大三上-通信電路原理課件

2023年1月9日《通信電路原理》1《通信電路原理》田亞飛Email：2023年1月9日《通信電路原理》22.1濾波器的特性和分類2.2LC濾波器

2.2.1LC串、并聯(lián)諧振回路

2.2.2一般LC濾波器2.3聲表面波濾波器2.4有源RC濾波器笫2章濾波器2023年1月9日《通信電路原理》3電路名稱串聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路激勵源恒壓源恒流源諧振頻率通頻帶品質(zhì)因數(shù)Q諧振性質(zhì)電壓諧振電流諧振簡單的LC串并聯(lián)諧振電路所能實(shí)現(xiàn)的頻率特性往往不能滿足要求，因此,需要尋求能實(shí)現(xiàn)各種頻率特性和具有更高性能指標(biāo)的濾波器結(jié)構(gòu)。描述問題：首先要給出濾波器的技術(shù)指標(biāo)，描述濾波器的衰減特性曲線。

網(wǎng)絡(luò)綜合法根據(jù)四端網(wǎng)絡(luò)的分析與綜合理論來完成濾波器的設(shè)計(jì)，其三個要點(diǎn)為：描述問題，逼近問題，實(shí)現(xiàn)問題2.2.2一般LC濾波器LC濾波器的設(shè)計(jì)常用網(wǎng)絡(luò)綜合法。1.網(wǎng)絡(luò)綜合法要點(diǎn)實(shí)際特性與理想特性之間主要的區(qū)別在于：通帶衰耗不為零；阻帶衰耗不為無窮大。通帶和阻帶之間有過渡帶。通帶和阻帶內(nèi)不一定平坦，可有起伏。1BW2023年1月9日《通信電路原理》5逼近問題：尋找逼近衰減特性曲線的可實(shí)現(xiàn)的傳輸函數(shù)。常用的逼近方法有巴特沃斯函數(shù)逼近、切比雪夫函數(shù)逼近、橢圓函數(shù)逼近和貝塞爾函數(shù)逼近，另外還有高斯函數(shù)逼近等。實(shí)現(xiàn)問題：根據(jù)要求設(shè)計(jì)出低通濾波器的數(shù)據(jù)。高通、帶通和帶阻濾波器的設(shè)計(jì)，可以通過對低通濾波器的變換得到，因此常稱低通濾波器為

原型濾波器。

2.2.2一般LC濾波器（續(xù)1）1.網(wǎng)絡(luò)綜合法要點(diǎn)（續(xù)）2.

描述問題（十個參數(shù)）Ar表示通帶內(nèi)最大波紋衰減；r表示波紋帶寬；As表示阻帶最小衰減；s表示阻帶邊緣角頻率；p表示通帶內(nèi)幅度起伏；s表示阻帶內(nèi)幅度起伏；截止頻率

c

(衰減3分貝處角頻率)；特征阻抗。其中：Ap表示最大通帶衰減；p表示通帶角頻率；2.2.2一般LC濾波器（續(xù)2）2023年1月9日《通信電路原理》73.逼近問題四種逼近衰減特性曲線的方法一、巴特沃斯逼近（Butterworth）（幅度最大平坦型）：幅頻特性和相頻特性是平坦的。適用于一般性濾波。二、切比雪夫逼近（Chebyshev）（等波紋型）：幅頻和相頻特性在通帶內(nèi)有小的起伏。適用于調(diào)制與解調(diào)電路中。三、貝塞爾逼近（Beseel）（相位平坦）：在整個通帶內(nèi)，相位-頻率特性的起伏最小或最平的逼近稱為貝塞爾逼近。四、橢圓逼近（Elliptic）（狹窄過渡帶）：使幅度-頻率特性具有陡峭的邊緣或狹窄的過渡頻帶的逼近稱為橢圓逼近。2.2.2一般LC濾波器（續(xù)3）3.逼近問題（續(xù)1）四種逼近的方法（續(xù)1）一、巴特沃斯逼近（Butterworth）1.0100.10°270°1.0100.1通帶和阻帶內(nèi)單調(diào)變化，帶外衰減較緩，適用于一般性濾波。（幅度最大平坦型）：3.逼近問題（續(xù)2）四種逼近的方法（續(xù)2）幅頻和相頻特性在通帶內(nèi)有小的起伏，呈波紋式變化，但帶外衰減速度較快。適用于調(diào)制與解調(diào)電路中。二、切比雪夫逼近（等波紋型）：（Chebyshev)1.0100.10°270°10.1-3-2-103.逼近問題（續(xù)3）四種逼近的方法（續(xù)3）1.0100.1三、貝塞爾逼近（Beseel）（相位平坦）：通帶和阻帶內(nèi)單調(diào)變化，在整個通帶內(nèi)，相位-頻率特性的起伏最小或最平。1.0100.12023年1月9日《通信電路原理》11四種逼近的方法(續(xù)4)在使用上述四種濾波器時，可根據(jù)所需頻率特性利用查表的方法得到相應(yīng)的傳輸函數(shù)和電路。3.逼近問題（續(xù)4）四、橢圓逼近（Elliptic）（狹窄過渡帶）：通帶和阻帶內(nèi)呈波紋式變化，幅度-頻率特性具有陡峭的邊緣或狹窄的過渡頻帶。01.02023年1月9日《通信電路原理》12（1）濾波器的歸一化設(shè)計(jì)濾波器的歸一化設(shè)計(jì)：為了數(shù)據(jù)表格的通用性，將濾波器的阻抗用負(fù)載阻抗進(jìn)行歸一化，頻率用截止頻率進(jìn)行歸一化。工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表格：濾波器計(jì)算曲線(P43)，濾波器衰減特性曲線(P44)，濾波器群延時特性曲線(P45)和低通濾波器歸一化元件值表(P45-47)等。統(tǒng)一結(jié)構(gòu)形式：梯形網(wǎng)絡(luò)4.實(shí)現(xiàn)問題2023年1月9日《通信電路原理》134.實(shí)現(xiàn)問題（續(xù)1）（1）濾波器的歸一化設(shè)計(jì)（續(xù)1）一、濾波器阻抗歸一化要求：用負(fù)載阻抗進(jìn)行歸一化；原則：保持濾波器各元件間的阻抗關(guān)系不變。歸一化公式：2023年1月9日《通信電路原理》144.實(shí)現(xiàn)問題（續(xù)2）（1）濾波器的歸一化設(shè)計(jì)（續(xù)2）二、濾波器頻率歸一化要求：用截止頻率進(jìn)行歸一化；原則：保持濾波器各元件間的阻抗關(guān)系不變。歸一化公式：2023年1月9日《通信電路原理》154.實(shí)現(xiàn)問題（續(xù)3）（1）濾波器的歸一化設(shè)計(jì)（續(xù)3）三、真正元件值計(jì)算要將工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表格中歸一化元件值和歸一化頻率標(biāo)定成實(shí)際截止頻率和負(fù)載阻抗時的元件值，應(yīng)該按下式計(jì)算：歸一化公式：4.實(shí)現(xiàn)問題（續(xù)4）

（2）低通濾波器的設(shè)計(jì)低通濾波器的設(shè)計(jì)過程:（1）根據(jù)低通濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，選擇低通濾波器的形式（幅度最大平坦型、等波紋型………)。（2）利用濾波器計(jì)算曲線，根據(jù)指標(biāo)參數(shù)確定濾波器的階次n。（3）選擇電路。滿足同一要求的低通濾波器電路都有兩種結(jié)構(gòu)，它們互為對偶，一般選擇電感少的電路。（4）根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)和已求得的階次n，從歸一化元件值表中查得歸一化元件值。（5）使用歸一化公式求得各元件的實(shí)際值并畫出電路圖。信號源電阻和負(fù)載電阻Rs和RL，通常取二者相等。也可使用軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計(jì)。（ADS)

2023年1月9日《通信電路原理》17舉例：例2.3.1（P49）設(shè)計(jì)一個幅度平坦型低通濾波器，要求從0-2.5千赫茲衰減不大于1分貝，20千赫茲以上衰減大于35分貝，信號源和負(fù)載電阻均為600歐姆。解：（1）選擇低通濾波器的形式。根據(jù)幅度平坦的要求，選擇巴特沃斯濾波器。由題意可得：最大通帶衰減Ap是1分貝；通帶頻率是2.5千赫茲。阻帶最小衰減As是35分貝；阻帶頻率是20千赫茲。4.實(shí)現(xiàn)問題（續(xù)5）

（2）低通濾波器的設(shè)計(jì)（續(xù)1）例2.3.1（續(xù)1）（2）利用濾波器計(jì)算曲線（P43），確定濾波器的階次n。技術(shù)指標(biāo)中，只給出從0～2.5千赫茲衰減不大于1分貝，并未給出截止頻率，所以需要確定截止頻率。為此，先利用給出的條件，估計(jì)一個帶寬比為20/2.5=8=y1，利用給定的Ap=1dB，As=35dB和y1=8查計(jì)算表。Ap=1dB（P1），As=35dB（P2），連接P1和P2點(diǎn)并延長與第三根縱軸相交于P3點(diǎn)。通過P3點(diǎn)作平行于W軸的直線，與從

W軸上的y1點(diǎn)引出的與W軸成垂直的直線相交于P4點(diǎn)，如果點(diǎn)落在n與(n-1)的衰減線之間，則選擇n，本例：n=3。2023年1月9日《通信電路原理》19例2.3.1（續(xù)2）利用圖2.3.18可以查出（左面放大圖），階次為3的巴特沃斯濾波器，當(dāng)通帶內(nèi)衰減為1分貝時，其對應(yīng)的歸一化頻率Ω是0.8，由此可以得出截止頻率為2.5/0.8=3.13千赫茲。利用此結(jié)果重新計(jì)算帶寬比20/3.13=6.39，再利用圖2.3.17查階次n為3的衰減As，結(jié)果為43分貝，滿足要求。由此，可以確定所需要的階次n為3。（3）應(yīng)用表2.3.2（P45），查出電路結(jié)構(gòu)和歸一化元件值（已知?dú)w一化的Rs=1.0000）。則可得，歸一化元件值為：（表中元件標(biāo)號是、、）。（不滿足要求時，重復(fù)前一步驟）2023年1月9日《通信電路原理》20例2.3.1（續(xù)3）（4）計(jì)算實(shí)際元件值并畫出電路圖將歸一化元件值代入，即可得實(shí)際元件值為：2023年1月9日《通信電路原理》21無源LC濾波器的缺點(diǎn)：當(dāng)工作頻率較低時，所需要的電感和電容數(shù)值都很大，使得濾波器的體積和重量大。特別是電感，它的損耗大，制造工藝比電容復(fù)雜，并且容易受到外界電磁場的干擾，在電子系統(tǒng)集成化和對體積與功耗要求越來越小的情況小，這個缺點(diǎn)顯得越來越明顯。下面介紹的聲表面波濾波器和有源RC濾波器可以克服這些缺點(diǎn)。聲表面波濾波器是一種以鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛或石英等壓電材料為基體構(gòu)成的一種電聲換能元件。體積小、重量輕。中心頻率可以適合于高頻、超高頻（幾MHz～1GHz）工作。相對通頻帶有時可以達(dá)到50%。用與集成電路相同的平面加工工藝。制造簡單、重復(fù)性好。由于利用材料表面的彈性波傳送，不涉及電子的遷移過程，所以抗輻射能力強(qiáng)?！鼋尤雽?shí)際電路時，必須實(shí)現(xiàn)良好的匹配。■接入實(shí)際電路時，會有一定的損耗。符號如圖(a)所示2.3

聲表面波濾波器（surfaceacousticwave）2023年1月9日《通信電路原理》23圖中左右兩對指形電極分別稱為發(fā)端換能器和收端換能器，通稱為叉指電極。兩邊有吸收材料。

信號源加到發(fā)端換能器后，由于壓電效應(yīng)作用，基體材料將產(chǎn)生彈性形變，這個隨信號變化的彈性波向兩個方向傳播。通過反壓電效應(yīng)作用，在收端換能器上重新變換為交變電信號，最終傳送給負(fù)載。2.3

聲表面波濾波器（SAW）（續(xù)一）吸聲材料wba指長：W指寬：a指距：b

節(jié)數(shù):n叉指換能結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖聲表面波濾波器的幅頻特性是由叉指的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的。一百兆左右頻率，指長W只有一毫米多，且隨頻率的增高，尺2.3

聲表面波濾波器（SAW）（續(xù)二）寸減小。由于要經(jīng)過兩次聲電轉(zhuǎn)換，衰耗較大，一般在6、7分貝以上。幅頻特性為：X為由以上尺寸決定的與頻率有關(guān)的參數(shù)。2023年1月9日《通信電路原理》25例：含有聲表面波濾波器的放大電路電視機(jī)主中放電路：實(shí)現(xiàn)良好的匹配，提供一定的增益。集中選頻濾波器有石英晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、成本低、矩形系數(shù)好和相對通頻帶寬。預(yù)中放2023年1月9日《通信電路原理》262.4

有源RC濾波器優(yōu)點(diǎn)：它不需要電感線圈，容易實(shí)現(xiàn)集成化；RC濾波器的Q值很小，有源濾波器的Q值很大；有一定的增益。濾波器構(gòu)成：以無源LC濾波器為原型；用一些基本單元電路構(gòu)成濾波器，例如用有源RC積分器和加法器等。實(shí)現(xiàn)方法：運(yùn)算仿真法；電路的級聯(lián)法。2.4.1

構(gòu)成有源RC濾波器的單元電路1.加法器2.積分器

一般積分器特點(diǎn)：輸入、輸出皆為電壓變量。2.4.1

構(gòu)成有源RC濾波器的單元電路（續(xù)1）

有損積分器

差動積分器特點(diǎn)：輸入、輸出皆為電壓變量。2023年1月9日《通信電路原理》292.4.2運(yùn)算仿真法實(shí)現(xiàn)有源RC濾波器設(shè)計(jì)過程：根據(jù)對濾波器性能的需要，設(shè)計(jì)無源LC濾波器作為原型；列出原型無源LC

濾波器的電路方程，將其表示成適合于積分器實(shí)現(xiàn)的形式；（統(tǒng)一為電壓變量，即對電壓的積分得到電壓。）用積分器和加法器實(shí)現(xiàn)電路方程；根據(jù)原型濾波器元件數(shù)值，確定積分器等電路中元件參數(shù)。運(yùn)算仿真法的基本思想：用基本單元對描述無源LC濾波器的電路方程進(jìn)行仿真，從而實(shí)現(xiàn)有源RC濾波器。2023年1月9日《通信電路原理》302.4.2運(yùn)算仿真法實(shí)現(xiàn)有源RC濾波器（續(xù)1）例2.5.1

：下面以具體例子說明其實(shí)現(xiàn)過程：該圖為例2.3.1中，我們設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器。<1><3>2023年1月9日《通信電路原理》312.4.2運(yùn)算仿真法實(shí)現(xiàn)有源RC濾波器（續(xù)2）（1）基于節(jié)點(diǎn)<1>和<3>，可以列出描述該電路的一個微分方程組，如下式所示：為了使電路簡化，最好變量類型統(tǒng)一。在本例中，統(tǒng)一為電壓變量。2023年1月9日《通信電路原理》322.4.2運(yùn)算仿真法實(shí)現(xiàn)有源RC濾波器（續(xù)3）考慮到RS＝RL，變換得：簡化后可得：2023年1月9日《通信電路原理》332.4.2運(yùn)算仿真法實(shí)現(xiàn)有源RC濾波器（續(xù)4）（2）實(shí)現(xiàn)此方程組的功能框圖如下圖所示。返回2.4.2運(yùn)算仿真法實(shí)現(xiàn)有源RC濾波器（續(xù)5）上圖（3）實(shí)現(xiàn)此方程組的電路圖如下圖所示。2023年1月9日《通信電路原理》35濾波器小結(jié):在工程實(shí)際中，設(shè)計(jì)高通、帶通、帶阻濾波器的常用方法是借助對應(yīng)的低通原型濾波器，經(jīng)頻率變換和元件變換得到。低通濾波器的設(shè)計(jì)和頻率、網(wǎng)絡(luò)變換原型濾波器：高通、帶通和帶阻濾波器的設(shè)計(jì)，可以通過對低通濾波器的變換得到，因此通常稱低通濾波器為原型濾波器。濾波器小結(jié)（續(xù)1）兩種變換：為利用低通濾波器的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)得到高通、帶通和帶阻濾波器的設(shè)計(jì)，需要經(jīng)過頻率變換和網(wǎng)絡(luò)變換。網(wǎng)絡(luò)變換:頻率變換完成后，還需要將頻率映射關(guān)系對頻率特性的影響直接表示為對濾波器元件的變化，這樣才能真正實(shí)現(xiàn)通過變換所得的濾波器，這種元件的變化稱為網(wǎng)絡(luò)變換。頻率變換：頻率變換是將原型低通濾波器的特性曲線變換得到高通、帶通和帶阻濾波器的特性曲線。就是設(shè)計(jì)一種變換關(guān)系，將s平面的jω軸映射到s’平面的jω’軸。濾波器小結(jié)（續(xù)2）原型低通濾波器中的電感轉(zhuǎn)換到高通濾波器時，變化為電容；原型低通濾波器中的電容轉(zhuǎn)換到高通濾