图。严格地说，传输的声波有表面波和体波，但主要是声面波。在压电衬底的另一端可用第二个叉指形换能器将声波转换成电信号。,声表面波滤波器的符号如图,(a),所示，图,(b),为它的等效电路,.,其左边为发送换能器，,i,s,和,G,s,表示信号源。,G,中消耗的功率相当于转换为声能的功率。右边为接收换能器，,G,L,为负载电导，,G,L,中消耗的功率相当于再转换为电能的功率。,声表面滤波器的符号与等效电路,符号及等效电路,入,出,(a),G,C,G,s,I,s,G,L,G,C,(,b,),声表面波滤波器的幅频特性,声表面波滤波器的应用,