第三节 滤波器13.3.15

1高频电路中的典型选频组件----滤波器章末小结第一章选频与阻抗变换电路1石英晶体滤波器2陶瓷滤波器3表面声波滤波器2高频电路中的典型选频组件----滤波器1石英晶体滤波器2陶瓷滤波器3表面声波滤波器3基本LC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、阻带衰减特性十分陡峭的滤波器，就要求滤波器元件的品质因数Ｑ很高。而LC型滤波器的品质因数一般在100～200范围内，不能满足上述要求。石英谐振器的品质因数Ｑ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1.石英晶体谐振器1)石英晶体谐振器是由天然或人工生成的石英晶体切片制成。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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（0.01～0.1）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。0SCd89l.压电效应和压电振荡C0rqCqLqJTba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，上述物理现象称为压电效应。★★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增大，产生共振，称之为压电振荡。石英谐振器的符号和基频等效电路2.石英晶体谐振器--压电振荡10C0rqCqLqba图3.6.2石英谐振器基频等效电路当石英晶体不振动时，可等效为一个平板电容C0，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pF。当晶片产生振动时，机械振动的惯性等效为电感Lq，其值为几mH～几十H。晶片的弹性等效为电容Cq，为0.01～0.1pF，因此CqC0。晶片的摩擦损耗等效为电阻rq，约为100Ω，理想情况下rq=0。3.石英晶体的等效电路11当等效电路中的Lq、Cq、rq支路产生串联谐振时，该支路呈纯阻性，等效电阻为rq，谐振频率此时，整个网络的阻抗等于rq并联C0的容抗，因rq＞＞C0的容抗，故可近似认为整体也呈纯阻性，等效电阻为rq。qqsπCLf21当f＜fs时，串联支路呈容性，于C0并联后石英晶体呈容性。当f＞fs时，L、C和rq支路呈感性，在某一频率将与C0产生并联谐振，石英晶体又呈纯阻性，谐振频率0qs0q0qqp1π21CCfCCCCLfC0rqCqLqba4.石英晶体的振荡频率12C0rqCqLqbaOX容性容性sfpf图石英晶体谐振器的电抗曲线5.石英晶体谐振器的电抗曲线感性结果：有底纹的感性区域为通频带13qqsπ21CLf0qs0q0qqp1π21CCfCCCCLf由于CqC0，所以fs≈fp。当f＞fp时，C0容抗最大，起主导作用，石英晶体又呈容性。C0rqCqLqba4.石英晶体的振荡频率14频率稳定度很高它具有很高的Q值，高达104～106，即频率选择性好。brqLqCqCoa其次，晶体的C0Cq,它的接入系数p≈Cq/C0很小，大大减小了加到晶体两端的外部电路元件对晶体的影响。6.石英晶体滤波器的特点q1q3q5C0LqCqrqC0(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，从而遏制频率的进一步增加。OX容性容性感性sfpf作电感用它具有很高的Q值，外界影响很小，只受工艺影响。工作于串联谐振状态(fs)注意：一般不工作于容性区。C0rqCqLqba7.石英晶体滤波器的应用162陶瓷滤波器集中选频滤波器1.陶瓷滤波器在通信、广播等接收设备中，陶瓷滤波器有着广泛的应用。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成的滤波器，称为陶瓷滤波器。它的等效品质因数ＱＬ为几百，比LC滤波器高，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压电效应，因此陶瓷谐振器的等效电路与石英晶体的相同。图3.6.8单片陶瓷滤波器的等效电路和符号陶瓷滤波器的等效电路和符号18图3.6.10四端陶瓷滤波器电路组成原则：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。陶瓷滤波器电路组成原则陶瓷谐振片19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沿表面传送的波.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，利用真空蒸镀法，在抛光过的基片表面形成厚度约１０μｍ的铝膜或金膜电极，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。因为一对叉指的d可以很短（等效谐振条件：d=0.5λ，f为30MHZ时，λ=C/f≈10-4m=0.1mm，d=0.05mm），一块小基片上可以做多对叉指，等于多级LC谐振回路选频，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）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图均匀叉指换能器声振幅－频率特性曲线声表面波滤波器的频率特性曲线23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、相对频带较宽、矩形系数接近于１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、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。24通信机中常用的声表面波滤波器的频率特性曲线25章末小结：滤波器原理集中选择性滤波器指标较理想，但频率不可调，有的地方不能用。他们的共同特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，上述物理现象称为压电效应。★★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增大，产生共振，称之为压电振荡。26C0rqCqLqba图3.6.2石英谐振器基频等效电路当石英晶体不振动时，可等效为一个平板电容C0，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pF。当晶片产生振动时，机械振动的惯性等效为电感Lq，其值为几mH～几十H。晶片的弹性等效为电容Cq，为0.01～0.1pF，因此CqC0。晶片的摩擦损耗等效为电阻rq，约为100Ω，理想情况下rq=0。石英晶体的等效电路由于这些特点，晶体的Q非常高，性能稳定271、石英晶体谐振器的优缺：Q值很高，能达到几万；性能稳定；通频带很窄（因为fP和fS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。2、陶瓷滤波器的优缺：Q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。3、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。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、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。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28本节思考题各类滤波器特点及其应用场合。书P321.11；1.1229简述集中选择性滤波器的种类、目的和原理序号电路名称目的（电路应用场合）原理3集中选择性滤波器性能稳定并满足不同指标普通LC集中滤波电路能满足不同指标（体积较大）多级LC谐振回路级联能按照不同指标设计LC电路石英晶体谐振器Q值很高，能达到几万，通频带很窄固有压电效应，相当于多级LC谐振回路石英材料有固有压电效应，指标由材料和工艺决定陶瓷滤波器Q值等指标中等，价格便宜陶瓷有固有压电效应，指标由材料和工艺决定，声表面波滤波器电声转换后中心谐振频率提高，矩形系数好，但有回波干扰固有压电效应，指标由材料和叉指形状决定，