劳动版《无线电基础》教案

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 三 章 滤 波 器,31 滤波器的根本知识,滤波器的几个常用术语：,1通带：让信号中的有用成分顺利通过的频带。,2阻带：阻止信号中的无用成分及干扰传输的,频带。,3截止频率：位于通带和阻带交界处的频率，,用fc表示。,理想的滤波器应具有以下特性：,1让有用信号顺利通过而无任何损耗和失真。,2将无用信号和干扰完全滤除。,一、滤波器的类型,根据通频带的范围，滤波器可分成：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。,1.,低通滤波器,定义：哀减特性中,0,f,c,为通带，,f,c,为阻带。,2.高通滤波器,定义：哀减特性中0f,c,为阻带，f,c,为通带。,3.带通滤波器,定义：哀减特性中f,c1,f,c2,为通带，0f,c1,和f,c2,为阻带。,4.带阻滤波器,定义：哀减特性中f,c1,f,c2,为阻带，0f,c1,和f,c2,为通带。,形,T形,形,X形,根据电路结构，滤波器可分成形、T形、形和,X形。,二、滤波器的特性阻抗,所谓特性阻抗就是当滤波器的输出端接上一个阻抗Zc2(如图34a所示)，那么滤波器的输入阻抗 Zc1(从输入端向输出端看)恰好等于信号源内阻Zs(Zs Zc1)；如果在输入端接上一个阻抗Zc1，那么滤波器的输出阻抗Zc2 (从输出端向输入端看)恰好等于负载阻抗Zfz(Zc2Zfz)。那么， Zc1 、 Zc2 分别称为输入端和输出端的特性阻抗。,阻抗匹配，即要求滤波器的负载阻抗等于输出端的特性阻抗，滤波器的信号源内阻等于输入端的特性阻抗。,形滤波器：,输入特性阻抗Z,C1,=,输出特性阻抗Z,C2,=,T形滤波器：,因对称,特性阻抗,Z,CT,=,形滤波器：,特性阻抗Z,C,=,三,滤波器的传输常数,。,=+j,：哀减常数，表示信号通过滤波器后电流或电压幅度的哀减。,：相移常数，表示信号通过滤波器后电流或电压的相移,。,四滤波器的传通条件,传通条件实质上就是哀减为0 =0的条件。形、T形、形滤波器，当满足关系式：-1Z1/4Z20时，哀减常数才为0，这就是滤波器的传通条件。,滤波器通带和阻带的边界条件是：,Z,1,/4 Z,2,=0,Z,1,/4 Z,2,=-1,3,2 K,式滤波器,一、K式低通滤波器,特点：串联臂是电感线圈，并联臂是电容。,截止频率为：f,c,=1/,特性：,K,式低通滤波器在低于截止频率的通带内特性阻抗为纯电阻，在高于截止频率的阻抗内特性阻抗为纯电抗性。,二K式高通滤波器,特点：串联臂是电容，并联臂是电感线圈。,截止频率为：f,c,=1/4,特性：,K式高通滤波器在高于截止频率的通带内特性阻抗为纯电阻，在低于截止频率的阻抗内特性阻抗为纯电抗性。,三K式带通滤波器,特点：K式带通滤波器串联臂是LC串联回路，并联臂是LC并联回路。,如果串联臂阻抗谐振频率f,01,=1/2,并联臂阻抗谐振频率f,02,=1/2 ，,实际上要求两个谐振频率相等，即f,01,= f,02,= f,0,，f,0,称为滤波器的中心频率。根据上述条件,可得：,L,l,C,l,=L,2,C,2,或,L,l,L,2,=C,2,C,l,带通滤波器,的特性是高通和低通特性的组合，即是将高通和低通的频率特性、衰减特性相并而形成带通滤波器的相应特性，并以f,0,为两特性的结合点。,四、K式带阻滤波器,特点：,K,式带阻滤波器，串联臂用并联回路，而并联臂改用串联回路。,如果串联臂阻抗谐振频率 f,01,=1/2,并联臂阻抗谐振频率 f,02,=1/2,当f,01,= f,02,= f,0,，f,0,称为滤波器的中心频率。,根据上述条件可得：,L,l,C,l,=L,2,C,2,或 L,l,L,2,=C,2,C,l,带阻滤波器,的特性是低通和高通滤波器特性的组合。,3,-,3 m,式滤波器,一、m式滤波器的构成原理,K式滤波器的优点,是电路结构简单，在阻带内的衰减是离开截止频率越远而越大，但是也有,缺点,：,(1)衰减特性曲线不够陡峭，导致有用信号与干扰信号不能有效地分开。,(2)在通频带范围内，特性阻抗变化较大，滤波器与负载不能很好地匹配，从而影响衰减特性，降低滤波质量。,在,K,式低通滤波器,的并联臂上串联一只电感，使其串联谐振频率靠近,f,c,。当信号频率等于,f,时发生串联谐振,(f,称为衰减无限大频率,),，并联臂阻抗相当于短路，衰减为无限大。衰减特性如图,3,-,11,所示，在,f,c,附近衰减上升很快。我们将这种形式的滤波器称为,串联,m,式滤波器,电路结构如图,(a),所示。图中，并联臂串接一只电感,2L,2,，与,C,2,2,构成串联谐振,。,(a),串联,m,式滤波器,在K式低通滤波器的串联臂上串联一只电容，使其并联谐振频率为f,。当信号频率等于f,时发生并联谐振，串联臂阻抗相当于开路，衰减无限大。我们将这种形式的滤波器称为,并联m式滤波器,。,电路结构如图b所示，图中，串联臂并接一只电感2C2，与L12构成并联谐振。,图b并联m式滤波器,二、m式滤波器的优缺点,l .m式滤波器的优点,(1)能得到很陡峭的衰减特性斜率。,(2)在通频带中能得到较稳定的特性阻抗。,2.m式滤波器的缺点,(1)在f以后哀减频率特性下降很快。这种缺点只能用K式和m式滤波器连接而成的组合滤波器来消除。,(2)与K式滤波器相比电路较复杂，使用元件较多。,(3)在通频带内相移常数随频率的变化较大。,三、复合滤波器,在电子技术中，为了获得性能良好的滤波器，常将各具特点的单节滤波器连接起来而组成复合滤波器。,在组成复合滤波器时应遵循以下原那么：,1各根本节的截止频率应相同。,2为获得最正确功率传输，各根本节在连接处的特性阻抗必须相互匹配。,复合滤波器有多种形式，最常用的一种由四节单元滤波器构成。中间两节为K式和m式相连接，首节和末节采用形m式滤波器，电路结构如图C所示,图CT形低通复合滤波器的电路结构,3,-,4,有源滤波器,由电阻、电容和有源器件组成的滤波器称为有源滤波器。,常用的有源器件有：被控源、变换器、回转器和运算放大器。,有源滤波器的优点：具有体积小、集成度高、重量轻、本钱低、易于调整等一系列优点。,有源滤波器的缺点：有源滤波器需要消耗能量，并且在稳定性、噪声、频率范围(由于受到运算放大器带宽的限制，一般来说宜在100kH频率范围内使用)等方面还存在一些问题。,一.有源低通滤波器,图a所示电路为有源低通滤波器。,a有源低通滤波器,工作原理：输入信号接至运算放大器的反相输入端，输出端引出的反响支路与运算放大器反相端连接。电容C2对频率低于截止频率fc的输入信号容抗较大，而对频率高于截止频率的输入信号容抗很小。在阻带范围内，电容C1的容抗很低，较强的负反响加至输入端，降低了电路的增益。该电路具有低通滤波器的性能。,二.有源高通滤波器,图b电路所示为有源高通滤波器。,b有源高通滤波器,工作原理：输入信号由运算放大器同相输入端引入。C1、C2和R2组成分压器。当输入信号的频率低于截止频率fc时，C1、C2形成较大的容抗，从而使R2两端的电压降降低，故输出电压很低；当输入信号的频率高于截止频率时，C1和C2的容抗减小，使R2两端的电压降升高，输出电压较大。这说明该电路具有高通滤波器的性能。,3-5 声外表波滤波器,一、声外表波滤波器的结构和根本原理,l声外表波技术,声外表波滤波器是一种应用声外表波技术的新型器件。在压电晶体基片上制作两个换能器，即叉指换能器。所谓叉指换能器，就是在压电基片材料外表上形成形状像两只手指交叉状的金属图案，它的作用是实现电与声外表波的转换。,声外表波技术有如下的特点：,(1)声外表波具有极低的传播速度和极短的波长，它们各自比电磁波传播速度和波长要小10万倍。,(2)由于声外表波沿固体外表传播，且传播速度极慢，这就使得时变信号在给定瞬间可以完全呈现在基片外表上。,(3)由于声外表波器件是在单晶材料上用半导体平面工艺制作的，所以它具有很好的一致性和重复性，易于大量生产。而且由于使用某些单晶材料或复合材料，声外表波器件具有极高的热稳定性。,(4)声外表波器件的抗辐射能力强，动态范围很大，这是因为它利用晶体外表的弹性波,而不涉及电子迁移的过程。,缺点：受工艺的限制，声外表波器件的工作频率局限于3 000MHz以下。,因采用单晶材料制作，工艺要求高，条件苛刻，本钱较高。,2声外表波滤波器的根本工作原理,声外表波滤波器的结构和工作原理如图(a)所示。它的结构和外形与集成块相似，常用环氧树脂封装，有五根引出脚，外形图如图b所示。,c声外表波滤波,器外形图,(a)声外表波滤波器,工作原理：器件本身是以压电材料为基片，覆有金属导电膜，并按一定切割方向光刻加工成两对梳齿状电极(即叉指换能器)，构成输入、输出换能器，电极间互相绝缘，交错相嵌。 当交变的电信号加至输入换能器时，电压就会在基片外表电极间产生交变电场。,在电场作用下，压电基片表层产生“伸“缩变化的机械振动，在梳齿间的基片外表层激起外表波，借质点的振动向两侧传播。当向前传播的外表波到达输出换能器时，压电基片的外表波通过输出梳齿状电极转换成交变的电信号，由输出电极两端送至负载。由于基片上传播的外表波具有与超声波传播时相同的性质，故称为声外表波，简称为外表波。,3声外表波滤波器的幅频特性,声外表波滤波器的幅频特性取决于基片材料，而且不同的基片材料具有不同的声外表波传播速度。声外表波滤波器器件的每对梳齿表示一个外表波源，梳齿状换能器的形状、间距、大小、长短、数目和位置等都与声外表波的带宽、中心频率、幅度大小、延迟时间和相位特性等参数有关。电视机中频放大电路中采用的声外表波滤波器的幅频特性如图(c)所示。,当梳齿间距固定、输入信号的频率不同时，产生的声外表波也不同。声外表波的强度与梳齿的长度有关；频率响应特性与齿间距离有关；频带宽度与齿数有关；插入损耗与压电基片材料有关。因此，只要改变梳齿的形状、齿距、齿数和长度就能使输入信号所形成的声外表波增强或减弱，形成预定的滤波器幅频特性。,(c),电视机中频放大电路幅频特性,二、声外表波滤波器的优缺点,优点：是体积小、重量轻、便于制成固体的滤波器，还可以与中频集成电路相配合构成小型化、不需要调整的中频放大器；而且性能稳定，相位失真小动态范围宽，工作可靠，抑制干扰能力强。,缺点：插入损耗较大(约1520 dB)。为补偿损耗，实际电路中往往在滤波器的前面加一级前置放大。,直通信号受端面反射回波的影响，在电视机中容易产生图像重影。减小回波的一种方法是采用失配法，在负载与输出失配时，输出信号将减小，从而使回波影响减轻。,三、声外表波滤波器实用电路,图(d)声外表波滤波器的实用电路,接收机中的中频特性是决定整机性能的关键，用一般的LC滤波器虽然也能满足要求，但所用元件较多，占用面积较大，调试也较复杂。声外表波中频滤波器(简称SAWF器件)应用于电视接收机的中放电路中，可代替各种吸收回路和中频调谐回路，起着带通滤波器的作用。它与RC宽频带中放电路或集成块中放电路相配合，能一次形成所需要的中频特性响应，满足中频选择性、相频特性等指标要求。所以现在很多的电视接收机的中放电路采用这种品质优良、相位失真极小、不需要调整的器件。,电路工作原理：从高频调谐器送来的中频信号输入至Vl基极进行放大，以补偿LMS-38声外表波滤波器所引入的损耗。在这里，LMS-38的作用是形成中频幅频特性。经带通滤波后的中频信号送至集成块D7611AP进行中频放大和视频检波。,3,6,晶体及陶瓷滤波器,一、晶体滤波器,晶体的Q值高，用它构成的滤波器的衰减特性曲线斜率大、选择性好、损耗小，还有稳定性高和体积小的优点，所以晶体滤波器广泛应用于现代通信及电子技术的各个领,域中。,1石英晶体的根本特性及工作原理,石英晶体是硅石的一种，它的化学成分是二氧化硅(SiO2)。将石英晶体按照一定的方,位切割成适当形状的薄片，就是晶体滤波器的元件。陶瓷片是用一定的材料配方经多道工序,焙烧极化而成的。保护晶体片的外壳分为胶木壳、金属壳和玻璃壳三种。,如果在石英晶体的某一个方向上施加压力，那么在与外力方向平行的石英晶体两个外表上产生极性相反的电荷，从而形成电场，如图a所示。如果外力改变方向，那么产生的电荷,极性相应发生变化，即电场的方向也发生变化。同样，当在石英晶片两面加上不同极性的电压时，那么石英晶片的几何尺寸将压缩或伸张，这种现象就叫压电效应。,图,(a),压电效应,利用石英晶体的压电效应，将石英晶体接在电路中就构成了石英谐振器，用以代替一般的LC谐振系统。当交流电压加在晶体片两端时，晶体将随交变信号的变化而产生交变的机,械振动，其振动频率等于外加电压的频率。,2石英晶体的符号和等效电路,一块石英晶体可用一个,L1,、,C1,、,R1,串联回路和一个并联电容,C0,来表示。图,(b),所示,图(b)石英谐振器的符号和等效回路,C1,：称为 动态电容，一般晶片的动态电容容量在10,-2,10,-1,pF之间；,L1,：为等效电感，电感量在,10,-3,10,-2,H,之间；,R1,:为等效电阻，阻值在110之间；,C0,:为静态电容，有几到几十皮法。,石英谐振器的最大特点是它的等效电感L,1,非常大，而C1和Rl非常小，因此它的,Q值很高,，可达,几万甚至百万,以上。,由于石英晶体片具有很高的Q值，加上它本身的固有振动频率很稳定，所以用它做成晶体滤波器具有性能稳定、选择性好、体积和损耗小的优点。,3T形晶体滤波器,用石英晶体组成,T,形带通滤波器如图,(c),所示，图,(d),为其等效回路。,图,(c) T,形带通滤波器,图(d)等效回路,