第三节滤波器13.3.15

1、1 高频电路中的典型选频组件高频电路中的典型选频组件-滤波器滤波器章末小结章末小结 第一章第一章 选频与阻抗变换电路选频与阻抗变换电路l1 石英晶体滤波器石英晶体滤波器l2 陶瓷滤波器陶瓷滤波器l3 表面声波滤波器表面声波滤波器2高频电路中的典型选频组件高频电路中的典型选频组件-滤波器滤波器l1 石英晶体滤波器石英晶体滤波器l2 陶瓷滤波器陶瓷滤波器l3 表面声波滤波器表面声波滤波器3基本基本LC选频支路概念选频支路概念输入输出输入输出输出输入输出输入从谐振时阻抗的大小可以知道，下面电路对f0信号是否通过adbc4 为了获得工作频率高度稳定、阻带衰减特性十为了获得工作频率高度稳定、阻带衰减特性

2、十分陡峭的滤波器，就要求滤波器元件的品质因数分陡峭的滤波器，就要求滤波器元件的品质因数很高。而很高。而LC型滤波器的品质因数一般在型滤波器的品质因数一般在100200范围内，不能满足上述要求。范围内，不能满足上述要求。 石英谐振器的品质因数石英谐振器的品质因数可达几万甚至几百万，可达几万甚至几百万，因而可以构成工作频率稳定度极高、阻带衰减特性因而可以构成工作频率稳定度极高、阻带衰减特性很陡峭、通带衰减很小的滤波器。很陡峭、通带衰减很小的滤波器。1 石英晶体滤波器51.石英晶体谐振器1) 物理特性物理特性 1. 石英晶体谐振器石英晶体谐振器 1) 物理特性 石英晶体谐振器是由天然或人工生成的石英

3、晶体切片制成。 6石英晶体形状a、b石英晶体的现状以及各种切工 c、电路符号7石英晶体外形石英晶体外形和内部结构图（a）是考虑基频及各次泛音的等效电路。石英谐振器的等效电路及阻抗特性石英谐振器的等效电路及阻抗特性1、等效电路图1.3.3 晶体谐振器的等效电路（a）包括泛音在内的等效电路 （b）谐振频率附近的等效电路 （c）电路符号弹性体的质量，值很大， 为（几十m几十）H；弹性体的弹性模数，值较小，为（0.010.1）pF；由于各谐波频率相隔较远，相互影响很小。对于某一具体应用（如工作于基频或工作于泛音），只须考虑此频率附近的电路特性，因此可以用图（b）等效。机械摩擦和空气阻尼引起的损耗，值很

4、小，为（几几十）晶体作为介质的静态电容。其数值一般为（几几十)pF，较大。 与石英片厚度、介电常数、极板面积有关。0SCd89l. 压电效应和压电振荡压电效应和压电振荡 C0 rq Cq Lq JT b a 在石英晶体两个管脚加交变在石英晶体两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称产生交变电场，上述物理现象称为为压电效应压电效应。 通常，压电效应并不明显。但是，当交变电场的频通常，压电效应并不明显。但是，当交变电场的频率为某一特定值时发生谐振，机械振动和交变电场的振幅骤然率为某一特

5、定值时发生谐振，机械振动和交变电场的振幅骤然增大，产生共振，称之为增大，产生共振，称之为压电振荡压电振荡。2.石英晶体谐振器-压电振荡压电振荡10 C0 rq Cq Lq b a 当石英晶体不振动时，可等效为一个平当石英晶体不振动时，可等效为一个平板电容板电容C0，称为静态电容；其值决定于晶片，称为静态电容；其值决定于晶片的几何尺寸和电极面积，一般约为几几十的几何尺寸和电极面积，一般约为几几十pF。 当晶片产生振动时，机械振动的惯性等当晶片产生振动时，机械振动的惯性等效为电感效为电感Lq，其值为几，其值为几mH几十几十H。 晶片的弹性等效为电容晶片的弹性等效为电容Cq，为，为0.010.1pF

6、，因此，因此Cq C0 。 晶片的摩擦损耗等效为电阻晶片的摩擦损耗等效为电阻rq，约为，约为100，理想情况下，理想情况下rq=0。3. 石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路11 当等效电路中的当等效电路中的Lq、Cq、rq支路产生串联谐振时，支路产生串联谐振时，该支路呈纯阻性，等效电阻为该支路呈纯阻性，等效电阻为rq ，谐振频率，谐振频率 此时，整个网络的阻抗等于此时，整个网络的阻抗等于rq并联并联C0的容的容抗，因抗，因rq C0的容抗，故可近似认为整体的容抗，故可近似认为整体也呈纯阻性，等效电阻为也呈纯阻性，等效电阻为rq 。qqsCLf21 当当f f s时，串联支路呈容性，于时，串联

7、支路呈容性，于C0并联后石英晶体呈容性。并联后石英晶体呈容性。 当当f f s时，时，L、C和和rq支路呈感性，在某一频率将与支路呈感性，在某一频率将与C0产生并产生并联谐振，石英晶体又呈纯阻性，谐振频率联谐振，石英晶体又呈纯阻性，谐振频率0qs0q0qqp121CCfCCCCLf C0 rq Cq Lq b a 4. 石英晶体的振荡频率石英晶体的振荡频率12 C0 rq Cq Lq b a O X容性容性 容性容性 sfpf5.感感性性 结果：有底纹的感性结果：有底纹的感性区域为通频带区域为通频带13qqs21CLf 0qs0q0qqp121CCfCCCCLf由于由于CqCq, 它的接它的接

8、入系数入系数p Cq /C0很小，大大减小了很小，大大减小了加到晶体两端的外部电路元件对晶加到晶体两端的外部电路元件对晶体的影响。体的影响。6. 石英晶体滤波器的特点石英晶体滤波器的特点q1q3q5C0LqCqrqC0(a)(b)a图是泛音谐振的示意图b图是基次谐振的示意图15 工作于串联谐振与并联谐振之工作于串联谐振与并联谐振之间的狭长感性区，电感是频率的函间的狭长感性区，电感是频率的函数，且随频率增加而剧烈增加，从数，且随频率增加而剧烈增加，从而遏制频率的进一步增加。而遏制频率的进一步增加。 O X容性容性 容性容性 感感性性 sfpf4作电感用作电感用它具有很高的它具有很高的Q值，外界影

9、值，外界影响很小，只受工艺影响。响很小，只受工艺影响。4工作于串联谐振状态工作于串联谐振状态(fs)注意：一般不工作于容性区。 C0 rq Cq Lq b a 7. 石英晶体滤波器的应用石英晶体滤波器的应用162 陶瓷滤波器陶瓷滤波器l集中选频滤波器l 1.陶瓷滤波器l 在通信、广播等接收设备中，陶瓷滤波器有着广泛的应用。l 陶瓷滤波器是利用某些陶瓷材料的压电效应构成的滤波器，常用的陶瓷滤波器是由锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3压电陶瓷材料（简称PZT）制成的。17 利用某些陶瓷材料的压电效应构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。它的成的滤波器，称为陶瓷滤波器。它的等效品质因数

10、等效品质因数为几百，比为几百，比LC滤波滤波器高，但远比石英晶体滤波器低。器高，但远比石英晶体滤波器低。 因此作滤波器时，通带没有石英因此作滤波器时，通带没有石英晶体那样窄，选择性也比石英晶体滤晶体那样窄，选择性也比石英晶体滤波器差。它具有与石英晶体相类似的波器差。它具有与石英晶体相类似的压电效应，因此陶瓷谐振器的等效电压电效应，因此陶瓷谐振器的等效电路与石英晶体的相同。路与石英晶体的相同。18 电路组成原则：电路组成原则：中心频率是串臂的串联谐振频率和并臂的中心频率是串臂的串联谐振频率和并臂的并联谐振频率，截止频率分别对应串臂的并联谐振频率和并臂并联谐振频率，截止频率分别对应串臂的并联谐振频

11、率和并臂的串联谐振频率。的串联谐振频率。 谐振子数目愈多，滤波器的带外衰减性能愈强。谐振子数目愈多，滤波器的带外衰减性能愈强。电路组成原则电路组成原则19声表面波滤波器声表面波滤波器 表面声波是利用局部扰动产生一种通过固体介质内或表面声波是利用局部扰动产生一种通过固体介质内或沿表面传送的波沿表面传送的波.声表面波滤波器结构示意图如下所示。声表面波滤波器结构示意图如下所示。它以铌酸锂、锆钛酸铅或石英等压电材料为基片，利它以铌酸锂、锆钛酸铅或石英等压电材料为基片，利用真空蒸镀法，在抛光过的基片表面形成厚度约用真空蒸镀法，在抛光过的基片表面形成厚度约的铝膜或金膜电极，称其为叉指电极。左端叉指的铝膜或

12、金膜电极，称其为叉指电极。左端叉指电极为发端换能器，右端叉指电极为收端换能器。因电极为发端换能器，右端叉指电极为收端换能器。因为一对叉指的为一对叉指的d可以很短（等效谐振条件：可以很短（等效谐振条件：d=0.5，f为为30MHZ时，时，=C/f10-4m=0.1mm，d=0.05mm），），一块小基片上可以做多对叉指，等于多级一块小基片上可以做多对叉指，等于多级LC谐振回路谐振回路选频，所以指标较好。选频，所以指标较好。 见下页C声=3*103m/s20声音传播速度:3*103m/s（大理石或半导体）大理石或半导体）说明:光在真空中速度为3*108米/秒，光也是一种电磁波。光在钻石中的传播速度

13、要比在真空中小一些,为1.22*108m/s 。声音的传播需要物质，物理学中把这样的物质叫做介质。声音在不同的介质中的传播速度：真空 0m/s（也就是不能传播）空气（15）, 340m/s软木 500m/s 海水（25） 1531m/s,大理石大理石 3810m/s 这里要注意的是，声音在不同的物质中的传播速度不同，21LRsUsabdRL发端换能器声表面波传播方向吸收材料收端换能器声表面波滤波器结构示意图22声表面波滤波器的声表面波滤波器的23表面声波滤波器特点表面声波滤波器特点表面声波滤波器具有体积小、重量轻、中心频率可做得很高、表面声波滤波器具有体积小、重量轻、中心频率可做得很高、相对频

14、带较宽、矩形系数接近于等特点，并且它可以采用相对频带较宽、矩形系数接近于等特点，并且它可以采用与集成电路工艺相同的平面加工工艺，制造简单、成本低、与集成电路工艺相同的平面加工工艺，制造简单、成本低、重复性和设计灵活性高，可大量生产，所以是一种很有发展重复性和设计灵活性高，可大量生产，所以是一种很有发展前途的滤波器。前途的滤波器。24通信机中常用的通信机中常用的声表面波滤波器的声表面波滤波器的25章末小结：滤波器原理滤波器原理集中选择性滤波器指标较理想，但频率不可调，有的地方集中选择性滤波器指标较理想，但频率不可调，有的地方不能用。不能用。他们的共同特点是都是应用具有压电效应的材料。他们的共同特

15、点是都是应用具有压电效应的材料。 在两端加交变电场时，它将会产生一定频率的机械在两端加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为象称为压电效应压电效应。 通常，压电效应并不明显。但是，当交变电场的频通常，压电效应并不明显。但是，当交变电场的频率为某一特定值时发生谐振，机械振动和交变电场的振幅骤然率为某一特定值时发生谐振，机械振动和交变电场的振幅骤然增大，产生共振，称之为增大，产生共振，称之为压电振荡压电振荡。26 C0 rq Cq Lq b a 当石英晶体不振动时，可等效为一个平当石英晶体不振动时，

16、可等效为一个平板电容板电容C0，称为静态电容；其值决定于晶片，称为静态电容；其值决定于晶片的几何尺寸和电极面积，一般约为几几十的几何尺寸和电极面积，一般约为几几十pF。 当晶片产生振动时，机械振动的惯性当晶片产生振动时，机械振动的惯性等效为电感等效为电感Lq，其值为几，其值为几mH几十几十H。 晶片的弹性等效为电容晶片的弹性等效为电容Cq，为，为0.010.1pF，因此，因此Cq C0 。 晶片的摩擦损耗等效为电阻晶片的摩擦损耗等效为电阻rq，约为，约为100，理想情况下，理想情况下rq=0。石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路由于这些特点，由于这些特点，晶体的晶体的Q非常非常高，性能稳定高，

17、性能稳定271、石英晶体谐振器的优缺：、石英晶体谐振器的优缺：Q值很高，能达到几万；性能值很高，能达到几万；性能稳定；通频带很窄（因为稳定；通频带很窄（因为fP和和fS很窄、很接近）常用于高放很窄、很接近）常用于高放大倍数但其他指标一般的滤波回路。大倍数但其他指标一般的滤波回路。2、陶瓷滤波器的优缺：、陶瓷滤波器的优缺：Q值适中，达到几百；性能稳定；值适中，达到几百；性能稳定；通频带比较宽，价格便宜，常用于测量仪器等。通频带比较宽，价格便宜，常用于测量仪器等。3、声表面波滤波器的优缺：中心频率较高，矩形系数较好；、声表面波滤波器的优缺：中心频率较高，矩形系数较好；Q值适中；性能稳定；通频带较宽，价格略贵。值适中；性能稳定；通频带较宽，价格略贵。它可以采用它可以采用与集成电路工艺相同的平面加工工艺，制造简单、成本低、与集成电路工艺相同的平面加工工艺，制造简单、成本低、重复性和设计灵活性高，可大量生产，所以是一种很有发重复性和设计灵活性高，可大量生产，所以是一种很有发展前途的滤波器。展前途的滤波器。常用于要求较高或频率较高的回路。常用于要求较高或频率较高的回路。章末小结：滤波器指标与特点滤波器指标与特点28本节思考题本节思考题各类滤波器特点及其应用场合。书P32 1.11；1