第三節(jié) 濾波器13315

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高頻電路中的典型選頻組件----濾波器章末小結(jié)

第一章選頻與阻抗變換電路1石英晶體濾波器2陶瓷濾波器3表面聲波濾波器2高頻電路中的典型選頻組件----濾波器

1石英晶體濾波器2陶瓷濾波器3表面聲波濾波器3基本LC選頻支路概念輸入輸出輸入輸出輸出輸入輸出輸入從諧振時阻抗的大小可以知道，下面電路對f0信號是否通過adbc4

為了獲得工作頻率高度穩(wěn)定、阻帶衰減特性十分陡峭的濾波器，就要求濾波器元件的品質(zhì)因數(shù)Ｑ很高。而LC型濾波器的品質(zhì)因數(shù)一般在100～200范圍內(nèi)，不能滿足上述要求。石英諧振器的品質(zhì)因數(shù)Ｑ可達幾萬甚至幾百萬，因而可以構(gòu)成工作頻率穩(wěn)定度極高、阻帶衰減特性很陡峭、通帶衰減很小的濾波器。1石英晶體濾波器51.石英晶體諧振器1)物理特性1.石英晶體諧振器

1)物理特性石英晶體諧振器是由天然或人工生成的石英晶體切片制成。

6石英晶體形狀a、b石英晶體的現(xiàn)狀以及各種切工c、電路符號7石英晶體外形石英晶體外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（a）是考慮基頻及各次泛音的等效電路。石英諧振器的等效電路及阻抗特性1、等效電路圖1.3.3晶體諧振器的等效電路（a）包括泛音在內(nèi)的等效電路（b）諧振頻率附近的等效電路（c）電路符號彈性體的質(zhì)量，值很大，為（幾十m～幾十）H；彈性體的彈性模數(shù)，值較小，為（0.01～0.1）pF；由于各諧波頻率相隔較遠(yuǎn)，相互影響很小。對于某一具體應(yīng)用（如工作于基頻或工作于泛音），只須考慮此頻率附近的電路特性，因此可以用圖（b）等效。機械摩擦和空氣阻尼引起的損耗，值很小，為（幾～幾十）晶體作為介質(zhì)的靜態(tài)電容。其數(shù)值一般為（幾～幾十)pF，較大。與石英片厚度、介電常數(shù)、極板面積有關(guān)。89l.壓電效應(yīng)和壓電振蕩

在石英晶體兩個管腳加交變電場時，它將會產(chǎn)生一定頻率的機械變形，而這種機械振動又會產(chǎn)生交變電場，上述物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

★★通常，壓電效應(yīng)并不明顯。但是，當(dāng)交變電場的頻率為某一特定值時發(fā)生諧振，機械振動和交變電場的振幅驟然增大，產(chǎn)生共振，稱之為壓電振蕩。石英諧振器的符號和基頻等效電路2.石英晶體諧振器--壓電振蕩10圖3.6.2石英諧振器基頻等效電路

當(dāng)石英晶體不振動時，可等效為一個平板電容C0，稱為靜態(tài)電容；其值決定于晶片的幾何尺寸和電極面積，一般約為幾～幾十pF。

當(dāng)晶片產(chǎn)生振動時，機械振動的慣性等效為電感Lq，其值為幾mH～幾十H。

晶片的彈性等效為電容Cq，為0.01～0.1pF，因此Cq

<<C0

。

晶片的摩擦損耗等效為電阻rq，約為100Ω，理想情況下rq=0。3.石英晶體的等效電路11

當(dāng)?shù)刃щ娐分械腖q、Cq、rq支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振時，該支路呈純阻性，等效電阻為rq

，諧振頻率

此時，整個網(wǎng)絡(luò)的阻抗等于rq并聯(lián)C0的容抗，因rq

＞＞C0的容抗，故可近似認(rèn)為整體也呈純阻性，等效電阻為rq

。

當(dāng)f＜f

s時，串聯(lián)支路呈容性，于C0并聯(lián)后石英晶體呈容性。

當(dāng)f

＞f

s時，L、C和rq支路呈感性，在某一頻率將與C0產(chǎn)生并聯(lián)諧振，石英晶體又呈純阻性，諧振頻率4.石英晶體的振蕩頻率12

O

容性

容性

圖石英晶體諧振器的電抗曲線5.石英晶體諧振器的電抗曲線

感性

結(jié)果：有底紋的感性區(qū)域為通頻帶13由于Cq<<C0，所以f

s≈f

p。

當(dāng)f

＞f

p時，C0容抗最大，起主導(dǎo)作用，石英晶體又呈容性。4.石英晶體的振蕩頻率14頻率穩(wěn)定度很高

它具有很高的Q值，高達104～106，即頻率選擇性好。brqLqCqCoa

其次，晶體的C0>>Cq,它的接入系數(shù)p≈Cq

/C0很小，大大減小了加到晶體兩端的外部電路元件對晶體的影響。6.石英晶體濾波器的特點

a圖是泛音諧振的示意圖b圖是基次諧振的示意圖15

工作于串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振之間的狹長感性區(qū)，電感是頻率的函數(shù)，且隨頻率增加而劇烈增加，從而遏制頻率的進一步增加。

O

容性

容性

感性

作電感用

它具有很高的Q值，外界影響很小，只受工藝影響。工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)(fs)注意：一般不工作于容性區(qū)。7.石英晶體濾波器的應(yīng)用162陶瓷濾波器集中選頻濾波器

1.陶瓷濾波器在通信、廣播等接收設(shè)備中，陶瓷濾波器有著廣泛的應(yīng)用。陶瓷濾波器是利用某些陶瓷材料的壓電效應(yīng)構(gòu)成的濾波器，常用的陶瓷濾波器是由鋯鈦酸鉛〔Pb（ZrTi）O3〕壓電陶瓷材料（簡稱PZT）制成的。17

利用某些陶瓷材料的壓電效應(yīng)構(gòu)成的濾波器，稱為陶瓷濾波器。它的等效品質(zhì)因數(shù)ＱＬ為幾百，比LC濾波器高，但遠(yuǎn)比石英晶體濾波器低。

因此作濾波器時，通帶沒有石英晶體那樣窄，選擇性也比石英晶體濾波器差。它具有與石英晶體相類似的壓電效應(yīng)，因此陶瓷諧振器的等效電路與石英晶體的相同。圖3.6.8單片陶瓷濾波器的等效電路和符號陶瓷濾波器的等效電路和符號18圖3.6.10四端陶瓷濾波器

電路組成原則：中心頻率是串臂的串聯(lián)諧振頻率和并臂的并聯(lián)諧振頻率，截止頻率分別對應(yīng)串臂的并聯(lián)諧振頻率和并臂的串聯(lián)諧振頻率。諧振子數(shù)目愈多，濾波器的帶外衰減性能愈強。陶瓷濾波器電路組成原則陶瓷諧振片19聲表面波濾波器表面聲波是利用局部擾動產(chǎn)生一種通過固體介質(zhì)內(nèi)或沿表面?zhèn)魉偷牟?聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖如下所示。它以鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛或石英等壓電材料為基片，利用真空蒸鍍法，在拋光過的基片表面形成厚度約１０μｍ的鋁膜或金膜電極，稱其為叉指電極。左端叉指電極為發(fā)端換能器，右端叉指電極為收端換能器。因為一對叉指的d可以很短（等效諧振條件：d=0.5λ，f為30MHZ時，λ=C/f≈10-4m=0.1mm，d=0.05mm），一塊小基片上可以做多對叉指，等于多級LC諧振回路選頻，所以指標(biāo)較好。

見下頁C聲=3*103m/s20聲音傳播速度:3*103m/s（大理石或半導(dǎo)體）說明:光在真空中速度為3*108米/秒，光也是一種電磁波。光在鉆石中的傳播速度要比在真空中小一些,為1.22*108m/s。聲音的傳播需要物質(zhì)，物理學(xué)中把這樣的物質(zhì)叫做介質(zhì)。

聲音在不同的介質(zhì)中的傳播速度：真空0m/s（也就是不能傳播）

空氣（15℃）,340m/s軟木500m/s

海水（25℃）1531m/s,大理石3810m/s

這里要注意的是，聲音在不同的物質(zhì)中的傳播速度不同，21聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

22圖均勻叉指換能器聲振幅－頻率特性曲線聲表面波濾波器的頻率特性曲線

23表面聲波濾波器特點表面聲波濾波器具有體積小、重量輕、中心頻率可做得很高、相對頻帶較寬、矩形系數(shù)接近于１等特點，并且它可以采用與集成電路工藝相同的平面加工工藝，制造簡單、成本低、重復(fù)性和設(shè)計靈活性高，可大量生產(chǎn)，所以是一種很有發(fā)展前途的濾波器。24通信機中常用的聲表面波濾波器的頻率特性曲線

25章末小結(jié)：濾波器原理集中選擇性濾波器指標(biāo)較理想，但頻率不可調(diào)，有的地方不能用。他們的共同特點是都是應(yīng)用具有壓電效應(yīng)的材料。

在兩端加交變電場時，它將會產(chǎn)生一定頻率的機械變形，而這種機械振動又會產(chǎn)生交變電場，上述物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

★★通常，壓電效應(yīng)并不明顯。但是，當(dāng)交變電場的頻率為某一特定值時發(fā)生諧振，機械振動和交變電場的振幅驟然增大，產(chǎn)生共振，稱之為壓電振蕩。26圖3.6.2石英諧振器基頻等效電路

當(dāng)石英晶體不振動時，可等效為一個平板電容C0，稱為靜態(tài)電容；其值決定于晶片的幾何尺寸和電極面積，一般約為幾～幾十pF。

當(dāng)晶片產(chǎn)生振動時，機械振動的慣性等效為電感Lq，其值為幾mH～幾十H。

晶片的彈性等效為電容Cq，為0.01～0.1pF，因此Cq

<<C0

。

晶片的摩擦損耗等效為電阻rq，約為100Ω，理想情況下rq=0。石英晶體的等效電路由于這些特點，晶體的Q非常高，性能穩(wěn)定271、石英晶體諧振器的優(yōu)缺：Q值很高，能達到幾萬；性能穩(wěn)定；通頻帶很窄（因為fP和fS很窄、很接近）常用于高放大倍數(shù)但其他指標(biāo)一般的濾波回路。2、陶瓷濾波器的優(yōu)缺：Q值適中，達到幾百；性能穩(wěn)定；通頻帶比較寬，價格便宜，常用于測量儀器等。3、聲表面波濾波器的優(yōu)缺：中心頻率較高，矩形系數(shù)較好；Q值適中；性能穩(wěn)定；通頻帶較寬，價格略貴。它可以采用與集成電路工藝相同的平面加工工藝，制造簡單、成本低、重復(fù)性和設(shè)計靈活性高，可大量生產(chǎn)，所以是一種很有發(fā)展前途的濾波器。常用于要求較高或頻率較高的回路。章末小結(jié)：濾波器指標(biāo)與特點28本節(jié)思考題各類濾波器特點及其應(yīng)用場合。書P321.11；1.1229簡述集中選擇性濾波器的種類、目的和原理序號電路名稱目的（電路應(yīng)用場合）原理3集中選擇性濾波器性能穩(wěn)定并滿足不同