通信電路原理第03章mhy2

1、本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：1. 濾波器簡(jiǎn)介濾波器簡(jiǎn)介2. 選頻回路的選頻回路的主要指標(biāo)：幅頻、相頻特性主要指標(biāo)：幅頻、相頻特性3. LC濾波器：并、串聯(lián)濾波器：并、串聯(lián)選頻回路選頻回路 諧振的基本概念與特性諧振的基本概念與特性 選頻特性選頻特性 實(shí)際并聯(lián)回路與實(shí)際并聯(lián)回路與有載有載Q4. 窄帶窄帶無(wú)源阻抗變換網(wǎng)絡(luò)無(wú)源阻抗變換網(wǎng)絡(luò)5.集中參數(shù)選頻集中參數(shù)選頻濾波器簡(jiǎn)介濾波器簡(jiǎn)介應(yīng)用：應(yīng)用： 射頻系統(tǒng)的各個(gè)模塊射頻系統(tǒng)的各個(gè)模塊放大、振蕩、混頻、放大、振蕩、混頻、調(diào)制、解調(diào)等調(diào)制、解調(diào)等1、選頻回路是做什么用的？、選頻回路是做什么用的？ 選出有用信號(hào)，濾除或抑制無(wú)用信號(hào)選出有用信號(hào)，濾除或抑制無(wú)

2、用信號(hào) 即：對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行濾波處理的電路即：對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行濾波處理的電路2、射頻電路中為何需阻抗變換？、射頻電路中為何需阻抗變換？ 1）實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸最大功率傳輸共軛匹配共軛匹配 2）在天線(xiàn)、低噪聲放大器或混頻器等接收機(jī)前端可）在天線(xiàn)、低噪聲放大器或混頻器等接收機(jī)前端可以以改善噪聲系數(shù)改善噪聲系數(shù) 3）濾波器或選頻回路前后匹配可）濾波器或選頻回路前后匹配可保證保證濾波器性能濾波器性能 4)長(zhǎng)線(xiàn)傳輸中，阻抗不匹配會(huì)產(chǎn)生反射長(zhǎng)線(xiàn)傳輸中，阻抗不匹配會(huì)產(chǎn)生反射幅度和相位幅度和相位 按其幅度頻率特性分按其幅度頻率特性分:（a)低通、低通、(b)高通、高通、(c)帶通、（帶通、（d）帶阻濾波器。

3、）帶阻濾波器。濾波器的濾波器的理想幅度理想幅度-頻率特性曲線(xiàn)頻率特性曲線(xiàn)通帶通帶阻帶阻帶通帶通帶通帶通帶阻帶阻帶理想：理想：通帶內(nèi)信號(hào)無(wú)衰減，帶外全抑制通帶內(nèi)信號(hào)無(wú)衰減，帶外全抑制濾波器的分類(lèi)（續(xù)）濾波器的分類(lèi)（續(xù)） 按其所用器件的特點(diǎn)分按其所用器件的特點(diǎn)分: 無(wú)源和有源濾波器無(wú)源和有源濾波器。 u 無(wú)源濾波器是由無(wú)源器件構(gòu)成。無(wú)源濾波器是由無(wú)源器件構(gòu)成。 電阻、電感和電容組成的電阻、電感和電容組成的RLC濾波器濾波器。 集中選頻濾波器：集中選頻濾波器：晶體濾波器晶體濾波器（石英晶體薄片構(gòu)成）（石英晶體薄片構(gòu)成）陶瓷濾波器陶瓷濾波器（鋯鈦酸鉛陶瓷材料組成）（鋯鈦酸鉛陶瓷材料組成）聲表面波濾波器

4、聲表面波濾波器(SAW)（壓電材料為基體構(gòu)成的一種電聲（壓電材料為基體構(gòu)成的一種電聲換能元件）換能元件）介質(zhì)濾波器介質(zhì)濾波器（介質(zhì)諧振腔組成，用于（介質(zhì)諧振腔組成，用于1GHz以上）以上）u有源濾波器是指在所構(gòu)成的濾波器中，除無(wú)源器件外還有源濾波器是指在所構(gòu)成的濾波器中，除無(wú)源器件外還含有放大器等有源電路。含有放大器等有源電路。 本章主要討論本章主要討論RLC選頻回路選頻回路jejHjH頻率特性： jHjHjHReImarctanarg相頻特性：)(jH幅頻特性：幅頻特性：3 3. .2 2 選頻回路的指標(biāo)選頻回路的指標(biāo)(1) 中心頻率中心頻率0f(2) 通頻帶通頻帶 BW3dB(3) 帶內(nèi)波

5、動(dòng)帶內(nèi)波動(dòng)(4) 選擇性選擇性( (與矩形系數(shù)與矩形系數(shù)0.10.11/2BWKBW(5)插入損耗）插入損耗）inoutPLP(6) 輸入、輸出阻抗（匹配）輸入、輸出阻抗（匹配） RinRout PoutPin選頻選頻回路回路BW20dB幅頻特性幅頻特性由于負(fù)載對(duì)濾波器頻響特性有很大的影響，因此射頻線(xiàn)性系統(tǒng)的傳由于負(fù)載對(duì)濾波器頻響特性有很大的影響，因此射頻線(xiàn)性系統(tǒng)的傳輸函數(shù)中必須包含負(fù)載和信源內(nèi)阻的影響。輸函數(shù)中必須包含負(fù)載和信源內(nèi)阻的影響。濾波器的特性都是在輸濾波器的特性都是在輸入、輸出端匹配的條件下測(cè)得的入、輸出端匹配的條件下測(cè)得的。( )dd 群時(shí)延群時(shí)延：結(jié)果：通頻帶內(nèi)不同頻率信號(hào)延遲

6、相同時(shí)間結(jié)果：通頻帶內(nèi)不同頻率信號(hào)延遲相同時(shí)間要求：在通頻帶內(nèi)要求：在通頻帶內(nèi)群時(shí)延為常數(shù)群時(shí)延為常數(shù)表現(xiàn)：相頻特性為表現(xiàn)：相頻特性為線(xiàn)性線(xiàn)性不產(chǎn)生相位失真不產(chǎn)生相位失真( )相頻特性相頻特性群延時(shí)描述一群不同頻率的信號(hào)通過(guò)濾群延時(shí)描述一群不同頻率的信號(hào)通過(guò)濾波器后所產(chǎn)生的時(shí)間延遲，是相頻特性波器后所產(chǎn)生的時(shí)間延遲，是相頻特性曲線(xiàn)在不同頻率處的斜率。曲線(xiàn)在不同頻率處的斜率。 ImarctanReH jH j 電阻電阻 r 電導(dǎo)電導(dǎo)G阻抗阻抗Z 導(dǎo)納導(dǎo)納Y電感電感L 電容電容C電容電容C 電感電感L電壓源電壓源VS 電流源電流源IS電流電流 I 電壓電壓 V電路的對(duì)偶性電路的對(duì)偶性串聯(lián)串聯(lián) 并聯(lián)

7、并聯(lián)LC 串并聯(lián)諧振回路串并聯(lián)諧振回路I()Z j1. 并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路標(biāo)準(zhǔn)電路形式標(biāo)準(zhǔn)電路形式回路輸入導(dǎo)納回路輸入導(dǎo)納諧振諧振的定義的定義:)(Y為純電阻為純電阻(或純電導(dǎo)）或純電導(dǎo)）諧振頻率諧振頻率LCfoo12 3.3.1諧振諧振的基本概念與特性的基本概念與特性1( )YGj Cj L1）阻抗特性）阻抗特性GY)(00L2）電壓特性）電壓特性 RIVSo輸出電壓最大且與信號(hào)源同相輸出電壓最大且與信號(hào)源同相3）品質(zhì)因數(shù)）品質(zhì)因數(shù)QQ諧振時(shí)回路總的儲(chǔ)能諧振時(shí)消耗的平均功率000CRRQCRGL諧振時(shí)的特點(diǎn)諧振時(shí)的特點(diǎn)22/CVVR4） 儲(chǔ)能元件（電感和電容）并聯(lián)；電流驅(qū)動(dòng)，電壓輸出儲(chǔ)

8、能元件（電感和電容）并聯(lián)；電流驅(qū)動(dòng)，電壓輸出01LCCSsLIjQLjRILjVI000電感電流電感電流SSCIjQRICjVCjI000電容電流電容電流特點(diǎn)：特點(diǎn)：電抗支路的電流比信號(hào)源電抗支路的電流比信號(hào)源大大Q倍倍5）電流特性）電流特性 串串并聯(lián)特性對(duì)照表并聯(lián)特性對(duì)照表SISVLCf1200LCf1200GY)(0rZ)(0 并聯(lián)并聯(lián) 串聯(lián)串聯(lián) 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) L.C.G并聯(lián)并聯(lián) C.L.r串聯(lián)串聯(lián) 激勵(lì)信號(hào)源激勵(lì)信號(hào)源 電流源電流源 電壓源電壓源 諧振角頻率諧振角頻率 諧振阻抗諧振阻抗 品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)諧振時(shí)電流諧振時(shí)電流(電壓電壓)LRGCQP00CrrLQ001SCLQIIISC

9、LQVVV2. 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路分析內(nèi)容分析內(nèi)容: 回路輸出電壓回路輸出電壓(電流電流)及回路阻抗及回路阻抗隨頻率變化特性隨頻率變化特性000/()( )1( )1()1()SSsIIIGVVYjGjCjQL輸出電壓輸出電壓:廣義失諧廣義失諧:)(00 Q說(shuō)明說(shuō)明: 1. 輸出電壓是輸出電壓是復(fù)數(shù)復(fù)數(shù)2. 輸出電壓輸出電壓與頻率有關(guān)與頻率有關(guān)1. 并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路3.3.2選頻特性選頻特性近似條件近似條件:00000000200()()()2()2() QQQQ 002arctgQ其中：其中：( )V公式：公式：討論討論諧振頻率附近諧振頻率附近的選頻特性的選頻特性1000002

10、000/()()2()22111 ()jsIGVVejQjQQ（1）公式：公式：200( )1()21()VSVQ 選擇性選擇性回路的回路的 值越高，選擇性越好值越高，選擇性越好 Q注意：注意：高的高的選擇性與選擇性與寬的寬的通頻帶對(duì)通頻帶對(duì) 的要求是矛盾的的要求是矛盾的Q 通頻帶通頻帶12S 令令 得得:QffBWdB0320f大，通頻帶很難窄大，通頻帶很難窄Q高，通頻帶窄高，通頻帶窄 矩形系數(shù)矩形系數(shù) 0,10,139.95dBBWKBW進(jìn)一步說(shuō)明單并聯(lián)回路對(duì)進(jìn)一步說(shuō)明單并聯(lián)回路對(duì)高的選擇性高的選擇性與寬的通頻帶與寬的通頻帶這對(duì)這對(duì)矛盾不能兼顧矛盾不能兼顧1幅頻特性幅頻特性02arctgQ

11、公式：公式： 諧振時(shí)諧振時(shí)0)(0含義：回路阻抗呈純電阻，輸出電壓與信號(hào)電流同相含義：回路阻抗呈純電阻，輸出電壓與信號(hào)電流同相 失諧時(shí)失諧時(shí)當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí) ，并聯(lián)，并聯(lián)回路阻抗呈回路阻抗呈感性感性；當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí) ，并聯(lián)并聯(lián)回路阻抗呈回路阻抗呈容性容性。 00)(00)(注注: 回路的回路的阻抗性質(zhì)阻抗性質(zhì)會(huì)隨頻率而會(huì)隨頻率而變變Q大大（2）并聯(lián)諧振回路相頻特性）并聯(lián)諧振回路相頻特性 線(xiàn)性相頻范圍線(xiàn)性相頻范圍 600)(2)(Qu當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，)(相頻特性相頻特性 呈呈線(xiàn)性線(xiàn)性02arctgQ公式公式：Q大大Q值是影響回路性能的最重要參數(shù)，它描述的是回路中的電值是影響回路性能的最重要參數(shù)，它描述的是回

12、路中的電抗與損耗之比，它的影響體現(xiàn)在選頻特性上?？古c損耗之比，它的影響體現(xiàn)在選頻特性上。 相頻特性曲線(xiàn)斜率相頻特性曲線(xiàn)斜率 020Qdd特點(diǎn)：特點(diǎn)： 負(fù)斜率負(fù)斜率 越大，相頻特性越陡越大，相頻特性越陡 Q22111SSSSSSPPXrjXrjXrjXR等效：等效：2222(1() )(1)sssPssssrXXRrrQrr實(shí)部相等：實(shí)部相等：虛部相等：虛部相等：22221(1 () )(1)sssPssssrXrXXXXXQ定義定義：支路支路 Q串聯(lián)支路串聯(lián)支路ssXQr并聯(lián)支路并聯(lián)支路PPRQXsPsPXRQrX兩者相等兩者相等串并聯(lián)支路阻抗變換串并聯(lián)支路阻抗變換討論信號(hào)源內(nèi)阻及負(fù)載對(duì)回路的

13、影響討論信號(hào)源內(nèi)阻及負(fù)載對(duì)回路的影響諧振阻抗諧振阻抗PLSTRRRR/和和 不影響回路諧振頻率只影響不影響回路諧振頻率只影響諧振阻抗諧振阻抗和和回路回路Q(chēng)SRLR有載有載 為為：00TeRQQLeQ結(jié)果：結(jié)果：通頻帶變寬，選擇性變差通頻帶變寬，選擇性變差回路損耗對(duì)應(yīng)回路損耗對(duì)應(yīng)-空載空載 ：000PLRQrL1 1 高高Q0Q等效等效有載品質(zhì)因數(shù)有載品質(zhì)因數(shù) Q在有信號(hào)源在有信號(hào)源內(nèi)內(nèi)阻和負(fù)載電阻情況下，為減小對(duì)并聯(lián)諧振回路的影阻和負(fù)載電阻情況下，為減小對(duì)并聯(lián)諧振回路的影響，外電路可采用阻抗變換電路響，外電路可采用阻抗變換電路。集成電路中可采用負(fù)阻電路。集成電路中可采用負(fù)阻電路。例例1：采用下

14、圖所示電路，要求實(shí)現(xiàn)諧振頻率為：采用下圖所示電路，要求實(shí)現(xiàn)諧振頻率為f0=100MHz，網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求為網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求為BW3dB =2MHz，電阻，電阻R=50歐，求歐，求L、C的值。的值。LC50R 例例2：已知一：已知一RLC并聯(lián)諧振回路的中心頻率并聯(lián)諧振回路的中心頻率f0=465kHz, Q0=120, L=100m mH試問(wèn)：回路的試問(wèn)：回路的C=? , BW3dB=? , 并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻R=?矩形系數(shù)矩形系數(shù)=？匹配網(wǎng)絡(luò)的作用匹配網(wǎng)絡(luò)的作用p 為了使得系統(tǒng)的某個(gè)性能達(dá)到最優(yōu)，希望負(fù)載阻抗為了使得系統(tǒng)的某個(gè)性能達(dá)到最優(yōu)，希望負(fù)載阻抗為某個(gè)特定的和系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)的一個(gè)最佳值為某個(gè)特定的

15、和系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)的一個(gè)最佳值 ，但實(shí)際的負(fù)載但實(shí)際的負(fù)載 不一定和它相符。不一定和它相符。匹配網(wǎng)絡(luò)LZinZ系統(tǒng)optZp匹配網(wǎng)絡(luò)，將負(fù)載阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，將負(fù)載阻抗 變換為變換為匹配網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)二端口阻抗變換器，一端接了負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)二端口阻抗變換器，一端接了負(fù)載 后從后從另一端看進(jìn)去的阻抗另一端看進(jìn)去的阻抗 應(yīng)該等于應(yīng)該等于在系統(tǒng)和負(fù)載之間加上一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)（阻抗變換網(wǎng)絡(luò)），在系統(tǒng)和負(fù)載之間加上一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)（阻抗變換網(wǎng)絡(luò)），可以使系統(tǒng)的這個(gè)性能達(dá)到最優(yōu)?？梢允瓜到y(tǒng)的這個(gè)性能達(dá)到最優(yōu)。OPTZOPTZOPTZLZinZLZLZ3.4 無(wú)源阻抗變換無(wú)源阻抗變換阻抗變換的阻抗變換的必要性必要性（3）保

16、證）保證濾波器性能：濾波器性能：LC濾波器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是針對(duì)特定的信源濾波器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是針對(duì)特定的信源內(nèi)阻內(nèi)阻RG和負(fù)載電阻和負(fù)載電阻RL的，如果阻抗不匹配，濾波器頻率特性的，如果阻抗不匹配，濾波器頻率特性將改變，將不符合設(shè)計(jì)指標(biāo)將改變，將不符合設(shè)計(jì)指標(biāo)（1）實(shí)現(xiàn)）實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸最大功率傳輸共軛匹配。共軛匹配。（2）最小噪聲系數(shù)匹配：最小噪聲系數(shù)匹配：信號(hào)源內(nèi)阻有一個(gè)最佳內(nèi)阻，可以信號(hào)源內(nèi)阻有一個(gè)最佳內(nèi)阻，可以保證二端口線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)最小保證二端口線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)最小對(duì)變換網(wǎng)絡(luò)的要求：對(duì)變換網(wǎng)絡(luò)的要求：寬帶寬帶：傳輸線(xiàn)變壓器（略）：傳輸線(xiàn)變壓器（略）窄帶窄帶：LC網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)（2）帶寬）帶寬（1

17、）損耗?。p耗小 用純電抗用純電抗阻抗阻抗變換變換網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際中負(fù)載阻抗與信號(hào)源阻抗并不一實(shí)際中負(fù)載阻抗與信號(hào)源阻抗并不一定匹配，往往需要插入電抗網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)定匹配，往往需要插入電抗網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行阻抗變換，以滿(mǎn)足匹配的要求。行阻抗變換，以滿(mǎn)足匹配的要求。變壓器參數(shù)：變壓器參數(shù)：初級(jí)電感量初級(jí)電感量12MkL L次級(jí)電感量次級(jí)電感量2L耦合系數(shù)耦合系數(shù)01k互感互感1L變壓器種類(lèi)變壓器種類(lèi)： 空心空心變壓器變壓器 磁芯磁芯變壓器變壓器耦合緊，漏感小耦合緊，漏感小( ) , 磁芯損耗隨頻率升高增大磁芯損耗隨頻率升高增大選擇磁芯時(shí)，要注意它的導(dǎo)磁率和損耗選擇磁芯時(shí)，要注意它的導(dǎo)磁率和損耗1k 理想變壓器：理

18、想變壓器：無(wú)損耗、耦合系數(shù)為無(wú)損耗、耦合系數(shù)為1，初級(jí)電感量為無(wú)窮，初級(jí)電感量為無(wú)窮理想變壓器理想變壓器阻抗變換：阻抗變換： 電壓電壓 電流電流 阻抗阻抗2121NNVV1221NNIILLRNNR221)(注意注意電流方向，負(fù)號(hào)表示實(shí)際電流方向，負(fù)號(hào)表示實(shí)際方向與假設(shè)方向相反方向與假設(shè)方向相反磁芯變壓器磁芯變壓器可近似為可近似為理想變壓器理想變壓器3 3. .4 4.1 .1 變壓器阻抗變換變壓器阻抗變換 3.4.2 部分接入進(jìn)行阻抗變換部分接入進(jìn)行阻抗變換 采用電抗元件部分接入時(shí)，將電阻采用電抗元件部分接入時(shí)，將電阻R接在兩個(gè)相同性質(zhì)接在兩個(gè)相同性質(zhì)的電抗元件的電抗元件X1與與X2之間，計(jì)

19、算其折合到整個(gè)并聯(lián)支路的之間，計(jì)算其折合到整個(gè)并聯(lián)支路的等效電阻。等效電阻。 等效折合的原則：等效折合的原則：等效前后的功率不變（等效前后的功率不變（根據(jù)電阻上的根據(jù)電阻上的功率相等功率相等來(lái)等效）來(lái)等效） 這種阻抗變換網(wǎng)絡(luò)一般是窄帶的，采用另一個(gè)異性電抗這種阻抗變換網(wǎng)絡(luò)一般是窄帶的，采用另一個(gè)異性電抗與與X1與與X2的串聯(lián)電抗諧振，電抗互相抵消，完成純電阻的串聯(lián)電抗諧振，電抗互相抵消，完成純電阻間的阻抗變換。間的阻抗變換。X1X2RX1X2R部分接入折合到全部R01.電感抽頭耦合電路電感抽頭耦合電路LR負(fù)載電阻負(fù)載電阻 是通過(guò)雙是通過(guò)雙電感抽頭電感抽頭接入并聯(lián)諧振回路接入并聯(lián)諧振回路的的, 接入系數(shù)接入系數(shù)212LLLp(P1) L1、L2之間無(wú)互感之間無(wú)互感可得可得2pRRLLLRLR1L2L1L2L+1V1V2LRL并聯(lián)支路并聯(lián)支路Q(chēng)值足夠大值足夠大2 2. . 電容耦合電路電容耦合電路-部分接入法部分接入法LRLRLLLRgRgR11112C2C1C1C負(fù)載電阻負(fù)載電阻 是通過(guò)雙是通過(guò)雙電容抽頭電容抽頭接入并聯(lián)諧振回路的接入并聯(lián)諧振回路的,稱(chēng)為電容稱(chēng)為電容部分接入法部分接入法211CCCp可得可得2pRRLL(p1. 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)與與參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算步驟：步驟：當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)sRLR變