电感滤波电路PPT课件.ppt

无线电基础知识 一 无线电通信基础知识二 常用电子线路三 晶体二极管和三极管 2019 12 29 Page 2 一 无线电通信基础知识 1 1 无线电波的划分1 2 无线电波的传播1 3 无线电发送与接收 2019 12 29 Page 3 无线电波 在电磁场里 磁场的任何变化会产生电场 电场的任何变化也会产生磁场 交变的电磁场不仅可能存在于电荷 电流或导体的周围 而且能够脱离其产生的波源向远处传播 这种在空间以 定速度传播的交变电磁场 就称为电磁波 无线电技术中使用的这一段电磁波通常称为无线电波 1 1 1 无线电波 2019 12 29 Page 4 1 1 2无线电波的波段 c T c f 2019 12 29 Page 5 1 1 3无线电波的应用 2019 12 29 Page 6 1 2无线电波的传播 频率从几十Hz 甚至更低 到3000GHz左右 波长从几十Mm到0 1mm左右的频谱范围内的电磁波 称为无线电波 电波旅行不依靠电线 也不象声波那样 必须依靠空气媒介帮它传播 有些电波能够在地球表面传播 有些波能够在空间直线传播 也能够从大气层上空反射传播 有些波甚至能穿透大气层 飞向遥远的宇宙空间 发信天线或自然辐射源所辐射的无线电波 通过自然条件下的媒质到达收信天线的过程 就称为无线电波的传播 2019 12 29 Page 7 1 地波 这是沿地球表面传播的无线电波 中波 长波 2 天波 也即电离层波 地球大气层的高层约100Km存在着 电离层 无线电波进入电离层时其方向会发生改变 出现 反射 因为电离层折射效应的积累 电波的入射方向会连续改变 最终会 拐 回地面 电离层如同一面镜子会反射无线电波 我们把这种经电离层反射而折回地面的无线电波称为 天波 受气候 季节 昼夜等因素影响 中 短波 无线电波的传播方式 一 2019 12 29 Page 8 3 空间波 由发射天线直接到达接收点的电波 被称为直射波 有一部分电波是通过地面或其他障碍物反射到达接收点的 被称为反射波 直射波和反射波合称为空间波 电视广播 微波中继 移动通信 4 散射波 当大气层或电离层出现不均匀团块时 12 16Km 无线电波有可能被这些不均匀媒质向四面八方折射和散射 使一部分能量到达接收点 这就是散射波 波长较短的波段 5 外球层传播 离开地面1000Km以外的宇宙间通信称为外球层传播 卫星通讯和卫星直播电视就是利用这种传播方式 无线电波的传播方式 二 2019 12 29 Page 9 1 3 1 无线电传送的好处1 电波传输不依靠电线 2 也不象声波那样 必须依靠空气媒介帮它传播 3 传播距离远 速度快 而且衰减小 4 频段宽 1 3 2有效的向外发射电磁波的条件1 要有足够高的振荡频率 因为频率越高 发射电磁波的本领越大 2 振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间 才有可能有效的将电磁场的能量传播出去 1 3无线电的发送与接收 2019 12 29 Page 10 2 无线电的发信部分信号源 低频放大器 调制器 高频信号振荡器 高频放大器 发射天线 1 3 3无线电传输任何一种无线电信号传输系统均由发信部分 收信部分和传输媒质三部分组成 1 无线电的传输媒质输无线电信号的媒质主要有地表 对流层和电离层等 这些媒质的电特性对不同波段的无线电波的传播有着不同的影响 3 无线电的收信部分接收天线 输入电路 高频放大器 变频器 中频放大器 解调器 低频放大 2019 12 29 Page 11 A 常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体 这个载体称为载波信号 B 用需要传输的信号去改变载波信号的某一参数 如幅值 频率 相位 这个用来改变载波信号的某一参数的信号称调制信号 C 在测控系统中需传输的是测量信号 通常就用测量信号作调制信号 经过调制的载波信号叫已调信号 2019 12 29 Page 12 1 3 4无线电信号的调制 1 调幅AM 使高频振荡的振幅随信号而改变叫做调幅 任何一种非线性器件都可以用来产生调幅彼 晶体管是一种非线性器件 只要让其工作在非线性 甲乙类 乙类或丙类 状态下 即可用它构成调幅电路 一般总是把高频载波信号和调制信号分别加在谐振功率放大器的晶体管的某个电极上 利用晶体管的发射结进行频率变换 并通过选频放大 从而达到调幅的目的 根据信号所加的电极不同 可分为基极调幅 集电极调幅和发射极调幅等多种调幅电路 调制 用传递信号去调制载波的过程 调制又有调幅与调频和调相之分 2019 12 29 Page 13 2 调频FM 使高频振荡的频率随信号而改变叫做调频 调频波 调频信号 的特点是 其频率随调制信号振幅的变化而变化 而它的幅度却始终保持不变 当调制信号的幅度为零时 调频波的频率称为中心频率 0 当调制信号向正的方向增大时 调频波的频率就高于中心频率 反之 当调制信号向着负的方向变化时 调频波的频率就低于中心频率 2019 12 29 Page 14 1 发射的无线电波如何被接收到 电磁波在空间传播时 如果遇到导体 会使导体产生感应电流 感应电流的频率跟激起它的电磁波的频率相同 因此利用放在电磁波传播空间中的导体 就可以接收到电磁波了 1 3 5无线电信号的解调 2 无线电波的调谐装置 天线 通过改变可变电容的电容大小改变调谐电路的固有频率 进而使其 与接收电台的电磁波频率相同 这个频率的电磁波就在调谐电路里激起较强的感应电流 这样就选出了电流最大的电磁波 解调 将调制信号还原出来的过程 解调又有检波与鉴频和鉴相之分 3 变频 混频 将一定频率范围的已调制高频信号变成固定的中频信号 调幅收音机中频 465KHz调频收音机中频 10 7MHz电视图象中频 38MHz 2019 12 29 Page 15 幅度检波 从调幅波中取出调制信号的过程 称为幅度检波 从高频调幅波中解调出原调制信号 4 无线电波的调幅解调 检波一 常用的检波电路三种 小信号平方律检波 大信号包络全波和乘积检波 分类 2019 12 29 Page 16 调幅检波的过程 2019 12 29 Page 17 5 无线电波的调频解调 检波二 2019 12 29 Page 18 二 常用电子线路 2 1 整流电路2 2 滤波电路2 3 稳压电路2 4 振荡电路 2019 12 29 Page 19 2 1整流电路 1 半波整流2 全波整流3 桥式整流 整流 利用整流元件 通常是整流二极管 的单向导电性 实现将交流电变换成单向的脉动直流电 单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过 而半波和全波整流电路中均有直流分量流过 所以单相桥式整流电路的变压器效率较高 在同样功率容量条件下 体积可以小一些 单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路 故广泛应用于直流电源之中 2019 12 29 Page 20 半波整流 2019 12 29 Page 21 全波整流 2019 12 29 Page 22 桥式整流 2019 12 29 Page 23 滤波 将脉动直流中的交流成分滤除 减少交流成分 增加直流成分 滤波电路利用电抗性元件对交 直流阻抗的不同 实现滤波 2 2 滤波电路 电容器C对直流开路 对交流阻抗小 所以C应该并联在负载两端 电感器L对直流阻抗小 对交流阻抗大 因此L应与负载串联 经过滤波电路后 既可保留直流分量 又可滤掉一部分交流分量 改变了交直流成分的比例 减小了电路的脉动系数 改善了直流电压的质量 2019 12 29 Page 24 电容滤波电路 电容滤波电路原理 若v2处于正半周 二极管D1 D3导通 变压器次端电压v2给电容器C充电 此时C相当于并联在v2上 所以输出波形同v2 是正弦波 当v2到达wt p 2时 开始下降 先假设二极管关断 电容C就要以指数规律向负载 L放电 指数放电起始点的放电速率很大 在刚过wt p 2时 正弦曲线下降的速率很慢 所以刚过wt p 2时二极管仍然导通 在超过wt p 2后的某个点 正弦曲线下降的速率越来越快 当刚超过指数曲线起始放电速率时 二极管关断 所以在t2到t3时刻 二极管导电 充电 Vi Vo按正弦规律变化 t1到t2时刻二极管关断 Vi Vo按指数曲线下降 放电时间常数为RLC 2019 12 29 Page 25 电感滤波电路原理 电感滤波电路 利用储能元件电感器 的电流不能突变的性质 把电感 与整流电路的负载 L相串联 也可以起到滤波的作用 当v2正半周时 D1 D3导电 电感中的电流将滞后v2 当负半周时 电感中的电流将更换经由D2 D4提供 因桥式电路的对称性和电感中电流的连续性 四个二极管D1 D3 D2 D4的导电角都是180 2019 12 29 Page 26 2 3 稳压电路 引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化 理想的稳压电路输出电阻Ro 0 则Vo与负载RL无关 为了降低Ro 稳定Vo 高质量的稳压电路必须采用深度电压负反馈以改善电路性能 2 3 1二极管稳压电路2 3 2串联型稳压电路2 3 3三端集成稳压电路 2019 12 29 Page 27 2 3 1二极管稳压电路 它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的 由于反向特性陡直 较大的电流变化 只会引起较小的电压变化 当输入电压变化时如何稳压 I VO VZ IZ IR VR VO 当负载电流变化时如何稳压 IO IR VR VZ VO IZ IR VR VO 2019 12 29 Page 28 稳压二极管的缺点是工作电流较小 稳定电压值不能连续调节 线性串联型稳压电源工作电流较大 输出电压一般可连续调节 稳压性能优越 目前这种稳压电源已经制成单片集成电路 广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中 线性串联型稳压电源的缺点是损耗较大 效率低 2 3 2串联型稳压电路 显然 VO VI VR 当VI增加时 R受控制而增加 使VR增加 从而在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影响 若负载电流IL增加 R受控制而减小 使VR减小 从而在一定程度上抵消了因IL增加 或VI减小 对输出电压的影响 2019 12 29 Page 29 在实际电路中 可变电阻R是用一个三极管来替代的 控制基极电位 从而就控制了三极管的管压降VCE VCE相当于VR 要想输出电压稳定 必须按电压负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路 典型的串联型稳压电路如图16 04所示 它由调整管 放大环节 比较环节 基准电压源几个部分组成 2019 12 29 Page 30 VI VO VF VO1 VCE VO 输入电压变化 负载电流保持不变 负载电流变化 输入电压保持不变 IL VI VO VF VO1 VCE VO 2019 12 29 Page 31 VF VREFVF Vo R2 R3 R1 R2 R3 nVo 其中n为取样系数 n R2 R3 R1 R2 R3 所以 Vo VREF n 调节R2显然可以改变输出电压 2019 12 29 32 2019 12 29 Page 33 串联型稳压电源的内阻很小 如果输出端短路 则输出短路电流很大 同时输入电压将全部降落在调整管上 使调整管的功耗大大增加 调整管将因过损耗发热而损坏 为此必须对稳压电源的短路进行保护 过载也会造成损坏 稳压电路的保护环节 保护的方法有反馈保护型和温度保护型两种 反馈保护型又分截流型和限流型两种 温度保护型是利用集成电路制造工艺 在调整管旁制作PN结温度传感器 当温度超标时 启动保护电路工作 工作原理与反馈保护型相同 2019 12 29 Page 34 截流型是当发生短路时 通过保护电路使调整管截止 从而限制了短路电流 使之接近为零 截流特性如图2 3 1所示 限流型是当发生短路时 通过电路中取样电阻的反馈作用 使输出电流得以限制 限流特性如图2 3 2所示 图2 3 1截流型特性图2 3 2限流型特性 2019 12 29 Page 35 将线性串联稳压电源和各种保护电路集成在一起就得到了集成稳压器 早期的集成稳压器外引线较多 现在的集成稳压器只有三个外引线 输入端 输出端和公共端 2 3 3三端集成稳压电路 2019 12 29 Page 36 振荡电路 是一种自激振荡电路 它的特点是利用 自激振荡 原理工作的 其实质是放大器引正反馈的结果 振荡电路是不需要输入信号 自己就可以产生一定输出信号的电子电路 2 4 振荡电路 振荡电路的振荡条件 相位平衡条件和幅值平衡条件1 振幅平衡条件 AF AF 1 2 其二为相位平衡条件 a f 2n n 0 1 2 自激振荡 是指在不外加信号的条件下 放大电路就能够产生某一频率和一定幅度的输出信号 这种现象称 自激振荡 2019 12 29 Page 37 振荡电路的组成部分 由四部分组成 即放大电路 反馈网络 选频网络和稳幅环节 1 放大电路具有一定的电压放大倍数 其作用是对选择出来的某一频率的信号进行放大 根据电路需要可采用单级放大电路或多级放大电路 2 反馈网络是反馈信号所经过的电路 其作用是将输出信号反馈到输入端 引入自激振荡所需的正反馈 一般反馈网络由线性元件R L和C按需要组成 3 选频网络具有选频的功能 其作用是选出指定频率的信号 以便使正弦波振荡电路实现单一频率振荡 选频网络分为Lc选频网络和Rc选频网络 使用LC选频网络的正弦波振荡电路 称为LC振荡电路 使用RC选频网络的正弦波振荡电路 称为RC振荡电路 4 稳幅环节具有稳定输出信号幅值的作用 以便使电路达到等幅振荡 因此稳幅环节是正弦波振荡电路的重要组成部分 2019 12 29 Page 38 2 4 1变压器反馈式振荡器 反馈网络采用变压器 利用变压器的一次绕组与电容并联组成振荡回路作选频网络 代替晶体管集电极电阻Rc 从变压器的二次绕组引回反馈电压并将其加到放大电路的输入端 电路如图1 31所示 变压器反馈式LC振荡电路的特点是振荡频率调节方便 容易实现阻抗匹配和达到起振要求 输出波形一般 频率稳定度不高 产生正弦波信号的频率为几千赫至几十兆赫 一般适用于要求不高的设备 2019 12 29 Page 39 电感三点式振荡器的典型电路如图1 32所示 在LC振荡回路中 电感有一个抽头使线圈分成两部分即线圈L1和线圈L2 线圈L1的3端接到晶体管的基极B 线圈L2的1端接晶体管的集电极C 中间抽头2接发射极E 也就是说电感线圈的三端分别接晶体管的三极 所以叫电感三点式振荡器 又称哈特莱振荡器 在该电路中L1兼作反馈网络 通过耦合电容Cl将Ll反馈电压加在晶体管的输入端 经放大后 在LC振荡回路中得到高频振荡信号 只要适当选择电感线圈抽头的位置 使反馈信号大于输入信号 就可以在LC回路中获得不衰减的等幅振荡 2 4 2电感三端式振荡器 式中 Ll L2为线圈抽头两边的自感系数 M为两段电感线圈的瓦感系数 C为振荡电容 fo为振荡频率 其振荡频率可由下式求得 2019 12 29 Page 40 2 4 3电容三端式振荡器 电容三点式振荡器的典型电路图 其结构与电感三点式振荡器相似 只是将L C互换了位置 LC振荡回路中采用两个电容串联成电容支路 两电容中间有一引出端 通过引出端从LC振荡回路的电容支路上取一部分电压反馈到放大电路的输入端 由于电容支路三个端点分别接于晶体管的三极上 所以把这种电路称为电容三点式LC振荡器 又称为柯尔皮兹振荡器 该电路的振荡频率可由下式求得 式中 Ceq为LC并联回路的等效电容 2019 12 29 Page 41 电感三点式振荡器和电容三点式振荡器各自的特点 电感三点式LC振荡器的特点是振荡频率调节方便 电路容易起振 输出信号的波形中含有高次谐波 波形较差 频率稳定度不高 可产生正弦波信号的频率为几千赫至几十兆赫 一般用于要求不高的场合或设备中 电容三点式LC振荡器的特点是频率调节不方便 输出信号的波形好 频率的稳定度较高 可产生几兆赫至100MHz以上的频率 一般用于频率固定或在小范围内频率调节的场合或设备中 电感三点式振荡器与电容三点式振荡器相比有两个缺点 1 改变电感不方便 2 因反馈电压取自Ll上 Ll对高次谐波阻抗大 从而引起振荡回路输出谐波分量增大 输出波形较差 2019 12 29 Page 42 采用RC元件组成的电路作选频网络的正弦波振荡电路 称为RC振荡器 按反馈网络的结构特点 RC振荡电路可分为RC移相式 RC桥式和双T式选频网络的振荡电路 其中RC桥式振荡电路采用RC串并联电路作选频网络 故又称RC串并联振荡电路 如图1 29所示 这个电路由两部分组成 即放大器Au和选频网络FuoAu为集成运算放大器所组成的电压串联负反馈放大器 而Fu则由Zl Z2组成 同时兼作正反馈网络 Zl Z2和Rl R2正好形成一个四臂电桥 放大电路的输入端和输出端分别接到电桥的两个对角线上 因此这种RC振荡电路又称RC桥式振荡器 2 4 4RC振荡器 2019 12 29 Page 43 RC移相式正弦波振荡电路是把RC移相网络作为正弦波振荡电路的反馈环节 如图l 30所示 该振荡电路的RC移相网络提供180 解的相移 而放大器采用反相输入比例放大电路 故 a 180 a f 0 满足振荡的相位条件 只要调节热敏电阻Rf 使放大倍数足以补偿反馈网络引起的信号幅度衰减 就可以产生正弦波振荡信号 RC移相式正弦波振荡电路 2019 12 29 Page 44 文氏电桥振荡电路 振荡电路的原理图如上图所示 其中集成运放A作为放大电路 它的选频网络是一个由R C元件组成的串并联网络 RF和R 支路引入一个负反馈 由图可见 串并联网络中的R1 C1和R2 C2以及负反馈支路中的RF和R 正好组成一个电桥的四个臂 因此这种电路又称为文氏电桥振荡电路 2019 12 29 Page 45 采用石英晶体作选频网络选频元件的正弦波振荡电路叫石英晶体振荡器 石英晶体振荡器的形式多种多样 但其基本电路只有两类 即并联晶体振荡电路和串联晶体振荡电路 在前者中石英晶体是以并联谐振的形式出现 而在后者中则是以串联谐振的形式出现 在并联晶体振荡电路中 石英晶体工作在串联谐振频率和并联谐振频率之间 石英晶体作为一个电感来组成振荡电路 而在串联晶体振荡电路中 石英晶体工作在串联谐振频率处 利用串联谐振时阻抗最小的特性来组成正弦波振荡电路 2 4 5石英晶体振荡器 2019 12 29 Page 46 分析判断电路能否产生振荡常采用的方法 分析电路能否产生振荡的方法是看电路是否满足自激振荡条件 首先检查相位平衡条件即检查反馈是否为正反馈 然后检查振幅平衡条件 一般振幅平衡条件比较容易满足 若不满足 可在测试调整时 通过改变放大倍数 Au 和反馈系数 F 使电路满足 AF 1的振幅平衡条件 通常只要正弦波振荡电路满足相位平衡条件 就可认为电路产生正弦波振荡 判断相位平衡条件 常用瞬时极性法 所谓瞬时极性法即断开反馈信号至放大电路的输入端点 在放大电路的输入端加一输入电压Vi 并设其极性为正 然后经过放大电路和反馈网络的传输放大后 若引入的是并联反馈 则看反馈信号Vf与输入信号Vi的极性是否相同 若两者极性相同 则电路满足相位平衡条件 能产生正弦波振荡 若两者极性不同 则电路不满足相位平衡条件 无法产生正弦波振荡 2019 12 29 Page 47 思考题 1 无线电的传播有哪几种方式 2 说说电磁波的特点 3 简单描述无线电信号传输系统 4 整流电路有哪几种方式 5 振荡电路的振荡条件是什么 三 晶体二极管与晶体三极管 3 1 半导体基础3 2 晶体二极管3 3 晶体三极管 2019 12 29 Page 49 3 1 半导体基础3 1 1半导体的概念3 1 2PN结的形成3 1 3PN结的单向导电性 2019 12 29 Page 50 3 1 1半导体的概念 半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 主要是硅 锗 硒及大多数金属氧化物和硫化物等四价元素 本征半导体本征半导体是一种完全纯净的 结构完整的半导体晶体 也就是说不含 杂质 的四价元素 所谓 杂质 就是非四价元素 2019 12 29 Page 51 杂质半导体在本征半导体中掺入微量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著的改变 因掺入杂质性质不同 杂质半导体可分为空穴 P 型半导体和电子 N 型半导体两大类 P型半导体是在纯净的半导体中掺入三价元素而形成的 其中空穴为多数载流子 自由电子为少数载流子 以空穴导电为主 三价元素 硼 铝 铟 受主原子 能够吸收电子的杂质原子 N型半导体是在纯净的半导体中掺入五价元素而形成的 其中自由电子为多数载流子 而空穴为少数载流子 以自由电子导电为主 五价元素 磷 砷 锑 施主原子 可以提供电子的杂质原子 2019 12 29 Page 52 由于热激发而产生的自由电子 自由电子移走后而留下的空穴 2019 12 29 Page 53 P型 N型半导体的导电能力虽然增强 但并不能直接用来制造半导体器件 通常应将一块完整的半导体中的一部分形成P型半导体 另一部分形成N型半导体 在流子扩散后 在P型及N型半导体的交界面处就会形成一个具有内电场的电荷区 称PN结 3 1 2PN结的形成 2019 12 29 Page 54 3 1 2 1载流子的浓度差产生的多子的扩散运动 在P型半导体和N型半导体结合后 在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差 N型区内的电子很多而空穴很少 P型区内的空穴很多而电子很少 这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散 因此 有些电子要从N型区向P型区扩散 也有一些空穴要从P型区向N型