通信电路原理 第03章mhy2

1、本章主要内容：本章主要内容：1. 滤波器简介滤波器简介2. 选频回路的选频回路的主要指标：幅频、相频特性主要指标：幅频、相频特性3. LC滤波器：并、串联滤波器：并、串联选频回路选频回路 谐振的基本概念与特性谐振的基本概念与特性 选频特性选频特性 实际并联回路与实际并联回路与有载有载Q4. 窄带窄带无源阻抗变换网络无源阻抗变换网络5.集中参数选频集中参数选频滤波器简介滤波器简介应用：应用： 射频系统的各个模块射频系统的各个模块放大、振荡、混频、放大、振荡、混频、调制、解调等调制、解调等1、选频回路是做什么用的？、选频回路是做什么用的？ 选出有用信号，滤除或抑制无用信号选出有用信号，滤除或抑制无

2、用信号 即：对信号的频谱进行滤波处理的电路即：对信号的频谱进行滤波处理的电路2、射频电路中为何需阻抗变换？、射频电路中为何需阻抗变换？ 1）实现实现最大功率传输最大功率传输共轭匹配共轭匹配 2）在天线、低噪声放大器或混频器等接收机前端可）在天线、低噪声放大器或混频器等接收机前端可以以改善噪声系数改善噪声系数 3）滤波器或选频回路前后匹配可）滤波器或选频回路前后匹配可保证保证滤波器性能滤波器性能 4)长线传输中，阻抗不匹配会产生反射长线传输中，阻抗不匹配会产生反射幅度和相位幅度和相位 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、（d）带阻滤波器。

3、）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，带外全抑制滤波器的分类（续）滤波器的分类（续） 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

4、声表面波滤波器(SAW)（压电材料为基体构成的一种电声（压电材料为基体构成的一种电声换能元件）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。 本章主要讨论本章主要讨论RLC选频回路选频回路jejHjH频率特性： jHjHjHReImarctanarg相频特性：)(jH幅频特性：幅频特性：3 3. .2 2 选频回路的指标选频回路的指标(1) 中心频率中心频率0f(2) 通频带通频带 BW3dB(3) 带内波

5、动带内波动(4) 选择性选择性( (与矩形系数与矩形系数0.10.11/2BWKBW(5)插入损耗）插入损耗）inoutPLP(6) 输入、输出阻抗（匹配）输入、输出阻抗（匹配） RinRout PoutPin选频选频回路回路BW20dB幅频特性幅频特性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。输函数中必须包含负载和信源内阻的影响。滤波器的特性都是在输滤波器的特性都是在输入、输出端匹配的条件下测得的入、输出端匹配的条件下测得的。( )dd 群时延群时延：结果：通频带内不同频率信号延迟

6、相同时间结果：通频带内不同频率信号延迟相同时间要求：在通频带内要求：在通频带内群时延为常数群时延为常数表现：相频特性为表现：相频特性为线性线性不产生相位失真不产生相位失真( )相频特性相频特性群延时描述一群不同频率的信号通过滤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，是相频特性波器后所产生的时间延迟，是相频特性曲线在不同频率处的斜率。曲线在不同频率处的斜率。 ImarctanReH jH j 电阻电阻 r 电导电导G阻抗阻抗Z 导纳导纳Y电感电感L 电容电容C电容电容C 电感电感L电压源电压源VS 电流源电流源IS电流电流 I 电压电压 V电路的对偶性电路的对偶性串联串联 并联

7、并联LC 串并联谐振回路串并联谐振回路I()Z j1. 并联谐振回路并联谐振回路标准电路形式标准电路形式回路输入导纳回路输入导纳谐振谐振的定义的定义:)(Y为纯电阻为纯电阻(或纯电导）或纯电导）谐振频率谐振频率LCfoo12 3.3.1谐振谐振的基本概念与特性的基本概念与特性1( )YGj Cj L1）阻抗特性）阻抗特性GY)(00L2）电压特性）电压特性 RIVSo输出电压最大且与信号源同相输出电压最大且与信号源同相3）品质因数）品质因数QQ谐振时回路总的储能谐振时消耗的平均功率000CRRQCRGL谐振时的特点谐振时的特点22/CVVR4） 储能元件（电感和电容）并联；电流驱动，电压输出储

8、能元件（电感和电容）并联；电流驱动，电压输出01LCCSsLIjQLjRILjVI000电感电流电感电流SSCIjQRICjVCjI000电容电流电容电流特点：特点：电抗支路的电流比信号源电抗支路的电流比信号源大大Q倍倍5）电流特性）电流特性 串串并联特性对照表并联特性对照表SISVLCf1200LCf1200GY)(0rZ)(0 并联并联 串联串联 电路结构电路结构 L.C.G并联并联 C.L.r串联串联 激励信号源激励信号源 电流源电流源 电压源电压源 谐振角频率谐振角频率 谐振阻抗谐振阻抗 品质因数品质因数谐振时电流谐振时电流(电压电压)LRGCQP00CrrLQ001SCLQIIISC

9、LQVVV2. 串联谐振回路串联谐振回路分析内容分析内容: 回路输出电压回路输出电压(电流电流)及回路阻抗及回路阻抗随频率变化特性随频率变化特性000/()( )1( )1()1()SSsIIIGVVYjGjCjQL输出电压输出电压:广义失谐广义失谐:)(00 Q说明说明: 1. 输出电压是输出电压是复数复数2. 输出电压输出电压与频率有关与频率有关1. 并联谐振回路并联谐振回路3.3.2选频特性选频特性近似条件近似条件:00000000200()()()2()2() QQQQ 002arctgQ其中：其中：( )V公式：公式：讨论讨论谐振频率附近谐振频率附近的选频特性的选频特性1000002

10、000/()()2()22111 ()jsIGVVejQjQQ（1）公式：公式：200( )1()21()VSVQ 选择性选择性回路的回路的 值越高，选择性越好值越高，选择性越好 Q注意：注意：高的高的选择性与选择性与宽的宽的通频带对通频带对 的要求是矛盾的的要求是矛盾的Q 通频带通频带12S 令令 得得:QffBWdB0320f大，通频带很难窄大，通频带很难窄Q高，通频带窄高，通频带窄 矩形系数矩形系数 0,10,139.95dBBWKBW进一步说明单并联回路对进一步说明单并联回路对高的选择性高的选择性与宽的通频带与宽的通频带这对这对矛盾不能兼顾矛盾不能兼顾1幅频特性幅频特性02arctgQ

11、公式：公式： 谐振时谐振时0)(0含义：回路阻抗呈纯电阻，输出电压与信号电流同相含义：回路阻抗呈纯电阻，输出电压与信号电流同相 失谐时失谐时当当 时时 ，并联，并联回路阻抗呈回路阻抗呈感性感性；当当 时时 ，并联并联回路阻抗呈回路阻抗呈容性容性。 00)(00)(注注: 回路的回路的阻抗性质阻抗性质会随频率而会随频率而变变Q大大（2）并联谐振回路相频特性）并联谐振回路相频特性 线性相频范围线性相频范围 600)(2)(Qu当当 时，时，)(相频特性相频特性 呈呈线性线性02arctgQ公式公式：Q大大Q值是影响回路性能的最重要参数，它描述的是回路中的电值是影响回路性能的最重要参数，它描述的是回

12、路中的电抗与损耗之比，它的影响体现在选频特性上。抗与损耗之比，它的影响体现在选频特性上。 相频特性曲线斜率相频特性曲线斜率 020Qdd特点：特点： 负斜率负斜率 越大，相频特性越陡越大，相频特性越陡 Q22111SSSSSSPPXrjXrjXrjXR等效：等效：2222(1() )(1)sssPssssrXXRrrQrr实部相等：实部相等：虚部相等：虚部相等：22221(1 () )(1)sssPssssrXrXXXXXQ定义定义：支路支路 Q串联支路串联支路ssXQr并联支路并联支路PPRQXsPsPXRQrX两者相等两者相等串并联支路阻抗变换串并联支路阻抗变换讨论信号源内阻及负载对回路的

13、影响讨论信号源内阻及负载对回路的影响谐振阻抗谐振阻抗PLSTRRRR/和和 不影响回路谐振频率只影响不影响回路谐振频率只影响谐振阻抗谐振阻抗和和回路回路QSRLR有载有载 为为：00TeRQQLeQ结果：结果：通频带变宽，选择性变差通频带变宽，选择性变差回路损耗对应回路损耗对应-空载空载 ：000PLRQrL1 1 高高Q0Q等效等效有载品质因数有载品质因数 Q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路的影阻和负载电阻情况下，为减小对并联谐振回路的影响，外电路可采用阻抗变换电路响，外电路可采用阻抗变换电路。集成电路中可采用负阻电路。集成电路中可采用负阻电路。例例1：采用下

14、图所示电路，要求实现谐振频率为：采用下图所示电路，要求实现谐振频率为f0=100MHz，网络的带宽要求为网络的带宽要求为BW3dB =2MHz，电阻，电阻R=50欧，求欧，求L、C的值。的值。LC50R 例例2：已知一：已知一RLC并联谐振回路的中心频率并联谐振回路的中心频率f0=465kHz, Q0=120, L=100m mH试问：回路的试问：回路的C=? , BW3dB=? , 并联电阻并联电阻R=?矩形系数矩形系数=？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为某个特定的

15、和系统参数有关的一个最佳值 ，但实际的负载但实际的负载 不一定和它相符。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 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 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。OPTZOPTZOPTZLZinZLZLZ3.4 无源阻抗变换无源阻抗变换阻抗变换的阻抗变换的必要性必要性（3）保

16、证）保证滤波器性能：滤波器性能：LC滤波器网络设计是针对特定的信源滤波器网络设计是针对特定的信源内阻内阻RG和负载电阻和负载电阻RL的，如果阻抗不匹配，滤波器频率特性的，如果阻抗不匹配，滤波器频率特性将改变，将不符合设计指标将改变，将不符合设计指标（1）实现）实现最大功率传输最大功率传输共轭匹配。共轭匹配。（2）最小噪声系数匹配：最小噪声系数匹配：信号源内阻有一个最佳内阻，可以信号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保证二端口线性网络的噪声系数最小对变换网络的要求：对变换网络的要求：宽带宽带：传输线变压器（略）：传输线变压器（略）窄带窄带：LC网络网络（2）带宽）带宽（1

17、）损耗小）损耗小 用纯电抗用纯电抗阻抗阻抗变换变换网络网络实际中负载阻抗与信号源阻抗并不一实际中负载阻抗与信号源阻抗并不一定匹配，往往需要插入电抗网络来进定匹配，往往需要插入电抗网络来进行阻抗变换，以满足匹配的要求。行阻抗变换，以满足匹配的要求。变压器参数：变压器参数：初级电感量初级电感量12MkL L次级电感量次级电感量2L耦合系数耦合系数01k互感互感1L变压器种类变压器种类： 空心空心变压器变压器 磁芯磁芯变压器变压器耦合紧，漏感小耦合紧，漏感小( ) , 磁芯损耗随频率升高增大磁芯损耗随频率升高增大选择磁芯时，要注意它的导磁率和损耗选择磁芯时，要注意它的导磁率和损耗1k 理想变压器：理

18、想变压器：无损耗、耦合系数为无损耗、耦合系数为1，初级电感量为无穷，初级电感量为无穷理想变压器理想变压器阻抗变换：阻抗变换： 电压电压 电流电流 阻抗阻抗2121NNVV1221NNIILLRNNR221)(注意注意电流方向，负号表示实际电流方向，负号表示实际方向与假设方向相反方向与假设方向相反磁芯变压器磁芯变压器可近似为可近似为理想变压器理想变压器3 3. .4 4.1 .1 变压器阻抗变换变压器阻抗变换 3.4.2 部分接入进行阻抗变换部分接入进行阻抗变换 采用电抗元件部分接入时，将电阻采用电抗元件部分接入时，将电阻R接在两个相同性质接在两个相同性质的电抗元件的电抗元件X1与与X2之间，计

19、算其折合到整个并联支路的之间，计算其折合到整个并联支路的等效电阻。等效电阻。 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（根据电阻上的根据电阻上的功率相等功率相等来等效）来等效） 这种阻抗变换网络一般是窄带的，采用另一个异性电抗这种阻抗变换网络一般是窄带的，采用另一个异性电抗与与X1与与X2的串联电抗谐振，电抗互相抵消，完成纯电阻的串联电抗谐振，电抗互相抵消，完成纯电阻间的阻抗变换。间的阻抗变换。X1X2RX1X2R部分接入折合到全部R01.电感抽头耦合电路电感抽头耦合电路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, 接入系数接入系数212LLLp(P1) L1、L2之间无互感之间无互感可得可得2pRRLLLRLR1L2L1L2L+1V1V2LRL并联支路并联支路Q值足够大值足够大2 2. . 电容耦合电路电容耦合电路-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,称为电容称为电容部分接入法部分接入法211CCCp可得可得2pRRLL(p1. 电路结构电路结构与与参数计算参数计算步骤：步骤：当当 时时sRLR变