清华大学通信电路课件1.ppt

笫2章滤波器 本章要点 一 滤波器的基本概念滤波器的功能 作用 主要参数和分类滤波器特性的描述二 LC滤波器的设计与实现LC串 并联谐振回路特性 幅频 相频 阻抗 电抗 及相关计算 包括回路谐振频率 无载Q 有载Q 通频带 阻抗变换耦合回路的幅频特性一般LC低通滤波器的逼近方法 特点及设计步骤 三 如何用仿真法实现有源RC低通滤波器四 其它滤波器介绍 声表面波滤波器 陶瓷滤波器 抽样数据滤波器 1 用于形成传输电路中通频带 对信号进行限带处理 2 选择所需频率分量 在频分复用系统中完成解复用功能3 对传输信道的频率特性进行校正和消除有用信号频带外的干扰信号4 用于信号的延时和阻抗匹配与阻抗变换 滤波器的功能 对信号频谱进行处理 一 滤波器概述滤波 在信号中选择部分频率分量通过或者阻止部分频率分量通过 用途 描述滤波器特性的主要参数 输入 输出阻抗中心频率 带通 3dB带宽带内衰减带内不平度带外衰减 选择性 群延时等 一 滤波器概述 续 二 滤波器的特性描述 延时与失真 信号与延时后的信号 已知一信号是另一信号的延时 信号描述 延时信号 瞬时相位 延时量 只有延时 不存在失真 系统的相位延时与群延时 系统传输函数 一个角频率为的正弦信号通过滤波器后产生的延时 相位延时 一群不同频率的信号通过滤波器产生的延时 群延时 对于用相位传输信息的信号如QPSK 16QAM等群延时特性非常重要 希望其值为常数且小 群延时与线性失真 群延时描述一群不同频率的信号通过滤波器后所产生的时间延迟 是相频特性曲线在不同频率处的斜率 如果群延时为常数 表示信号各个频率分量的延时相同 不会产生波形失真如果群延时不为常数 不同频率分量的信号延时不同 产生波形失真信号无失真传输条件 通频带内 幅频特性为常数 相频特性为线性若幅频特性不为常数 则幅度失真若相频特性不为线性 则相位失真 滤波器的分类 滤波器的理想幅度 频率特性曲线 按其幅度频率特性分 a 低通 b 高通 c 带通 d 带阻滤波器 返回 滤波器的分类 续 用衰耗特性A 幅度 频率特性的倒数 表示低通 a 高通 b 带通 c 和带阻滤波器 d 黑处阻带 滤波器的理想衰耗 频率特性曲线 滤波器的分类 续 无源滤波器是由无源器件构成 电阻 电感和电容组成的RLC滤波器 晶体滤波器是利用石英晶体薄片构成 声表面波滤波器 SAW 压电材料为基体构成的一种电声换能元件 有源滤波器是指在所构成的滤波器中 除无源器件外还含有放大器等有源电路 RC有源滤波器 含有运算放大器 开关电容滤波器等 按其所用器件的特点可分为无源和有源滤波器 按处理的信号形式分类模拟滤波器数字滤波器抽样数据滤波器如 开关电容滤波器 开关电流滤波器等 滤波器的分类 续 二 LC滤波器 一 LC串 并联谐振回路及耦合回路 LC谐振回路是最简单也是最基本的LC滤波器电路并联谐振回路储能元件 电感和电容 并联电流驱动 电压输出传输函数具有阻抗的量纲 以并联谐振回路为主 回路品质因数Q回路阻抗 导纳 特性 回路谐振特性和谐振频率 频率特性 幅频特性与相频特性 通频带 矩形系数和谐波抑制度 信号源和负载特性 包括阻抗变换电路 LC谐振回路要求搞清以下问题 1 LC并联电路特点 回路电感元件的固有损耗电阻 包括电感线圈导线的欧姆电阻 由趋肤效应引起高频损耗电阻 固有损耗也可等效表示为并联谐振电阻 为负载阻抗 返回 图 a 图 b 如何等效 a b 当Q 1时 可以得出 由 回路空载 固有 品质因数Q 描述回路储能与它耗能之比 很小 欧姆量级 很大 K欧姆量级 1 LC并联电路特点 续 回路Q影响选择性 通频带 输出幅度等 关于LC回路Q值的补充说明 元件 电感 电容 Q 在任何频率上都可定义 电感线圈Q R主要是趋肤效应引起高频损耗频率越高 损耗越大 Q下降 在工作频率上测 电容器Q R主要是介质损耗 频率越高 介质损耗越大 低频时可用电解电容 高频工作时用高频陶瓷电容 云母电容等 一般 很高 在LC回路忽略电容损耗只考虑电感的损耗 回路的Q 只在谐振频率点上才有意义 无载 只考虑回路本身损耗R或Rp 结论 无载Q就是电感线圈在回路谐振点的Q值 有载 考虑信号源内阻Rs 负载RL的影响后 无载Q与有载Q的关系 关于LC回路Q值的补充说明 串联 并联 串 并联阻抗等效互换 为计算方便 等效原理 在工作频率上 从AB端看进去的阻抗 导纳 与A B 端相等 令 高Q情况下 得 同理 则 高Q情况下 得 串 并联阻抗等效互换 续 返回 2 回路阻抗特性 导纳特性 并联回路端阻抗的模和相角随频率变化的关系为 谐振时呈纯阻Rp 回路阻抗特性 续 并联回路的阻抗特性 并联回路的电抗特性 感性 容性 3 谐振特性和回路谐振频率 谐振特性 并联回路谐振时 流过电抗支路的电流 比激励电流大Q倍 称电流谐振 回路两端电压最大IgRp 式中 rad s 为回路无阻尼振荡频率 当Q 1时 串联回路谐振时 电感 电容器上电压是激励电压的Q倍 故串联谐振又称电压谐振 品质因数Q可用Q表测量 回路谐振频率 即Q 1回路谐振频率与无阻尼振荡频率相等 4 频率特性 通频带 矩形系数和谐波抑制度 频率特性 以 时的输出电压对归一化 可得并联谐振回路的相对幅频特性与相频特性 通频带Bw 通常指3dB带宽 也用表示 在附近 频率特性 通频带 矩形系数和谐波抑制度 续 谐波抑制度 例 设Q 100 则二次谐波抑制度 并联回路相对幅频特性 矩形系数 实际幅频特性偏离矩形的程度 频率特性 通频带 矩形系数和谐波抑制度都表征了回路的选频特性 环路Q越低 通频带越宽 5 信号源內阻和负载电阻对并联谐振回路的影响 减小 通频带加宽 选择性变坏 在有信号源內阻和负载电阻情况下 为减小对并联谐振回路的影响 需要应用阻抗变换电路 影响谐振回路谐振频率 并联谐振回路希望用恒流源激励 返回 6 阻抗变换电路 为减小对回路的影响 1 全耦合变压器等效为变压器初 次级匝数 从功率等效角度证明 理想变压器无损耗 2 双电容耦合电路 部分接入法 1 1 负载电阻是通过双电容分压接入并联谐振回路的 称为部分接入法 令接入系数 可得 p 1 条件 假定远大于 3 双电感抽头耦合电路 部分接入法 负载电阻是通过双电感抽头接入并联谐振回路的 称为部分接入法 令接入系数 P 1 L1 L2之间无互感 可得 条件 假定 4 部分接入 对回路两端即电感两端 法的选频电路举例 接入系数 对回路有载品质因数 影响明显减小 为了减小信源与负载并在回路两端对回路性能的影响 Q下降 fo改变 失配 采用部分接入 抽头 方式 接入系数P即为抽头与回路两端 指电感两端 的电压比 而且P 1 有条件近似 信源与负载从抽头接入 等效折合到回路两端 即从部分变换到整体 电阻变大倍 电容减小倍 电流源减小P倍 等效折合的原则 等效前后的功率不变 阻抗变换电路小结 7 LC串 并联谐振回路比较 例1 例2 7 LC串 并联谐振回路比较 续1 谐振时呈纯阻 谐振电阻Rs 谐振电阻Rp 7 LC串 并联谐振回路比较 续2 8 耦合振荡回路 初级回路 与激励信号源相接的回路次级回路 与负载相接的回路耦合系数k 表示两个初 次级回路之间的耦合程度 即相互影响对于图 a 图 b 互感耦合串联型回路 b 电容耦合并联型回路 耦合回路次级回路电压归一化的频率响应曲线 耦合因数 广义失谐 耦合振荡回路频率响应曲线 不仅是 的函数 而且还是 的函数 值不同 曲线形状不一样 频率特性曲线 以 为变量 为参变量 不同的 曲线形状不同 1临界耦合 单峰 1强耦合 过耦合 双峰 1弱耦合 单峰 由此得到 耦合回路 越大 带宽越宽 矩形系数越好 耦合振荡回路频率响应曲线小结 例1 串联回路如下图所示 信号源频率F 1MHz 电压振幅V 0 1V 将1 1端短接 电容C调到100PF时谐振 此时 电容C两端的电压为10V 如1 1端开路再串接一阻抗Z 电阻和电容串联 则回路失谐 电容C调到200PF时重新谐振 此时 电