高頻電子技術(shù)2

1、第2章 選頻和濾波電路,無線電信號有不同波段，它們的頻率相差很大，用途也各不相同。如調(diào)幅廣播中波的頻率范圍為526.6～1606.5KHz，調(diào)幅廣播短波的頻率范圍為2～18MHz，調(diào)頻廣播的頻率范圍為87～108MHz。要選擇所需要的某一波段或頻段的信號接收，首先就要選頻和濾波。,LC諧振回路是最常用的選頻網(wǎng)絡(luò),攜帶有用信息的高頻已調(diào)波信號特點(diǎn)是頻率高，相對頻帶寬度較窄。要從多個高頻信號中選取需要接收的信號，選頻和濾頻電路不可缺

2、少。LC諧振回路是常用的選頻網(wǎng)絡(luò)，它有串聯(lián)回路和并聯(lián)回路兩種類型。,2.2 串聯(lián)諧振回路,在LC諧振回路中，當(dāng)信號源與電容、電感以及負(fù)載串接，就組成串聯(lián)諧振（series resonance）回路。如圖2-1所示，其中是負(fù)載電阻，r是電感L的損耗電阻。 串聯(lián)諧振回路的主要參數(shù)。1. 回路總阻抗,2. 回路諧振頻率 在某一特定頻率時，回路電抗為0，回路總阻抗為最小值，回路電流達(dá)到最大值，回路發(fā)生諧振。諧振角頻率

3、 諧振頻率為,f0 =,空載品質(zhì)因數(shù)：表示回路選擇性能好壞。幾十~幾百，較好,諧振特點(diǎn)： X=0, 為純阻性，此時回路阻抗最小，回路電流達(dá)到最大值，此時的空載回路電流為： 且 ω = ω0 純阻性 ω 〉 ω0 感性 ω 〈ω0 容

4、性,單位諧振曲線：回路電流隨頻率變化的曲線 。,圖2－2諧振回路的單位諧振曲線,失諧：Δω=ω-ω0 ω：外加信號的頻率 ω 與ω0很接近時,,相對失諧：,單位諧振曲線:,回路的選擇性 　由圖可以看出，LC諧振回路對偏離諧振頻率信號的抑制作用，偏離越大，N（f）越??；而且回路Q值越大，曲線就越尖銳，說明回路的選頻性能越好，回路Q值越小，曲線越平緩，回路的選頻性能就越差。,通頻帶定義：在輸入信

5、號幅值不變的前提下改變其頻率，使回路電流幅度為諧振時的 時，對應(yīng)的頻率范圍，用BW0.7表示。,單位:赫茲,1)Q0為空載的品質(zhì)因數(shù)時， ， BW0.7也為空 載值，記為： B Qe為帶載的品質(zhì)因數(shù)時， ， BW0.7也為帶載值，記為： BL（2）B增加， Q減少，通頻帶寬與回路的選擇性相矛盾。,4）矩形系數(shù)　　理想諧振回路的幅頻特性曲線，它是高度為1，寬度為BW0.7

6、的矩形?！　【匦蜗禂?shù)Kr0.1定義：單位諧振曲線N（f）值下降到0.1時的頻帶范圍與通頻帶之比，即,理想諧振回路Kr0.1＝1，實(shí)際回路的Kr0.1總是大于1，而且其數(shù)值越大，表示偏離理想值越大；其值越小，表示偏離理想值越小?！?shí)際單級單調(diào)諧LC諧振回路的矩形系數(shù)：它是一個與回路的Q值以及諧振頻率f0無關(guān)的定值，偏離理想回路值較大。,3　串聯(lián)諧振回路的應(yīng)用　　串聯(lián)諧振回路常用在接收機(jī)的輸入選頻電路以及濾波電路,例題 2.1

7、 見書,2.3 并聯(lián)諧振回路,(a) 并聯(lián)諧振回路; （b）等效電路; （c）阻抗特性; （d）輻角特性,1） 諧振特性,諧振條件：,諧振頻率：,諧振特點(diǎn)： 且 ω = ω0 X=0, 純阻性 ω 〉 ω0 容性 ω 〈ω0 感性,F0 =,空載品質(zhì)因數(shù)：表示回路選擇性能好壞。幾十～

8、幾百,等效電路：回路在諧振時的阻抗最大, 為一電阻R0,R0為并聯(lián)等效電阻；而 r 是串聯(lián)電阻，且通常僅為電感的漏電阻，所以，阻值很小。,回路的選擇性（如圖） 　由圖可以看出，LC諧振回路對偏離諧振頻率信號的抑制作用，偏離越大，|ZP|/R0越??；而且回路Q值越大，曲線就越尖銳，說明回路的選頻性能越好，回路Q值越小，曲線越平緩，回路的選頻性能就越差。,通頻帶,單位:赫茲,求:1、諧振頻率或確定參數(shù)：

9、 2、帶寬： 3、空載品質(zhì)因數(shù)： 4 、并聯(lián)等效電阻：,例 1 設(shè)一放大器以簡單并聯(lián)振蕩回路為負(fù)載, 信號中心頻率fs=10MHz, 回路電容C=50 pF, (1) 試計算所需的線圈電感值。 (2) 若線圈品質(zhì)因數(shù)為Q0=100, 試計算回路諧振

10、電阻及回路帶寬。 (3) 若放大器所需的帶寬BL=0.5 MHz, 則應(yīng)在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿足放大器所需帶寬要求? 解: (1) 計算L值。 由式(3 — 5), 可得,將f0以兆赫茲(MHz)為單位, Ｃ以皮法(pF)為單位, L以微亨（μH）為單位， 上式可變?yōu)橐粚?shí)用計算公式:,將f0=fs=10 MHz代入, 得,(2) 回路諧振

11、電阻和帶寬,回路帶寬為 （3-9）,(3) 求滿足0.5 MHz帶寬的并聯(lián)電阻。 設(shè)回路上并聯(lián)電阻為R1, 并聯(lián)后的總電阻為R1∥R0, 總的回路有載品質(zhì)因數(shù)為QL。 由帶寬公式, 有,此時要求的帶寬BL=0.5 MHz, 故,需要在回路上并聯(lián)7.97 kΩ的電阻。,回路總電阻為,2.3.2 并聯(lián)諧振回路的應(yīng)用,并聯(lián)諧振回路在高頻小信號放大器、高頻功率放大器、混頻器以及正弦波振蕩器中常用。,圖2—5 并聯(lián)諧振回路的應(yīng)用,2.4

12、 回路的阻抗變換圖2—6 串并聯(lián)回路等效互換,R0 = ( Q 2 + 1 ) r,XP = ( 1 + 1/Q2 ) XS,Q 》1 XP = XS,《》,2.4.2 回路部分接入的阻抗變換,回路是采用部分接入的并聯(lián)諧振回路,目的是實(shí)現(xiàn)阻抗匹配或變換。,圖2—7 自耦變壓器抽頭接入的阻抗變換,N1 總匝數(shù) N2 抽頭接入的匝數(shù) P = N2 / N1 接入系數(shù),RL/ = ( N1 / N2

13、 ）2 RL = RL / P2,N2小于N1，P小于1 所以變換后 RL/ 增大,U1/U2 = N1/N2I1/I2 = N2/N1,圖2—8 變壓器耦合聯(lián)接的阻抗變換,P = N2 / N1 接入系數(shù),RL/ = ( N1 / N2 ）2 RL = RL / P2,N2小于N1，P小于1 所以變換后 RL/ 增大,圖2—9 電容分壓接入電路及其阻抗變換等效電路,P = C1 / C1+C2

14、 接入系數(shù),RL/ = = RL / P2,雖然雙電容抽頭的連接方式多了一個電容元件，但是，它避免了繞制變壓器和線圈抽頭的麻煩，調(diào)整方便，同時還起到隔電流作用。再頻率較高時，可將分部電容作為此類電路總的電容，這個方法得到廣泛應(yīng)用。,圖 2-10 級間耦合連接的阻抗變換,2.5 耦合回路,常用的兩種耦合回路,耦合系數(shù)k：耦合回路的特性和功能與兩個 回路的耦合程度有關(guān),按耦合參量的大小：強(qiáng)耦合、弱耦合、臨界耦

15、合,電感耦合回路,電容耦合回路,為了說明回路間耦合程度的強(qiáng)弱，引入“耦合系數(shù)”的概念并以 k 表示。,對電容耦合回路：,通常 CM <<C：,k<1,對電感耦合回路：,任何電路的耦合系數(shù)不但都是無量綱的常數(shù)，而且永遠(yuǎn)是個小1的正數(shù)。,4）耦合回路的頻率特性：,當(dāng)初，次級回路?01 = ?02 = ?0，Q1 = Q2 = Q時， 廣義失調(diào) ，可以證明次級回路電流比,為廣義失諧，?為耦合因數(shù)，?

16、表示耦合回路的頻率特性。,耦合因數(shù) ? 是表示耦合諧振回路耦合相對強(qiáng)弱的一個重要參量。 ? 1稱為強(qiáng)耦合。 *各種耦合電路都可定義k，但是只能對雙諧振回路才可 定義?。,圖 2—12 耦合回路次級回路諧振曲線,當(dāng)回路諧振頻率? = ?0時， ?>1稱為強(qiáng)耦合，諧振曲線出現(xiàn)雙峰，谷值?<1,在 處，x11 + xf1 = 0, Rf

17、1 = R11回路達(dá)到匹配，相當(dāng)于復(fù)諧振，諧振曲線呈最大值，? = 1。,5）耦合回路的通頻帶,根據(jù)前述單回路通頻帶的定義， 當(dāng) ，Q1 = Q2 = Q，?01 = ?02 = ? 時可導(dǎo)出 若? = 1時， 一般采用? 稍大于1，這時在通帶內(nèi)放大均勻，而在通 帶外衰減很大，為較理想的幅頻特性。,BW0.7 =,矩形系數(shù)：,2.6

18、 濾波器原理與特性,根據(jù)組成元件的不同可分為：由電感和電容組成的LC濾波器；由電阻和電容組成的RC濾波器；由壓電晶體材料制成的晶體濾波器和陶瓷濾波器等。,LC濾波器,1 串聯(lián)諧振濾波器,當(dāng)ω＝ω0時，感抗與容抗相等，|Zs|最小，并為純電阻r,串聯(lián)在電路中時，頻率為F0的信號容易通過。,并聯(lián)在電路中時，頻率為F0的信號旁路接地,2 并聯(lián)諧振濾波器,當(dāng)ω＝ω0時，感抗與容抗相等，|Zs|最大，并為純電阻R0,串聯(lián)在電路中時，能阻止頻

19、率為F0的信號通過。,并聯(lián)在電路中時，頻率不為F0的信號旁路接地,3 LC串并聯(lián)組合諧振濾波器,1） K式低通濾波器,,,,,,,,,,,,,,,,,此濾波器讓低頻信號通過,,,,,,f,,fc,,,,2 K式高通濾波器,,,,,f,fc,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,此濾波器讓低頻信號通過,4,3 K式帶通濾波器,,,,,,fc1,fc2,f,結(jié)構(gòu)見圖 2 – 18,圖2—20 石英晶體諧振器,石英晶體具有

20、正、反兩種壓電效應(yīng)。當(dāng)石英晶體沿某一電軸受到交變電場作用時，就能沿機(jī)械軸產(chǎn)生機(jī)械振動，反過來，當(dāng)機(jī)械軸受力時，就能在電軸方向產(chǎn)生電場。且換能性能具有諧振特性，在諧振頻率，換能效率最高。,石英片相當(dāng)一個串聯(lián)諧振電路，可用集中參數(shù)Lq、Cq、rq來模擬，Lq為晶體的質(zhì)量（慣性），Cq 為等效彈性模數(shù)，rg 為機(jī)械振動中的摩擦損耗。,石英晶體的特點(diǎn)是：等效電感Lq特別大、等效電容Cq特別小，因此，石英晶體的Q值 　很大，

21、一般為幾萬到幾百萬。這是普通LC電路無法比擬的。,石英諧振器的等效電抗（阻抗特性） 石英晶體有兩個諧振角頻率。一個是左邊支路的串聯(lián)諧振角頻率?q，即石英片本身的自然角頻率。另一個為石英諧振器的并聯(lián)諧振角頻率?p。 串聯(lián)諧振頻率 并聯(lián)諧振頻率,當(dāng)? = ?q時z0 = 0 Lq、Cq串諧諧振，當(dāng)? = ?p，

22、z0 = ?，回路并諧諧振。當(dāng) 為容性。 當(dāng) 時,jx0 為感性。其電抗曲線如上圖所示。,石英晶體用作濾波器，其Q值很高，所以濾波器的選擇性很好，阻頻帶衰減特性陡峭，工作頻率穩(wěn)定。,石英晶體的二個諧振頻率之間的寬度決定了濾波器的通頻帶帶寬，因二個諧振頻率很接近，所以濾波器帶寬很窄，通常希望適當(dāng)

23、移動濾波器的通頻帶，可以通過外加電感與石英晶體串聯(lián)或并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。,陶瓷濾波器,利用某些陶瓷材料的壓電效應(yīng)構(gòu)成的濾波器，稱為陶瓷濾波器。它常用鋯鈦酸鉛[Pb(zrTi)O3]壓電陶瓷材料（簡稱PZT）制成。,這種陶瓷片的兩面用銀作為電極，經(jīng)過直流高壓極化之后具有和石英晶體相類似的壓電效應(yīng)。 優(yōu)點(diǎn)：容易焙燒，可制成各種形狀；適于小型化；且耐熱耐濕性好。 它的等效品質(zhì)因數(shù)QL為幾百，比石英晶體低但比LC濾波高。,符號

24、及等效電路,圖中C0 等效為壓電陶瓷諧振子的固定電容；Lq? 為機(jī)械振動的等效質(zhì)量；Cq? 為機(jī)械振動的等效彈性模數(shù)；Rq?為機(jī)械振動的等效阻尼；其等效電路與晶體相同。,并聯(lián)諧振頻率 式中，C ?為C0和C8?串聯(lián)后的電容。,其串聯(lián)諧振頻率,四端陶瓷濾波器： 如將陶瓷濾波器連成如圖所示的形式，即為四端陶瓷濾波器。圖(a)為由二個諧振子組成的濾波器，圖(b)為由五個諧振子組成四端濾波器。諧

25、振子數(shù)目愈多，濾波器的性能愈好。,三端陶瓷濾波器,,,,,,,,,,,,,,,,,1,2,3,等效電路相當(dāng)于一個雙調(diào)諧耦合回路，具有較好的選擇性與適當(dāng)?shù)膸?，無須調(diào)整。,聲表面波濾波器,聲表面波濾波器SAWF（Surface Acoustic Wave Filter）是一種以鈮酸鋰、石英或鋯鈦酸鉛等壓電材料為襯底（基體）的一種電聲換能元件。 1. 結(jié)構(gòu)與原理： 聲表面波濾器是在經(jīng)過研磨拋光的極薄的壓電材料基片上，用蒸

26、發(fā)、光刻、腐蝕等工藝制成兩組叉指狀電極，其中與信號源連接的一組稱為發(fā)送叉指換能器，與負(fù)載連接的一組稱為接收叉指換能器。當(dāng)把輸入電信號加到發(fā)送換能器上時，叉指間便會產(chǎn)生交變電場。,聲表面波濾器的濾波特性，如中心頻率、頻帶寬度、頻響特性等一般由叉指換能器的幾何形狀和尺寸決定。這些幾何尺寸包括叉指對數(shù)、指條寬度a、指條間隔b、指條有效長度B和周期長度M等。上圖是聲表面波濾波器的基本結(jié)構(gòu)圖。嚴(yán)格地說，傳輸?shù)穆暡ㄓ斜砻娌ê腕w波，但主要是聲面波。在