《谐振回路》PPT课件.ppt

第一章第一章 谐振回路谐振回路（选频网络）概论n1、选频网络的作用n2、选频网络的分类：n谐振回路n滤波器n3、谐振回路的形成n4、谐振回路的定义概论n5、谐振回路的种类：简单谐振回路n 复杂谐振回路n6、谐振回路的应用：n谐振放大器n自激振荡器7、本章主要内容：n1）L、C的高频特性。n2）串并联谐振回路的谐振特性，串并联谐振的对偶关系。n3）谐振回路的品质因数Q对谐振特性曲线的影响，通频带和选择性问题。n4）信号源内阻、负载对串并联谐振回路的影响。n5）并联谐振回路的耦合方式与接入系数。1.1 高频电路中的元器件n无源元件：电阻、电容、电感n有源器件：二极管、晶体管、集成电路n无源网络：变压器、谐振器、滤波器一、电阻的高频特性n电阻特性n电抗特性：分布电容 引线电感 相关因素：制作电阻的材料：金属膜、碳模、线绕 电阻的封装形式：表面封装、线绕 电阻的尺寸：小尺寸、大尺寸 工作频率：二、电感线圈的高频特性：n1、实际电感：n电感线圈等效为电感L和电阻r 串联。n损耗电阻与工作频率密切相关：集（趋）肤效应2、品质因素n定义：无功功率与有功功率之比n定义：高频电感的感抗与其串联损耗电阻之比n Q值越高，线圈的损耗越小。3、电感与电阻的串联形式转换成并联形式的等效电路和相应的量值关系：n等效电路：n图（a）和图（b）可互换。互换的量值关系：n一般有 Q 1，所以有：结论：n1)一个高Q值电感线圈，其等效电路可表示为L和r的串联形式也可表示为L、R并联形式。n2)两种形式的量值关系为：3)串联的：并联的：三、电容的高频特性：n实际电容的串联或并联表示形式：1、电容的品质因数大小及其损耗关系：由定义式可推得：nQ 定义为容抗与串联电阻之比nQ 越大，表征电容的损耗越小。2、电容的损耗电阻串并联等效线路变换公式：n当满足Q 1则：结论：n1一个实际电容，其等效电路可以表示为串联形式，也可以表示为并联形式。n2两种形式电容量不变：n并联电阻1.1.2 高频电路中的有源器件n1、二极管：n1）非线性变换二极管：检波、调制、解调、混频等n2）变容二极管：压控振荡器、混频、倍频等n3）PIN二极管：电可控开关、限幅器、电调衰减器等2、三极管n1）高频小功率管和小信号场效应管：n主要用于：小信号放大器、振荡电路、调制与解调电路、混频电路等n主要要求：高增益、低噪声n2）高频大功率管和场效应功率管：n主要用于：功放电路n主要要求：高增益、大输出3、集成电路：n通用型集成电路：n宽带集成放大器、模拟乘法器等n专用型集成电路：n集成锁相环、集成调频解调器、单片集成接收机、电视专用集成电路等1.2 简单谐振回路n高频振荡回路的功能：阻抗变换n 信号选择与滤波n 相频转换和移相n构成：L、C 串联或并联n分类：n简单振荡回路n复杂振荡回路1.2.1 简单振荡回路n简单振荡回路的定义：只有一个回路的电路n谐振的定义：简单振荡回路的阻抗在某一特定频率上有最大值或最小值的特性，这个特定频率就叫谐振频率。n分类：串联谐振回路 并联谐振回路一、串联谐振回路n1、电路形式：串联谐振回路2、谐振条件及谐振频率n串联阻抗为：n当X=0时，发生谐振 谐振条件谐振频率：特性阻抗：3、谐振特性n1）谐振时：，X=0，n非谐振时：，X0，n ，容性n ，感性n2）谐振时电流最大n3）电感及电容两端电压模值相等，且等于外加电压的Q倍。4、能量关系n谐振的物理意义：谐振回路中储存的能量保持不变，只在线圈与电容器之间相互转换。发生谐振时，电容和电感中储存的最大能量相等。5、谐振曲线和通频带n1)谐振曲线：n回路中电流或电压幅值与外加电压频率之间的关系曲线就叫谐振曲线。串联谐振回路的谐振曲线不同Q值对谐振曲线的影响 2）通频带n当回路的外加信号电压的幅值保持不变，频率改变为 或 时，回路电流等于谐振值的 ，所对应的频率范围 就叫回路的通频带，通常用 表示，叫半功率点。n串联谐振回路的通频带为：通频带6、信号源内阻及负载对串联谐振回路的影响n由于信号源内阻及负载的接入将使回路的总电阻增加，从而使Q下降，故此时的等效品质因数为：n显然，这会使回路的选择性变坏，通频带加宽。n因此，串联谐振回路通常适用于信号源内阻和负载电阻都较小的情况。0QQL二、并联谐振回路n1、电路形式：n等效电路：2、谐振条件及谐振频率n谐振条件 或n谐振频率：n结论：当容抗和感抗相等时，电路产生谐振。3、谐振特性n1）谐振时：，B=0，n非谐振时：，B0，n ，感性n ，容性n2）谐振时回路两端电压最大。n3）谐振时电感及电容中的电流幅值相等，且等于外加电流源的Q倍。谐振时的电路特性 n品质因数：n特性阻抗：n谐振电导：n谐振电阻：4、谐振曲线和通频带nUf的关系曲线谐振曲线。n由电路可见：n模值：4、谐振曲线和通频带n进一步可写成：并联谐振曲线结论n1)，U有最大值 。n2)f，或 f ，U均下降，偏离越大，下降得越多。n3）由此可推断，L、C并联谐振回路具选频特性并联振荡回路的通频带不同Q值对谐振曲线的影响 n结论：回路的值越高，回路的通频带越窄。相频特性n相角：n相频特性：n证明：变化既受 影响，变化快慢受Q值影响。相频特性5、信号源内阻及负载对并联谐振回路的影响n电路为：5、信号源内阻及负载对并联谐振回路的影响n由于信号源内阻及负载的接入将使回路的Q下降，故此时的等效品质因数为：n由此可见：并联谐振通常用于信号源内阻很大和负载电阻也较大的情况。1.2.2 复杂振荡回路n1）信号源的内阻和负载的接入使回路Q值下降n2）根据电路传输理论：当负载与信号源阻抗匹配时，可获得最大的功率传输，失配时则造成传输功率减小。n3）信号源中的电抗分量也会影响回路的谐振频率。n采用阻抗变换阻抗变换的方法1.2.2 复杂振荡回路n分类：n抽头并联振荡回路n耦合振荡回路一、抽头并联振荡回路n1、基本概念n1）电路形式：用信号源或负载与回路电感或电容部分连接的并联振荡回路就叫抽头并联振荡回路。n2）主要功用：nA.实现阻抗匹配或进行阻抗变换nB.避免外接电路的影响n3）接入系数p:定义：与外电路相连的那部分电抗与本回路参数分压的同性质总电抗之比。电压比：表示抽头点电压与回路端电压之比 2、自偶变压器耦合连接n1）信号源部分接入谐振回路：已知回路两端电阻为R0设回路处于谐振或失谐不大时，所以：从等效变换前后功率相等的关系看，有：所以：结论：由高抽头向低抽头转换时，等效阻抗减小倍。2、自偶变压器耦合连接n或已知输入端电阻为n则折合到谐振回路两端的电阻为：结论：由低抽头向高抽头转换时，等效阻抗提高了 倍。n总结论：全体接部分则变小 部分接全体则变大2、自偶变压器耦合连接n2）负载部分接入谐振回路：2、自偶变压器耦合连接nRL折合到回路的电阻RL：n同样依据等效变换前后功率相等的原则：n可见：调节p的大小，就可以改变折合电阻 的数值：p越小，与回路的接入部分越少，就越大。这种方法的优缺点n优点：n1）实现了阻抗变换n2）绕制简单，使用方便n缺点：n回路与负载有直流回路3、电容抽头连接n接入系数P:n对于图（b):P=n对于图（b):n对于图（c)：这种方法的优缺点n优点：n1）实现了阻抗变换n2）避免了绕制变压器和线圈抽头的麻烦，调整方便n3）可起到隔直流作用n缺点：多接入了一个电容元件另一个重要结论n负载电阻和信号源内阻小时，应采用：串联谐振方式n负载电阻和信号源内阻大时，应采用：并联谐振方式n负载电阻和信号源内阻不大不小时，应采用：抽头接入方式4、电源的折合n电压源：由定义式：n电流源：由等效变换前后功率不变5、负载电容的折合n由电路可知：二、耦合振荡回路n1、概述n单振荡回路：频率选择、阻抗变换n1）耦合回路的主要功用频率特性更好、阻抗变换更方便、可以隔直流n2）耦合系数k:n定义：在耦合回路中，耦合电路元件电抗绝对值与初级、次级回路中同性质的电抗值的几何平均值之比值。n定义式：耦合系数n互感耦合回路：n电容耦合回路：2、耦合回路的频率特性n引入两个参数：1、广义失谐量=2Q/2、耦合因子=kQ转移阻抗：谐振曲线n归一化转移阻抗（相对抑制比）：n可见：n1、两回路的耦合程度要影响曲线的高度和形状n2、曲线对称于=0的坐标轴讨论：n1、当=kQ=1时，临界耦合n归一化转移阻抗：n2、当=kQ1时，弱耦合n3、当=kQ1时，强耦合与单谐振回路的谐振曲线比较n1、双调谐回路的谐振曲线顶部平缓，带宽要宽n2、在频带之外，曲线下降也更陡峭通频带与矩形系数n通频带：n令n矩形系数：为表示曲线边沿的陡峭程度，通常用曲线接近理想矩形的程度来度量。n理想矩形：n双回路临界耦合：n单回路：1.3 滤波器n1.3.1 LC集中选频滤波器n1.3.2 石英晶体谐振器n1、物理特性：n石英是矿物质硅石的一种（也可人工制造），化学成分是 SiO2，其形状为结晶的六角锥体。图(a)表示自然结晶体，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制作过程正反压电效应n定义：当晶体受外力作用而变形时，就在它对应的表面上产生正负电荷，呈现出电压，称为正压电效应；反之，当在晶体两面加电压时，晶体又会发生机械形变，称为反压电效应。固有谐振频率:n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。因为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。谐振频率等于晶体机械振动的固有频率。谐振频率的高低取决于晶体切割成形的几何尺寸。石英晶体的基频频率最高可达 25MHz，频率再高就工作在泛音频率（即工作在机械振动谐波上）。n谐振现象：晶片的机械振动、电谐振n实质：电能和机械能的转换2、石英晶体振谐器的等效电路和符号：n石英片相当一个串并联谐振电路，可用集中参数 L q、C q、r q 来模拟，L q 为晶体的质量（惯性），C q 为 等效弹性模数，r q 为机械振动中的摩擦损耗。这种模拟在晶体谐振点附近比较适合。上图 表示石英谐振器的基频等效电路。图中右边支路的电容 C 0 称为石英谐振器的静电容。是以石英为介质在两极板间所形成的电容，其容量主要决定于石英片尺寸和电极面积。一般 C 0 在 几 PF 几十 PF。石英晶体的特点是：n等效电感 L q 特别大、等效电容 C q 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。n 由于 ，这意味着上图 所示等效电路图 中的接入系数 很小，因此外电路影响很小。等效电路的阻抗：n上式忽略 r q 后可简化为 石英谐振器的电抗曲线 n必须指出，在 w q 与 w p 的角频率之间，谐振器所呈现的等效电感 并不等于石英晶体片本身的等效电感 L q。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。n为了扩大感性区加宽滤波器的通带宽度，通常可串联一电感或并联一电感来实现。1.3.2 石英晶体谐振器n3、晶体谐振器的应用晶体振荡器：高频窄带滤波器：陶瓷滤波器n材料：压电陶瓷n等效电路：类似于晶体谐振器，但Q值小得多。n通频带与选择性：通频带比晶体滤波器稍宽n 选择性比晶体滤波器稍差n电路符号与等效电路：与晶体谐振器相同 两端陶瓷滤波器外形及符号：两端陶瓷滤波器外形及符号：n价格：便宜n应用：接收机和其它仪器中三端陶瓷滤波器实物图：实物图：1.3.4 声表面波滤波器nSAW:Surface Acoustic WavenSAW的特点：能量密度高n 传播速度快n声表面滤波器的优点：n体积小、重量轻、中心频率高、相对带宽较宽、理想的矩形选频特性1、结构特征：用叉指形电极作换能器实物图实物图声表面波滤波器结构示意图如上图所示。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。2、工作原理：n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。由于逆压电效应的作用，基体材料将生产弹性变形，从而产生声波振动。向基片内部传送的体波会很快衰减，而表面波则向垂直于电极的左、右两个方向传播。向左传送的声表面波被涂于基片左端的吸声材料所吸收，向右传送的声表面波由接收换能器接收，由于正压电效应，在叉指对间产生电信号，并由此端输出。n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。n严格地说，传输的声波有表面波和体波，但主要是声面波。2、工作原理n当输入信号的频率等于换能器的频率f0时，各节所激发的表面波同相叠加，振幅最大，可写成非均匀叉指换能器声表面波滤波器n3.特点：n 工作频率高，中心频率在 10MHz1GHz 之间，且频带宽，相对带宽为 0.5%50%。n 尺寸小，重量轻。动态范围大，可达 100dB。n 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。n 温度稳定性好。n 选择性好，矩形系数可达 1.2。n4、主要应用：n通信接收机、电视机、其他无线电设备声表面波滤波器应用实例n V1是预中放部分，起前置放大作用；n Z1为SAWF起集中选频作用；n TA7680AP为彩电图像中频放大器IC。本章小结n本章讨论的内容是学习通信电子线路的重要基础。n1.各种形式的选频网络在通信电子线路中得到广泛的应用。它能选出我们需要的频率分量和滤除不需要的频率分量，因此掌握各种选频网络的特性及分析方法是很重要的。n2.选频网络可分为两大类。第一类是由电感和电容元件组成的谐振回路，它又分为单振荡回路和耦合振荡回路，第二类是各种滤波器，主要有 LC 集中滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等。n3.串联谐振回路是指电感、电容、信号源三者串联；并联谐振回路是指电感、电容、信号源三者并联。串并联谐振回路的共同点是：n 当 Q 值很高时，谐振频率相等n 特性阻抗相同n 广义失谐都是表示回路失谐大小的量，用 表示。n 通频带均可表示为 B=n串并联谐振回路的不同点是：n 品质因数的表示形式不同，n串联谐振回路中：n n并联谐振回路中：n 串联谐振回路谐振时，其电感和电容上的电压为信号源电压的 Q 倍，称为电压谐振；并联谐振回路谐振时其电感和电容支路的电流为信号源电流的 Q 倍，称为电流谐振。n 串联谐振回路失谐时，当 f f 0 时回路呈感性，f f 0 时回路呈容性，f f 0 时回路呈感性。n4.回路采用抽头接入的目的是为了减少负载和信号源内阻对回路的影响，由低抽头折合到回路的高端时，等效电阻提高了 倍，即采用抽头接入时，回路 Q 值提高了。n5.由相互间有影响的两个单振荡回路组成的回路称为耦合回路。以耦合系数 K 表示耦合的强弱，耦合因数 h 表示相对临介耦合时的相对强弱。耦合回路中的反映阻抗是用来说明一个回路对耦合的另一回路电流影响。次级回路的电阻反映到初级回路仍为电阻，次级回路的电抗反映到初级回路仍为电抗，但抗的性质相反。n6.选择性滤波器主要有 LC 集中选择性滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷波波器和声表面波滤器。根据其各自特点应用到不同场合。其中石英晶体滤波器的 Q 值最高，选择性最好；声表面波滤波器工作频率高，抗辐射能力强，广泛用于通信设备中。典型例题讲解n例、如图所示并联谐振回路，信号源与负载都是部分接入的，已知 、，并已知回路的L、和空载时品质因数 ，求：n1、与n2、不变，要求回路总负载与信号源匹配，如何调整回路参数？