第三節(jié) 濾波器13315

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高頻電路中的典型選頻組件----濾波器章末小結(jié)

第一章選頻與阻抗變換電路1石英晶體濾波器2陶瓷濾波器3表面聲波濾波器2高頻電路中的典型選頻組件----濾波器

1石英晶體濾波器2陶瓷濾波器3表面聲波濾波器3基本LC選頻支路概念輸入輸出輸入輸出輸出輸入輸出輸入從諧振時(shí)阻抗的大小可以知道，下面電路對f0信號是否通過adbc4

為了獲得工作頻率高度穩(wěn)定、阻帶衰減特性十分陡峭的濾波器，就要求濾波器元件的品質(zhì)因數(shù)Ｑ很高。而LC型濾波器的品質(zhì)因數(shù)一般在100～200范圍內(nèi)，不能滿足上述要求。石英諧振器的品質(zhì)因數(shù)Ｑ可達(dá)幾萬甚至幾百萬，因而可以構(gòu)成工作頻率穩(wěn)定度極高、阻帶衰減特性很陡峭、通帶衰減很小的濾波器。1石英晶體濾波器51.石英晶體諧振器1)物理特性1.石英晶體諧振器

1)物理特性石英晶體諧振器是由天然或人工生成的石英晶體切片制成。

6石英晶體形狀a、b石英晶體的現(xiàn)狀以及各種切工c、電路符號7石英晶體外形石英晶體外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（a）是考慮基頻及各次泛音的等效電路。石英諧振器的等效電路及阻抗特性1、等效電路圖1.3.3晶體諧振器的等效電路（a）包括泛音在內(nèi)的等效電路（b）諧振頻率附近的等效電路（c）電路符號彈性體的質(zhì)量，值很大，為（幾十m～幾十）H；彈性體的彈性模數(shù)，值較小，為（0.01～0.1）pF；由于各諧波頻率相隔較遠(yuǎn)，相互影響很小。對于某一具體應(yīng)用（如工作于基頻或工作于泛音），只須考慮此頻率附近的電路特性，因此可以用圖（b）等效。機(jī)械摩擦和空氣阻尼引起的損耗，值很小，為（幾～幾十）晶體作為介質(zhì)的靜態(tài)電容。其數(shù)值一般為（幾～幾十)pF，較大。與石英片厚度、介電常數(shù)、極板面積有關(guān)。89l.壓電效應(yīng)和壓電振蕩

在石英晶體兩個(gè)管腳加交變電場時(shí)，它將會(huì)產(chǎn)生一定頻率的機(jī)械變形，而這種機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場，上述物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

★★通常，壓電效應(yīng)并不明顯。但是，當(dāng)交變電場的頻率為某一特定值時(shí)發(fā)生諧振，機(jī)械振動(dòng)和交變電場的振幅驟然增大，產(chǎn)生共振，稱之為壓電振蕩。石英諧振器的符號和基頻等效電路2.石英晶體諧振器--壓電振蕩10圖3.6.2石英諧振器基頻等效電路

當(dāng)石英晶體不振動(dòng)時(shí)，可等效為一個(gè)平板電容C0，稱為靜態(tài)電容；其值決定于晶片的幾何尺寸和電極面積，一般約為幾～幾十pF。

當(dāng)晶片產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性等效為電感Lq，其值為幾mH～幾十H。

晶片的彈性等效為電容Cq，為0.01～0.1pF，因此Cq

<<C0

。

晶片的摩擦損耗等效為電阻rq，約為100Ω，理想情況下rq=0。3.石英晶體的等效電路11

當(dāng)?shù)刃щ娐分械腖q、Cq、rq支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振時(shí)，該支路呈純阻性，等效電阻為rq

，諧振頻率

此時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的阻抗等于rq并聯(lián)C0的容抗，因rq

＞＞C0的容抗，故可近似認(rèn)為整體也呈純阻性，等效電阻為rq

。

當(dāng)f＜f

s時(shí)，串聯(lián)支路呈容性，于C0并聯(lián)后石英晶體呈容性。

當(dāng)f

＞f

s時(shí)，L、C和rq支路呈感性，在某一頻率將與C0產(chǎn)生并聯(lián)諧振，石英晶體又呈純阻性，諧振頻率4.石英晶體的振蕩頻率12

O

容性

容性

圖石英晶體諧振器的電抗曲線5.石英晶體諧振器的電抗曲線

感性

結(jié)果：有底紋的感性區(qū)域?yàn)橥l帶13由于Cq<<C0，所以f

s≈f

p。

當(dāng)f

＞f

p時(shí)，C0容抗最大，起主導(dǎo)作用，石英晶體又呈容性。4.石英晶體的振蕩頻率14頻率穩(wěn)定度很高

它具有很高的Q值，高達(dá)104～106，即頻率選擇性好。brqLqCqCoa

其次，晶體的C0>>Cq,它的接入系數(shù)p≈Cq

/C0很小，大大減小了加到晶體兩端的外部電路元件對晶體的影響。6.石英晶體濾波器的特點(diǎn)

a圖是泛音諧振的示意圖b圖是基次諧振的示意圖15

工作于串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振之間的狹長感性區(qū)，電感是頻率的函數(shù)，且隨頻率增加而劇烈增加，從而遏制頻率的進(jìn)一步增加。

O

容性

容性

感性

作電感用

它具有很高的Q值，外界影響很小，只受工藝影響。工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)(fs)注意：一般不工作于容性區(qū)。7.石英晶體濾波器的應(yīng)用162陶瓷濾波器集中選頻濾波器

1.陶瓷濾波器在通信、廣播等接收設(shè)備中，陶瓷濾波器有著廣泛的應(yīng)用。陶瓷濾波器是利用某些陶瓷材料的壓電效應(yīng)構(gòu)成的濾波器，常用的陶瓷濾波器是由鋯鈦酸鉛〔Pb（ZrTi）O3〕壓電陶瓷材料（簡稱PZT）制成的。17

利用某些陶瓷材料的壓電效應(yīng)構(gòu)成的濾波器，稱為陶瓷濾波器。它的等效品質(zhì)因數(shù)ＱＬ為幾百，比LC濾波器高，但遠(yuǎn)比石英晶體濾波器低。

因此作濾波器時(shí)，通帶沒有石英晶體那樣窄，選擇性也比石英晶體濾波器差。它具有與石英晶體相類似的壓電效應(yīng)，因此陶瓷諧振器的等效電路與石英晶體的相同。圖3.6.8單片陶瓷濾波器的等效電路和符號陶瓷濾波器的等效電路和符號18圖3.6.10四端陶瓷濾波器

電路組成原則：中心頻率是串臂的串聯(lián)諧振頻率和并臂的并聯(lián)諧振頻率，截止頻率分別對應(yīng)串臂的并聯(lián)諧振頻率和并臂的串聯(lián)諧振頻率。諧振子數(shù)目愈多，濾波器的帶外衰減性能愈強(qiáng)。陶瓷濾波器電路組成原則陶瓷諧振片19聲表面波濾波器表面聲波是利用局部擾動(dòng)產(chǎn)生一種通過固體介質(zhì)內(nèi)或沿表面?zhèn)魉偷牟?聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖如下所示。它以鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛或石英等壓電材料為基片，利用真空蒸鍍法，在拋光過的基片表面形成厚度約１０μｍ的鋁膜或金膜電極，稱其為叉指電極。左端叉指電極為發(fā)端換能器，右端叉指電極為收端換能器。因?yàn)橐粚Σ嬷傅膁可以很短（等效諧振條件：d=0.5λ，f為30MHZ時(shí)，λ=C/f≈10-4m=0.1mm，d=0.05mm），一塊小基片上可以做多對叉指，等于多級LC諧振回路選頻，所以指標(biāo)較好。

見下頁C聲=3*103m/s20聲音傳播速度:3*103m/s（大理石或半導(dǎo)體）說明:光在真空中速度為3*108米/秒，光也是一種電磁波。光在鉆石中的傳播速度要比在真空中小一些,為1.22*108m/s。聲音的傳播需要物質(zhì)，物理學(xué)中把這樣的物質(zhì)叫做介質(zhì)。

聲音在不同的介質(zhì)中的傳播速度：真空0m/s（也就是不能傳播）

空氣（15℃）,340m/s軟木500m/s

海水（25℃）1531m/s,大理石3810m/s

這里要注意的是，聲音在不同的物質(zhì)中的傳播速度不同，21聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

22圖均勻叉指換能器聲振幅－頻率特性曲線聲表面波濾波器的頻率特性曲線

23表面聲波濾波器特點(diǎn)表面聲波濾波器具有體積小、重量輕、中心頻率可做得很高、相對頻帶較寬、矩形系數(shù)接近于１等特點(diǎn)，并且它可以采用與集成電路工藝相同的平面加工工藝，制造簡單、成本低、重復(fù)性和設(shè)計(jì)靈活性高，可大量生產(chǎn)，所以是一種很有發(fā)展前途的濾波器。24通信機(jī)中常用的聲表面波濾波器的頻率特性曲線

25章末小結(jié)：濾波器原理集中選擇性濾波器指標(biāo)較理想，但頻率不可調(diào)，有的地方不能用。他們的共同特點(diǎn)是都是應(yīng)用具有壓電效應(yīng)的材料。

在兩端加交變電場時(shí)，它將會(huì)產(chǎn)生一定頻率的機(jī)械變形，而這種機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場，上述物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

★★通常，壓電效應(yīng)并不明顯。但是，當(dāng)交變電場的頻率為某一特定值時(shí)發(fā)生諧振，機(jī)械振動(dòng)和交變電場的振幅驟然增大，產(chǎn)生共振，稱之為壓電振蕩。26圖3.6.2石英諧振器基頻等效電路

當(dāng)石英晶體不振動(dòng)時(shí)，可等效為一個(gè)平板電容C0，稱為靜態(tài)電容；其值決定于晶片的幾何尺寸和電極面積，一般約為幾～幾十pF。

當(dāng)晶片產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性等效為電感Lq，其值為幾mH～幾十H。

晶片的彈性等效為電容Cq，為0.01～0.1pF，因此Cq

<<C0

。

晶片的摩擦損耗等效為電阻rq，約為100Ω，理想情況下rq=0。石英晶體的等效電路由于這些特點(diǎn)，晶體的Q非常高，性能穩(wěn)定271、石英晶體諧振器的優(yōu)缺：Q值很高，能達(dá)到幾萬；性能穩(wěn)定；通頻帶很窄（因?yàn)閒P和fS很窄、很接近）常用于高放大倍數(shù)但其他指標(biāo)一般的濾波回路。2、陶瓷濾波器的優(yōu)缺：Q值適中，達(dá)到幾百；性能穩(wěn)定；通頻帶比較寬，價(jià)格便宜，常用于測量儀器等。3、聲表面波濾波器的優(yōu)缺：中心頻率較高，矩形系數(shù)較好；Q值適中；性能穩(wěn)定；通頻帶較寬，價(jià)格略貴。它可以采用與集成電路工藝相同的平面加工工藝，制造簡單、成本低、重復(fù)性和設(shè)計(jì)靈活性高，可大量生產(chǎn)，所以是一種很有發(fā)展前途的濾波器。常用于要求較高或頻率較高的回路。章末小結(jié)：濾波器指標(biāo)與特點(diǎn)28本節(jié)思考題各類濾波器特點(diǎn)及其應(yīng)用場合。書P321.11；1.1229簡述集中選擇性濾波器的種類、目的和原理序號電路名稱目的（電路應(yīng)用場合）原理3集中選擇性濾波器性能穩(wěn)定并滿足不同