通信电路原理ppt2

1、1笫笫2 2章章 滤波器滤波器本章主要内容：本章主要内容：2.12.1滤波器的基本概念滤波器的基本概念u 滤波器的功能、作用、滤波器的功能、作用、和分类和分类u 滤波器特性的描述滤波器特性的描述2.22.2 LCLC 滤波器的设计与实现滤波器的设计与实现2.2.1 2.2.1 最简单的最简单的LCLC滤波器滤波器-LC-LC 串、并联谐振回路串、并联谐振回路2.2.2.3 2.3 传输线阻抗变换器传输线阻抗变换器2.3 2.3 声表面波声表面波滤波器滤波器2.4 2.4 2幅度和相位幅度和相位3o 按其幅度频率特性分按其幅度频率特性分:（a)低通、低通、(b)高通、高通、(c)带通、（带通、（

2、d）带阻滤波器。）带阻滤波器。滤波器的滤波器的理想幅度理想幅度-频率特性曲线频率特性曲线通带通带阻带阻带通带通带通带通带阻带阻带理想：理想：通带内信号无衰减，带外全抑制通带内信号无衰减，带外全抑制4滤波器的分类（续）滤波器的分类（续）用衰耗特性用衰耗特性A( ) （幅度（幅度-频率特性的倒数）表示频率特性的倒数）表示l低通（低通（a)、高通、高通(b)、带通、带通(c)和带阻滤波器和带阻滤波器(d)。ps1212(a)(b)(c)(d)0000A( )A( )A( )A( )滤波器的理想衰耗滤波器的理想衰耗-频率特性曲线频率特性曲线（黑处阻带）（黑处阻带）5滤波器的分类（续）滤波器的分类（续）

3、o 按其所用器件的特点分按其所用器件的特点分: 无源和有源滤波器无源和有源滤波器。 u 无源滤波器是由无源器件构成。无源滤波器是由无源器件构成。 电阻、电感和电容组成的电阻、电感和电容组成的RLC滤波器滤波器。 集中选频滤波器：集中选频滤波器：晶体滤波器晶体滤波器（石英晶体薄片构成）（石英晶体薄片构成）陶瓷滤波器陶瓷滤波器（锆钛酸铅陶瓷材料组成）（锆钛酸铅陶瓷材料组成）声表面波滤波器声表面波滤波器(SAW)（压电材料为基体构成的一种电（压电材料为基体构成的一种电 声换能元件声换能元件）介质滤波器介质滤波器（介质谐振腔组成，用于（介质谐振腔组成，用于1GHz以上）以上）u有源滤波器是指在所构成的

4、滤波器中，除无源器件外还有源滤波器是指在所构成的滤波器中，除无源器件外还含有放大器等有源电路。含有放大器等有源电路。 RC有源滤波器（含有运算放大器）。有源滤波器（含有运算放大器）。开关电容滤波器等开关电容滤波器等 6o 按处理的信号形式分按处理的信号形式分l模拟滤波器模拟滤波器l数字滤波器数字滤波器l抽样数据滤波器抽样数据滤波器 如：如： 开关电容滤波器开关电容滤波器 、开关、开关 电流滤波器电流滤波器 等等7群延时等。群延时等。8o 滤波器为一线性时不变系统。滤波器为一线性时不变系统。o 线性系统的特性通常用其传输函数线性系统的特性通常用其传输函数/转移函数来描述。转移函数来描述。o 由于

5、负载对滤波器频响特性有很大的影响，因此射频线性系由于负载对滤波器频响特性有很大的影响，因此射频线性系统的传输函数中必须包含负载和信源内阻的影响。统的传输函数中必须包含负载和信源内阻的影响。滤波器的滤波器的特性都是在输入、输出端匹配的条件下测得的特性都是在输入、输出端匹配的条件下测得的。 滤波器（模拟）示意图滤波器（模拟）示意图9 jejHjH频率特性： jHjHjHReImarctanarg相频特性： 120logAHj衰减特性：幅频特性幅频特性相频特性相频特性)(jH幅频特性：幅频特性：10 延时与失真延时与失真信号与延时后的信号（已知信号与延时后的信号（已知一信号是另一信号的延时）一信号是

6、另一信号的延时）n信号描述：信号描述：n延时信号：延时信号：n瞬时相位：瞬时相位：n延时量：延时量：tAtAtxcos)(cos()(tt)(1)(cos)()(cos)(11tAtxtAtx)(txt01)(tt只有延时，不存在失真！只有延时，不存在失真！11l系统传输函数：系统传输函数：)()()(jejHjHl相位延时相位延时 一个一个角频率为角频率为 的正弦信号通过的正弦信号通过滤波器后产生的延时。（希望线性）滤波器后产生的延时。（希望线性）)()(pl群延时群延时 一群一群不同频率的信号通过滤波器产生不同频率的信号通过滤波器产生的延时。（希望为常数且小）的延时。（希望为常数且小）dd

7、g)()(群延时描述一群不同频率的信号通过滤波器后所群延时描述一群不同频率的信号通过滤波器后所产生的时间延迟，是相频特性曲线在不同频率处产生的时间延迟，是相频特性曲线在不同频率处的斜率。的斜率。12群延时与线性失真群延时与线性失真o 如果如果群延时为常数群延时为常数，表示信号各个频率分量的延时相同，表示信号各个频率分量的延时相同，不会产生波形失真不会产生波形失真 (见书见书P14图图b、c）o 如果群延时不为常数，不同频率分量的信号延时不同，如果群延时不为常数，不同频率分量的信号延时不同，产生波形失真产生波形失真(见书见书P14图图d、e）l对于用相位传输信息的信号如对于用相位传输信息的信号如

8、QPSK、16QAM等群等群延时特性非常重要，希望其值为常数延时特性非常重要，希望其值为常数o 信号无失真传输条件：信号无失真传输条件：n （通频带内）幅频特性为常数，相频特性为线性（通频带内）幅频特性为常数，相频特性为线性n 若幅频特性不为常数若幅频特性不为常数 ，则幅度失真，则幅度失真n 若相频特性不为线性，则相位失真若相频特性不为线性，则相位失真13o 2.2.2.1 LC2.1 LC串并联谐振回路串并联谐振回路n LCLC谐振回路是最简单的谐振回路是最简单的LCLC滤波器电路形式滤波器电路形式n 课堂上重点讨论并联谐振回路的特性课堂上重点讨论并联谐振回路的特性o 并联谐振回路陆续出现在

9、后续章节中，如谐振放并联谐振回路陆续出现在后续章节中，如谐振放大器，大器，LCLC振荡器，调制与解调电路振荡器，调制与解调电路n LCLC谐振回路谐振回路要求搞清以下问题：要求搞清以下问题： 1、回路品质因数、回路品质因数 Q（ 2、回路阻抗（导纳）、电抗特性。、回路阻抗（导纳）、电抗特性。 3、回路谐振特性和谐振频率。、回路谐振特性和谐振频率。 4、频率特性（幅频特性与相频特性）。、频率特性（幅频特性与相频特性）。 5、通频带、矩形系数和谐波、通频带、矩形系数和谐波抑制度抑制度 。 6、实际信号源和负载对谐振回路的影响。、实际信号源和负载对谐振回路的影响。 7、阻抗变换电路与匹配网络、阻抗变

10、换电路与匹配网络141. LC并联谐振回路并联谐振回路电路形式电路形式CCLLPR)(jZPsR 电感元件的固有损耗电阻包括电感线圈导线的欧姆电电感元件的固有损耗电阻包括电感线圈导线的欧姆电阻、阻、由由趋肤效应趋肤效应引起高频损耗电阻。引起高频损耗电阻。 大大Q低。低。sRPRgIgILICI 固有损耗也可等效为并联谐振电阻固有损耗也可等效为并联谐振电阻 为负载阻为负载阻 抗抗 。 )(jYPLRLR特点：储能元件（电感和电容）并联；电特点：储能元件（电感和电容）并联；电流驱动，电压输出，传输函数具有阻抗的流驱动，电压输出，传输函数具有阻抗的量纲。量纲。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-容串并联支路的互换容串并联支路的互换CRABPPLRRLQPPRCCRQ1等效前后等效前后Q不变！不变！17阻抗串并联支路等效互换（续）阻抗串并联支路等效互换（续）o 统一的阻抗变换公式统一的阻抗变换公式sRsXP

12、RPXPpsssssssssPsssssssPXRRXQQXXRXXXRXQRRXRRXRR)11 ()(1 ()1 ()(1 (22222222返回22111SSSSSSppXRjXRjXRjXR182 2并联回路谐振点特性并联回路谐振点特性o 谐振谐振：如果在某个频率点上，施加在回路两端的电流和其所产：如果在某个频率点上，施加在回路两端的电流和其所产生的电压是同相位的，则该频率点为谐振频率点。生的电压是同相位的，则该频率点为谐振频率点。在谐振频率在谐振频率点上，回路两端视入的阻抗（或导纳）为纯阻（或纯电导）点上，回路两端视入的阻抗（或导纳）为纯阻（或纯电导）。o 谐振频率谐振频率： （ra

13、d/s),为回路无阻尼振荡频率回路无阻尼振荡频率。当Q1o 谐振阻抗谐振阻抗：纯阻：纯阻o 特征阻抗特征阻抗：谐振回路固有的阻抗特征，大小等于谐振频率点上：谐振回路固有的阻抗特征，大小等于谐振频率点上的电抗值的电抗值 pRjZ)(0LC10)(210HzLCfCLCLZ000120211()1PRLCLQ0p19谐振点特性（续）谐振点特性（续）o 品质因数品质因数Q ：储能和耗能之比储能和耗能之比。Q值越大，回路损耗值越大，回路损耗越小，即越小，即Rs越小，越小，Rp越大。越大。 o 并联回路谐振性质并联回路谐振性质 ：电流谐振。谐振点上，流过电流谐振。谐振点上，流过电抗（电感和电容）支路的电

14、流是信源电流电抗（电感和电容）支路的电流是信源电流 的的Q倍倍 。sssCRRLCLRQ0011LRGCQPPP0000jIjQjIgL00jIjQjIgC00jIjIgRpgI20 3. 3.阻抗特性阻抗特性 G L C jZP iI oV 001PPjQGjY PjPPPPeZjQGjYjZ00111：回路品质因数：无阻尼固有频率LGGCQLCP00011)()()(1)(1)(002002arctgQQRjYjZPPPP PZ P220：容性：感性：0000PPPR2PR12214.频率特性、带宽频率特性、带宽o归一化幅频特性归一化幅频特性 02200002200()1( )()1()1

15、1221 ()1 ()vPppV jV jQfQQf 以以 时的输出电压时的输出电压 对对 归一化归一化0)(00jV)(0jV相频特性相频特性002( )()2()vPParctgQfarctgQf 0000312dBpfBWQCR带宽：带宽： 1/2VdBBW3指225.矩形系数和谐波矩形系数和谐波抑制度抑制度22)1(1lg10lg10)(nnQdBnn1 . 0K0.10.10.7BWKBW 谐波谐波抑制度抑制度基波成分输出功率各种谐波成分输出功率例：设例：设Q=100,则二次谐波则二次谐波抑制度抑制度并联回路相对幅频特性并联回路相对幅频特性dB52.237 . 0B1 . 0B236

16、.6.回路电抗特性回路电抗特性并联回路电抗特性并联回路电抗特性 fX 0f f Q O fX 0f f Q O 串联回路电抗串联回路电抗0 0X0 0X： 呈现容性呈现容性 00X： 呈现感性呈现感性0 0X： 呈现容性呈现容性： 呈现感性呈现感性247.7. 信号源信号源內內阻和负载电阻对回路的影响阻和负载电阻对回路的影响LCPRgRgCLCLgPRRRR/LRQL0Q减小，通频带加宽，减小，通频带加宽，选择性变坏。选择性变坏。LgCCCC 在有信号源在有信号源內內阻和负载电阻情况下，为减小对并联谐振回阻和负载电阻情况下，为减小对并联谐振回路的影响，需要应用路的影响，需要应用阻抗变换电路阻抗

17、变换电路。gI影响谐振回路谐振频率。影响谐振回路谐振频率。 并联谐振回路希望用并联谐振回路希望用恒流源激励恒流源激励。LR258.8. 阻抗变换电路阻抗变换电路（为减小对回路影响）（为减小对回路影响）12NN LRVP222211LRVP 12PP 2122LLRVRV221221NNVVRRLLLLLLRRRNNR221从从功率功率等效角度证明：等效角度证明：理想变压器无损耗：理想变压器无损耗：gRgRgCgCLR1L1L2L121LR1N2N1121V2VgIgI21,NN(1)(1) 全耦合变压器等效全耦合变压器等效 为变压器初、次级匝数为变压器初、次级匝数对对Q影响影响26(2)(2)

18、 双电容耦合电路双电容耦合电路-部分接入法部分接入法LRLRLLLRgRgR11112C2C1C1C负载电阻负载电阻 是通过双是通过双电容抽头电容抽头接入并联谐振回路的接入并联谐振回路的,称为部分称为部分接入法接入法, 令令接入系数接入系数p211CCCp可得2pRRLL(p1)gIgI21LRc对对Q影响影响27(3)(3) 双电感抽头耦合电路双电感抽头耦合电路 -部分接入法部分接入法LR负载电阻负载电阻 是通过双是通过双电感抽头电感抽头接入并联谐振回路接入并联谐振回路的的,称为部分接入法称为部分接入法, 令令接入系数接入系数212LLLp(P1) L1、L2之间无互感之间无互感可得2pRR

19、LLLRLR1L2L1L2L+1V1V2LRL28部分接入法的选频电路举例部分接入法的选频电路举例接入系数接入系数,2111CCCp2122LLLp22pRRLL21pRRggggIpI1/LgPRRRRLRQL0对回路对回路有有载品质因数载品质因数影响明显减小。影响明显减小。Ig回路两回路两端指电端指电感两端感两端29n 为了减小信源与负载并在回路两端对回路性能的影响为了减小信源与负载并在回路两端对回路性能的影响 （Q下降，下降，fo改变，失配），采用部分接入（抽头）方式。改变，失配），采用部分接入（抽头）方式。n 接入系数接入系数P即为抽头与回路两端（指电感两端）的电压比即为抽头与回路两端

20、（指电感两端）的电压比, 而而 且且 P1 - 有条件近似（负载无分流）。有条件近似（负载无分流）。n 信源与负载从抽头接入，等效折合到回路两端（即信源与负载从抽头接入，等效折合到回路两端（即从部分从部分变换到整体），电阻变大变换到整体），电阻变大 倍，倍， 电容减小电容减小 倍，电流倍，电流源减小源减小 P倍。倍。 n 等效折合的原则：等效折合的原则：等效前后的功率不变等效前后的功率不变21P2P30串联回路串联回路谐振点特性谐振点特性n串联回路电压源激励。谐振时，电感、电容器上串联回路电压源激励。谐振时，电感、电容器上电压是激励电压电压是激励电压 的的 Q 倍，故串联谐振又倍，故串联谐振又

21、称称电压谐振电压谐振。SV00jVjQjVSL00jVjQjVSC00jVjVSRsn品质因数品质因数 Q 可用可用Q表测量。表测量。 R L C SV串联谐振回路串联谐振回路31例例1 1：串联回路串联回路如下如下图所示。图所示。 信号源频率信号源频率 F =1MHz。电压振幅电压振幅 V=0.1V。将将1-1端短接，电容端短接，电容C 调到调到100PF时谐振。此时，时谐振。此时，电电容容C 两端的电压为两端的电压为10V。如如1-1端开路再端开路再串串接一阻抗接一阻抗 Z （设两个元件串联而成）（设两个元件串联而成）则则回路失谐，电容回路失谐，电容 C 调到调到200PF时重新谐振。此时

22、，电容时重新谐振。此时，电容 C 两端的电压为两端的电压为2.5V。试求：线圈的电感试求：线圈的电感 L，回路品质因数回路品质因数 及未知阻抗及未知阻抗 Z 。1MHz0.1V11LRCVZ0Q32例例2：o并联回路并联回路如下如下图所示。图所示。 = =8PF， =40K（外接外接）1C2CgR1C2C1L2LLRgRRLR试求：试求：（1）无阻尼谐振频率；无阻尼谐振频率； （2） 等效谐振电阻等效谐振电阻 R ； （3）不接）不接 ，BW如何如何 变？变？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射频电路中一般所说的匹配，是指为了实现最大功率传射频电路中一般所说的匹配，是指为了实现最大功率传输，负载阻抗与信源阻抗之间的关系输，负载阻抗与信源阻抗之间的关系o 如果是匹配的，那么负载可以获得最大的功率如果是匹配的，那么负载可以获得最大的功率LGLGLGLoLRXXRRVRIP22222121GLGLLRRXXP达到最大，只能是要使LRPmaxPGROGGGGGRVRVRP22281421额定*GLZZ-共轭匹配共轭匹配（幅度）GVGGGjXRZLLLjXRZiVoV信源负载34射频电路设计中的其他阻抗匹配概念射频电路设计中的其他阻抗匹配概念n最小噪声系数匹配最小噪声系数匹配o

24、 信源内阻有一个最佳内阻，可以保证二端口线性网络的信源内阻有一个最佳内阻，可以保证二端口线性网络的噪声系数最小（第三章讨论）噪声系数最小（第三章讨论）n最大功率输出匹配最大功率输出匹配o 功率放大器在某个特定负载下具有最大的线性功率输出功率放大器在某个特定负载下具有最大的线性功率输出（第三章讨论）（第三章讨论）n频率特性匹配频率特性匹配o LCLC滤波器网络设计是针对特定的信源内阻滤波器网络设计是针对特定的信源内阻R RG G和负载电阻和负载电阻R RL L的，如果阻抗不匹配，滤波器频率特性将改变，将不的，如果阻抗不匹配，滤波器频率特性将改变，将不符合设计指标符合设计指标n稳定性匹配稳定性匹配

25、o 放大器中往往存在着寄生反馈环路，使得放大器可能出放大器中往往存在着寄生反馈环路，使得放大器可能出现不稳定，但如果选择的信源内阻和负载电阻合适（匹现不稳定，但如果选择的信源内阻和负载电阻合适（匹配），或者通过有损匹配，使得放大器无条件稳定配），或者通过有损匹配，使得放大器无条件稳定除了一般意义上的最大功率传输匹配，还有除了一般意义上的最大功率传输匹配，还有35匹配网络的作用匹配网络的作用p 为了使得系统的某个性能达到最优，希望负载阻抗为某为了使得系统的某个性能达到最优，希望负载阻抗为某个特定的和系统参数有关的一个最佳值个特定的和系统参数有关的一个最佳值 ，但实际但实际的负载的负载 不一定和它

26、相符。不一定和它相符。匹配网络LZinZ系统optZp匹配网络，将负载阻抗匹配网络，将负载阻抗ZLZL变换为变换为匹配网络为一个二端口阻抗变换器，一端接了负载匹配网络为一个二端口阻抗变换器，一端接了负载ZLZL后从后从另一端看进去的阻抗另一端看进去的阻抗 应该等于应该等于在系统和负载之间加上一个匹配网络（阻抗变换网络），在系统和负载之间加上一个匹配网络（阻抗变换网络），可以使系统的这个性能达到最优。可以使系统的这个性能达到最优。OPTZOPTZOPTZLZinZ36LC 阻抗匹配网络阻抗匹配网络o 最常见的窄带阻抗匹配网络（也就是所谓的阻抗变换网最常见的窄带阻抗匹配网络（也就是所谓的阻抗变换网络）的络）的电路形式分别为电路形式分别为L型、型、 型及型及T型结构。型结构。o 窄带阻抗匹配网络功能：窄带阻抗匹配网络功能：阻抗变换和滤波。滤波效果取阻抗变换和滤波。滤波效果取决于网络的决于网络的Q值。值。o 对这三种匹配网络的集总参数的分析与设计的对这三种匹配网络的集总参数的分析与设计的基础是串、基础是串、并联阻抗互换。并联阻抗互换。 (a)(b)L型型(c) 型型(d)T型型37规律：规律：并臂一侧的电阻大于串臂一侧电阻。并臂一侧的电阻大于串臂一侧电阻。RL经经L型匹配网络后在特定频率型匹配网络后在特定频率 上转换为上转