濾波器基本原理詳解演示文稿

濾波器基本原理詳解演示文稿本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第1頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分優(yōu)選濾波器基本原理本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第2頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分濾波器的基本原理濾波器的基本概念濾波器的指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)濾波器的設(shè)計(jì)理論濾波器的低通原型低通濾波器縮比變換設(shè)計(jì)實(shí)例本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第3頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分濾波器的基本概念模擬濾波器是最基本的信號(hào)處理器件，主要功能是消除影響信號(hào)處理的各類(lèi)噪聲。濾波器的基本原理是根據(jù)頻率不同產(chǎn)生不同的增益，使得特定的信號(hào)被突顯出來(lái)，其他頻率的信號(hào)則被衰減，達(dá)到消除噪聲的目的。帶通濾波器用作收發(fā)機(jī)和頻譜分析儀中的選頻裝置低通濾波器用作數(shù)字信號(hào)分析系統(tǒng)中的抗頻混濾波高通濾波器被用于聲發(fā)射檢測(cè)儀中剔除低頻干擾噪聲帶阻濾波器用作電渦流測(cè)振儀中的陷波器RF通常采用工作衰減來(lái)描述濾波器的幅值特性

LA(ω)=10log(Pin/PL)=-log(1-|Γin(ω)|2）(dB)本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第4頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分濾波器的分類(lèi)可以從不同角度對(duì)濾波器進(jìn)行分類(lèi)按功能分：低通濾波器，高通濾波器，帶通濾波器，帶阻濾波器，可調(diào)濾波器按使用的元件分：集總參數(shù)濾波器，分布參數(shù)濾波器，無(wú)源濾波器，有源濾波器，晶體濾波器，聲表面波濾波器，等等本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第5頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分濾波器的分類(lèi)除了以上幾種基本分類(lèi)法，還有以下幾種常見(jiàn)的分類(lèi)方法：根據(jù)相對(duì)帶寬根據(jù)功率容量低功率、中功率和高功率濾波器根據(jù)中心頻率固定頻帶和可調(diào)諧濾波器根據(jù)阻帶功率流向反射式和吸收式濾波器窄帶：寬帶：本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第6頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分濾波器技術(shù)指標(biāo)和主要參數(shù)頻率指標(biāo)：帶寬（Bandwidth）通帶的3dB帶寬（flow-fhigh）中心頻率工作頻帶中心，f0截止頻率傳輸系數(shù)下降到3dB點(diǎn)頻率，fc止帶（stopband或rejectband）又稱(chēng)阻帶抑制，對(duì)于低通、高通、帶通濾波器，指衰減到指定點(diǎn)（通常選60dB點(diǎn)）的頻帶。阻帶邊頻阻帶內(nèi)允許通過(guò)的最小損耗所對(duì)應(yīng)的頻率本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第7頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分濾波器技術(shù)指標(biāo)和主要參數(shù)衰減指標(biāo)：插入損耗（insertionloss）當(dāng)濾波器與設(shè)計(jì)要求的負(fù)載連接，通帶中心衰減，單位：dB絕對(duì)衰減（Absoluteattenuation）阻帶中最大衰減，單位：dB回波損耗（Returnloss）表示濾波器的匹配情況，單位：dBReturnLoss（RL)==dB-20logG本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第8頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分濾波器技術(shù)指標(biāo)和主要參數(shù)矩形度指標(biāo)：帶內(nèi)波紋（passbandripple）在通帶內(nèi)幅度波動(dòng)，用最大值和最小值之差定義波紋系數(shù)，其單位為dB或奈貝（Neper）每倍頻程衰減（dB/Octave）離開(kāi)截止頻率一個(gè)倍頻程衰減（dB）矩形系數(shù)（shapefactor）定義為本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第9頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分濾波器技術(shù)指標(biāo)和主要參數(shù)相頻特性：相移（phaseshift）當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器引起的相移群時(shí)延（Groupdelay）任何離散信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器的時(shí)延（ns）微分時(shí)延（differentialdelay）兩特定頻率點(diǎn)群時(shí)延之差，單位：ns其他指標(biāo)：寄生通帶由元件的周期性特性引起，應(yīng)使寄生通帶遠(yuǎn)離通帶頻率范圍功率容量可調(diào)范圍本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第10頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分無(wú)失真?zhèn)鬏敆l件關(guān)于通過(guò)無(wú)源線性器件無(wú)失真的傳輸有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題器件的幅度響應(yīng)必須在使用的帶寬內(nèi)為固定值。這意味著在帶段內(nèi)的所有信號(hào)的衰減是恒等的器件的相位響應(yīng)在同樣的帶寬內(nèi)必須是線性的。既滿足常數(shù)群時(shí)延特性，所有諧波有相同的延時(shí)時(shí)間。本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第11頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分品質(zhì)因數(shù)Q品質(zhì)因數(shù)Q（qualityfactor）中心頻率與3dB帶寬之比有載品質(zhì)因數(shù)比空載品質(zhì)因數(shù)小描述濾波器的頻率選擇性濾波器的Q值比實(shí)際阻抗和導(dǎo)納容易測(cè)量，帶通和帶阻濾波器的阻抗或?qū)Ъ{可用Q來(lái)計(jì)算。（課本P145）LF稱(chēng)為損耗因數(shù)歸一化頻率偏差本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第12頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q耗散系數(shù)本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第13頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分濾波器的基本實(shí)現(xiàn)—集總參數(shù)元件基本LC低通濾波器基本LC高通濾波器基本LC低通濾波器T-型常數(shù)-k低通濾波器π-型常數(shù)-k低通濾波器CL基本串聯(lián)帶通濾波器基本并聯(lián)帶通濾波器基本串聯(lián)、并聯(lián)帶通濾波器本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第14頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分濾波器的基本實(shí)現(xiàn)基本串、并聯(lián)帶阻濾波器基本濾波器電路的串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成更復(fù)雜的多級(jí)濾波器基本串聯(lián)帶阻濾波器基本并聯(lián)帶阻濾波器(a)8個(gè)極點(diǎn)的低通濾波器(b)6個(gè)極點(diǎn)帶通濾波器本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第15頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分濾波器設(shè)計(jì)理論一般而言，給定設(shè)計(jì)參數(shù)，直接用上述基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出符合要求的濾波器比較困難。通常RF濾波器的設(shè)計(jì)，采用網(wǎng)絡(luò)綜合的方法。所謂網(wǎng)絡(luò)綜合，在微波工程實(shí)用上指的是預(yù)先規(guī)定元器件特性而用網(wǎng)絡(luò)去實(shí)現(xiàn)的一個(gè)過(guò)程。它大致包括三個(gè)步驟：提出目標(biāo)，即理想響應(yīng)；選用可能的函數(shù)去逼近理想響應(yīng)；設(shè)法實(shí)現(xiàn)具有逼近函數(shù)特性的網(wǎng)絡(luò)。本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第16頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分濾波器設(shè)計(jì)理論為了描述衰減特性與頻率的相關(guān)性，通常使用數(shù)學(xué)多項(xiàng)式來(lái)逼近濾波器特性：最平坦型用巴特沃斯(Butterworth)等波紋型用切比雪夫(Tchebeshev)等延時(shí)用貝塞爾多項(xiàng)式(Bessel)陡峭型用橢圓函數(shù)型(Elliptic)，也稱(chēng)考爾(Cauer)濾波器對(duì)于低通、高通、帶通、帶阻四種類(lèi)型的濾波器，一一自始至終地進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)太過(guò)復(fù)雜。簡(jiǎn)單的方法是只需要把低通原型濾波器分析清楚，然后利用頻率和阻抗變換把實(shí)際的低通、高通、帶通、帶阻濾波器變換成低通原型來(lái)綜合設(shè)計(jì)。本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第17頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分從設(shè)計(jì)指標(biāo)到電路映射濾波器低通原型為基本低通LC的級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。為了逼近濾波器衰減特性，需要選擇合適的數(shù)學(xué)多項(xiàng)式。選定了數(shù)學(xué)多項(xiàng)式后，需要進(jìn)一步確定元件和多項(xiàng)式濾波特性的聯(lián)系：元件個(gè)數(shù)的選擇元件值的選擇為了簡(jiǎn)化分析，一般僅分析歸一化情況下的衰減特性與元件的關(guān)系?！屯ㄔ途C合法。元件數(shù)和元件值只與通帶截止頻率、衰減和阻帶起始頻率、衰減有關(guān)。本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第18頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分濾波器的低通原型基本低通LC濾波器CL基本LC低通濾波器CL低通LC濾波器原型g0是輸入端(源)的導(dǎo)抗值，gn+1是輸出端(負(fù)載)的導(dǎo)抗值。歸一化條件：阻抗歸一化為1Ω;低通截止角頻率為1rad/s。gi和gi+1交替地為導(dǎo)納或阻抗，n為奇數(shù)，則輸入/出端同為導(dǎo)納或阻抗，n為偶數(shù)，則輸入/出端元件描述不同。n：階數(shù)原型函數(shù)極點(diǎn)的數(shù)目;低通原型中電抗性元件的數(shù)目。電容輸入式電感輸入式本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第19頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分橢圓函數(shù)低通原型電路結(jié)構(gòu)本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第20頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分巴特沃斯濾波器衰減曲線中沒(méi)有任何波紋，又稱(chēng)為最大平滑濾波器。對(duì)于低通濾波器，其插入損耗可由損耗因數(shù)確定：Ω是歸一化頻率，N是濾波器的階數(shù)，通常α＝1當(dāng)Ω＝1時(shí)，IL=3dB隨著N的增加，濾波器特性變得陡峭若要求在ΩS的衰減為L(zhǎng)AS，則本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第21頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分巴特沃斯濾波器當(dāng)Ω>>1時(shí)，損耗因數(shù)按Ω2N增加，即頻率每增加一個(gè)量級(jí)，損耗增加20NdB。N取不同值時(shí)濾波器衰減和頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求，所需濾波器的階數(shù)可以由以下公式確定或者查找右圖確定本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第22頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分巴特沃斯低通原型本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第23頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分切比雪夫?yàn)V波器對(duì)于切比雪夫低通濾波器，其插入損耗可由下式確定通帶內(nèi)的波紋越大，過(guò)渡帶越陡峭若已知波紋指標(biāo)LAr、阻帶衰減LAs和歸一化阻帶邊頻Ωs,則元件數(shù)N由下列公式給出cosh是雙曲余弦，coshx=(ex+e－x)/2TN(Ω)為N階切比雪夫多項(xiàng)式α為調(diào)整通帶內(nèi)波紋的常數(shù)因子本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第24頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分切比雪夫?yàn)V波器波紋為3dB的切比雪夫?yàn)V波器衰減特性波紋為0.5dB的切比雪夫?yàn)V波器衰減特性切比雪夫?yàn)V波器比巴特沃斯濾波器具有更陡峭的過(guò)渡帶特性。對(duì)于較高的歸一化頻率Ω

，其衰減特性相當(dāng)于提高了約(22N)/4倍。本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第25頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分切比雪夫?yàn)V波器低通原型值本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第26頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分切比雪夫?yàn)V波器低通原型值本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第27頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分切比雪夫?yàn)V波器低通原型值本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第28頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分最大平坦等群時(shí)延（貝塞爾）濾波器最大平坦群時(shí)延濾波器的時(shí)延特性很好，逼近于線性，元件特性采用貝塞爾函數(shù)逼近。這類(lèi)濾波器低通原型的電路元件不對(duì)稱(chēng)，其元件值如下所示。元件數(shù)N的確定和巴特沃斯濾波器相同，可由其計(jì)算公式或圖表確定本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第29頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分橢圓函數(shù)濾波器若已知波紋指標(biāo)LAr、阻帶衰減LAs和歸一化阻帶邊頻Ωs,阻帶波紋與通帶波紋相同，則橢圓函數(shù)濾波器的元件數(shù)N和各元件值可以查表得到。具體表格可以參見(jiàn)《射頻/微波電路導(dǎo)論》一書(shū)，91頁(yè)，表7-4。雷振亞編著，西安電子科技大學(xué)出版社，陜西西安，2005。nΩsLAsg1g2g2’g3g4g4’g531.449313.56980.74270.70960.54120.74271.694918.85710.83330.84390.32520.83332.000024.00120.89490.93750.20700.89492.500030.51610.94711.01730.12050.947141.200012.08560.37140.56641.09291.11940.9244橢圓函數(shù)元件數(shù)和元件值（波紋LAr=0.1dB）本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第30頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃斯低通濾波器，要求在Ωs>1.4時(shí)，衰減大于10dB，求需要的元件數(shù)和對(duì)應(yīng)的元件值。解：選擇電感輸入式網(wǎng)絡(luò)；查P147圖5.16，得N≥3；查P148表5.2可得：g0=g4=1.0S(Ω-1),g1=g3=1.0H,g2=2.0F本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第31頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分低通原型與實(shí)際低通濾波器的聯(lián)系通過(guò)原型縮比，我們可以將實(shí)際低通濾波器和低通原型聯(lián)系起來(lái)，如此就可以利用低通原型確定的元件值來(lái)設(shè)計(jì)低通濾波器。低通原型的縮比有兩種阻抗變換實(shí)際阻抗和導(dǎo)納與低通原型g0的縮比頻率變換實(shí)際（截止）頻率和低通原型歸一化頻率的縮比本文檔共35頁(yè)；當(dāng)前第32頁(yè)；編輯于星期二\17點(diǎn)9分阻抗縮比（電阻變換）通常低通原型的g0值等于1，而gn+1可能是其他值，取決于選取濾波器的類(lèi)型。實(shí)際濾波器輸入阻抗一般不為1Ω（經(jīng)常為50Ω

），因此需要進(jìn)行變換。g0變換成一個(gè)較高值時(shí)，每個(gè)電感值增大，每個(gè)電容值減小，每個(gè)電阻值增大。g0或gn+1可能是阻抗或?qū)Ъ{，正確的阻抗變換需要將導(dǎo)納變換成阻抗值再進(jìn)行變換。由于g0=1，導(dǎo)納和阻抗一樣，對(duì)其沒(méi)有影響；若gn+1是導(dǎo)納需要先轉(zhuǎn)換成阻抗再進(jìn)行變換。阻抗變換可在頻率變換完成后進(jìn)行。g0為電阻

g0為電導(dǎo)

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