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第一章諧振回路(選頻網絡)概論1、選頻網絡的作用2、選頻網絡的分類:諧振回路濾波器3、諧振回路的形成4、諧振回路的定義概論5、諧振回路的種類:簡單諧振回路復雜諧振回路6、諧振回路的應用:諧振放大器自激振蕩器7、本章主要內容:1)L、C的高頻特性。2)串并聯諧振回路的諧振特性,串并聯諧振的對偶關系。3)諧振回路的品質因數Q對諧振特性曲線的影響,通頻帶和選擇性問題。4)信號源內阻、負載對串并聯諧振回路的影響。5)并聯諧振回路的耦合方式與接入系數?!?.1高頻電路中的元器件無源元件:電阻、電容、電感有源器件:二極管、晶體管、集成電路無源網絡:變壓器、諧振器、濾波器一、電阻的高頻特性電阻特性電抗特性:分布電容引線電感相關因素:制作電阻的材料:金屬膜、碳模、線繞電阻的封裝形式:表面封裝、線繞電阻的尺寸:小尺寸、大尺寸工作頻率:二、電感線圈的高頻特性:1、實際電感:電感線圈等效為電感L和電阻r串聯。損耗電阻與工作頻率密切相關:集(趨)膚效應2、品質因素定義:無功功率與有功功率之比定義:高頻電感的感抗與其串聯損耗電阻之比Q值越高,線圈的損耗越小。3、電感與電阻的串聯形式轉換成并聯形式的等效電路和相應的量值關系:等效電路:圖(a)和圖(b)可互換?;Q的量值關系:一般有Q>>1,所以有:結論:1)一個高Q值電感線圈,其等效電路可表示為L和r的串聯形式也可表示為L、R并聯形式。2)兩種形式的量值關系為:3)串聯的:并聯的:三、電容的高頻特性:實際電容的串聯或并聯表示形式:1、電容的品質因數大小及其損耗關系:由定義式可推得:Q定義為容抗與串聯電阻之比Q越大,表征電容的損耗越小。2、電容的損耗電阻串并聯等效線路變換公式:當滿足Q>>1則:結論:1一個實際電容,其等效電路可以表示為串聯形式,也可以表示為并聯形式。2兩種形式電容量不變:并聯電阻1.1.2高頻電路中的有源器件1、二極管:1)非線性變換二極管:檢波、調制、解調、混頻等2)變容二極管:壓控振蕩器、混頻、倍頻等3)PIN二極管:電可控開關、限幅器、電調衰減器等2、三極管1)高頻小功率管和小信號場效應管:主要用于:小信號放大器、振蕩電路、調制與解調電路、混頻電路等主要要求:高增益、低噪聲2)高頻大功率管和場效應功率管:主要用于:功放電路主要要求:高增益、大輸出3、集成電路:通用型集成電路:寬帶集成放大器、模擬乘法器等專用型集成電路:集成鎖相環、集成調頻解調器、單片集成接收機、電視專用集成電路等§1.2簡單諧振回路高頻振蕩回路的功能:阻抗變換信號選擇與濾波相頻轉換和移相構成:L、C串聯或并聯分類:簡單振蕩回路復雜振蕩回路1.2.1簡單振蕩回路簡單振蕩回路的定義:只有一個回路的電路諧振的定義:簡單振蕩回路的阻抗在某一特定頻率上有最大值或最小值的特性,這個特定頻率就叫諧振頻率。分類:串聯諧振回路并聯諧振回路一、串聯諧振回路1、電路形式:串聯諧振回路2、諧振條件及諧振頻率串聯阻抗為:當X==0時,發生諧振諧振條件諧振頻率:特性阻抗:3、諧振特性1)諧振時:,X=0,非諧振時:,X≠0,,容性,感性2)諧振時電流最大3)電感及電容兩端電壓模值相等,且等于外加電壓的Q倍。4、能量關系諧振的物理意義:諧振回路中儲存的能量保持不變,只在線圈與電容器之間相互轉換。發生諧振時,電容和電感中儲存的最大能量相等。5、諧振曲線和通頻帶1)諧振曲線:回路中電流或電壓幅值與外加電壓頻率之間的關系曲線就叫諧振曲線。串聯諧振回路的諧振曲線不同Q值對諧振曲線的影響2)通頻帶當回路的外加信號電壓的幅值保持不變,頻率改變為或時,回路電流等于諧振值的,所對應的頻率范圍就叫回路的通頻帶,通常用表示,叫半功率點。串聯諧振回路的通頻帶為:通頻帶6、信號源內阻及負載對串聯諧振回路的影響由于信號源內阻及負載的接入將使回路的總電阻增加,從而使Q下降,故此時的等效品質因數為:顯然,

,這會使回路的選擇性變壞,通頻帶加寬。因此,串聯諧振回路通常適用于信號源內阻和負載電阻都較小的情況。0QQLá二、并聯諧振回路1、電路形式:等效電路:2、諧振條件及諧振頻率諧振條件或諧振頻率:結論:當容抗和感抗相等時,電路產生諧振。3、諧振特性1)諧振時:,B=0,非諧振時:,B≠0,,感性,容性2)諧振時回路兩端電壓最大。3)諧振時電感及電容中的電流幅值相等,且等于外加電流源的Q倍。諧振時的電路特性品質因數:特性阻抗:諧振電導:諧振電阻:4、諧振曲線和通頻帶U—f的關系曲線——諧振曲線。由電路可見:模值:4、諧振曲線和通頻帶進一步可寫成:并聯諧振曲線結論1),U有最大值。2)>f,或f>,U均下降,偏離越大,下降得越多。3)由此可推斷,L、C并聯諧振回路具選頻特性并聯振蕩回路的通頻帶不同Q值對諧振曲線的影響結論:回路的值越高,回路的通頻帶越窄。相頻特性相角:相頻特性:證明:變化既受影響,變化快慢受Q值影響。相頻特性5、信號源內阻及負載對并聯諧振回路的影響電路為:5、信號源內阻及負載對并聯諧振回路的影響由于信號源內阻及負載的接入將使回路的Q下降,故此時的等效品質因數為:由此可見:并聯諧振通常用于信號源內阻很大和負載電阻也較大的情況。1.2.2復雜振蕩回路1)信號源的內阻和負載的接入使回路Q值下降2)根據電路傳輸理論:當負載與信號源阻抗匹配時,可獲得最大的功率傳輸,失配時則造成傳輸功率減小。3)信號源中的電抗分量也會影響回路的諧振頻率。采用阻抗變換的方法1.2.2復雜振蕩回路分類:抽頭并聯振蕩回路耦合振蕩回路一、抽頭并聯振蕩回路1、基本概念1)電路形式:用信號源或負載與回路電感或電容部分連接的并聯振蕩回路就叫抽頭并聯振蕩回路。2)主要功用:A.實現阻抗匹配或進行阻抗變換B.避免外接電路的影響3)接入系數p:定義:與外電路相連的那部分電抗與本回路參數分壓的同性質總電抗之比。電壓比:表示抽頭點電壓與回路端電壓之比

2、自偶變壓器耦合連接1)信號源部分接入諧振回路:已知回路兩端電阻為R0設回路處于諧振或失諧不大時,所以:從等效變換前后功率相等的關系看,有:所以:結論:由高抽頭向低抽頭轉換時,等效阻抗減小倍。2、自偶變壓器耦合連接或已知輸入端電阻為則折合到諧振回路兩端的電阻為:結論:由低抽頭向高抽頭轉換時,等效阻抗提高了倍。總結論:全體接部分則變小部分接全體則變大2、自偶變壓器耦合連接2)負載部分接入諧振回路:2、自偶變壓器耦合連接RL折合到回路的電阻RL’:同樣依據等效變換前后功率相等的原則:可見:調節p的大小,就可以改變折合電阻的數值:p越小,與回路的接入部分越少,就越大。這種方法的優缺點優點:1)實現了阻抗變換2)繞制簡單,使用方便缺點:回路與負載有直流回路3、電容抽頭連接接入系數P:對于圖(b):P=對于圖(b):對于圖(c):這種方法的優缺點優點:1)實現了阻抗變換2)避免了繞制變壓器和線圈抽頭的麻煩,調整方便3)可起到隔直流作用缺點:多接入了一個電容元件另一個重要結論負載電阻和信號源內阻小時,應采用:串聯諧振方式負載電阻和信號源內阻大時,應采用:并聯諧振方式負載電阻和信號源內阻不大不小時,應采用:抽頭接入方式4、電源的折合電壓源:由定義式:電流源:由等效變換前后功率不變5、負載電容的折合由電路可知:二、耦合振蕩回路1、概述單振蕩回路:頻率選擇、阻抗變換1)耦合回路的主要功用頻率特性更好、阻抗變換更方便、可以隔直流2)耦合系數k:定義:在耦合回路中,耦合電路元件電抗絕對值與初級、次級回路中同性質的電抗值的幾何平均值之比值。定義式:耦合系數互感耦合回路:電容耦合回路:2、耦合回路的頻率特性引入兩個參數:1、廣義失諧量ξ=2QΔω/ω2、耦合因子η=kQ轉移阻抗:諧振曲線歸一化轉移阻抗(相對抑制比):可見:1、兩回路的耦合程度要影響曲線的高度和形狀2、曲線對稱于ξ=0的坐標軸討論:1、當η=kQ=1時,臨界耦合歸一化轉移阻抗:2、當η=kQ﹤1時,弱耦合3、當η=kQ﹥1時,強耦合與單諧振回路的諧振曲線比較1、雙調諧回路的諧振曲線頂部平緩,帶寬要寬2、在頻帶之外,曲線下降也更陡峭通頻帶與矩形系數通頻帶:令矩形系數:為表示曲線邊沿的陡峭程度,通常用曲線接近理想矩形的程度來度量。理想矩形:雙回路臨界耦合:單回路:§1.3濾波器1.3.1LC集中選頻濾波器1.3.2石英晶體諧振器1、物理特性:石英是礦物質硅石的一種(也可人工制造),化學成分是SiO2,其形狀為結晶的六角錐體。圖(a)表示自然結晶體,圖(b)表示晶體的橫截面。為了便于研究,人們根據石英晶體的物理特性,在石英晶體內畫出三種幾何對稱軸,連接兩個角錐頂點的一根軸ZZ,稱為光軸,在圖(b)中沿對角線的三條XX軸,稱為電軸,與電軸相垂直的三條YY軸,稱為機械軸。制作過程正反壓電效應定義:當晶體受外力作用而變形時,就在它對應的表面上產生正負電荷,呈現出電壓,稱為正壓電效應;反之,當在晶體兩面加電壓時,晶體又會發生機械形變,稱為反壓電效應。固有諧振頻率:當石英晶體沿某一電軸受到交變電場作用時,就能沿機械軸產生機械振動,反過來,當機械軸受力時,就能在電軸方向產生電場。且換能性能具有諧振特性,在諧振頻率,換能效率最高。因為石英晶體和其他彈性體一樣,具有慣性和彈性,因而存在著固有振動頻率,當晶體片的固有頻率與外加電源頻率相等時,晶體片就產生諧振。諧振頻率等于晶體機械振動的固有頻率。諧振頻率的高低取決于晶體切割成形的幾何尺寸。石英晶體的基頻頻率最高可達25MHz,頻率再高就工作在泛音頻率(即工作在機械振動諧波上)。諧振現象:晶片的機械振動、電諧振實質:電能和機械能的轉換2、石英晶體振諧器的等效電路和符號:石英片相當一個串并聯諧振電路,可用集中參數Lq、Cq、rq來模擬,Lq為晶體的質量(慣性),Cq為等效彈性模數,rq為機械振動中的摩擦損耗。這種模擬在晶體諧振點附近比較適合。上圖表示石英諧振器的基頻等效電路。圖中右邊支路的電容C0稱為石英諧振器的靜電容。是以石英為介質在兩極板間所形成的電容,其容量主要決定于石英片尺寸和電極面積。一般C0在幾PF~幾十PF。石英晶體的特點是:①等效電感Lq特別大、等效電容Cq特別小,因此,石英晶體的Q值很大,一般為幾萬到幾百萬。這是普通LC電路無法比擬的。②由于,這意味著上圖所示等效電路圖中的接入系數很小,因此外電路影響很小。等效電路的阻抗:上式忽略rq后可簡化為石英諧振器的電抗曲線必須指出,在wq與wp的角頻率之間,諧振器所呈現的等效電感并不等于石英晶體片本身的等效電感Lq。石英晶體濾波器工作時,石英晶體兩個諧振頻率之間感性區的寬度決定了濾波器的通帶寬度。為了擴大感性區加寬濾波器的通帶寬度,通??纱撘浑姼谢虿⒙撘浑姼衼韺崿F。1.3.2石英晶體諧振器3、晶體諧振器的應用晶體振蕩器:高頻窄帶濾波器:1.3.3陶瓷濾波器材料:壓電陶瓷等效電路:類似于晶體諧振器,但Q值小得多。通頻帶與選擇性:通頻帶比晶體濾波器稍寬選擇性比晶體濾波器稍差電路符號與等效電路:與晶體諧振器相同兩端陶瓷濾波器外形及符號:價格:便宜應用:接收機和其它儀器中三端陶瓷濾波器實物圖:1.3.4聲表面波濾波器SAW:SurfaceAcousticWaveSAW的特點:能量密度高傳播速度快聲表面濾波器的優點:體積小、重量輕、中心頻率高、相對帶寬較寬、理想的矩形選頻特性1、結構特征:用叉指形電極作換能器實物圖聲表面波濾波器結構示意圖如上圖所示。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。左端叉指電極為發端換能器,右端叉指電極為收端換能器。2、工作原理:當把輸入電信號加到發送換能器上時,叉指間便會產生交變電場。由于逆壓電效應的作用,基體材料將生產彈性變形,從而產生聲波振動。向基片內部傳送的體波會很快衰減,而表面波則向垂直于電極的左、右兩個方向傳播。向左傳送的聲表面波被涂于基片左端的吸聲材料所吸收,向右傳送的聲表面波由接收換能器接收,由于正壓電效應,在叉指對間產生電信號,并由此端輸出。聲表面波濾器的濾波特性,如中心頻率、頻帶寬度、頻響特性等一般由叉指換能器的幾何形狀和尺寸決定。這些幾何尺寸包括叉指對數、指條寬度a、指條間隔b、指條有效長度B和周期長度M等。嚴格地說,傳輸的聲波有表面波和體波,但主要是聲面波。2、工作原理當輸入信號的頻率f等于換能器的頻率f0時,各節所激發的表面波同相疊加,振幅最大,可寫成非均勻叉指換能器聲表面波濾波器3.特點:①工作頻率高,中心頻率在10MHz–1GHz之間,且頻帶寬,相對帶寬為0.5%~50%。②尺寸小,重量輕。動態范圍大,可達100dB。③由于利用晶體表面的彈性波傳送,不涉及電子的遷移過程,所以抗輻射能力強。④溫度穩定性好。⑤選擇性好,矩形系數可達1.2。4、主要應用:通信接收機、電視機、其他無線電設備聲表面波濾波器應用實例

V1是預中放部分,起前置放大作用;Z1為SAWF起集中選頻作用;TA7680AP為彩電圖像中頻放大器IC。本章小結本章討論的內容是學習通信電子線路的重要基礎。1.各種形式的選頻網絡在通信電子線路中得到廣泛的應用。它能選出我們需要的頻率分量和濾除不需要的頻率分量,因此掌握各種選頻網絡的特性及分析方法是很重要的。2.選頻網絡可分為兩大類。第一類是由電感和電容元件組成的諧振回路,它又分為單振蕩回路和耦合振蕩回路,第二類是各種濾波器,主要有LC集中濾波器、石英晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器等。3.串聯諧振回路是指電感、電容、信號源三者串聯;并聯諧振回路是指電感、電容、信號源三者并聯。串并聯諧振回路的共同點是:①當

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