高頻-第2章 高頻電路基礎(chǔ) (3)濾波器與阻抗變換課件

2.2.3石英晶體諧振器2.2.4集中濾波器2.2.5高頻衰減器與匹配器作業(yè)：2.72.10第二章高頻電路基礎(chǔ)2.2.3石英晶體諧振器（石英振子）

1。石英晶體的物理特性：石英是礦物質(zhì)硅石的一種（也可人工制造），化學(xué)成分是SiO2，其形狀為結(jié)晶的六角錐體。圖(a)表示自然結(jié)晶體，圖(b)表示晶體的橫截面。為了便于研究，人們根據(jù)石英晶體的物理特性，在石英晶體內(nèi)畫出三種幾何對(duì)稱軸，連接兩個(gè)角錐頂點(diǎn)的一根軸ZZ，稱為光軸，在圖(b)中沿對(duì)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(jī)械軸。

石英晶體具有正、反兩種壓電效應(yīng)。當(dāng)石英晶體沿某一電軸受到交變電場(chǎng)作用時(shí)，就能沿機(jī)械軸產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，反過(guò)來(lái)，當(dāng)機(jī)械軸受力時(shí)，就能在電軸方向產(chǎn)生電場(chǎng)。且換能性能具有諧振特性，在諧振頻率，換能效率最高。

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(dòng)頻率，當(dāng)晶體片的固有頻率與外加電源頻率相等時(shí)，晶體片就產(chǎn)生諧振。

沿著不同的軸切下，有不同的切型，X切型、Y切型、AT切型、BT、CT……等等。石英晶體的特點(diǎn)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(wàn)到幾百萬(wàn)。這是普通LC電路無(wú)法比擬的。

②由于，這意味著等效電路中的接入系數(shù)很小,因此外電路對(duì)它影響很小。③晶體的內(nèi)部參數(shù)受外界因素（溫度、振動(dòng)）的影響很小，諧振頻率很穩(wěn)定。石英晶體有兩個(gè)諧振角頻率。一個(gè)是左邊支路的串聯(lián)諧振角頻率q，即石英片本身的自然角頻率。另一個(gè)為石英諧振器的并聯(lián)諧振角頻率0。串聯(lián)諧振頻率

并聯(lián)諧振頻率 顯然

接入系數(shù)p很小，一般為10-3數(shù)量級(jí)，所以0與q很接近。

阻抗特性（石英諧振器的等效電抗）上式忽略rq后可簡(jiǎn)化為

（1）當(dāng)=q時(shí)z0=0Lq、Cq串諧諧振，當(dāng)=p，z0=回路并諧諧振。（2）當(dāng)為容性。（3）當(dāng)時(shí),z0=jx0

為感性。其電抗曲線如上圖所示。

把濾波器做成一個(gè)整體器件，構(gòu)成集中濾波器1.陶瓷濾波器

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。它常用鋯鈦酸鉛[Pb(ZrTi)O3]壓電陶瓷材料（簡(jiǎn)稱PZT）制成。

這種陶瓷片的兩面用銀作為電極，經(jīng)過(guò)直流高壓極化之后具有和石英晶體相類似的壓電效應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：容易焙燒，可制成各種形狀；適于小型化；且耐熱耐濕性好。它的等效品質(zhì)因數(shù)QL為幾百，比石英晶體低但比LC濾波器高.2.2.4集中濾波器(LC式、晶體、陶瓷、聲表濾波器)

符號(hào)及等效電路圖中C0等效為壓電陶瓷諧振子的固定電容；Lq

為機(jī)械振動(dòng)的等效質(zhì)量；Cq

為機(jī)械振動(dòng)的等效彈性模數(shù)；Rq為機(jī)械振動(dòng)的等效阻尼；其等效電路與晶體相同。

并聯(lián)諧振頻率

式中，C為C0和C8串聯(lián)后的電容。其串聯(lián)諧振頻率CoR￠qC￠qL￠q2L

陶瓷濾波器電路

四端網(wǎng)絡(luò)陶瓷濾波器（由雙電極或三電極陶瓷濾波器構(gòu)成）：如將陶瓷濾波器連成如圖所示的形式，即為四端（二端口網(wǎng)絡(luò)）陶瓷濾波器。圖(a)為由二個(gè)諧振子組成的濾波器，圖(b)為由五個(gè)諧振子組成四端濾波器。諧振子數(shù)目愈多，濾波器的性能愈好。圖（C）為四端陶瓷濾波器（三電極陶瓷濾波器）

2L2

2L1

(a)

(b)

聲表面波濾波器SAWF（SurfaceAcousticWaveFilter）是一種以鈮酸鋰、石英或鋯鈦酸鉛等壓電材料為襯底（基體）的一種電聲換能元件。

結(jié)構(gòu)與原理：聲表面波濾器是在經(jīng)過(guò)研磨拋光的極薄的壓電材料基片上，用蒸發(fā)、光刻、腐蝕等工藝制成兩組叉指狀電極，其中與信號(hào)源連接的一組稱為發(fā)送叉指換能器，與負(fù)載連接的一組稱為接收叉指換能器。當(dāng)把輸入電信號(hào)加到發(fā)送換能器上時(shí)，叉指間便會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。2.聲表面波濾波器（SAWF）

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(duì)數(shù)、指條寬度a、指條間隔b、指條有效長(zhǎng)度B和周期長(zhǎng)度M等。上圖是聲表面波濾波器的基本結(jié)構(gòu)圖。嚴(yán)格地說(shuō)，傳輸?shù)穆暡ㄓ斜砻娌ê腕w波，但主要是聲面波。在壓電襯底的另一端可用第二個(gè)叉指形換能器將聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

換能器的指寬a，指與指之間間距b決定聲波波長(zhǎng).相鄰兩極的電場(chǎng)相位差為180，當(dāng)不同極指相鄰指極的間距為聲波長(zhǎng)的一半時(shí)，聲波經(jīng)傳輸延時(shí)的相位差剛好是180度，便形成同向疊加。偏離此波長(zhǎng)的其他頻率，便會(huì)相互抵消，因此可以實(shí)現(xiàn)濾波作用。聲表面波濾波器的符號(hào)如圖(a)所示，圖(b)為它的等效電路.其左邊為發(fā)送換能器，is和Gs表示信號(hào)源。G中消耗的功率相當(dāng)于轉(zhuǎn)換為聲能的功率。右邊為接收換能器，GL為負(fù)載電導(dǎo)，GL中消耗的功率相當(dāng)于再轉(zhuǎn)換為電能的功率。

聲表面濾波器的符號(hào)與等效電路

符號(hào)及等效電路

入

出

(a)

G

C

Gs

Is

GL

G

C

(b)

利用高頻衰減器可以調(diào)整信號(hào)傳輸通道上的信號(hào)電平。高頻衰減器分為固定衰減器和高頻可變(調(diào))衰減器兩種。除了微波衰減器可以用其他形式構(gòu)成外，高頻衰減器通常都用電阻網(wǎng)絡(luò)、開(kāi)關(guān)電路或PIN二極管實(shí)現(xiàn)。分固定衰減器和可變衰減器。器件的終端阻抗和線路的匹配阻抗通常是50歐和75歐。類似于濾波電路，固定衰減器有L型、T型和π型。表2-1列出了50和75兩種。2.2.5高頻衰減器

將固定電阻換成可變電阻或開(kāi)關(guān)電路或使用PIN二極管，就構(gòu)成可變（或電調(diào)）衰減器。2.3

阻抗變換和阻抗匹配

如果相連接的兩部分高頻電路阻抗匹配，則可以直接相連。但如果阻抗不匹配，就需要用高頻匹配器或阻抗變換器來(lái)連接。在高頻電子線路中，經(jīng)常要在信號(hào)源與電路、輸出與負(fù)載、級(jí)間進(jìn)行阻抗變換和阻抗匹配。其目的是使負(fù)載得到最大功率，濾波器得到最佳性能，接收機(jī)的靈敏度得到改善，發(fā)射機(jī)的效率得到提高。有LC網(wǎng)絡(luò)阻抗變換、帶抽頭的并聯(lián)諧振電路阻抗變換、變壓器阻抗變換、電阻網(wǎng)絡(luò)阻抗變換。下圖所示的匹配網(wǎng)絡(luò)具有電路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，不足之處是電路的品質(zhì)因數(shù)Q值很低(通常Q＜10)，因此電路的濾波特性很差，所以在實(shí)際的發(fā)射機(jī)中，常常選用T型或型網(wǎng)絡(luò)作匹配之用。2.L型網(wǎng)絡(luò)阻抗變換下圖是兩種形網(wǎng)絡(luò)是其中的形式之一(也可以用T型網(wǎng)絡(luò))。圖中RL代表終端(負(fù)載)電阻，RP代表由RL折合到左端的等效電阻，故接線用虛線表示。

形網(wǎng)絡(luò)下圖是兩種形網(wǎng)絡(luò)是其中的形式之一(也可以用T型網(wǎng)絡(luò))。圖中R2代表終端(負(fù)載)電阻，R1代表由R2折合到左端的等效電阻，故接線用虛線表示。

T型網(wǎng)絡(luò)理論上說(shuō)，任何電子線路都有電子噪聲，但是因?yàn)橥ǔｋ娮釉肼暤膹?qiáng)度很弱，因此它的影響主要出現(xiàn)在有用信號(hào)比較弱的場(chǎng)合，在電子線路中，噪聲來(lái)源主要有兩方面：電阻熱噪聲和半導(dǎo)體管噪聲，兩者有許多相同的特性。1.電阻的熱噪聲電阻由導(dǎo)體等材料組成，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在一定的溫度下總是處于“無(wú)規(guī)則”的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種熱運(yùn)動(dòng)的方向和速度都是隨機(jī)的。自由電子的熱騷動(dòng)在導(dǎo)體內(nèi)形成非常弱的電流。2.4.2噪聲的來(lái)源和特點(diǎn)電阻熱噪聲作為一種起伏噪聲，具有極寬的頻譜，從零頻一直延伸到1012~13Hz以上的頻率，而且它的各個(gè)頻率分量的強(qiáng)度是相等的。這種頻譜與白色光的光譜類似，因此將具有均勻連續(xù)的噪聲叫做白噪聲，電阻的熱噪聲就是一種白噪聲。(1)熱噪聲電壓和功率譜密度當(dāng)電阻的溫度為T(K)時(shí)，電阻兩端噪聲電壓的均方值為（奈奎斯特公式）為了方便計(jì)算，引入噪聲電壓譜密度和噪聲電流譜密度，分別定義為：?jiǎn)挝活l帶內(nèi)的噪聲電壓和噪聲電流均方值。（2）線性電路中的熱噪聲

多個(gè)電阻的熱噪聲

熱噪聲通過(guò)線性網(wǎng)絡(luò)對(duì)于并聯(lián)諧振電路，電路的傳輸函數(shù)為輸出端的噪聲電壓均方值為

噪聲帶寬假設(shè)有一等效噪聲帶寬B0對(duì)應(yīng)最大傳輸H0,此時(shí)的輸出噪聲電壓均方值為對(duì)于并聯(lián)諧振回路，等效噪聲帶寬為3.2.2二極管的噪聲晶體二極管工作狀態(tài)可分為正偏和反偏兩種。

正偏使用時(shí)，主要是直流通過(guò)pn結(jié)時(shí)產(chǎn)生散粒噪聲。

反偏使用時(shí)，因反向飽和電流很小，故其產(chǎn)生的散粒噪聲也小，如果達(dá)到反向擊穿（如穩(wěn)壓管），又分兩種情況：齊納擊穿二極管主要是散粒噪聲，個(gè)別的有1/f噪聲(閃爍噪聲)。雪崩擊穿二極管的噪聲較大，除有散粒噪聲，還有多態(tài)噪聲，即其噪聲電壓在兩個(gè)或兩個(gè)以上不同電平上進(jìn)行隨機(jī)轉(zhuǎn)換，不同電平可能相差若干個(gè)毫伏。這種多電平工作是由于結(jié)片內(nèi)雜質(zhì)缺陷和結(jié)寬的變化所引起。

硅二極管工作電壓在4V以下是齊納二極管，7V以上的是雪崩二極管，4V～7V之間兩種二極管都有。為了低噪聲使用，最好選用低壓齊納二極管。3.2.3晶體三極管的噪聲晶體三極管的噪聲是設(shè)備內(nèi)部固有噪聲的另一個(gè)重要來(lái)源。一般說(shuō)來(lái)，在一個(gè)放大電路中，晶體三極管的噪聲往往比電阻熱噪聲強(qiáng)得多，在晶體三極管中，除了其中某些分布，如基極電阻rbb′會(huì)產(chǎn)生熱噪聲外，還有以下幾種噪聲來(lái)源。1.散彈（粒）噪聲在晶體管的pn結(jié)中（包括二極管的pn結(jié)），每個(gè)載流子都是隨機(jī)地通過(guò)pn結(jié)的（包括隨機(jī)注入、隨機(jī)復(fù)合）。大量載流子流過(guò)結(jié)時(shí)的平均值（單位時(shí)間內(nèi)平均）決定了它的直流電流I0，因此真實(shí)的結(jié)電流是圍繞I0起伏的。這種由于載流子隨機(jī)起伏流動(dòng)產(chǎn)生的噪聲稱為散彈噪聲，或散粒噪聲。因?yàn)樯椩肼暫碗娮锜嵩肼暥际前自肼?，前面關(guān)于熱噪聲通過(guò)線性系統(tǒng)的分析對(duì)散彈噪聲也完全適用。這包括均方相加的原則，通過(guò)四端網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算以及等效噪聲帶寬等。

晶體管中有發(fā)射結(jié)和集電結(jié)，因?yàn)榘l(fā)射結(jié)工作于正偏，結(jié)電流大。而集電結(jié)工作于反偏，除了基極來(lái)的傳輸電流外，只有反向飽和電流（它也產(chǎn)生散彈噪聲）。因此發(fā)射結(jié)的散彈噪聲起主要作用，而集電結(jié)的噪聲可以忽略。晶體管中通過(guò)發(fā)射結(jié)的少數(shù)載流子，大部分由集電極收集，形成集電極電流，少數(shù)部分載流子被基極流入的多數(shù)載流子復(fù)合，產(chǎn)生基極電流。由于基極中載流子的復(fù)合也具有隨機(jī)性，即單位時(shí)間內(nèi)復(fù)合的載流子數(shù)目是起伏變化的。晶體管的電流放大系數(shù)α、β只是反映平均意義上的分配比。這種因分配比起伏變化而產(chǎn)生的集電極電流、基極電流起伏噪聲，稱為晶體管的分配噪聲。

分配噪聲本質(zhì)上也是白噪聲，但由于渡越時(shí)間的影響，當(dāng)三極管的工作頻率高到一定值后，這類噪聲的功率譜密度將隨頻率的增加而迅速增大。2.分配噪聲3.閃爍噪聲由于半導(dǎo)體材料及制造工藝水平造成表面清潔處理不好而引起的噪聲稱為閃爍噪聲。它與半導(dǎo)體表面少數(shù)載流子的復(fù)合有關(guān)，表現(xiàn)為發(fā)射極電流的起伏，其電流噪聲譜密度與頻率近似成反比，又稱1/f噪聲。因此，它主要在低頻（如幾千赫茲以下）范圍起主要作用。這種噪聲也存在于其他電子器件中，某些實(shí)際電阻器就有這種噪聲。晶體管在高頻應(yīng)用時(shí)，除非考慮它的調(diào)幅、調(diào)相作用，這種噪聲的影響也可以忽略。

3.2.4場(chǎng)效應(yīng)管噪聲在場(chǎng)效應(yīng)管中，由于其工作原理不是靠少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)，因而散彈噪聲的影響很小。場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲有以下幾個(gè)方面的來(lái)源：溝道電阻產(chǎn)生的熱噪聲，溝道熱噪聲通過(guò)溝道和柵極電容的耦合作用在柵極上的感應(yīng)噪聲，閃爍噪聲。

必須指出，前面討論的晶體管中的噪聲，在實(shí)際放大器中將同時(shí)起作用并參與放大。有關(guān)晶體管的噪聲模型和晶體管放大器的噪聲比較復(fù)雜，這里就不討論了。3.2.5接收天線噪聲

接收天線端口呈現(xiàn)噪聲有兩個(gè)來(lái)源：第一是歐姆電阻產(chǎn)生的噪聲（通?？梢院雎裕坏诙墙邮胀鈦?lái)噪聲能量，其一是接收周圍介質(zhì)輻射的噪聲能量，其二是宇宙輻射干擾也會(huì)被天線接收。因此，天線噪聲是與其周圍的介質(zhì)溫度、天線的指向及頻率有關(guān)的物理量。為了工程的方便，統(tǒng)一規(guī)定用天線的輻射電阻RA（是計(jì)算天線輻射功率大小的一個(gè)重要參量，不是天線的歐姆電阻）在溫度TA產(chǎn)生熱噪聲來(lái)表示天線的噪聲性能。TA稱為天線的有效噪聲溫度。研究噪聲的目的在于如何減少它對(duì)信號(hào)的影響。因此，離開(kāi)信號(hào)談噪聲是無(wú)意義的。

從噪聲對(duì)信號(hào)影響的效果看，不在于噪聲電平絕對(duì)值的大小，而在于信號(hào)功率與噪聲功率的相對(duì)值，即信噪比，記為S／N（信號(hào)功率與噪聲功率比）。即便噪聲電平絕對(duì)值很高，但只要信噪比達(dá)到一定要求，噪聲影響就可以忽略。否則即便噪聲絕對(duì)電平低，由于信號(hào)電平更低，即信噪比低于1，則信號(hào)仍然會(huì)淹沒(méi)在噪聲中而無(wú)法辨別。因此信噪比是描述信號(hào)抗噪聲質(zhì)量的一個(gè)物理量。2.4.3噪聲系數(shù)和噪聲溫度1.噪聲系數(shù)的定義噪聲系數(shù)可由下式表示設(shè)Pi為信號(hào)源的輸入信號(hào)功率，Pni為信號(hào)源內(nèi)阻RS產(chǎn)生的噪聲功率，Po和Pno分別為信號(hào)和信號(hào)源內(nèi)阻在負(fù)載上所產(chǎn)生的輸出功率和輸出噪聲功率。圖2-38噪聲系數(shù)的定義要描述放大系統(tǒng)的固有噪聲的大小，就要用噪聲系數(shù)，其定義為或信噪比與負(fù)載的關(guān)系設(shè)信號(hào)源內(nèi)阻為RS，信號(hào)源的電壓為US（有效值），當(dāng)它與負(fù)載電阻RL相接時(shí)，在負(fù)載電阻RL上的信噪比計(jì)算如下：信號(hào)源在RL上的功率信號(hào)源內(nèi)阻噪聲在RL上的功率在負(fù)載兩端的信噪比結(jié)論：信號(hào)源與