通信電路原理ppt2

1、1笫笫2 2章章 濾波器濾波器本章主要內容：本章主要內容：2.12.1濾波器的基本概念濾波器的基本概念u 濾波器的功能、作用、濾波器的功能、作用、和分類和分類u 濾波器特性的描述濾波器特性的描述2.22.2 LCLC 濾波器的設計與實現濾波器的設計與實現2.2.1 2.2.1 最簡單的最簡單的LCLC濾波器濾波器-LC-LC 串、并聯諧振回路串、并聯諧振回路2.2.2.3 2.3 傳輸線阻抗變換器傳輸線阻抗變換器2.3 2.3 聲表面波聲表面波濾波器濾波器2.4 2.4 2幅度和相位幅度和相位3o 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、（

2、d）帶阻濾波器。）帶阻濾波器。濾波器的濾波器的理想幅度理想幅度-頻率特性曲線頻率特性曲線通帶通帶阻帶阻帶通帶通帶通帶通帶阻帶阻帶理想：理想：通帶內信號無衰減，帶外全抑制通帶內信號無衰減，帶外全抑制4濾波器的分類（續(xù)）濾波器的分類（續(xù)）用衰耗特性用衰耗特性A( ) （幅度（幅度-頻率特性的倒數）表示頻率特性的倒數）表示l低通（低通（a)、高通、高通(b)、帶通、帶通(c)和帶阻濾波器和帶阻濾波器(d)。ps1212(a)(b)(c)(d)0000A( )A( )A( )A( )濾波器的理想衰耗濾波器的理想衰耗-頻率特性曲線頻率特性曲線（黑處阻帶）（黑處阻帶）5濾波器的分類（續(xù)）濾波器的分類（續(xù)）

3、o 按其所用器件的特點分按其所用器件的特點分: 無源和有源濾波器無源和有源濾波器。 u 無源濾波器是由無源器件構成。無源濾波器是由無源器件構成。 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（石英晶體薄片構成）（石英晶體薄片構成）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）聲表面波濾波器聲表面波濾波器(SAW)（壓電材料為基體構成的一種電（壓電材料為基體構成的一種電 聲換能元件聲換能元件）介質濾波器介質濾波器（介質諧振腔組成，用于（介質諧振腔組成，用于1GHz以上）以上）u有源濾波器是指在所構成的

4、濾波器中，除無源器件外還有源濾波器是指在所構成的濾波器中，除無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。 RC有源濾波器（含有運算放大器）。有源濾波器（含有運算放大器）。開關電容濾波器等開關電容濾波器等 6o 按處理的信號形式分按處理的信號形式分l模擬濾波器模擬濾波器l數字濾波器數字濾波器l抽樣數據濾波器抽樣數據濾波器 如：如： 開關電容濾波器開關電容濾波器 、開關、開關 電流濾波器電流濾波器 等等7群延時等。群延時等。8o 濾波器為一線性時不變系統(tǒng)。濾波器為一線性時不變系統(tǒng)。o 線性系統(tǒng)的特性通常用其傳輸函數線性系統(tǒng)的特性通常用其傳輸函數/轉移函數來描述。轉移函數來描述。o 由于

5、負載對濾波器頻響特性有很大的影響，因此射頻線性系由于負載對濾波器頻響特性有很大的影響，因此射頻線性系統(tǒng)的傳輸函數中必須包含負載和信源內阻的影響。統(tǒng)的傳輸函數中必須包含負載和信源內阻的影響。濾波器的濾波器的特性都是在輸入、輸出端匹配的條件下測得的特性都是在輸入、輸出端匹配的條件下測得的。 濾波器（模擬）示意圖濾波器（模擬）示意圖9 jejHjH頻率特性： jHjHjHReImarctanarg相頻特性： 120logAHj衰減特性：幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性)(jH幅頻特性：幅頻特性：10 延時與失真延時與失真信號與延時后的信號（已知信號與延時后的信號（已知一信號是另一信號的延時）一信號是

6、另一信號的延時）n信號描述：信號描述：n延時信號：延時信號：n瞬時相位：瞬時相位：n延時量：延時量：tAtAtxcos)(cos()(tt)(1)(cos)()(cos)(11tAtxtAtx)(txt01)(tt只有延時，不存在失真！只有延時，不存在失真！11l系統(tǒng)傳輸函數：系統(tǒng)傳輸函數：)()()(jejHjHl相位延時相位延時 一個一個角頻率為角頻率為 的正弦信號通過的正弦信號通過濾波器后產生的延時。（希望線性）濾波器后產生的延時。（希望線性）)()(pl群延時群延時 一群一群不同頻率的信號通過濾波器產生不同頻率的信號通過濾波器產生的延時。（希望為常數且?。┑难訒r。（希望為常數且?。ヾd

7、g)()(群延時描述一群不同頻率的信號通過濾波器后所群延時描述一群不同頻率的信號通過濾波器后所產生的時間延遲，是相頻特性曲線在不同頻率處產生的時間延遲，是相頻特性曲線在不同頻率處的斜率。的斜率。12群延時與線性失真群延時與線性失真o 如果如果群延時為常數群延時為常數，表示信號各個頻率分量的延時相同，表示信號各個頻率分量的延時相同，不會產生波形失真不會產生波形失真 (見書見書P14圖圖b、c）o 如果群延時不為常數，不同頻率分量的信號延時不同，如果群延時不為常數，不同頻率分量的信號延時不同，產生波形失真產生波形失真(見書見書P14圖圖d、e）l對于用相位傳輸信息的信號如對于用相位傳輸信息的信號如

8、QPSK、16QAM等群等群延時特性非常重要，希望其值為常數延時特性非常重要，希望其值為常數o 信號無失真?zhèn)鬏敆l件：信號無失真?zhèn)鬏敆l件：n （通頻帶內）幅頻特性為常數，相頻特性為線性（通頻帶內）幅頻特性為常數，相頻特性為線性n 若幅頻特性不為常數若幅頻特性不為常數 ，則幅度失真，則幅度失真n 若相頻特性不為線性，則相位失真若相頻特性不為線性，則相位失真13o 2.2.2.1 LC2.1 LC串并聯諧振回路串并聯諧振回路n LCLC諧振回路是最簡單的諧振回路是最簡單的LCLC濾波器電路形式濾波器電路形式n 課堂上重點討論并聯諧振回路的特性課堂上重點討論并聯諧振回路的特性o 并聯諧振回路陸續(xù)出現在

9、后續(xù)章節(jié)中，如諧振放并聯諧振回路陸續(xù)出現在后續(xù)章節(jié)中，如諧振放大器，大器，LCLC振蕩器，調制與解調電路振蕩器，調制與解調電路n LCLC諧振回路諧振回路要求搞清以下問題：要求搞清以下問題： 1、回路品質因數、回路品質因數 Q（ 2、回路阻抗（導納）、電抗特性。、回路阻抗（導納）、電抗特性。 3、回路諧振特性和諧振頻率。、回路諧振特性和諧振頻率。 4、頻率特性（幅頻特性與相頻特性）。、頻率特性（幅頻特性與相頻特性）。 5、通頻帶、矩形系數和諧波、通頻帶、矩形系數和諧波抑制度抑制度 。 6、實際信號源和負載對諧振回路的影響。、實際信號源和負載對諧振回路的影響。 7、阻抗變換電路與匹配網絡、阻抗變

10、換電路與匹配網絡141. LC并聯諧振回路并聯諧振回路電路形式電路形式CCLLPR)(jZPsR 電感元件的固有損耗電阻包括電感線圈導線的歐姆電電感元件的固有損耗電阻包括電感線圈導線的歐姆電阻、阻、由由趨膚效應趨膚效應引起高頻損耗電阻。引起高頻損耗電阻。 大大Q低。低。sRPRgIgILICI 固有損耗也可等效為并聯諧振電阻固有損耗也可等效為并聯諧振電阻 為負載阻為負載阻 抗抗 。 )(jYPLRLR特點：儲能元件（電感和電容）并聯；電特點：儲能元件（電感和電容）并聯；電流驅動，電壓輸出，傳輸函數具有阻抗的流驅動，電壓輸出，傳輸函數具有阻抗的量綱。量綱。PPsssssssgoPjXRCLRCC

11、LLRjCRCLjRCjLjRCjLjRCjLjRjIjVjZ2222211111)()()(oV如何等效？如何等效？sR152222221LRLjLRRLjRYABPPPPBALjRLjRY1111BAABYYLRAB16)1 (2QRRP)1 ()1 (2222222QRRLRRLRRP)11 (2QCCP)11 (22222QLLLRLPLLRQRPP,2同理可得阻同理可得阻-容串并聯支路的互換容串并聯支路的互換CRABPPLRRLQPPRCCRQ1等效前后等效前后Q不變！不變！17阻抗串并聯支路等效互換（續(xù)）阻抗串并聯支路等效互換（續(xù)）o 統(tǒng)一的阻抗變換公式統(tǒng)一的阻抗變換公式sRsXP

12、RPXPpsssssssssPsssssssPXRRXQQXXRXXXRXQRRXRRXRR)11 ()(1 ()1 ()(1 (22222222返回22111SSSSSSppXRjXRjXRjXR182 2并聯回路諧振點特性并聯回路諧振點特性o 諧振諧振：如果在某個頻率點上，施加在回路兩端的電流和其所產：如果在某個頻率點上，施加在回路兩端的電流和其所產生的電壓是同相位的，則該頻率點為諧振頻率點。生的電壓是同相位的，則該頻率點為諧振頻率點。在諧振頻率在諧振頻率點上，回路兩端視入的阻抗（或導納）為純阻（或純電導）點上，回路兩端視入的阻抗（或導納）為純阻（或純電導）。o 諧振頻率諧振頻率： （ra

13、d/s),為回路無阻尼振蕩頻率回路無阻尼振蕩頻率。當Q1o 諧振阻抗諧振阻抗：純阻：純阻o 特征阻抗特征阻抗：諧振回路固有的阻抗特征，大小等于諧振頻率點上：諧振回路固有的阻抗特征，大小等于諧振頻率點上的電抗值的電抗值 pRjZ)(0LC10)(210HzLCfCLCLZ000120211()1PRLCLQ0p19諧振點特性（續(xù)）諧振點特性（續(xù)）o 品質因數品質因數Q ：儲能和耗能之比儲能和耗能之比。Q值越大，回路損耗值越大，回路損耗越小，即越小，即Rs越小，越小，Rp越大。越大。 o 并聯回路諧振性質并聯回路諧振性質 ：電流諧振。諧振點上，流過電流諧振。諧振點上，流過電抗（電感和電容）支路的電

14、流是信源電流電抗（電感和電容）支路的電流是信源電流 的的Q倍倍 。sssCRRLCLRQ0011LRGCQPPP0000jIjQjIgL00jIjQjIgC00jIjIgRpgI20 3. 3.阻抗特性阻抗特性 G L C jZP iI oV 001PPjQGjY PjPPPPeZjQGjYjZ00111：回路品質因數：無阻尼固有頻率LGGCQLCP00011)()()(1)(1)(002002arctgQQRjYjZPPPP PZ P220：容性：感性：0000PPPR2PR12214.頻率特性、帶寬頻率特性、帶寬o歸一化幅頻特性歸一化幅頻特性 02200002200()1( )()1()1

15、1221 ()1 ()vPppV jV jQfQQf 以以 時的輸出電壓時的輸出電壓 對對 歸一化歸一化0)(00jV)(0jV相頻特性相頻特性002( )()2()vPParctgQfarctgQf 0000312dBpfBWQCR帶寬：帶寬： 1/2VdBBW3指225.矩形系數和諧波矩形系數和諧波抑制度抑制度22)1(1lg10lg10)(nnQdBnn1 . 0K0.10.10.7BWKBW 諧波諧波抑制度抑制度基波成分輸出功率各種諧波成分輸出功率例：設例：設Q=100,則二次諧波則二次諧波抑制度抑制度并聯回路相對幅頻特性并聯回路相對幅頻特性dB52.237 . 0B1 . 0B236

16、.6.回路電抗特性回路電抗特性并聯回路電抗特性并聯回路電抗特性 fX 0f f Q O fX 0f f Q O 串聯回路電抗串聯回路電抗0 0X0 0X： 呈現容性呈現容性 00X： 呈現感性呈現感性0 0X： 呈現容性呈現容性： 呈現感性呈現感性247.7. 信號源信號源內內阻和負載電阻對回路的影響阻和負載電阻對回路的影響LCPRgRgCLCLgPRRRR/LRQL0Q減小，通頻帶加寬，減小，通頻帶加寬，選擇性變壞。選擇性變壞。LgCCCC 在有信號源在有信號源內內阻和負載電阻情況下，為減小對并聯諧振回阻和負載電阻情況下，為減小對并聯諧振回路的影響，需要應用路的影響，需要應用阻抗變換電路阻抗

17、變換電路。gI影響諧振回路諧振頻率。影響諧振回路諧振頻率。 并聯諧振回路希望用并聯諧振回路希望用恒流源激勵恒流源激勵。LR258.8. 阻抗變換電路阻抗變換電路（為減小對回路影響）（為減小對回路影響）12NN LRVP222211LRVP 12PP 2122LLRVRV221221NNVVRRLLLLLLRRRNNR221從從功率功率等效角度證明：等效角度證明：理想變壓器無損耗：理想變壓器無損耗：gRgRgCgCLR1L1L2L121LR1N2N1121V2VgIgI21,NN(1)(1) 全耦合變壓器等效全耦合變壓器等效 為變壓器初、次級匝數為變壓器初、次級匝數對對Q影響影響26(2)(2)

18、 雙電容耦合電路雙電容耦合電路-部分接入法部分接入法LRLRLLLRgRgR11112C2C1C1C負載電阻負載電阻 是通過雙是通過雙電容抽頭電容抽頭接入并聯諧振回路的接入并聯諧振回路的,稱為部分稱為部分接入法接入法, 令令接入系數接入系數p211CCCp可得2pRRLL(p1)gIgI21LRc對對Q影響影響27(3)(3) 雙電感抽頭耦合電路雙電感抽頭耦合電路 -部分接入法部分接入法LR負載電阻負載電阻 是通過雙是通過雙電感抽頭電感抽頭接入并聯諧振回路接入并聯諧振回路的的,稱為部分接入法稱為部分接入法, 令令接入系數接入系數212LLLp(P1) L1、L2之間無互感之間無互感可得2pRR

19、LLLRLR1L2L1L2L+1V1V2LRL28部分接入法的選頻電路舉例部分接入法的選頻電路舉例接入系數接入系數,2111CCCp2122LLLp22pRRLL21pRRggggIpI1/LgPRRRRLRQL0對回路對回路有有載品質因數載品質因數影響明顯減小。影響明顯減小。Ig回路兩回路兩端指電端指電感兩端感兩端29n 為了減小信源與負載并在回路兩端對回路性能的影響為了減小信源與負載并在回路兩端對回路性能的影響 （Q下降，下降，fo改變，失配），采用部分接入（抽頭）方式。改變，失配），采用部分接入（抽頭）方式。n 接入系數接入系數P即為抽頭與回路兩端（指電感兩端）的電壓比即為抽頭與回路兩端

20、（指電感兩端）的電壓比, 而而 且且 P1 - 有條件近似（負載無分流）。有條件近似（負載無分流）。n 信源與負載從抽頭接入，等效折合到回路兩端（即信源與負載從抽頭接入，等效折合到回路兩端（即從部分從部分變換到整體），電阻變大變換到整體），電阻變大 倍，倍， 電容減小電容減小 倍，電流倍，電流源減小源減小 P倍。倍。 n 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21P2P30串聯回路串聯回路諧振點特性諧振點特性n串聯回路電壓源激勵。諧振時，電感、電容器上串聯回路電壓源激勵。諧振時，電感、電容器上電壓是激勵電壓電壓是激勵電壓 的的 Q 倍，故串聯諧振又倍，故串聯諧振又

21、稱稱電壓諧振電壓諧振。SV00jVjQjVSL00jVjQjVSC00jVjVSRsn品質因數品質因數 Q 可用可用Q表測量。表測量。 R L C SV串聯諧振回路串聯諧振回路31例例1 1：串聯回路串聯回路如下如下圖所示。圖所示。 信號源頻率信號源頻率 F =1MHz。電壓振幅電壓振幅 V=0.1V。將將1-1端短接，電容端短接，電容C 調到調到100PF時諧振。此時，時諧振。此時，電電容容C 兩端的電壓為兩端的電壓為10V。如如1-1端開路再端開路再串串接一阻抗接一阻抗 Z （設兩個元件串聯而成）（設兩個元件串聯而成）則則回路失諧，電容回路失諧，電容 C 調到調到200PF時重新諧振。此時

22、，電容時重新諧振。此時，電容 C 兩端的電壓為兩端的電壓為2.5V。試求：線圈的電感試求：線圈的電感 L，回路品質因數回路品質因數 及未知阻抗及未知阻抗 Z 。1MHz0.1V11LRCVZ0Q32例例2：o并聯回路并聯回路如下如下圖所示。圖所示。 = =8PF， =40K（外接外接）1C2CgR1C2C1L2LLRgRRLR試求：試求：（1）無阻尼諧振頻率；無阻尼諧振頻率； （2） 等效諧振電阻等效諧振電阻 R ； （3）不接）不接 ，BW如何如何 變？變？10LRK提示提示：由由Q pRR100521QHLL，332.4 2.4 阻抗匹配阻抗匹配o 什么是匹配（什么是匹配（matchmat

23、ch）？）？n射頻電路中一般所說的匹配，是指為了實現最大功率傳射頻電路中一般所說的匹配，是指為了實現最大功率傳輸，負載阻抗與信源阻抗之間的關系輸，負載阻抗與信源阻抗之間的關系o 如果是匹配的，那么負載可以獲得最大的功率如果是匹配的，那么負載可以獲得最大的功率LGLGLGLoLRXXRRVRIP22222121GLGLLRRXXP達到最大，只能是要使LRPmaxPGROGGGGGRVRVRP22281421額定*GLZZ-共軛匹配共軛匹配（幅度）GVGGGjXRZLLLjXRZiVoV信源負載34射頻電路設計中的其他阻抗匹配概念射頻電路設計中的其他阻抗匹配概念n最小噪聲系數匹配最小噪聲系數匹配o

24、 信源內阻有一個最佳內阻，可以保證二端口線性網絡的信源內阻有一個最佳內阻，可以保證二端口線性網絡的噪聲系數最小（第三章討論）噪聲系數最?。ǖ谌掠懻摚﹏最大功率輸出匹配最大功率輸出匹配o 功率放大器在某個特定負載下具有最大的線性功率輸出功率放大器在某個特定負載下具有最大的線性功率輸出（第三章討論）（第三章討論）n頻率特性匹配頻率特性匹配o LCLC濾波器網絡設計是針對特定的信源內阻濾波器網絡設計是針對特定的信源內阻R RG G和負載電阻和負載電阻R RL L的，如果阻抗不匹配，濾波器頻率特性將改變，將不的，如果阻抗不匹配，濾波器頻率特性將改變，將不符合設計指標符合設計指標n穩(wěn)定性匹配穩(wěn)定性匹配

25、o 放大器中往往存在著寄生反饋環(huán)路，使得放大器可能出放大器中往往存在著寄生反饋環(huán)路，使得放大器可能出現不穩(wěn)定，但如果選擇的信源內阻和負載電阻合適（匹現不穩(wěn)定，但如果選擇的信源內阻和負載電阻合適（匹配），或者通過有損匹配，使得放大器無條件穩(wěn)定配），或者通過有損匹配，使得放大器無條件穩(wěn)定除了一般意義上的最大功率傳輸匹配，還有除了一般意義上的最大功率傳輸匹配，還有35匹配網絡的作用匹配網絡的作用p 為了使得系統(tǒng)的某個性能達到最優(yōu)，希望負載阻抗為某為了使得系統(tǒng)的某個性能達到最優(yōu)，希望負載阻抗為某個特定的和系統(tǒng)參數有關的一個最佳值個特定的和系統(tǒng)參數有關的一個最佳值 ，但實際但實際的負載的負載 不一定和它

26、相符。不一定和它相符。匹配網絡LZinZ系統(tǒng)optZp匹配網絡，將負載阻抗匹配網絡，將負載阻抗ZLZL變換為變換為匹配網絡為一個二端口阻抗變換器，一端接了負載匹配網絡為一個二端口阻抗變換器，一端接了負載ZLZL后從后從另一端看進去的阻抗另一端看進去的阻抗 應該等于應該等于在系統(tǒng)和負載之間加上一個匹配網絡（阻抗變換網絡），在系統(tǒng)和負載之間加上一個匹配網絡（阻抗變換網絡），可以使系統(tǒng)的這個性能達到最優(yōu)?？梢允瓜到y(tǒng)的這個性能達到最優(yōu)。OPTZOPTZOPTZLZinZ36LC 阻抗匹配網絡阻抗匹配網絡o 最常見的窄帶阻抗匹配網絡（也就是所謂的阻抗變換網最常見的窄帶阻抗匹配網絡（也就是所謂的阻抗變換網絡）的絡）的電路形式分別為電路形式分別為L型、型、 型及型及T型結構。型結構。o 窄帶阻抗匹配網絡功能：窄帶阻抗匹配網絡功能：阻抗變換和濾波。濾波效果取阻抗變換和濾波。濾波效果取決于網絡的決于網絡的Q值。值。o 對這三種匹配網絡的集總參數的分析與設計的對這三種匹配網絡的集總參數的分析與設計的基礎是串、基礎是串、并聯阻抗互換。并聯阻抗互換。 (a)(b)L型型(c) 型型(d)T型型37規(guī)律：規(guī)律：并臂一側的電阻大于串臂一側電阻。并臂一側的電阻大于串臂一側電阻。RL經經L型匹配網絡后在特定頻率型匹配網絡后在特定頻率 上轉換為上轉