高频电子线路-第二章.ppt

2选频网络 2 1串联谐振回路 2 2并联谐振回路 2 3串 并联阻抗的等效互换与回路抽头时的阻抗变换 2 4耦合回路 2 5滤波器的其他形式 2选频网络 所谓选频 滤波 就是选出需要的频率分量和滤除不需要的频率分量 用途 1 利用其选频特性构成各种谐振放大器 3 在调制 变频 解调充当选频网络 2 在自激振荡器中充当谐振回路 选频网络是通信系统各功能单元电路的基本构成部分 具有谐振特性 利用此特性可以实现选频和阻抗变换作用 2选频网络 高频电子线路中常用的选频网络有 选频网络 振荡电路 由L C组成 各种滤波器 LC集中滤波器 石英晶体滤波器 陶瓷滤波器 声表面波滤波器 高频电子线路中的选频网络要不失真完成带宽信号的选择 对其有一定的技术要求 2选频网络 要求 选频电路的有效带宽应与所选择的信号频谱宽度相适应 理想选频网络 带内 带外 即理想选频电路的选频特性曲线 幅频特性 应为矩形 而实际的选频特性曲线为单峰 2选频网络 技术指标 1 通频带 3db带宽 越小越好 其中 上限截止频率 下限截止频率 中心频率 2 矩形系数 反映回路的选择性 2 1串联谐振回路 2 1 1基本原理 2 1 2串联振荡回路的谐振曲线和通频带 2 1 3串联振荡回路的相位特性曲线 由电感线圈和电容器组成的单个振荡电路 称为单振荡回路 包括两种形式 2 1串联谐振回路 串联谐振电路 并联谐振电路 信号源与电容和电感串接 就构成串联振荡回路 2 1串联谐振回路 高频电子线路中的电感线圈等效为电感L和损耗电阻R的串联 电容器等效为电容C和损耗电阻R的并联 通常 相对于电感线圈的损耗 电容的损耗很小 可以忽略不计 损耗电阻 2 1串联谐振回路 阻抗 一 谐振现象 2 1 1基本原理 电抗 阻抗角 2 1 1基本原理 阻抗性质随频率变化的规律 串联单振荡回路的谐振特性 其阻抗在某一特定频率上具有最小值 谐振状态 而偏离此频率时将迅速增大 2 1 1基本原理 谐振条件 即信号频率 或 谐振时 回路阻抗值最小 即Z R 谐振频率 选频特性曲线 二 谐振特性 2 1 1基本原理 2 1 1基本原理 三 选频特性 若在串联振荡回路两端加一恒压信号U 则发生串联谐振时因阻抗最小 流过电路的电流最大 称为谐振电流 其值为 在任意频率下的回路电流I与谐振电流之比为 2 1 1基本原理 其中 Q被称为回路的品质因数 它是振荡回路的另一个重要参数 根据式画出相应的曲线如图所示 称为谐振曲线 其模为 2 1 1基本原理 由图可知 回路的品质因数越高 谐振曲线越尖锐 回路选择性越好 谐振特性曲线 实际上 谐振时 又因为 所以 2 1 1基本原理 2 1 1基本原理 串联谐振时 电感和电容两端的电压模值大小相等 且等于外加电压的Q0倍 电容和电感中储存的最大能量相等 由于Q0值较高 必须预先注意回路元件的耐压问题 2 1 1基本原理 回路的通频带 在实际应用时 外加的频率 与回路谐振频率 0之差 0表示频率 偏离谐振频率 0的程度 称为失谐 当 与 0很接近时 令为广义失谐量 则归一化式可写成 2 1 1基本原理 当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时 将回路电流值下降为谐振值的0 707时所对应的频率范围称回路的通频带 亦称回路带宽 通常用B表示 令上式等于0 707 则可以推得 1 从而可得带宽为 2 1 1基本原理 注意1 回路的通频带与选择性 矩形系数 是相互矛盾的 不可兼得 2 1 1基本原理 注意2 考虑回路的负载和电源的内阻 回路的空载品质因数 回路的有载品质因数 注意3 线圈Q与回路Q的区别 回路空载品质因数 线圈的品质因数 回路的特性阻抗 二者的区别 回路Q限定于谐振时 线圈Q无此限制 二者的相同点 都表示回路或线圈中的损耗 2 1 1基本原理 线圈的Q值常在几十到一 二百左右 2 1 3串联振荡回路的相位特性曲线 由于人耳听觉对于相位特性引起的信号失真不敏感 所以早期的无线电通信在传递声音信号时 对于相频特性并不重视 但是 近代无线电技术中 普遍遇到数字信号与图像信号的传输问题 在这种情况下 相位特性失真要严重影响通信质量 图2 1 7串联振荡回路的相位特性曲线 图2 1 8串联振荡回路通用相位特性 2 1 3串联振荡回路的相位特性曲线 由右图可见 Q值愈大 相频特性曲线在谐振频率 0附近的变化愈陡峭 但是 线性度变差 或者说 线性范围变窄 图2 1 7串联振荡回路的相位特性曲线 2 1 3串联振荡回路的相位特性曲线 2 2并联谐振回路 2 2 1基本原理和特性 2 2 2并联振荡回路的谐振曲线 相位特性曲线和通频带 2 2 3信号源内阻和负载电阻的影响 2 2 4低Q值的并联谐振回路 2 2 1基本原理和特性 串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻的情况或低阻抗电路 当频率不是非常高时 并联谐振回路应用最广 1 并联谐振回路原理 并联谐振回路是与串联谐振回路对偶的电路 其等效电路见下图 损耗电阻 2 2 1基本原理和特性 损耗电阻 回路的总阻抗 回路总导纳 式中电导G和电纳B分别为 2 2 1基本原理和特性 并联谐振 当并联谐振回路电纳部分B 0时 回路两端电压与电流同相 称为并联谐振 设并联谐振的角频率为 则 一般高Q R L 谐振特性 其导纳在某一特定频率上具有最小值 谐振状态 而偏离此频率时将迅速增大 谐振条件 即信号频率 或 2 2 1基本原理和特性 回路总导纳 1 p时 B 0呈感性 2 p时 B 0呈纯阻性 3 p时 B 0呈容性 阻抗性质随频率变化的规律 2 2 2并谐曲线和通频带 当信号源为电流源时 回路电压最大 即 谐振时 回路阻抗值最大 即 具有带通选频特性 2 并联谐振回路选频特性 并联谐振时 流经电感和电容的电流模值大小相近 方向相反 且约等于外加电流的Q倍 电感线圈支路的电流可以借助相量图求得 2 2 2并谐曲线和通频带 并联谐振回路谐振曲线 可见 对串联和并联谐振回路而言 谐振曲线是相似的 通频带和选择性一样求解 2 2 2并谐曲线和通频带 2 2 2并谐曲线和通频带 解 取 一个单谐振回路的矩形系数是一个定值 与其回路 值和谐振频率无关 且这个数值较大 接近于 说明单谐振回路的幅频特性不大理想 例 求并联谐振回路的矩形系数 解 考虑信号源内阻Rs和负载电阻RL后 由于回路总的损耗增大 回路Q值将下降 称为等效品质因数QL 由于QL值低于Qp 因此考虑信号源内阻及负载电阻后 并联谐振回路的选择性变坏 通频带加宽 2 2 3信号源内阻和负载电阻的影响 2 2 4低Q值的并联谐振回路 损耗电阻 谐振频率的精确计算 无论Q值大小 令 即 谐振频率为 2 2 4低Q值的并联谐振回路 分母虚部为零的频率为 由于Q值低 因此电路总的阻抗Z的最大值与纯阻不是同时发生 2 2 4低Q值的并联谐振回路 2 3串 并联阻抗的等效互换与回路抽头时的阻抗变换 2 3 1串 并联阻抗的等效互换 2 3 2并联谐振回路的其他形式 2 3 3抽头式并联电路的阻抗变换 2 3 3抽头式并联电路的阻抗变换 为了减小信号源或负载电阻对谐振回路的影响 信号源或负载电阻不是直接接入回路 而是经过一些简单的变换电路 将它们部分接入回路 常用的电路形式有变压器耦合连接 自耦变压器抽头电路和双电容抽头电路 下面分别介绍 首先 讨论负载电阻的部分接入问题 1 变压器耦合连接 接入系数 功率守恒 2 3 3抽头式并联电路的阻抗变换 2 自耦合变压器 接入系数 功率守恒 2 3 3抽头式并联电路的阻抗变换 3 电容抽头电路 接入系数 功率守恒 2 3 3抽头式并联电路的阻抗变换 其中 p为抽头系数 2 3 3抽头式并联电路的阻抗变换 通常 2 3 3抽头式并联电路的阻抗变换 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 同时还起到隔直流作用 当频率较高时 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 以上讨论了负载电阻的部分接入问题 下面讨论信号源及其内阻的部分接入问题 2 3 3抽头式并联电路的阻抗变换 2 4耦合回路 2 4 1互感耦合回路的一般性质 2 4 2耦合振荡回路的频率特性 2 5耦合回路 概述 单振荡回路具有频率选择性和阻抗变换的作用 但是 1 选频特性不够理想2 阻抗变换不灵活 不方便 为了使网络具有矩形选频特性 或者完成阻抗变换的需要 需要采用耦合振荡回路 耦合回路由两个或者两个以上的单振荡回路通过各种不同的耦合方式组成 耦合回路两个电路之间必须有公共阻抗存在 才能完成耦合作用 2 5耦合回路 图2 5 1各式耦合电路 2 5 1互感耦合回路的一般性质 常用的两种耦合回路 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 在耦合回路中接有激励信号源的回路称为初级回路 与负载相接的回路称为次级回路 2 5耦合回路 为了说明回路间的耦合程度 常用耦合系数 来表示 它的定义是 耦合回路的公共电抗 或电阻 绝对值与初 次级回路中同性质的电抗 或电阻 的几何中项之比 即 2 5耦合回路 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 一般C1 C2 C 通常CM C k 1 对电感耦合回路 若L1 L2 L k 1 图2 5 3互感耦合回路的一般形式 由基尔霍夫定律得出回路电压方程为 式中 Z11为初级回路的自阻抗 即Z11 R11 jX11 Z22为次级回路的自阻抗 即Z22 R22 jX22 2 5 1互感耦合回路的一般性质 互感耦合串联型回路 由基尔霍夫定律得出回路电压方程为 解得 2 5 1互感耦合回路的一般性质 图2 5 4初级等效电路 反射阻抗 又称为耦合阻抗 它的物理意义是 次级电流通过互感 的作用 在初级回路中感应的电动势对初级电流的影响 可用一个等效阻抗Zf1来表示 2 5 1互感耦合回路的一般性质 图2 5 5次级等效电路的两种形式 2 5 1互感耦合回路的一般性质 在次级回路中反射阻抗Zf2 图2 5 5次级等效电路的两种形式 2 5 1互感耦合回路的一般性质 2 5 1互感耦合回路的一般性质 对于耦合谐振回路 凡是达到了初级等效电路的电抗为零 或次级等效电路的电抗为零或初次级回路的电抗同时为零 都称为回路达到了谐振 调谐的方法可以是调节初级回路的电抗 调节次级回路的电抗及两回路间的耦合量 由于互感耦合使初 次级回路的参数互相影响 表现为反映阻抗 所以耦合谐振回路的谐振现象比单谐振回路的谐振现象要复杂一些 根据调谐参数不同 可分为部分谐振 复谐振 全谐振三种情况 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 2 5 1互感耦合回路的一般性质 全谐振 次级电流达到可能达到的最大值 可见 最佳全谐振时次级回路电流值与复谐振时相同 最佳全谐振是复谐振的一个特例 如果改变M 使R11 Rf1 R22 Rf2 满足匹配条件 则称为最佳全谐振 此时 调节初级回路的电抗及次级回路的电抗 使两个回路都单独的达到与信号源频率谐振 即x11 0 x22 0 这时称耦合回路达到全谐振 在全谐振条件下 两个回路的阻抗均呈电阻性 z11 R11 z22 R22 但R11 Rf1 Rf2 R22 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 2 5 1互感耦合回路的一般性质 最佳全揩振时的互感为 最佳全谐振时初 次级间的耦合称为临界耦合 与此相应的耦合系数称为临界耦合系数 以kc表示 Q1 Q2 Q时 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 2 5 1互感耦合回路的一般性质 耦合因数 耦合谐振回路两回路的耦合系数与临界耦合系数之比称为 是表示耦合谐振回路耦合相对强弱的一个重要参量 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 1称为强耦合 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 耦合回路的频率特性 2 5 2耦合振荡回路的频率特性 当初 次级回路 01 02 0 Q1 Q2 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 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 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 x11 xf1 0 Rf1 R11回路达到匹配 相当于复谐振 谐振曲线呈最大值 1 2 5 2耦合振荡回路的频率特性 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 耦合回路的通频带 根据前述单回路通频带的定义 当且Q1 Q2 Q 01 02 时可导出 2 5 2耦合振荡回路的频率特性 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 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 耦合回路的选择性 2 5 2耦合振荡回路的频率特性 故 令 0 1 1 则 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 习题 P53 2 12 22 52 62 82 92 17 2 6滤波器的其他形式 2 6 1LC集中选择性滤波器 2 6 2石英晶体滤波器 2 6 3陶瓷滤波器 2 6 4表面声波滤波器 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 2 6 1LC集中选择性滤波器 图2 6 1LC集中选择性滤波器 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 图3 6 2单节滤波器的电抗曲线 该滤波器的传输条件为 End 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 3 6 1 集中选择性滤波器 3 6 2石英晶体滤波器 为了获得工作频率高度稳定 阻带衰减特性十分陡峭的滤波器 就要求滤波器元件的品质因数 很高 LC型滤波器的品质因数一般在100 200范围内 不能满足上述要求 石英谐振器的品质因数 可达几万甚至几百万 因而可以构成工作频率稳定度极高 阻带衰减特性很陡峭 通带衰减很小的滤波器 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 l 压电效应和压电振荡 在石英晶体两个管脚加交变电场时 它将会产生一定频率的机械变形 而这种机械振动又会产生交变电场 上述物理现象称为压电效应 通常 压电效应并不明显 但是 当交变电场的频率为某一特定值时 机械振动和交变电场的振幅骤然增大 产生共振 称之为压电振荡 图3 6 2石英谐振器的符号和基频等效电路 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 3 6 2石英晶体滤波器 2 石英晶体的等效电路和振荡频率 图3 6 2石英谐振器基频等效电路 当石英晶体不振动时 可等效为一个平板电容C0 称为静态电容 其值决定于晶片的几何尺寸和电极面积 一般约为几 几十pF 当晶片产生振动时 机械振动的惯性等效为电感Lq 其值为几mH 几十H 晶片的弹性等效为电容Cq 为0 01 0 1pF 因此Cq C0 晶片的摩擦损耗等效为电阻rq 约为100 理想情况下rq 0 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 3 6 2石英晶体滤波器 当等效电路中的Lq Cq rq支路产生串联谐振时 该支路呈纯阻性 等效电阻为R 谐振频率 此时 整个网络的阻抗等于R并联C0的容抗 因R C0的容抗 故可近似认为整体也呈纯阻性 等效电阻为R 当f fs时 串联支路呈容性 石英晶体呈容性 当f fs时 L C和R支路呈感性 在某一频率将与C0产生并联谐振 石英晶体又呈纯阻性 谐振频率 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 3 6 2石英晶体滤波器 由于Cq C0 所以fs fp 当f fp时 C0容抗最大 起主导作用 石英晶体又呈容性 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 3 6 2石英晶体滤波器 容性 图3 6 2石英晶体谐振器的电抗曲线 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 3 6 2石英晶体滤波器 3 石英晶体滤波器的特点 频率稳定度很高 它具有很高的Q值 高达104 106 即频率选择性好 其次 晶体的C0 Cq 它的接入系数p Cq C0很小 大大减小了加到晶体两端的外部电路元件对晶体的影响 高频电子线路 第四版 张肃文主编高等教育出版社 3 6 2石英晶体滤波器