第2章 高频电路基础 (3)滤波器与阻抗变换.ppt

2.2.3,石英晶体谐振器,2.2.4,集中滤波器,2.2.5,高频,衰减器与匹配器,作业：,2-4 2-10,第二章 高频电路基础,2.2.3,石英晶体谐振器（石英振子）,1,。石英晶体的物理特性：,石英是矿物质硅石的一种（也可人工制造），化学成分是,SiO,2,，,其形状为结晶的,六角锥体,。图,(a),表示自然结晶体，图,(b),表示晶体的横截面。,为了便于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶体内画出三种几何对称轴，,连接两个角锥顶点的一根轴,ZZ,，称为,光轴,，在图,(b),中沿对角线的三条,XX,轴，称为,电轴,，与电轴相垂直的三条,YY,轴，称为,机械轴,。,石英晶体具有正、反两种压电效应。当石英晶体沿,某一电轴,受到交变电场作用时，就能,沿机械轴,产生机械振动，反过来，当机械轴受力时，就能在电轴方向产生电场。且换能性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效率最高。,石英晶体和其他弹性体一样，具有惯性和弹性，因而存在着,固有振动频率,，当晶体片的固有频率与外加电源频率相等时，晶体片就产生谐振。,沿着不同的轴切下，有不同的切型，,X,切型、,Y,切型、,AT,切型、,BT,、,CT,等等。,2.,等效电路、符号及阻抗特性,石英片相当一个,串联谐振电路,，可用集中参数,L,q,、,C,q,、,r,q,来模拟，,L,q,为晶体的,质量（惯性），,C,q,为,等效弹性模数,，,r,g,为机械振动中的,摩擦损耗,。,右图表示石英谐振器的,基频等效电路,。,电容,C,0,称为石英谐振器的静电容。其容量主要决定于石英片尺寸和电极面积。,一般,C,0,在几,PF,几十,PF,。,式中,石英介电常数，,s,极板面积，,d,石英片厚度,.,接入系数为,C,0,r,q,C,q,L,q,J,T,b,a,r,q,L,q,C,q,C,o,a,b,石英晶体的特点是：,等效电感,L,q,特别大、等效电容,C,q,特别小，因此，石英晶,体的,Q,值 很大，一般为几万到几百万。这是,普通,LC,电路无法比拟的。,由于 ，这意味着等效电路中的,接入系数很小,因此,外电路对它影响很小,。,晶体的内部参数受外界因素（温度、振动）的影响很,小，谐振频率很稳定。,石英晶体有两个谐振角频率。一个是左边支路的,串联谐振角频率,q,，,即石英片本身的,自然角频率,。另一个为石英谐振器的,并联谐振角频率,0,。,串联谐振频率,并联谐振频率,显然,接入系数,p,很小，一般为,10,-3,数量级，所以,0,与,q,很接近。,阻抗特性（石英谐振器的等效电抗）,上式忽略,r,q,后可简化为,（,1,）当,=,q,时,z,0,=0,L,q,、,C,q,串谐谐振，当,=,p,，,z,0,=,回路,并谐谐振,。,（,2,）当,为,容性,。,（,3,）当 时,z,0,=,jx,0,为,感性,。其电抗曲线如上图所示。,石英晶体滤波器工作时，,石英晶体两个谐振频率之间感性区的宽度决定了滤波器的通带宽度,。,必须指出，在,q,与,p,的角频率之间，谐振器所呈现的等效电感（数值非常大），,并不等于石英晶体片本身的等效电感,L,q,。,等效电感为,为了展宽通带宽度，通常的办法是,用电感与石英谐振器相串联或并联,。,把滤波器做成一个整体器件，构成集中滤波器,1.,陶瓷滤波器,利用某些陶瓷材料的压电效应构成的滤波器，称为陶瓷滤波器。它常用锆钛酸铅,Pb(ZrTi)O,3,压电陶瓷材料（简称,PZT,）,制成。,这种陶瓷片的两面用银作为电极，经过直流高压极化之后具有和石英晶体相类似的压电效应。,优点：容易焙烧，可制成各种形状；适于小型化；且耐热耐湿性好。,它的等效品质因数,Q,L,为几百，比石英晶体低但比,LC,滤波器高,.,2.2.4,集中滤波器,(LC,式、晶体、陶瓷、声表滤波器,),符号及等效电路,图中,C,0,等效为压电陶瓷谐振子的固定电容；,L,q,为机械振动的等效质量；,C,q,为机械振动的等效弹性模数；,R,q,为机械振动的等效阻尼；其,等效电路与晶体相同,。,并联谐振频率,式中，,C,为,C,0,和,C,8,串联后的电容。,其串联谐振频率,C,o,R,q,C,q,L,q,2,L,陶瓷滤波器电路,四端网络陶瓷滤波器（由双电极或三电极陶瓷滤波器构成）：,如将陶瓷滤波器连成如图所示的形式，即为,四端（二端口网络）,陶瓷滤波器。图,(a),为由二个谐振子组成的滤波器，图,(b),为由五个谐振子组成四端滤波器。,谐振子数目愈多，滤波器的性能愈好,。图（,C,）为四端陶瓷滤波器（三电极陶瓷滤波器）,2,L,2,2,L,1,(a),(b),2,L,2,2,L,1,(a),图（,a,）选中心频率为串臂的串联谐振和并臂的并联谐振频率，串臂的并联谐振和并臂的串联谐振分别为上下截止频率,.,声表面波滤波器,SAWF,（,Surface Acoustic Wave Filter,）是一种以,铌酸锂,、,石英,或,锆钛酸铅,等压电材料为衬底（基体）的一种电声换能元件。,结构与原理：,声表面波滤器是在经过研磨抛光的极薄的压电材料基片上，用蒸发、光刻、腐蚀等工艺制成两组叉指状电极，其中与信号源连接的一组称为发送叉指换能器，与负载连接的一组称为接收叉指换能器。当把输入电信号加到发送换能器上时，叉指间便会产生交变电场。,2.,声表面波滤波器（,SAWF,）,声表面波滤器的滤波特性，如中心频率、频带宽度、频响特性等一般由叉指换能器的几何形状和尺寸决定。这些几何尺寸包括叉指对数、指条宽度,a,、,指条间隔,b,、,指条有效长度,B,和周期长度,M,等。上图是声表面波滤波器的基本结构图。严格地说，传输的声波有表面波和体波，但主要是声面波。在压电衬底的另一端可用第二个叉指形换能器将声波转换成电信号。,换能器的指宽,a,，指与指之间间距,b,决定声波波长,.,相邻两极的电场相位差为,180,，当不同极指相邻指极的间距为声波长的一半时，声波经传输延时的相位差刚好是,180,度，便形成同向叠加。偏离此波长的其他频率，便会相互抵消，因此可以实现滤波作用。,声表面波滤波器的符号如图,(a),所示，图,(b),为它的等效电路,.,其左边为发送换能器，,i,s,和,G,s,表示信号源。,G,中消耗的功率相当于转换为声能的功率。右边为接收换能器，,G,L,为负载电导，,G,L,中消耗的功率相当于再转换为电能的功率。,声表面滤波器的符号与等效电路,符号及等效电路,入,出,(a),G,C,G,s,I,s,G,L,G,C,(,b,),工作频率高，中心频率在,10MHz1GHz,之间，且频带宽,，相对带宽为,0.5%25%,。,尺寸小，重量轻。动态范围大，可达,100dB,。,由于利用晶体表面的弹性波传送，不涉及电子的迁移过程所以抗辐射能力强。,温度稳定性好。,选择性好，矩形系数可达,1.2,。,在电视机的中频通道电路中作为中频通道滤波器使用，实现集中滤波功能，免调试。,声表滤波器的主要特点：,3.,薄膜体声（,FBAR,薄膜体声波谐振器,）滤波器,这是一种体积更小、损耗更低、,Q,值更高、使用频率更高（高达,20G,）,新型滤波器。且结构与半导体技术工艺兼容，便于射频集成电路（,RFIC,）,的集成。在,3G,技术广泛应用。,利用高频衰减器可以调整信号传输通道上的信号电平。,高频衰减器分为,固定,衰减器,和,高频,可变,(,调,),衰减器,两种。,除了微波衰减器可以用其他形式构成外，高频衰减器通常,都用,电阻网络,、,开关电路,或,PIN,二极管,实现。,分固定衰减器和可变衰减器。器件的终端阻抗和线路的匹,配阻抗通常是,50,欧和,75,欧。,类似于滤波电路，固定衰减器有,L,型、,T,型和,型。,表,2-1,列出了,50,和,75,两种,。,2.2.5,高频衰减器,将固定电阻换成可变电阻或,开关电路或使用,PIN,二极管，就构成可变（或电调）衰减器。,2.3,阻抗变换和阻抗匹配,如果相连接的两部分高频电路阻抗匹配，则可以直接相连。但如果阻抗不匹配，就需要用高频匹配器或阻抗变换器来连接。,在高频电子线路中，经常要在信号源与电路、输出与负载、级间进行阻抗变换和阻抗匹配。其目的是使负载得到最大功率，滤波器得到最佳性能，接收机的灵敏度得到改善，发射机的效率得到提高。,有,LC,网络,阻抗变换、,带抽头的并联谐振电路,阻抗变换、,变 压器,阻抗变换、,电阻网络,阻抗变换。,2.3.1,振荡回路的阻抗变换,利用带抽头的并联振荡回路，实现阻抗变换。另外，耦合,振荡回路中改变互感,M,，改变其反映阻抗。,2.3.2 LC,网络阻抗变换,以串,-,并联阻抗变换为基础，有,L,型、,型、,T,型和,型阻,抗匹配网络。,下图所示的匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，不足之处是电路的品质因数,Q,值很低,(,通常,Q,10),，,因此电路的滤波特性很差，所以在实际的发射机中，常常选用,T,型或,型网络作匹配之用。,2.L,型网络阻抗变换,下图是两种,T,形网络是其中的形式之一,(,也可以用,L,型网络等效,),。图中,R,L,代表终端,(,负载,),电阻，,R,P,代表由,R,L,折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。,T,型网络,使用条件：,下图是两种,形网络是其中的形式之一,(,也可以用,L,型网络,),。图中,R,L,代表终端,(,负载,),电阻，,R,s,代表由,R,L,折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。,形网络,使用条件：,2.4,电子噪声,噪声是一种,随机信号,，其频谱分布于整个无线电工作频率范围，因此它是影响各类收信机性能的主要因素之一。,噪声和干扰是两个不同的术语，但没有本质的区别。习惯上，将外部的称为干扰，内部的称为噪声。,干扰与噪声的分类如下：,（,1,）干扰一般指外部干扰，可分为,自然,的和,人为,的干扰。自然干扰有天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等。人为干扰主要有工业干扰和无线电器的干扰。,（,2,）噪声一般指内部噪声，也可以分为自然的和人为的噪声。本章主要讨论,自然噪声,，对工业干扰和天电干扰只做简略的说明。,抑制干扰的措施是消除、切断和躲避干扰。,理论上说，任何电子线路都有电子噪声，但是因为通常电子噪声的强度很弱，因此它的影响主要出现在有用信号比较弱的场合，在电子线路中，噪声来源主要有两方面：电阻热噪声和半导体管噪声，两者有许多相同的特性。,1.,电阻的热噪声,电阻由导体等材料组成，导体内的自由电子在一定的温度下总是处于,“,无规则”的热运动状态，这种热运动的方向和速度都是随机的。自由电子的热骚动在导体内形成非常弱的电流。,2.4.2,噪声的来源和特点,电阻热噪声作为一种起伏噪声，具有极宽的,频谱,，从,零频一直延伸到,10,1213,Hz,以上的频率，而且它的各个频率分量的强度是相等的。这种频谱与白色光的光谱类似，因此将具有均匀连续的噪声叫做,白噪声,，电阻的热噪声就是一种白噪声。,(1),热噪声电压和功率谱密度,当电阻的温度为,T(K),时，电阻,两端噪声电压的,均方值,为（奈,奎斯特公式）,为了方便计算，引入,噪声电压谱密度,和,噪声电流谱密度,，,分别,定义,为：,单位频带内的噪声,电压和噪声电流均方值。,功率与电压和电流的均方值成正比。,（,2,）线性电路中的热噪声,多个电阻的热噪声,热噪声通过线性网络,对于并联谐振电路，电路的传输函数为,并联谐振回路的阻抗为：,阻抗的实部为：,因此，可得到噪声功率密度为：,重要结论,：对于线性二端网络，,其噪声电压或电流谱密度,S,U,（或,S,I,）可用等效电阻,Re(,或,Ge,),表示。,输出端的噪声电压均方值为,噪声带宽,假设有一等效噪声带宽,B,0,对应最大传输,H,0,此时的输出噪,声电压均方值为,对于并联谐振回路，等效噪声带宽为,3.2.2,二极管的噪声,晶体二极管工作状态可分为,正偏,和,反偏,两种。,正偏,使用时，主要是直流通过,pn,结时产生,散粒噪声,。,反偏,使用时，因反向饱和电流很小，故其产生的散粒噪声也小，如果达到反向击穿（如稳压管），又分两种情况：,齐纳击穿二极管,主要是散粒噪声，个别的有,1/f,噪声,(,闪烁噪声,),。雪崩击穿二极管的噪声较大，除有散粒噪声，还有多态噪声，即其噪声电压在两个或两个以上不同电平上进行随机转换，不同电平可能相差若干个毫伏。这种多电平工作是由于结片内杂质缺陷和结宽的变化所引起。,硅二极管工作电压在,4V,以下是齐纳二极管，,7V,以上的是雪崩二极管，,4V,7V,之间两种二极管都有。为了低噪声使用，最好选用低压齐纳二极管。,3.2.3,晶体三极管的噪声,晶体三极管的噪声是设备内部固有噪声的另一个重要来源。一般说来，在一个放大电路中，晶体三极管的噪声往往比电阻热噪声强得多，在晶体三极管中，除了其中某些分布，如基极电阻,r,bb,会产生热噪声外，还有以下几种噪声来源。,1.,散弹（粒）噪声,在晶体管的,pn,结中（包括二极管的,pn,结），每个载流子都是随机地通过,pn,结的（包括随机注入、随机复合）。大量载流子流过结时的平均值（单位时间内平均）决定了它的直流电流,I,0,，因此真实的结电流是围绕,I,0,起伏的。这种由于载流子随机起伏流动产生的噪声称为,散弹噪声,，或,散粒噪声,。,因为散弹噪声和电阻热噪声都是白噪声，前面关于热噪,声通过线性系统的分析对散弹噪声也完全适用。这包括均,方相加的原则，通过四端网络的计算以及等效噪声带宽等。,晶体管中有发射结和集电结，因为发射结工作于正偏，,结电流大。而集电结工作于反偏，除了基极来的传输电流,外，只有反向饱和电流（它也产生散弹噪声）。因此发射,结的散弹噪声起主要作用，而集电结的噪声可以忽略。,晶体管中通过发射结的少数载流子，大部分由集电极收集，形成集电极电流，少数部分载流子被基极流入的多数载流子复合，产生基极电流。由于基极中载流子的复合也具有随机性，即单位时间内复合的载流子数目是起伏变化的。晶体管的电流放大系数,、,只是反映平均意义上的分配比。这种因分配比起伏变化而产生的集电极电流、基极电流起伏噪声，称为晶体管的分配噪声。,分配噪声本质上也是白噪声，但由于渡越时间的影响，当三极管的工作频率高到一定值后，这类噪声的功率谱密度将随频率的增加而迅速增大。,2.,分配噪声,3.,闪烁噪声,由于半导体材料及制造工艺水平造成表面清洁处理不好,而引起的噪声称为闪烁噪声。它与半导体表面少数载流子,的复合有关，表现为发射极电流的起伏，其电流噪声谱密度,与频率近似成反比，又称,1/f,噪声,。因此，它主要在低频,（如几千赫兹以下）范围起主要作用。这种噪声也存在于,其他电子器件中，某些实际电阻器就有这种噪声。晶体管,在高频应用时，除非考虑它的调幅、调相作用，,这种噪声的,影响也可以忽略。,3.2.4,场效应管噪声,在场效应管中，由于其工作原理不是靠少数载流子的运,动，因而散弹噪声的影响很小。场效应管的噪声有以下几个方面的来源：沟道电阻产生的热噪声，沟道热噪声通过沟道和栅极电容的耦合作用在栅极上的感应噪声，闪烁噪声。,必须指出，前面讨论的晶体管中的噪声，在实际放大器,中将同时起作用并参与放大。有关晶体管的噪声模型和晶体管放大器的噪声比较复杂，这里就不讨论了。,3.2.5,接收天线噪声,接收天线端口呈现噪声有两个来源：第一是欧姆电阻产,生的噪声（通常可以忽略）；第二是接收外来噪声能量，其,一是接收周围介质辐射的噪声能量，其二是宇宙辐射干扰也,会被天线接收。,因此，天线噪声是与其周围的介质温度、天线的指向及频率有关的物理量。为了工程的方便，统一规定用天线的辐射电阻,R,A,（是计算天线辐射功率大小的一个重要参量，不是天线的欧姆电阻）在温度,T,A,产生热噪声来表示天线的噪声性能。,T,A,称为天线的有效噪声温度。,研究噪声的目的在于如何减少它对信号的影响。因此，离开信号谈噪声是无意义的。,从噪声对信号影响的效果看，不在于噪声电平绝对值的大小，而在于信号功率与噪声功率的相对值，,即信噪比，记为,S,N,（信号功率与噪声功率比）,。即便噪声电平绝对值很高，但只要信噪比达到一定要求，噪声影响就可以忽略。否则即便噪声绝对电平低，由于信号电平更低，即信噪比低于,1,，则信号仍然会淹没在噪声中而无法辨别。因此信噪比是描述信号抗噪声质量的一个物理量。,2.4.3,噪声系数和噪声温度,1.,噪声系数的定义,噪声系数可由下式表示,设,P,i,为信号源的输入信号功率，,P,ni,为信号源内阻,R,S,产生的噪声功率，,P,o,和,P,no,分别为信号和信号源内阻在负载上所产生的输出功率和输出噪声功率。,图,2-38,噪声系数的定义,要描述放大系统的固有噪声的大小，,就要用噪声系数，其定义为,或,信噪比与负载的关系,设信号源内阻为,R,S,，信号源的电压为,U,S,（有效值），当它与负载电阻,R,L,相接时，在负载电阻,R,L,上的信噪比计 算如下：,信号源在,R,L,上的功率,信号源内阻噪声在,R,L,上的功率,在负载两端的信噪比结论：,信号源与任何负载相接本不影响其输入端信噪比，即无论负载为何值，其信噪比都不变，其值为负载开路时的信号电压平方与噪声电压均方值之比。但与输入端的匹配情况有关。不同的匹配下，网络内部产生的附加噪声及功率倍数是不同的。,在负载两端的信噪比,2.,等效噪声温度,为了更精细地表示噪声系数，常采用噪声温度。内部附加,噪声折算到输入端，相当于提高了信号源内阻的温度。即折,算到输入端为,所以，噪声系数为,则，等效噪声温度为,2.4.4,用额定功率和额定功率增益表示的噪声系数,1.,额定功率,-,又称可用功率或资用功率。是在,匹配,情况下的最大输出功率。,任何电阻的额定噪声功率是,kTB,.,放大器输入信号源电路如图,3.5,所示。任何信号源加上负载后，其信噪比与负载大小无关，信噪比均为信号均方电压（或电流）与噪声均方电压（或电流）之比。,放大器的噪声系数,N,F,为：,P,smi,和,P,smo,分别为放大器的输入和输出额定信号功率，,N,mi,和,N,mo,分别为放大的输入和输出额定噪声功率，,K,pm,为放大器的额定功率增益。,无源四端网络的噪声系数,N,F,=1/K,pm,=L,式中，,L,为网络的衰减倍数。,根据,：,假设网络额定功率倍数是,Kpm,，由信号源内阻,Rs,在输出端的额定功率为,kTBKpm,作为电阻性四端网络，输出恒为电阻性的，由它产生的额定噪声功率为,kTB,（最大功率）,所以四端网,络的噪声系数为,1/Kpm.,即为衰减倍数,L,。,2.,级联四端网络的噪声系数,多级放大器的总噪声系数计算公式为：,结论,：,第一级的噪声系数对整体的噪声系数影响最大。,