第三節(jié)濾波器13.3.15

1、1 高頻電路中的典型選頻組件高頻電路中的典型選頻組件-濾波器濾波器章末小結(jié)章末小結(jié) 第一章第一章 選頻與阻抗變換電路選頻與阻抗變換電路l1 石英晶體濾波器石英晶體濾波器l2 陶瓷濾波器陶瓷濾波器l3 表面聲波濾波器表面聲波濾波器2高頻電路中的典型選頻組件高頻電路中的典型選頻組件-濾波器濾波器l1 石英晶體濾波器石英晶體濾波器l2 陶瓷濾波器陶瓷濾波器l3 表面聲波濾波器表面聲波濾波器3基本基本LC選頻支路概念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(duì)f0信號(hào)是否通過adbc4 為了獲得工作頻率高度穩(wěn)定、阻帶衰減特性十為了獲得工作頻率高度穩(wěn)定、阻帶衰減特性

2、十分陡峭的濾波器，就要求濾波器元件的品質(zhì)因數(shù)分陡峭的濾波器，就要求濾波器元件的品質(zhì)因數(shù)很高。而很高。而LC型濾波器的品質(zhì)因數(shù)一般在型濾波器的品質(zhì)因數(shù)一般在100200范圍內(nèi)，不能滿足上述要求。范圍內(nèi)，不能滿足上述要求。 石英諧振器的品質(zhì)因數(shù)石英諧振器的品質(zhì)因數(shù)可達(dá)幾萬甚至幾百萬，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。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) 物理特性物理特性 1. 石英晶體諧振器石英晶體諧振器 1) 物理特性 石英晶體諧振器是由天然或人工生成的石英

3、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(hào)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(hào)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（0.010.1）pF；由于各諧波頻率相隔較遠(yuǎn)，相互影響很小。對(duì)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

4、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)。0SCd89l. 壓電效應(yīng)和壓電振蕩壓電效應(yīng)和壓電振蕩 C0 rq Cq Lq JT b a 在石英晶體兩個(gè)管腳加交變?cè)谑⒕w兩個(gè)管腳加交變電場(chǎng)時(shí)，它將會(huì)產(chǎn)生一定頻率的電場(chǎng)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)機(jī)械變形，而這種機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，上述物理現(xiàn)象稱產(chǎn)生交變電場(chǎng)，上述物理現(xiàn)象稱為為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 通常，壓電效應(yīng)并不明顯。但是，當(dāng)交變電場(chǎng)的頻通常，壓電效應(yīng)并不明顯。但是，當(dāng)交變電場(chǎng)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(chǎng)的振幅驟然率為某一特

5、定值時(shí)發(fā)生諧振，機(jī)械振動(dòng)和交變電場(chǎng)的振幅驟然增大，產(chǎn)生共振，稱之為增大，產(chǎn)生共振，稱之為壓電振蕩壓電振蕩。2.石英晶體諧振器-壓電振蕩壓電振蕩10 C0 rq Cq Lq b a 當(dāng)石英晶體不振動(dòng)時(shí)，可等效為一個(gè)平當(dāng)石英晶體不振動(dòng)時(shí)，可等效為一個(gè)平板電容板電容C0，稱為靜態(tài)電容；其值決定于晶片，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)的慣性等效為電感效為電感Lq，其值為幾，其值為幾mH幾十幾十H。 晶片的彈性等效為電容晶片的彈性等效為電容Cq，為，為0.010.1pF

6、，因此，因此Cq C0 。 晶片的摩擦損耗等效為電阻晶片的摩擦損耗等效為電阻rq，約為，約為100，理想情況下，理想情況下rq=0。3. 石英晶體的等效電路石英晶體的等效電路11 當(dāng)?shù)刃щ娐分械漠?dāng)?shù)刃щ娐分械腖q、Cq、rq支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振時(shí)，支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振時(shí)，該支路呈純阻性，等效電阻為該支路呈純阻性，等效電阻為rq ，諧振頻率，諧振頻率 此時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的阻抗等于此時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的阻抗等于rq并聯(lián)并聯(lián)C0的容的容抗，因抗，因rq C0的容抗，故可近似認(rèn)為整體的容抗，故可近似認(rèn)為整體也呈純阻性，等效電阻為也呈純阻性，等效電阻為rq 。qqsCLf21 當(dāng)當(dāng)f f s時(shí)，串聯(lián)支路呈容性，于時(shí)，串聯(lián)

7、支路呈容性，于C0并聯(lián)后石英晶體呈容性。并聯(lián)后石英晶體呈容性。 當(dāng)當(dāng)f f s時(shí)，時(shí)，L、C和和rq支路呈感性，在某一頻率將與支路呈感性，在某一頻率將與C0產(chǎn)生并產(chǎn)生并聯(lián)諧振，石英晶體又呈純阻性，諧振頻率聯(lián)諧振，石英晶體又呈純阻性，諧振頻率0qs0q0qqp121CCfCCCCLf C0 rq Cq Lq b a 4. 石英晶體的振蕩頻率石英晶體的振蕩頻率12 C0 rq Cq Lq b a O X容性容性 容性容性 sfpf5.感感性性 結(jié)果：有底紋的感性結(jié)果：有底紋的感性區(qū)域?yàn)橥l帶區(qū)域?yàn)橥l帶13qqs21CLf 0qs0q0qqp121CCfCCCCLf由于由于CqCq, 它的接它的接

8、入系數(shù)入系數(shù)p Cq /C0很小，大大減小了很小，大大減小了加到晶體兩端的外部電路元件對(duì)晶加到晶體兩端的外部電路元件對(duì)晶體的影響。體的影響。6. 石英晶體濾波器的特點(diǎn)石英晶體濾波器的特點(diǎn)q1q3q5C0LqCqrqC0(a)(b)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。而遏制頻率的進(jìn)一步增加。 O X容性容性 容性容性 感感性性 sfpf4作電感用作電感用它具有很高的它具有很高的Q值，外界影

9、值，外界影響很小，只受工藝影響。響很小，只受工藝影響。4工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)(fs)注意：一般不工作于容性區(qū)。 C0 rq Cq Lq b a 7. 石英晶體濾波器的應(yīng)用石英晶體濾波器的應(yīng)用162 陶瓷濾波器陶瓷濾波器l集中選頻濾波器l 1.陶瓷濾波器l 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。l 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(jiǎn)稱PZT）制成的。17 利用某些陶瓷材料的壓電效應(yīng)構(gòu)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。它的成的濾波器，稱為陶瓷濾波器。它的等效品質(zhì)因數(shù)

10、等效品質(zhì)因數(shù)為幾百，比為幾百，比LC濾波濾波器高，但遠(yuǎn)比石英晶體濾波器低。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。路與石英晶體的相同。18 電路組成原則：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(duì)應(yīng)串臂的并聯(lián)諧振頻率和并臂并聯(lián)諧振頻率，截止頻率分別對(duì)應(yīng)串臂的并聯(lián)諧振頻

11、率和并臂的串聯(lián)諧振頻率。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)。諧振子數(shù)目愈多，濾波器的帶外衰減性能愈強(qiáng)。電路組成原則電路組成原則19聲表面波濾波器聲表面波濾波器 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ㄑ乇砻鎮(zhèn)魉偷牟?聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖如下所示。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用真空蒸鍍法，在拋光過的基片表面形成厚度約的鋁膜或金膜電極，稱其為叉指電極。左端叉指的鋁膜或

12、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?duì)叉指的為一對(duì)叉指的d可以很短（等效諧振條件：可以很短（等效諧振條件：d=0.5，f為為30MHZ時(shí)，時(shí)，=C/f10-4m=0.1mm，d=0.05mm），），一塊小基片上可以做多對(duì)叉指，等于多級(jí)一塊小基片上可以做多對(duì)叉指，等于多級(jí)LC諧振回路諧振回路選頻，所以指標(biāo)較好。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）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

13、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，21LRsUsabdRL發(fā)端換能器聲表面波傳播方向吸收材料收端換能器聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖22聲表面波濾波器的聲表面波濾波器的23表面聲波濾波器特點(diǎn)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、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(duì)頻

14、帶較寬、矩形系數(shù)接近于等特點(diǎn)，并且它可以采用相對(duì)頻帶較寬、矩形系數(shù)接近于等特點(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(jiǎn)單、成本低、與集成電路工藝相同的平面加工工藝，制造簡(jiǎn)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。前途的濾波器。24通信機(jī)中常用的通信機(jī)中常用的聲表面波濾波器的聲表面波濾波器的25章末小結(jié)：濾波器原理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。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。他們的共同特

15、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(chǎng)時(shí)，它將會(huì)產(chǎn)生一定頻率的機(jī)械在兩端加交變電場(chǎng)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(chǎng)，上述物理現(xiàn)變形，而這種機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，上述物理現(xiàn)象稱為象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 通常，壓電效應(yīng)并不明顯。但是，當(dāng)交變電場(chǎng)的頻通常，壓電效應(yīng)并不明顯。但是，當(dāng)交變電場(chǎng)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(chǎng)的振幅驟然率為某一特定值時(shí)發(fā)生諧振，機(jī)械振動(dòng)和交變電場(chǎng)的振幅驟然增大，產(chǎn)生共振，稱之為增大，產(chǎn)生共振，稱之為壓電振蕩壓電振蕩。26 C0 rq Cq Lq b a 當(dāng)石英晶體不振動(dòng)時(shí)，可等效為一個(gè)平當(dāng)石英晶體不振動(dòng)時(shí)，

16、可等效為一個(gè)平板電容板電容C0，稱為靜態(tài)電容；其值決定于晶片，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)的慣性等效為電感等效為電感Lq，其值為幾，其值為幾mH幾十幾十H。 晶片的彈性等效為電容晶片的彈性等效為電容Cq，為，為0.010.1pF，因此，因此Cq C0 。 晶片的摩擦損耗等效為電阻晶片的摩擦損耗等效為電阻rq，約為，約為100，理想情況下，理想情況下rq=0。石英晶體的等效電路石英晶體的等效電路由于這些特點(diǎn)，由于這些特點(diǎn)，晶體的晶體的Q非常非常高，性能穩(wěn)定高，

17、性能穩(wěn)定271、石英晶體諧振器的優(yōu)缺：、石英晶體諧振器的優(yōu)缺：Q值很高，能達(dá)到幾萬；性能值很高，能達(dá)到幾萬；性能穩(wěn)定；通頻帶很窄（因?yàn)榉€(wěn)定；通頻帶很窄（因?yàn)閒P和和fS很窄、很接近）常用于高放很窄、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。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：、陶瓷濾波器的優(yōu)缺：Q值適中，達(dá)到幾百；性能穩(wěn)定；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(cè)量?jī)x器等。通頻帶比較寬，價(jià)格便宜，常用于測(cè)量?jī)x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；、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。值適中；性能穩(wěn)定；通頻帶較寬，價(jià)格略貴。它可以采用它可以采用與集成電路工藝相同的平面加工工藝，制造簡(jiǎn)單、成本低、與集成電路工藝相同的平面加工工藝，制造簡(jiǎn)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)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。展前途的濾波器。常用于要求較高或頻率較高的回路。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)濾波器指標(biāo)與特點(diǎn)28本節(jié)思考題本節(jié)思考題各類濾波器特點(diǎn)及其應(yīng)用場(chǎng)合。書P32 1.11；1