第4讲 集中选频滤波器.pdf

集中选频滤波器集中选频滤波器概括地讲，所谓滤波器是指这样的一类电路:?能让指定频率的信号顺利地通过?具有一定的增益?对指定频率以外的信号则起衰减作用?分类：1.从功能上分；低、带、高、带阻。2.从实现方法上分:FIR、IIR 3.从设计方法上来分：Chebyshev(切比雪夫）,Butterworth（巴特沃斯）4.从滤波器配置方式可分为两类：分散选频每级放大都配置一个滤波器，构成一个统一的带通放大单元，几个这样的单元级联起来就是一个高增益带通放大器。集中选频放大、滤波两部分都相对集中，滤波器集中设置在电路某处。集中滤波器通常接在放大器的前端或中间部位，这对提高选择性、抑制干扰大有益处，在更换时也比分散式方便得多。?前述课程所介绍“LC谐振回路”可做成LC滤波器?单LC谐振回路缺点：矩形系数大，选择性差。(p.8 例1.1)?解决方案：组合使用，选择性有所提高，空载Q可达300左右。LC集中选频滤波器?在传统的无线电技术中，针对窄带信号的处理，常采用集中选频滤波器，包括：LC集中选频滤波器石英晶体滤波器陶瓷滤波器声表面波滤波器1.晶体滤波器和陶瓷滤波器晶体滤波器和陶瓷滤波器晶体滤波器和陶瓷滤波器晶体滤波器和陶瓷滤波器?石英晶体具有压电效应。?压电效应，是指当晶体受到外部压力或拉力作用时,在它的某些特定表面上将出现电荷,而且外力大小与电荷密度之间存在着一定关系,这是正压电效应；?当晶体受到电场作用时,在它的某些特定方向上将出现形变,而且电场强度与形变之间也存在着一定关系,这是逆压电效应。?当交流电压加在晶体两端,晶体先随电压变化产生应变,然后机械振动又使晶体表面产生交变电荷。?当晶体几何尺寸和结构一定时,它本身有一个固有的机械振动频率。?当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时,晶体片的机械振动最大,晶体表面电荷量最多,外电路中的交流电流最强,于是产生了谐振。?某些常用的陶瓷材料（如锆钛酸铅，即PbZrTiO3）与石英晶体一样，也具有类似的压电效应和谐振特性。?当输入电信号的频率与这些陶瓷材料（或石英晶体）的固有频率一致时，会产生谐振。?所以，压电陶瓷片和石英晶体均具有谐振电路的特性，其空载品质因数可达几百以上，选择性非常好。?用压电陶瓷片和石英晶体分别可以做成陶瓷滤波器和晶体滤波器。2.声表面波滤波器2.声表面波滤波器?声表面波滤波器SAWF（urface coustic ave ilter）是利用某些晶体（如石英晶体、铌酸锂LiNbo3等）的压电效应和表面波传播的物理特性而制成的一种新型电声换能器件。?具有良好的幅频特性和相频特性。声表面波滤波器(a)结构；(b)符号；(c)等效电路(a)输入输出输入输出RiCiRoCo(b)(c)Rs压电基片发送叉指换 能 器接收叉指换 能 器吸声材料RLMBabsU?声表面波滤波器的滤波特性,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、指条有效长度和周期长度等。?目前，声表面波滤波器的中心频率可在几MHZ到几GHZ之间,矩形系数可达1.1矩形系数可达1.1。电噪声电噪声?无线电设备中的电噪声会对有用信号接收产生干扰。?包括：外部噪声和内部噪声?内部噪声又包括：电阻噪声、晶体管噪声、场效应管噪声1.电阻热噪声?电阻热噪声是由于电阻内部自由电子的热运动而产生的。?运动是不规则的,温度越高,运动越剧烈。（绝对零度-273.15 停止）?起伏噪声电流?起伏噪声电压?起伏噪声电压的平均值平均值为零。?起伏噪声电压的均方值均方值是确定的,可以用功率计测量出来。实验发现,在整个无线电频段内,当温度一定时,单位单位电阻电阻上所消耗的平均功率在单位频带内几乎是一个常数,即其功率频谱密度功率频谱密度是一个常数。阻值为的电阻产生的噪声电流功率频谱密度和噪声电压功率频谱密度分别为：KJkkTRfSRkTfSUI/1038.14)(4)(23=其中,k是波尔兹曼常数,是电阻温度,以绝对温度计量。在频带宽度为内产生的热噪声均方值电流和均方值电压分别为：BWfSUBWfSIUnn=)()(212所以,一个实际电阻可以分别用噪声电流源和噪声电压源表示,如下图所示。电阻热噪声等效电路【例1.5】试计算510k电阻的噪声均方值电压和均方值电流。设K,k。解:解:22135232210532321014.310510102901038.1441016.810105102901038.144ARBWkTIVBWkTRUnn=2.晶体管噪声晶体管噪声主要包括四部分?热噪声构成晶体管的发射区、基区、集电区的体电阻和引线电阻均会产生热噪声。?散弹噪声散弹噪声是晶体管的主要噪声源。它是由单位时间内通过结的载流子数目随机起伏而造成的。?分配噪声集电极电流、基极电流这两部分电流的分配比例的随机性造成集电极电流在静态值上下起伏变化,产生噪声。?闪烁噪声一般认为是由于晶体管表面清洁处理不好或有缺陷造成的。3.场效应管噪声场效应管噪声主要包括?沟道热噪声（主要噪声源）场效应管是依靠多子在沟道中的漂移运动而工作的,沟道中多子的不规则热运动会在场效应管的漏极电流中产生类似电阻的热噪声。?散弹噪声栅极漏电流产生的散弹噪声。?闪烁噪声场效应管的闪烁噪声在高频时同样可以忽略。4.额定功率和额定功率增益在分析和计算噪声问题时,用额定功率额定功率和额定功率增益额定功率增益概念可以使问题简化,物理意义更加明确。?额定功率额定功率信号额定功率是指电压信号源Us可能输出的最大功率。当负载阻抗L与信号源阻抗s匹配时,信号源输出功率最大。所以,其额定功率为：4422ssssARIRUP=可见,额定功率是表征信号源的一个参量,与其实际负载值无关。用额定功率来表示电阻的热噪声功率电阻R的噪声额定功噪声额定功率率为：BWkTRBWfSRUPUnnA=4)(42因此，电阻的噪声额定功率只与温度及通频带有关,而与本身阻值和负载无关。电阻热噪声等效电路?额定功率增益额定功率增益额定功率增益PA是指一个线性四端网络的输出额定功率输出额定功率AoAo与输入额定功率输入额定功率AiAi的比值，即AiAoPAPPG=额定功率增益是表征线性四端网络的一个参量。只要网络与其信号源电路确定,则额定功率增益就是一个定值,而与该网络输入、输出电路是否匹配无关。图例16 sU?RsRRL【例16】【例16】求图例1.6所示四端网络的额定功率增益。.解:解:图示四端网络输入端额定功率Ai也就是输入信号源的额定功率,即ssAiRUP42=从四端网络输出端往左看,其戴维南等效电路是由信号源与电阻s串联组成的,所以输出端额定功率为：)(42RRUPssAo+=U siU si故额定功率增益为RRRPPGssAiAoPA+=可见,图示四端网络的额定功率增益仅与网络电阻和信号源内阻有关,与负载无关,且无论网络输入、输出端是否匹配均为一固定值。5.线性四端网络的噪声系数?高频电子线路中的放大器放大器,除了要满足增益、通频带、选择性增益、通频带、选择性等要求之外,还应对其内部噪声加以限制,一般是对放大器的输出端提出满足一定信噪比信噪比的要求。?所谓信噪比，是指四端网络某一端口处信号功率与噪声功率之比。信噪比SNR(Signal to Noise Ratio)通常用分贝数表示,通常写成)(lg10dBPPSNRns=其中，s、n分别为信号功率与噪声功率。?如果放大器是理想的（内部不产生噪声）理想的（内部不产生噪声）,当输入信号与噪声通过它时,二者都得到同样的放大,那么放大器的输出信噪比与输入信噪比应该相等。?实际放大器是由晶体管和电阻等元器件组成的,热噪声和散弹噪声构成其内部噪声,所以输出信噪比总是小于小于输入信噪比。?为了衡量放大器噪声性能的好坏,提出了噪声系数噪声系数这一性能指标。5.1 噪声系数定义5.1 噪声系数定义放大器的噪声系数噪声系数NF(Noise Figure)定义为输入信噪比与输出信噪比的比值,即/sinisonoPPNFPP=上述定义可推广到所有线性四端网络所有线性四端网络。可以看出,是一个大于或等于的数。其值越接近于,则表示该放大器的内部噪声性能越好。如果用分贝数表示,则写成)(/lg10dBPPPPNFnosonisi=?ni是随信号一起进入放大器的噪声功率,其大小是随机的,而噪声系数应是表征放大器内部噪声的确定值,所以有必要对ni进行标准化标准化。通常规定ni是输入信号源内阻s的热噪声产生在放大器输入端的噪声功率,而s的温度规定为,称为标准噪声温度标准噪声温度,用表示。相应的噪声系数称为“标准噪声系数”。?no是由s的热噪声和放大器内部噪声共同在放大器输出端产生的总噪声功率。5.2 噪声系数的计算式5.2 噪声系数的计算式噪声系数可以改写成各种不同的表达形式,以便于分析和计算。其中一种形式是用额定功率来代替实际功率用额定功率来代替实际功率,即不用考虑实际负载的大小,仅考虑一种最佳情况。这样,噪声系数可写成/sAinAisAonAoPPNFPP=推导，上式可写成nAinAopAPPGNF1=因为PnAi=kT0BW PnAo=PnAiGpA+PnAn其中nAn是放大器内部噪声额定功率是放大器内部噪声额定功率。把上面两个式子代入前式可得01nAipAnAnnAnpAnAipAP GPPNFG PG kTBW+=+5.3 放大器内部噪声表达式5.3 放大器内部噪声表达式放大器内部噪声额定功率nAnnAn()pAk0上式说明,当时,nAn,进一步表明了噪声系数是衡量放大器内部噪声性能的参数。5.4 级联噪声系数5.4 级联噪声系数5.4.1 两级放大器级联的情况5.4.1 两级放大器级联的情况：设它们的噪声系数噪声系数和额定功率增益额定功率增益分别为1、2和PA1、PA2,且假定通频带也相同。这时，总输出噪声额定功率nAo由三部分三部分组成,即nAonAiPA1PA2nAn1PA2nAn2 其中，nAn1和nAn2分别是第一级放大器和第二级放大器的内部噪声额定功率。(1.3.21)由课本上（1.3.20）可写出nAn1(1)PA1k0nAn2(2)PA2k0(1.3.22)(1.3.23)将课本（1.3.）、（1.3.）、（1.3.）代入式（1.3.）中,然后再将式（1.3.）和（1.3.21）代入式（1.3.）中,其中G GPAPA=G GPA1PA1G GPA2PA2,最后可求得两级放大器总噪声系数为1211PAGNFNFNF+=(1.3.24)5.4.2 n级放大器级联的情况：5.4.2 n级放大器级联的情况：将其前n-1级看成是第一级,第n级看成是第二级,利用式(1.3.24)可推导出级放大器总的噪声系数为3211121(1)111.nPAPAPAPAPA nNFNFNFNFNFGGGGG=+结论结论：(1)在多级放大器中,各级噪声系数对总噪声系数的影响是不同的,前级的影响比后级的影响大。(2)总噪声系数还与各级的额定功率增益有关。(3)为了减小多级放大器的噪声系数,必须降低前级放大器（尤其是第一级）的噪声系数,而且增大前级放大器（尤其是第一级）的额定功率增益。.5 无源四端网络的噪声系数.5 无源四端网络的噪声系数无源四端网络内部不含有源器件有源器件,但总会含有耗能电阻,所以从噪声角度来说,可以等效为一个电阻网络电阻网络。根据式（1.3.）,电阻的噪声额定功率与阻值无关,均为kTBW,因此无源四端网络的输入噪声额定功率nAi和输出噪声额定功率nAo相同,均为k,将其代入式（1.3.16），可知无源四端网络噪声系数为1PANFG=【例1.7】【例1.7】某接收机由高放、混频、中放高放、混频、中放三级电路组成。已知混频器的额定功率增益PA2.,噪声系数2,中放噪声系数3,高放噪声系数1。如要求加入高放后使整个接收机总噪声系数降低为加入前的1/10,则高放的额定功率增益PA1应为多少？解:解:先将噪声系数分贝数进行转换。、分别对应为(1.99)、(3.98)。因为未加高放时接收机噪声系数为252.014101232=+=+=PAGNFNFNF所以,加高放后接收机噪声系数应为5.2101=NFNF又21312111PAPAPAGGNFGNFNFNF+=因此dBNFNFGNFNFGPAPA8.164825.22.0/)14()110(/)1()1(12321=+=+=结论：结论：(1)加入一级高放后使整个接收机噪声系数大幅度下降,其原因在于整个接收机的噪声系数并非只是各级噪声系数的简单叠加,而是各有一个不同的加权系数。(2)未加高放前,原作为第一级的混频器噪声系数较大,额定功率增益小于；而加入后的第一级高放噪声系数小,额定功率增益大。(3)第一级采用低噪声高增益电路是极其重要的。6.等效输入噪声温度6.等效输入噪声温度等效输入噪声温度e（简称噪声温度噪声温度）亦是衡量线性四端网络噪声性能的一个参数。定义定义：噪声温度e是将实际四端网络内部噪声看成是理想无噪声四端网络输入端信号源内阻s s在温度在温度e e时所产生的热噪声时所产生的热噪声,这样,s的温度则变为0e,这种等效关系如图1.3.2 所示。噪声温度与噪声系数的等效关系线性四端网络(有内部噪声)GPA NF1Rs(T0)PnAo线性四端网络(理想无噪声)GPA NF1Rs(T0Te)PnAo(a)(b)由图（）PnAo=PnAiGPA+PnAn=kT0BWGPANF由图（b）nAok(0e)PA对比两式可得到等效输入噪声温度e e与与的关系式的关系式为00)1(1TNFTTTNFee=+=或可见,e值越大,表示四端网络的噪声性能越差，理想四端网络的e为零。结论：结论：噪声温度e常用在低噪声接收系统中,其特点是把噪声系数的尺度是把噪声系数的尺度放大了,便于比较放大了,便于比较。举例说明举例说明：某卫星电视接收机中高频头（由低噪声高频放大器、混频器、本机振荡器和中频放大器组成）有三种型号,其噪声温度分别为、和,对应的噪声系数分别为.、.和.。可见,在低噪声时采用噪声温度比采用噪声系数更容易和更方便显示其噪声性能的差别。