第2章滤波电路初稿PPT讲稿.ppt

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1、第2章滤波电路初稿第1页，共71页，编辑于2022年，星期一本章教学目标与要求本章教学目标与要求u掌握串联滤波电路的原理及其参数的定量分析掌握串联滤波电路的原理及其参数的定量分析u掌握并联滤波电路的原理及其参数的定量分析掌握并联滤波电路的原理及其参数的定量分析u掌握串并联滤波电路的仿真方法掌握串并联滤波电路的仿真方法u了解抽头电路的电路形式和工作原理了解抽头电路的电路形式和工作原理u了解耦合回路的电路形式和工作原理了解耦合回路的电路形式和工作原理u了解其他类型的滤波器了解其他类型的滤波器第2页，共71页，编辑于2022年，星期一本章主要章节：本章主要章节：2.12.1概述概述2.2 2.2 高

2、频电路中常用的元器件高频电路中常用的元器件2.32.3串联谐振回路串联谐振回路2.4 2.4 并联谐振回路并联谐振回路2.5 2.5 抽头回路抽头回路2.6 2.6 耦合回路耦合回路2.72.7常用的滤波器常用的滤波器2.82.8电路仿真电路仿真第3页，共71页，编辑于2022年，星期一2.12.1概述概述 滤波电路的形式是多种多样的，根据滤波电路在通信系统中的位置不同，其作用也不尽相同。一种滤波电路的作用是用于滤去整流输出电压中的纹波，这种电路一般由电抗元件组成，比如在负载电阻两端并联电容，或与负载串联电感，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。滤波电路利用无源电抗元件对电压或者电流的

3、储能特性达到滤波的目的，具体的来讲就是利用电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，又能储存的能量释放出来，使负载电压比较平第4页，共71页，编辑于2022年，星期一 滑，也就是说电容具有平波的作用；而与负载串联的电感,当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它也能把能量储存起来，而当电流减小时，又能把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感也有平波作用。所以无论是电感和电容都可以与负载按照不同的形式进行组合来使得电路具有平波功能，所以这种滤波电路的形式都是用电抗元件与负载组合来完成平波的功能。另外一种滤波电路是用于滤除掉系统

4、所不需要的信号，保留下有用信号的一种功能电路。这种滤波电路的滤除的依据是信号的频率，例如收音机的天线接收各种广播电台的射频波，这些射频波的频率是不同的，为了接收我们所希望接收的节目，必须依照不同电台的频率选择出我们所需要的信号。完成这种功能的滤波电路一般是由异性电抗元件组合而成的，所以也称第5页，共71页，编辑于2022年，星期一 之为LC选频电路。LC选频电路除了具有频率选择作用之外，还兼具阻抗变换的功能。它是高频电路当中重要的组成部分。本章所涉及的滤波电路在无特指的情况，一般是指这种LC选频电路。第6页，共71页，编辑于2022年，星期一2.2 高频电路中常用的元器件 高频电路当中所用到的

5、元器件和低频电路中的基本类似,但是由于工作的频率不同,其分析方法和性能与低频时的情况也不一样。2.2.12.2.1高频电路中的元件高频电路中的元件高频电路中常用的的元件主要是电阻器、电容器和电感器，它们同属于无源的线性元件。第7页，共71页，编辑于2022年，星期一1.1.高频电阻高频电阻 在低频时，一个电阻器主要表现为电阻特性，但在高频的状态下，除了电阻特性之外，高频电阻还体现有电抗特性。高频电阻的电抗特性则体现其高频特性。高频状态下，一个电阻的等效电路如图2.1所示，此时在高频状态下，电阻的分布电容以及电阻的引线电感就不可忽略，R为电阻器的等效电阻值。电阻的高频特性与制作材料、电阻的封装形

6、式和尺寸大小都有密切的关系。另外，频率越高，电阻的高频特性则体现的越明显。在实际应用中，应尽量限制电阻的高频特性，使其体现纯电阻的性质。图2.1 电阻的高频等效电路第8页，共71页，编辑于2022年，星期一2.2.高频电感高频电感 用绝缘导线绕制的各种线圈称为电感。电感器是能够把电能转化为磁能而存储起来的一种无源元件。对于一个电感来讲，电感量是其最重要的参数，低频时，一个电感量为L的电感所呈现的感抗为 ，为工作的角频率。在高频状态下，电感器的等效电路如图2.2所示，图2.2电感的高频等效电路其中，为电感导线的等效损耗电阻，为电感的匝间的分布电容。在高频交流电路中，电感线圈有阻碍交流通过的能力，

7、而对直流却不起作用（除线圈本身的第9页，共71页，编辑于2022年，星期一直流电阻外）。所以电感线圈可以在交流电路中起到阻流、降压、交连耦合以及负载的作用。电感线圈的种类很多，按电感的形式分，有固定电感线圈和可变电感线圈；按导磁体性质分，有空气芯线圈和磁芯线圈；按工作性质分，有天线线圈、振荡线圈、低频扼流圈和高频扼流圈等；按工作波段分，有中波天线、短波天线、中频振荡和高频振荡线圈等；按绕线结构分，有单层线圈、多层线圈和蜂房式线圈等。需要特别注意的是，每个电感器都有一个自身谐振频率SRF（Self Resonant Frequency），当工作频率小于SRF时，高频电感所呈现的感抗随着工作频率的

8、上升而逐渐增大;当工作频率在电感的SRF上时，电感所呈现的感抗的最大;当工作频率大于其自身的SRF时，该电感就不在是一个储能元件了。因此，一个高频电感的适用的频率范围主要取决于SRF。第10页，共71页，编辑于2022年，星期一3.3.高频电容高频电容 由介质隔开的两导体即构成电容。一个高频电容的等效电路如图2.3所示，其中，电阻 为极间绝缘电阻，它主要由于组成电容的两导体间未完全绝缘所致；电感 为电容的引线电感。理想状态下，电容的容抗为 ，2.3(b)中虚线所示。直流电(a)电容器的等效电路;(b)电容器的阻抗特性图2.3 电容器的高频等效电路图2.4 三相电抗滤波器 图2.5 单相串联电抗

9、器 第11页，共71页，编辑于2022年，星期一路中电容呈现开路，其呈现的电抗为无穷大。高频状态下，其阻抗频率特性呈现V字型，如图2.3(b)实线所示,电容同样也具有SRF，工作频率小于电容的SRF时，其阻抗随工作频率的提高而减小，当工作频率等于电容SRF时，电容的阻抗最小，此时其电抗呈现容性；当工作频率超过SRF时，其电抗性质则呈现感性，此时电容器等效为一个电感。图2.4和图2.5所示为两种具有滤波功能的电抗器。第12页，共71页，编辑于2022年，星期一2.2.22.2.2高频电路中的有源器件高频电路中的有源器件 高频电路中的有源器件主要包括二极管、晶体管和集成电路，完成信号的放大、非线性

10、变换等功能。这些有源器件的特性与在低频时的特性没有很大的区别，只是因为工作的频率升高，对这些有源器件的一些性能要求更高，以满足高频工作状态时的要求。1.1.二极管二极管在前修课程中讨论过，由二极管组成的功能电路，主要利用的是二极管的单向导电性：二极管两端接入正向电压二极管导通；两端加反向电压二极管截第13页，共71页，编辑于2022年，星期一止。在高频电路中，除了其单向导电性之外，主要是利用二极管的非线性作用以组成检波、调制、解调以及混频等非线性变换电路。2.2.晶体管与场效应管晶体管与场效应管由于高频电路应用的要求更高，晶体管、场效应管在高频电路中的应用特点、适用范围和性能参数的要求都要更高

11、，这些管子比用于低频状态下的管子性能更好。根据不同的应用要求，可以将晶体管分为高频小功率管和高频大功率管，前者主要应用于非线性变换电路和小信号放大器，因此，对管子主要要求高增益和低噪声；后者多用于高频功率放大器中，这时，主要要求管子具有较大的输出功率。第14页，共71页，编辑于2022年，星期一3.3.集成电路集成电路 用于高频的集成电路的类型和品种要比用于低频的集成电路少得多,主要分为通用型和专用型两种。它们各具特色，但都能够使得高频电子线路的设计简化、性能提高、体积缩小、成本降低、性价比提高。第15页，共71页，编辑于2022年，星期一2.32.3串联谐振回路串联谐振回路 LC选频电路是高

12、频电路中最基本、应用最广泛的基本电路。它一般由电感和电容组成，当外界授予一定能量，电路参数满足一定关系时，可以在回路中产生电压和电流的周期振荡回路。若该电路在某一频率的交变信号作用下,能在电抗原件上产生最大的电压或流过最大的电流，即具有谐振特性，故该电路又称谐振回路。在高频电路中，可以利用LC选频电路的选频特性组成各种谐振放大器，也可以在调制、解调或者变频电路中完成滤波功能。根据其不同的电路形式可分为串联谐振回路、并联谐振回路、抽头回路和耦合电路。第16页，共71页，编辑于2022年，星期一2.3.1 滤波原理 串联谐振回路的形式如图2.6中所示，它由电感L与电容C串联组合而成，电阻r为电路中

13、的等效损耗电阻。图2.6 串联谐振回路则串联谐振回路中的总阻抗为第17页，共71页，编辑于2022年，星期一 其中，回路当中的总电抗为X，它由感抗和容抗两部分组成。当在某一特定的工作频率，有 ，此时回路的总阻抗 。可以看出，这时候串联回路的阻抗呈现纯电阻的形式，并且阻抗达到其所能达到的最小值。所以，当输入信号频率使得电抗X为零时，电路达到谐振，此时的频率称为回路的谐振频率，得或 式中，为串联谐振回路的谐振频率。当输入信号频率 时，X0，,回路呈感性，当 时，X ,回路呈容性。当 =时，X=0，=,回路呈现纯电阻形式。因此，谐振时第18页，共71页，编辑于2022年，星期一串联谐振回路中才能得到

14、最大的响应。由此，LC串联谐振电路具有滤波功能，这种滤波功能体现在串联谐振回路具有对其他频率抑制而对某些特定频率选择的作用。2.3.22.3.2电路参数分析电路参数分析1.品质因数品质因数串联回路发生谐振时，回路中的感抗与容抗的数值相等，定义回路的特性阻抗为 有第19页，共71页，编辑于2022年，星期一定义回路的特性阻抗与回路的损耗电阻之比称为品质因数 ,它反映了电感 和电容 中的储存的能量与电阻 消耗能量的比值。设串联回路的激励电压为 ,当串联回路发生谐振时，电感两端的电压为 ,电容两端的电压为 则有，第20页，共71页，编辑于2022年，星期一可以看出，此时，电感和电容两端的电压大小相同

15、，方向相反，数值都是激励电压的 倍，所以回路的品质因数越高，在电感和电容两端得到的响应越大，其实质就是品质因数越高，电感和电容中存储的能量也就越多，而消耗在回路中的能量也就越少。2.2.广义失谐量和谐振特性广义失谐量和谐振特性串联谐振回路的谐振特性反映出回路的阻抗在某一特定工作频率上具有最大值或者最小值的特性，它可以体现出工作频率的变化所引起的串联谐振回路的响应的变化。定义谐振特性为在回路失谐的条件下，任意时刻回路中的电流 与谐振时回路中的电流 的比值。当回路失谐时有 第21页，共71页，编辑于2022年，星期一其中，为串联回路的激励信号，为回路阻抗，为回路中的电流。当回路谐振时，其中，为串联

16、回路的激励信号，回路谐振阻抗，为回路的谐振电流。根据谐振特性定义有第22页，共71页，编辑于2022年，星期一根据其定义可以看出，谐振特性的实质是回路中的失谐时的电流相对于谐振时电流的变化情况。在式（2-9）中，称为广义失谐量，其中，表示任意时刻的角频率相对于回路谐振频率的偏移量,反映出当前频率偏离谐振频率的程度。由式（2-9）可以看出，串联谐振回路的谐振特性是一个复数，由此得到串联谐振电路的幅频特性和相频特性。幅频特性为：第23页，共71页，编辑于2022年，星期一相频特性为：于是可绘出串联谐振回路在不同 值上的幅频特性曲线和相频曲线，如图2.7所示。图2.7 谐振曲线和移相曲线第24页，共

17、71页，编辑于2022年，星期一3.3.通频带和选择性通频带和选择性选频电路在高频电路中可以完成选频功能，这就需要对选频电路的选频滤波范围进行数值上的衡量。定义串联谐振电路中的电流下降到谐振电流的0.707倍时对应的频带宽度为回路的通频带。一般认为，选频回路对带宽范围内的频率起选择作用，选频回路对于带宽范围外的频率起抑制作用。由于0.707约为 ，因此通频带也称为0.707带宽，通常表示为。由（2-10）式，可得第25页，共71页，编辑于2022年，星期一可得串联回路的通频带为：是谐振电路对通频带频率的抑制能力，理想滤波电路的幅频特性应该是一个矩形，因此通常用矩形系数衡量一个谐振回路的幅频特性

18、接近矩形的程度，它定义为第26页，共71页，编辑于2022年，星期一其中，为谐振电路中的电流下降到谐振电流的0.1倍时的频带宽度，为谐振回路的通频带带宽。由（2-14）可以看出，串联谐振回路的矩形系数为9.95，而理想滤波器的形状应该是一个矩形，所以理想滤波器的矩形系数应该为为1，因此，串联谐振回路的选择性较差。第27页，共71页，编辑于2022年，星期一2.4 并联谐振回路并联谐振回路 从前一节的分析可知，当负载电阻很大时，串联谐振回路的有载Q值会降低，影响其滤波特性，因此在负载电阻较大的场合，一般选用并联谐振回路作为滤波电路。2.4.1 2.4.1 滤波原理滤波原理常见的并联谐振回路是由电

19、感和电容并联组合而成，如图2.8所示，可以看作是高频电感的第28页，共71页，编辑于2022年，星期一2.8 并联谐振回路及起等效电路等效损耗电阻，由于电容的损耗很少，可以略去。则并联谐振回路的等效阻抗为第29页，共71页，编辑于2022年，星期一2.4.2 2.4.2 电路参数分析电路参数分析由于并联回路与串联回路具有对偶关系，这里将并联回路的电路参数列举出来，其电路参数的分析可参照串联谐振回路一节中的分析方法。品质因数 幅频特性 相频特性 第30页，共71页，编辑于2022年，星期一通频带 矩形系数 同样可得出并联回路的谐振曲线和移相曲线如图2.9所示。2.9 并联回路的幅频特性曲线、相频

20、特性曲线第31页，共71页，编辑于2022年，星期一2.4.3 串联回路与并联回路性能比较（1）串联谐振时，电压电流同相位，回路阻抗呈纯阻，阻抗最小，电流最大；当信号频率大于谐振频率时，电路呈感性，而小于谐振频率时，呈容性；电容和电感上的电压大小相等，方向相反，且为激励电压的 倍；。（2）并联谐振时，电压电流同相位，回路阻抗呈纯阻，阻抗最大，电压最大；当信号频率大于谐振频率时，电路呈容性，而小于谐振频率时，呈感性；电容和电感上的电流大小相等，方向相反，且为激励电流的 倍。第32页，共71页，编辑于2022年，星期一可以看到，串联和并联谐振电路都具有选频功能，对带外频率都具有一定的抑制能力。但这

21、种单回路的谐振电路的选择性都与理想滤波器的滤波性能相差较远，虽然可以通过提高回路的品质因数来提高谐振回路的矩形系数，但是品质因数的提高势必会减小通频带，而在有些时候对滤波电路的带宽是有一定的要求的，因为这种单回路的谐振电路电路的选择性和带宽是一对矛盾。因此，在某些对通频带和选择性有较高性能要求的时候，可以选择多级谐振电路耦合的形式来提高选频电路的滤波作用。第33页，共71页，编辑于2022年，星期一2.5 2.5 抽头回路抽头回路 实际应用中，除了基本的串联、并联谐振回路之外，常常会用到激励源或者负载与回路的电感或者电容部分联结的电路形式，这种电路称为抽头并联振荡回路，简称抽头回路。采用抽头回

22、路，可以通过改变抽头位置或电容的分压比来实现回路与信号源、回路与负载的阻抗匹配，即完成阻抗变换的功能。第34页，共71页，编辑于2022年，星期一2.5.1 2.5.1 接入系数接入系数根据外电路抽头接入回路的的电抗元件不同，可将抽头回路分为电感部分抽头接入和电容部分抽头接入两种形式。图2.11为常见的抽头回路的形式。图中，ab为外电路接入谐振。L2L1CC2C1L2.11 常见的抽头回路的形式第35页，共71页，编辑于2022年，星期一回路的接入端口，定义外电路相连的部分电抗与回路参与分压的同性质总电抗之比为接入系数。因此，也可以用分压比来表示，即对于图a其接入系数为对于图b其接入系数为第3

23、6页，共71页，编辑于2022年，星期一2.5.2 2.5.2 等效电路等效电路实际分析计算中，常常将部分接入的外电路等效到并联回路两端，以简化电路形式。以2.8（a）的电路形式为例。电阻的等效电阻的等效现假设2.8（a）中外电路ab接入回路的电阻为 ，将其等效到谐振回路两端的等效电阻为 ，则根据能量守恒定律，等效前电阻 消耗的功率应等同于等效后电阻 消耗的功率，即第37页，共71页，编辑于2022年，星期一可以看出，通过改变接入系数，就可以改变外电路的负载等效到回路两端的电阻，从而实现阻抗匹配的功能。信号源的等效信号源的等效对于外部电路接入的是激励信号源的抽头回路，依然可以根据功率的关系进行

24、等效，对于图2.9中外部接入电流源的抽头回路，设外部电路两端电压为 ，谐振回路两端的电压为 ，则有第38页，共71页，编辑于2022年，星期一值得注意的是，阻抗或导纳的折合等效是p2 关系，而电源的折合等效是p 的关系。根据式（2-25）和（2-26）可以将抽头所接外部电路等效到回路两端进行分析计算，同样也可以将谐振回路端的电阻或者信号源等效到外部电路进行分析，这对以后分析更为复杂的功能电路是非常有帮助。第39页，共71页，编辑于2022年，星期一2.6 2.6 耦合回路耦合回路单调谐回路的幅频特性离矩形较远。在通频带内响应不均匀，且阻抗变换也不够灵活方便。因此在实际中为得到接近矩形的频响特性

25、，或为了满足阻抗变换的需要，在无线电通信电路中常采用耦合振荡系统。该系统一般由两个和两个以上单振荡回路通过不同的耦合方式组成，通常称为耦合回路。最简单的耦合回路是由两个谐振回路组成的双调谐回路，其中，把接有激励信号源的回路称为初级回路，把与负载相接的回路称为次级回路。实际应用中，初、次级回路一般都同时调谐于输入信号且都为高Q电路。第40页，共71页，编辑于2022年，星期一2.6.12.6.1电路形式电路形式图2.14为两种常见的耦合回路，其中（a）（c）为互感耦合回路及其等效电路，（b）（d）是电容耦合回路和它的等效电路。两种耦合回路的由初级回路 次级回路 组成。引入参数耦合系数来反映初、次

26、级回路的耦合程度，定义耦合系数K是耦合回路的电抗的绝对值与初、次级回路同性质电抗的几何中项之比。对于2.14（a）中，有第41页，共71页，编辑于2022年，星期一2.14 两种常见的耦合回路及其等效电路由耦合系数的定义可知，任何耦合回路的耦合系数应是永远小于1的无量纲的常数 第42页，共71页，编辑于2022年，星期一2.6.22.6.2谐振特性谐振特性耦合回路在高频电路中的主要功能，除了获得比简单谐振回路更好的滤波性能之外，还兼具阻抗转换的功能，用以完成高频信号的传输。因此，需要分析耦合回路的谐振特性，以互感耦合回路为例，按照研究单谐振回路的谐振特性的方法进行分析，并且为了分析方便，设初、

27、次级回路的电路参数完全相同，即 ，得耦合回路的谐振特性为第43页，共71页，编辑于2022年，星期一式中，任意时刻耦合回路的输出电压，为初、次级回路谐振于输入信号时，耦合回路的输出电压，A为耦合回路的耦合因子，。耦合回路的谐振特性反映出失谐时网络的输出信号相对与谐振时输出信号的变化情况，从式（2-29）可以看出，耦合回路的谐振特性与单回路的谐振特性完全不同。单回路的谐振特性只与广义失谐量，即回路的谐振频率和实际工作频率有关；而耦合回路中，除了广义失谐量，耦合因子A也可以决定其谐振特性。若令 ，可得第44页，共71页，编辑于2022年，星期一由（2-30）式可以看出，耦合回路的谐振特性曲线有两个

28、峰值，双峰的峰值分别为于处 ；而当 时，谐振曲线处于谷底，即其最小值，有可以看出，耦合因数越大，回路的耦合程度越强，谐振特性曲线两峰值之间的距离越大，相应地谷值也越小。如图2.15所示，所以，A的取值决定着耦合回路的谐振曲线形状：第45页，共71页，编辑于2022年，星期一当 时，称为弱耦合状态，此时，谐振特性曲线呈现单峰形式，且在 处时，峰值小于1，表明耦合回路的输出响应较小。当 时，称为过耦合状态，谐振特性曲线呈现双峰形式，在峰值出，其谐振特性 。当 时，称为临界状态，谐振特性曲线也呈现单峰形式，但是在处峰值 。第46页，共71页，编辑于2022年，星期一2.6.3耦合回路的通频带和选择性

29、 耦合回路的通频带定义为，当谐振特性 时，所对应的广义失谐量 中的 对应的频带宽度。由于高频电路中耦合回路多工作在临界状态，则有 ，得将 带入计算，得第47页，共71页，编辑于2022年，星期一同理，可得则耦合回路的矩形系数然，相比较于单谐振回路而言，耦合回路的带宽要宽 倍，而由于其矩形系数也接近于1，因此，其谐振曲线也更趋近于矩形，具有较好的选择性。所以，无论是带宽还是选择性，耦合回路的性能参数都要大大优于单谐振回路。第48页，共71页，编辑于2022年，星期一2.72.7常用的滤波器常用的滤波器 随着无线电技术的飞速发展，在高频电子线路，特别是高频集成模块中，对滤波器性能的要求越来越高，比

30、如要求非常高的频率稳定度，要求阻带衰减特性陡峭，因此采用普通的LC滤波器的性能不可能满足这些要求。在高频电路系统中除了使用LC谐振电路外，还经常使用一些集中参数滤波器作为选频电路，以改善电路的稳定性，及其系统性能以及实现电路的微型化。目前常用的集中参数滤波器有石英晶体滤波器、陶瓷滤波器、声表面波滤波器以及衰减器与匹配器。第49页，共71页，编辑于2022年，星期一2.7.12.7.1石英晶体滤波器石英晶体滤波器在高频电路中，石英晶体滤波器是一个重要的高频组件，它具有品质因数高，稳定好等特点，常用来构成窄带带宽、带阻滤波器。晶体滤波器的这种优越性能是由其特别的物理特性决定。1.物理特性物理特性石

31、英晶体是自然界广泛存在的一种材料，如图2.12（a）所示,石英晶体一般是六角锥体的形状。按照不同的切割角度对石英晶体进行切片，即可得到不同形状的石英晶片，而这些不同形状的石英晶片所表现的物理特性和谐振特性都不相同。将切割好的不同形状的石英晶片封装起来，并在晶片的两面制第50页，共71页，编辑于2022年，星期一作金属电座，并与底座的插脚相连就成为晶体滤波器。（a）形状；(b)不同的切割位置图2.17 石英晶体的形状及其切割位置这些不同形状的石英晶片制作成滤波器，是利用了石英晶体的压电效应。压电效应是指对石英晶体施加外力使之产生机械形变时，在它的两个表面会产第51页，共71页，编辑于2022年，

32、星期一生正、负电荷，称之为正压电效应。同理，在石英晶体的两个表面接入电压时，石英晶体则会产生机械形变，称之为反压电效应。因此，在石英晶体两面施加交流信号时，晶体会周期性的振动，而晶体的这种振动是有一定的频率的，当施加的交流信号在晶体本身的自然频率附近时，则发生机械谐振现象。这时，在与晶体连接的电路中则出现电谐振现象。此时，电路中的电流最大。由于石英晶体的这种谐振频率十分的稳定，只与它本身的物理特性有关，如材料、几何形状、切割方式等有关，而外部的环境因素如温度对其影响十分之小，因此，由晶体组成的滤波器滤波性能十分的稳定。第52页，共71页，编辑于2022年，星期一除了高频电路之外，在计算机和单片

33、机的主振频率也经常用石英晶体来组成。2.等效电路及阻抗特性等效电路及阻抗特性根据晶体的特性，可将其等效为2.18中的电路形式,(b)图中,为根据晶体的机,（a）泛音等效电路，（b）基频等效电路图2.18 晶体谐振器的等效电路第53页，共71页，编辑于2022年，星期一其中，为晶体的串联谐振频率，为并联谐振频率。因此，石英晶体具有两个谐振频率，当工作频率时，晶体发生串联谐振，此时晶体呈现的等效阻抗；当工作频率 时，晶体发生并联谐振，这时晶体的等效阻抗 。又由于 ，可知晶体的并联谐振频率与串联谐振频率相差很小。而其串联回路的等效品质因数 ，已知 相对比较小，由此可知，其品质因数可以达到很高的值，一

34、般情况在 -范围内，与一般的LC谐振回路的品质因数（100-200之间），无疑晶体滤波器的品质因数要高出许多，所以其选择性要远远的好与LC谐振回路。第54页，共71页，编辑于2022年，星期一另外，2.13(b)中的接入系数 ，又 ，则接入系数非常的小，因此，减弱了晶体回路与外电路之间的耦合程度，从而可以保证晶体工作的稳定性，这也是晶体稳定性高的一个重要的因素。和一般LC谐振电路相比，石英晶体谐振器具有几个明显的特点：和 非常稳定，受外界因素影响很小；由于 很小，因此它的品质因数非常高，Q值可达到量级 ，而普通的LC电路的Q值只能到一二百；晶体谐振器的接入系数非常小，可达量级 ，因此它受外电路

35、的影响很小；晶体在工作频率附近阻抗变化率很大，有很高的并联谐振阻抗。由于这些特点，使晶体谐振器的频率稳定度要比LC谐振回路高的多。第55页，共71页，编辑于2022年，星期一总之，石英晶体的品质因数很高，在阻带范围内有陡峭的衰减特性，而其很小的接入系数又能保证其工作的稳定性，减小外电路对晶体的影响，所以其滤波性能非常好。但是，由于晶体的串、并联谐振频率非常接近，使得晶体的滤波器的通带范围很窄。因此，石英晶体滤波器只适用于窄带滤波的场合，如语言通信机中的中频滤波、边带滤波等。第56页，共71页，编辑于2022年，星期一2.7.2陶瓷滤波器某些特殊的陶瓷材料（如锆钛酸铅），也和石英晶体一样具有压电

36、效应，它的工作原理及等效电路与石英晶体滤波器相同。不同的是这种陶瓷材料的物理性能与晶体相比略有差距，如串联谐振频率与并联谐振频率的距离比较远，工作的稳定性也不如晶体，另外，品质因数也只有数百，所以选择性比不上晶体滤波器。但是，它的价格要比晶体便宜，总体性能是好于一般的LC谐振电路，因此，也得到了广泛的应用。常用的高频陶瓷滤波器的工作频率约为100MHz，相对带宽约为千分之几到百分之十左右。陶瓷滤波器除了有双电级的结构外，还可以制作成三电极结构。它是在陶瓷片的一个面上形成两个环形的电极，其中一个做输入端，另外一个做输第57页，共71页，编辑于2022年，星期一出端。而瓷片的另外一面的电极做公共端

37、从而形成三端式的陶瓷滤波器。另外，若将多个陶瓷滤波器按T型结构级联起来，便成为性能优良的四端陶瓷滤波器。通常级联的滤波器越多，滤波性能越好，四端陶瓷滤波器具有Q值高、通带损耗小、选择性好及体积小等优点。第58页，共71页，编辑于2022年，星期一2.7.3声表面波滤波器（SAW）声表面波滤波器是利用沿弹性固体表面传播机械振动波的器件，制作声表面波滤波器的弹性材料是具有压电效应的，如石英、锆钛酸铅等。它是在一块抛光的压电基片表面，利用光刻工艺制成输入、输出两组交叉指型的金属电极，分别称为发端换能器和收端换能器。如图2.19所示，（b）为叉指结构示意图。(a)SAW基本结构 (b)叉指结构图2.1

38、9 SAW结构示意图第59页，共71页，编辑于2022年，星期一当外加交变信号加到发端换能器上时，引起衬底的机械振动，在表面产生振动波，并沿衬底表面传送。然后由收端换能器，在把振动波转换成电信号。振动波的波长为一个周期 ,当信号频率等于换能器的谐振频率d时，各节所激发的表面波同相位，因此振动很强，当偏离谐振频率时，各节激发的表面振动波相位不同，在末端互相抵消，因此SAW具有选频功能。设SAW具有个N周期段，节，即 个电极，每节激发的振动波幅度为 则振动波最大振幅为 则SAW的幅频特性符合规律 。图2.20为均匀叉指结构的声表面波滤波器的幅频特性曲线。第60页，共71页，编辑于2022年，星期一

39、可以看出，声表面波滤波器的带宽与电极个数成反比，因此，可以通过改变叉指电极的个数来改变滤波器的带宽，易于调整。但是，从制作技术上来讲的个数是不可能做的太大的，因此这种结构的滤波器的带宽不可能做的很窄。另外，从其幅频特性曲线的形状来看也不是趋近于矩形的，所以其选择性也会受到 图2.20 均匀叉指换能器幅频特性一定的限制，不过，可以用非均匀的叉指结构来代替均匀的叉指结构来改变曲线的形状，达到提高选择性的目的。总的来说，声表面波滤波器的工作频率比较高，最高可达几千兆赫兹，又由于其特殊的叉指结构，相对带宽也可以做的比较宽。另外也便于实现第61页，共71页，编辑于2022年，星期一器件的微型化，因此其应

40、用比较广泛。但是，SAW由于利用信号波在基片表面传播，因此它的带内损耗非常大，所以在实际应用中，一般会在SAW前端先前置一放大器，以弥补在滤波过程中的损耗的能量。2.7.4衰减器与匹配器普通的电阻对电信号都有一定的衰减作用，利用电阻网络可以制作成衰减器和具有一定衰减的匹配器。在高频电路中，器件的终端阻抗和线路的 匹配阻抗通常有和两种。图 2.21 T型和型衰减器 图 2.22 T型电阻网络匹配器 第62页，共71页，编辑于2022年，星期一1 1高频衰减器高频衰减器衰减器的主要作用是调整信号传输通路上的信号电平。根据组成衰减器的电阻的连接方式不同，可将这种电阻性的衰减器分为T型、型等多种形式，

41、如图2.21所示。当接有信号源时，从输出端看进去，输入的阻抗仍然为信号源内阻，但幅度被衰减了K倍 2 2高频匹配器高频匹配器 如果需要连接的两部分高频电路阻抗匹配，可以直接相连。但是，大部分电路之间的阻抗不不匹配的，这时候，就需要利用匹配器来实现连接电路间的阻抗匹配。匹配器通常有L型、T型、型、以及高频变压器等。如图2.22中，可以通过改变它的参数，达到分别与信号源和负载匹配的目的。第63页，共71页，编辑于2022年，星期一2.82.8电路仿真电路仿真2.8.1串联回路仿真串联回路仿真图2.23为串联谐振的仿真电路，其参数设置如图所示：图中，信号源为一扫频信号，根据串联谐振回路的特点，在其他

42、条件相同的情况下，当信号源的频率等于串联电路的谐振频率时，电路的输出信号最强。图2.24所示的仿真结果可以得出此结论。第64页，共71页，编辑于2022年，星期一图2.24 串联谐振回路的幅频特性曲线图2.25 串联谐振回路的相频特性曲线第65页，共71页，编辑于2022年，星期一2.8.22.8.2并联回路仿真并联回路仿真图2.26为并联谐振的仿真电路，其参数设置如图所示；图2.27为串联谐振回路的幅频特性曲线，2.28为其相频特性曲 图中，信号源为一扫频信号，根据并联谐振回路的特点，在其他条件相同的情况下，当信号源的频率等于并联电路的谐振频率时，电路增益最大，输出信号幅度最大。图2.27所

43、示的仿真结果可以得出此结论。第66页，共71页，编辑于2022年，星期一图2.27 并联谐振回路的幅频特性曲线图2.28 并联谐振回路的相频特性曲线第67页，共71页，编辑于2022年，星期一2.8.3耦合回路仿真耦合回路仿真图2.29为电容耦合的仿真电路，其参数设置如图所示。图2.29 电容耦合回路的仿真电路图2.30为临界耦合时，电路的幅频特性曲线。改变互感参数M可调整偶合电感，进而改变输出信号幅度第68页，共71页，编辑于2022年，星期一图 2.30 临界耦合回路的幅频特性曲线第69页，共71页，编辑于2022年，星期一2.9 2.9 本章小结本章小结本章主要介绍了高频电路中常用的滤波

44、电路，包括串、并联谐振电路，抽头回路和耦合回路，对这几种滤波电路的谐振滤波原理、参数分析以及它们的特点和应用做了详细的分析和介绍。其中，LC滤波电路的滤波性能是由它的通频带和选择性两个性能指标来衡量的，品质因数越高，其通频带越窄，幅频特性曲线越尖锐，其选择性也越好。矩形系数是用来衡量品质因数和选择性的参数，它可以衡量幅频特性曲线趋近于矩形的程度，矩形系数约小，其特性曲线越接近矩形，滤波性能也越好。另外，本第70页，共71页，编辑于2022年，星期一章还介绍了常用的集中滤波器件，着重分析了它们的滤波原理及适用环境。通过本章节的学习，应对滤波电路的基本原理，基本滤波电路的组成结构以及有关的参数计算熟练掌握，为后边章节的学习打下坚实的基础。第71页，共71页，编辑于2022年，星期一