高频第2章高频电路基础3滤波器与阻抗变换讲义资料.ppt

2.2.3 石英晶体谐振器2.2.4 集中滤波器2.2.5 高频衰减器与匹配器 作业：2.7 2.10第二章 高频电路基础2.2.3 石英晶体谐振器（石英振子） 1 石英晶体的物理特性： 石英是矿矿物质质硅石的一种（也可人工制造），化学成分是SiO2，其形状为结为结 晶的六角锥锥体图图(a)表示自然结结晶体，图图(b)表示晶体的横截面为了便于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶体内画出三种几何对称轴，连接两个角锥顶点的一根轴ZZ，称为光轴，在图(b)中沿对角线的三条XX轴，称为电轴，与电轴相垂直的三条YY轴，称为机械轴 n 石英晶体具有正、反两种压电效应当石英晶体沿某一电轴受到交变电场作用时，就能沿机械轴产生机械振动，反过来，当机械轴受力时，就能在电轴方向产生电场且换能性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效率最高 n 石英晶体和其他弹性体一样，具有惯性和弹性，因而存在着固有振动频率，当晶体片的固有频率与外加电源频率相等时，晶体片就产生谐振n 沿着不同的轴切下，有不同的切型，X切型、Y切型、AT切型、BT、CT等等石英晶体的特点是：等效电感Lq特别大、等效电容Cq特别小，因此，石英晶体的Q值 很大，一般为几万到几百万。

这是普通LC电路无法比拟的 由于 ，这意味着等效电路中的接入系数很小,因此外电路对它影响很小 晶体的内部参数受外界因素（温度、振动）的影响很小，谐振频率很稳定 石英晶体有两个谐谐振角频频率一个是左边边支路的串联谐联谐 振角频频率q，即石英片本身的自然角频频率另一个为为石英谐谐振器的并联谐联谐 振角频频率0 串联谐联谐 振频频率 并联谐联谐 振频频率 显然 接入系数p很小，一般为10-3数量级，所以0与q很接近 n 阻抗特性（石英谐振器的等效电抗）上式忽略 rq 后可简化为 （1）当 = q时z0 = 0 Lq、Cq串谐谐振，当 = p，z0 = 回路并谐谐振2）当 为容性 （3）当 时,z0 = jx0 为感性其电抗曲线如上图所示 石英晶体滤波器工作时，石英晶体两个谐振频率之间感性区的宽度决定了滤波器的通带宽度 必须指出，在q与p的角频率之间，谐振器所呈现的等效电感 （数值非常大），并不等于石英晶体片本身的等效电感Lq等效电感为 为了展宽通带宽度，通常的办法是用电感与石英谐振器相串联或并联 把滤波器做成一个整体器件，构成集中滤波器1.陶瓷滤波器 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。

它常用锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3压电陶瓷材料（简称PZT）制成 这种陶瓷片的两面用银作为电极，经过直流高压极化之后具有和石英晶体相类似的压电效应 优点：容易焙烧，可制成各种形状；适于小型化；且耐热耐湿性好 它的等效品质因数QL为几百，比石英晶体低但比LC滤波器高.2.2.4 集中滤波器(LC式、晶体、陶瓷、声表滤波器)l 符号及等效电路图中C0 等效为压电陶瓷谐振子的固定电容；Lq 为机械振动的等效质量；Cq 为机械振动的等效弹性模数；Rq为机械振动的等效阻尼；其等效电路与晶体相同 并联谐振频率 式中，C 为C0和C8串联后的电容其串联谐振频率CoRqCqLq2Ll 陶瓷滤波器电路 四端网络陶瓷滤波器（由双电极或三电极陶瓷滤波器构成）： 如将陶瓷滤波器连成如图所示的形式，即为四端（二端口网络）陶瓷滤波器图(a)为由二个谐振子组成的滤波器，图(b)为由五个谐振子组成四端滤波器谐振子数目愈多，滤波器的性能愈好图（C）为四端陶瓷滤波器（三电极陶瓷滤波器） 2L2 2L1 (a) (b) 2L2 2L1 (a) 图（a）选中心频率为串臂的串联谐振和并臂的并联谐振频率，串臂的并联谐振和并臂的串联谐振分别为上下截止频率. 声表面波滤波器SAWF（Surface Acoustic Wave Filter）是一种以铌酸锂、石英或锆钛酸铅等压电材料为衬底（基体）的一种电声换能元件。

u 结构与原理： 声表面波滤器是在经过研磨抛光的极薄的压电材料基片上，用蒸发、光刻、腐蚀等工艺制成两组叉指状电极，其中与信号源连接的一组称为发送叉指换能器，与负载连接的一组称为接收叉指换能器当把输入电信号加到发送换能器上时，叉指间便会产生交变电场2.声表面波滤波器（SAWF） 声表面波滤器的滤波特性，如中心频率、频带宽度、频响特性等一般由叉指换能器的几何形状和尺寸决定这些几何尺寸包括叉指对数、指条宽度a、指条间隔b、指条有效长度B和周期长度M等上图是声表面波滤波器的基本结构图严格地说，传输的声波有表面波和体波，但主要是声面波在压电衬底的另一端可用第二个叉指形换能器将声波转换成电信号 换能器的指宽a，指与指之间间距b决定声波波长.相邻两极的电场相位差为180，当不同极指相邻指极的间距为声波长的一半时，声波经传输延时的相位差刚好是180度，便形成同向叠加偏离此波长的其他频率，便会相互抵消，因此可以实现滤波作用 声表面波滤波器的符号如图(a)所示，图(b)为它的等效电路. 其左边为发送换能器，is和Gs表示信号源G中消耗的功率相当于转换为声能的功率右边为接收换能器，GL为负载电导，GL中消耗的功率相当于再转换为电能的功率。

声表面滤波器的符号与等效电路u 符号及等效电路 入 出 (a) G C Gs Is GL G C (b) 工作频率高，中心频率在10MHz1GHz之间，且频带宽，相对带宽为0.5%25% 尺寸小，重量轻动态范围大，可达100dB 由于利用晶体表面的弹性波传送，不涉及电子的迁移过程所以抗辐射能力强 温度稳定性好 选择性好，矩形系数可达1.2 在电视机的中频通道电路中作为中频通道滤波器使用，实现集中滤波功能，免调试u 声表滤波器的主要特点：3. 薄膜体声（FBAR薄膜体声波谐振器）滤波器 这是一种体积更小、损耗更低、Q值更高、使用频率更高（高达20G）新型滤波器且结构与半导体技术工艺兼容，便于射频集成电路（RFIC）的集成在3G技术广泛应用 利用高频衰减器可以调整信号传输通道上的信号电平 高频衰减器分为固定衰减器和高频可变(调)衰减器两种 除了微波衰减器可以用其他形式构成外，高频衰减器通常都用电阻网络、开关电路或PIN二极管实现 分固定衰减器和可变衰减器器件的终端阻抗和线路的匹配阻抗通常是50欧和75欧 类似于滤波电路，固定衰减器有L型、T型和型表2-1 列出了50和75两种2.2.5 高频衰减器 将固定电阻换成可变电阻或开关电路或使用PIN二极管，就构成可变（或电调）衰减器。

2.3 阻抗变换和阻抗匹配 如果相连接的两部分高频电路阻抗匹配，则可以直接相连 但如果阻抗不匹配，就需要用高频匹配器或阻抗变换器来连接 在高频电子线路中，经常要在信号源与电路、输出与负载、级间进行阻抗变换和阻抗匹配其目的是使负载得到最大功率，滤波器得到最佳性能，接收机的灵敏度得到改善，发射机的效率得到提高 有LC网络阻抗变换、带抽头的并联谐振电路阻抗变换、变 压器阻抗变换、电阻网络阻抗变换2.3.1 振荡回路的阻抗变换 利用带抽头的并联振荡回路，实现阻抗变换另外，耦合振荡回路中改变互感M，改变其反映阻抗2.3.2 LC网络阻抗变换 以串-并联阻抗变换为基础，有L型、型、T型和型阻抗匹配网络 下图所示的匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，不足之处是电路的品质因数Q值很低(通常Q10)，因此电路的滤波特性很差，所以在实际的发射机中，常常选用T型或型网络作匹配之用2. L型网络阻抗变换 下图是两种形网络是其中的形式之一(也可以用T型网络)图中RL代表终端(负载)电阻，RP代表由RL折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示u 形网络 下图是两种形网络是其中的形式之一(也可以用T型网络)图中R2代表终端(负载)电阻，R1代表由R2折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。

u T型网络2.4 电子噪声l 噪声是一种随机信号，其频谱分布于整个无线电工作频率范围，因此它是影响各类收信机性能的主要因素之一 l 噪声和干扰是两个不同的术语，但没有本质的区别习惯上，将外部的称为干扰，内部的称为噪声l 干扰与噪声的分类如下： （1）干扰一般指外部干扰，可分为自然的和人为的干扰 自然干扰有天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等 人为干扰主要有工业干扰和无线电器的干扰 （2）噪声一般指内部噪声，也可以分为自然的和人为的噪声 本章主要讨论自然噪声，对工业干扰和天电干扰只做简略的说明l 抑制干扰的措施是消除、切断和躲避干扰 理论上说，任何电子线路都有电子噪声，但是因为通常电子噪声的强度很弱，因此它的影响主要出现在有用信号比较弱的场合，在电子线路中，噪声来源主要有两方面： 电阻热噪声和半导体管噪声，两者有许多相同的特性 1. 电阻的热噪声 电阻由导体等材料组成，导体内的自由电子在一定的温度下总是处于“无规则”的热运动状态，这种热运动的方向和速度都是随机的 自由电子的热骚动在导体内形成非常弱的电流 2.4.2 噪声的来源和特点 电阻热噪声作为一种起伏噪声，具有极宽的频谱，从零频一直延伸到101213Hz以上的频率，而且它的各个频率分量的强度是相等的。

这种频谱与白色光的光谱类似，因此将具有均匀连续的噪声叫做白噪声，电阻的热噪声就是一种白噪声 (1)热噪声电压和功率谱密度当电阻的温度为T(K)时，电阻两端噪声电压的均方值为（奈奎斯特公式） 为了方便计算，引入噪声电压谱密度和噪声电流谱密度，分别定义为：单位频带内的噪声电压和噪声电流均方值2）线性电路中的热噪声 多个电阻的热噪声 热噪声通过线性网络对于并联谐振电路，电路的传输函数为并联谐振回路的阻抗为：阻抗的实部为：因此，可得到噪声功率密度为：重要结论：对于线性二端网络，其噪声电压或电流谱密度SU（或SI）可用等效电阻Re(或Ge)表示输出端的噪声电压均方值为 噪声带宽 假设有一等效噪声带宽B0对应最大传输H0,此时的输出噪声电压均方值为对于并联谐振回路，等效噪声带宽为 3.2.2 二极管的噪声 晶体二极管工作状态可分为正偏和反偏两种 正偏使用时，主要是直流通过pn结时产生散粒噪声 反偏使用时，因反向饱和电流很小，故其产生的散粒噪声也小，如果达到反向击穿（如稳压管），又分两种情况： 齐纳击穿二极管主要是散粒噪声，个别的有1/f噪声(闪烁噪声) 雪崩击穿二极管的噪声较大，除有散粒噪声，还有多态噪声，即其噪声电压在两个或两个以上不同电平上进行随机转换，不同电平可能相差若干个毫伏。

这种多电平工作是由于结片内杂质缺陷和结宽的变化所引起 硅二极管工作电压在4V以下是齐纳二极管，7V以上的是雪崩二极管，4V7V之间两种二极管都有 为了低噪声使用，最好选用低压齐纳二极管 3.2.3 晶体三极管的噪声 晶体三极管的噪声是设备内部固有噪声的另一个重要来源 一般说来，在一个放大电路中，晶体三极管的噪声往往比电阻热噪声强得多，在晶体三极管中，除了其中某些分布，如基极电阻rbb会产生热噪声外，还有以下几种噪声来源1.散弹（粒）噪声 在晶体管的pn结中（包括二极管的pn结），每个载流子都是随机地通过pn结的（包括随机注入、随机复合） 大量载流子流过结时的平均值（单位时间内平均）决定了它的直流电流I0，因此真实的结电流是围绕I0起伏的 这种由于载流子随机起伏流动产生的噪声称为散弹噪声，或散粒噪声 因为散弹噪声和电阻热噪声都是白噪声，前面关于热噪声通过线性系统的分析对散弹噪声也完全适用 这包括均方相加的原则，通过四端网络的计算以及等效噪声带宽等 晶体管中有发射结和集电结，因为发射结工作于正偏，结电流大 而集电结工作于反偏，除了基极来的传输电流外，只有反向饱和电流（它也产生散弹噪声） 因此发射结的散弹噪声起主要作用，而集电结的噪声可以忽略。

晶体管中通过发射结的少数载流子，大部分由集电极收集，形成集电极电流，少数部分载流子被基极流入的多数载流子复合，产生基极电流 由于基极中载流。