第一章諧振回路1ppt課件

1、第一章第一章 諧振回路諧振回路（選頻網(wǎng)絡(luò)）概論n1、選頻網(wǎng)絡(luò)的作用n2、選頻網(wǎng)絡(luò)的分類：n諧振回路n濾波器n3、諧振回路的形成n4、諧振回路的定義概論n5、諧振回路的種類：簡(jiǎn)單諧振回路n 復(fù)雜諧振回路n6、諧振回路的應(yīng)用：n諧振放大器n自激振蕩器7、本章主要內(nèi)容：n1L、C的高頻特性。n2串并聯(lián)諧振回路的諧振特性，串并聯(lián)諧振的對(duì)偶關(guān)系。n3諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q對(duì)諧振特性曲線的影響，通頻帶和選擇性問(wèn)題。n4信號(hào)源內(nèi)阻、負(fù)載對(duì)串并聯(lián)諧振回路的影響。n5并聯(lián)諧振回路的耦合方式與接入系數(shù)。1.1 高頻電路中的元器件n無(wú)源元件：電阻、電容、電感n有源器件：二極管、晶體管、集成電路n無(wú)源網(wǎng)絡(luò)：變壓器、諧振

2、器、濾波器一、電阻的高頻特性n電阻特性n電抗特性：分布電容n 引線電感n 相關(guān)因素：制作電阻的材料：金屬膜、碳模、線繞n 電阻的封裝形式：表面封裝、線繞n 電阻的尺寸：小尺寸、大尺寸n 工作頻率：二、電感線圈的高頻特性： n1、實(shí)際電感：n電感線圈等效為電感L和電阻r 串聯(lián)。n損耗電阻與工作頻率密切相關(guān)：n 集趨膚效應(yīng)2、品質(zhì)因素n定義：無(wú)功功率與有功功率之比n定義：高頻電感的感抗與其串聯(lián)損耗電阻之比n Q值越高，線圈的損耗越小。 rLrILIQL22223、電感與電阻的串聯(lián)形式轉(zhuǎn)換成并聯(lián)形式的等效電路和相應(yīng)的量值關(guān)系：n等效電路：n圖a和圖b可互換。 互換的量值關(guān)系： n一般有 Q 1，所以

3、有： rQRLP21LQLLP211rLrrLrQRLp222222LLP結(jié)論： n1)一個(gè)高Q值電感線圈，其等效電路可表示為L(zhǎng)和r的串聯(lián)形式也可表示為L(zhǎng)、R并聯(lián)形式。n2)兩種形式的量值關(guān)系為：n 3)串聯(lián)的 ： 并聯(lián)的：LLPrQRLP2rLQLPPLLRQ三、電容的高頻特性： n實(shí)際電容的串聯(lián)或并聯(lián)表示形式：1、電容的品質(zhì)因數(shù)大小及其損耗關(guān)系：由定義式可推得：nQ 定義為容抗與串聯(lián)電阻之比nQ 越大，表征電容的損耗越小。CrrCQC112、電容的損耗電阻串并聯(lián)等效線路變換公式：n當(dāng)滿足Q 1則：rQRC21 2111CPQCCrCrQRC2221CCPRCQpCRCQpC結(jié)論： n1一個(gè)

4、實(shí)際電容，其等效電路可以表示為串聯(lián)形式，也可以表示為并聯(lián)形式。n2兩種形式電容量不變： n并聯(lián)電阻CCPrQRC21.1.2 高頻電路中的有源器件n1、二極管：n1非線性變換二極管：檢波、調(diào)制、解調(diào)、混頻等n2變?nèi)荻O管：壓控振蕩器、混頻、倍頻等n3PIN二極管：電可控開(kāi)關(guān)、限幅器、電調(diào)衰減器等2、三極管n1高頻小功率管和小信號(hào)場(chǎng)效應(yīng)管：n主要用于：小信號(hào)放大器、振蕩電路、調(diào)制與解調(diào)電路、混頻電路等n主要要求：高增益、低噪聲n2高頻大功率管和場(chǎng)效應(yīng)功率管：n主要用于：功放電路n主要要求：高增益、大輸出3、集成電路：n通用型集成電路：n寬帶集成放大器、模擬乘法器等n專用型集成電路：n集成鎖相環(huán)、

5、集成調(diào)頻解調(diào)器、單片集成接收機(jī)、電視專用集成電路等1.2 簡(jiǎn)單諧振回路n高頻振蕩回路的功能：阻抗變換n 信號(hào)選擇與濾波n 相頻轉(zhuǎn)換和移相n構(gòu)成：L、C 串聯(lián)或并聯(lián)n分類：n簡(jiǎn)單振蕩回路n復(fù)雜振蕩回路1.2.1 簡(jiǎn)單振蕩回路n簡(jiǎn)單振蕩回路的定義：只有一個(gè)回路的電路n諧振的定義：簡(jiǎn)單振蕩回路的阻抗在某一特定頻率上有最大值或最小值的特性，這個(gè)特定頻率就叫諧振頻率。n分類：串聯(lián)諧振回路n 并聯(lián)諧振回路一、串聯(lián)諧振回路n1、電路形式：串聯(lián)諧振回路2、諧振條件及諧振頻率n串聯(lián)阻抗為：n當(dāng)X= =0時(shí)，發(fā)生諧振n 諧振條件n諧振頻率：n特性阻抗：)(11CscjsLjrZLjrZCL1LC10CLCL010

6、3、諧振特性n1諧振時(shí)： ，X=0，n非諧振時(shí)： ，X0， n ， 容性n ， 感性n2諧振時(shí)電流最大n3電感及電容兩端電壓模值相等，且等于外加電壓的Q倍。0rZs00rsZ0rsZrUI04、能量關(guān)系n諧振的物理意義：n諧振回路中儲(chǔ)存的能量保持不變，只在線圈與電容器之間相互轉(zhuǎn)換。發(fā)生諧振時(shí)，電容和電感中儲(chǔ)存的最大能量相等。5、諧振曲線和通頻帶n1)諧振曲線：n回路中電流或電壓幅值與外加電壓頻率之間的關(guān)系曲線就叫諧振曲線。)(11000.jQII2011II串聯(lián)諧振回路的諧振曲線不同Q值對(duì)諧振曲線的影響 2通頻帶n當(dāng)回路的外加信號(hào)電壓的幅值保持不變，頻率改變?yōu)?或 時(shí)，回路電流等于諧振值的 ，

7、所對(duì)應(yīng)的頻率范圍 就叫回路的通頻帶，通常用 表示， 叫半功率點(diǎn)。n串聯(lián)諧振回路的通頻帶為：122/1217 . 07 . 02,2BfBQB07 .022,1通頻帶6、信號(hào)源內(nèi)阻及負(fù)載對(duì)串聯(lián)諧振回路的影響n由于信號(hào)源內(nèi)阻及負(fù)載的接入將使回路的總電阻增加，從而使Q下降，故此時(shí)的等效品質(zhì)因數(shù)為：n顯然， ，這會(huì)使回路的選擇性變壞，通頻帶加寬。n因而，串聯(lián)諧振回路通常適用于信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載電阻都較小的情況。LsLRRrLQ00QQL二、并聯(lián)諧振回路n1、電路形式：n等效電路：2、諧振條件及諧振頻率n諧振條件 或n諧振頻率：n結(jié)論：當(dāng)容抗和感抗相等時(shí)，電路產(chǎn)生諧振。 LC001CL001LC103、諧

8、振特性n1諧振時(shí)： ，B=0，n非諧振時(shí)： ，B0， n ， 感性n ， 容性n2諧振時(shí)回路兩端電壓最大。n3諧振時(shí)電感及電容中的電流幅值相等，且等于外加電流源的Q倍。00CrLRZp0000RZpSCIjQI0RZp諧振時(shí)的電路特性 n品質(zhì)因數(shù)：n特性阻抗：n諧振電導(dǎo)：n諧振電阻：rCLrCrrLQ1100CLCL001LCrrrgLP202CQLQCrLR0004、諧振曲線和通頻帶nUf的關(guān)系曲線諧振曲線。n由電路可見(jiàn)：n模值：)1(LCjgIZIUSS22)1(LCgIUS4、諧振曲線和通頻帶n進(jìn)一步可寫(xiě)成：rCLjCrLIUS11.)(1000jQRIS)(11000.jQUU并聯(lián)諧振

9、曲線2011UU結(jié)論n1 ) ，U有最大值 。n2) f ，或 f ，U均下降，偏離越大，下降得越多。n3由此可推斷，L、C并聯(lián)諧振回路具選頻特性)(00 ffmaxU0f0f并聯(lián)振蕩回路的通頻帶QB07 . 02不同Q值對(duì)諧振曲線的影響 n結(jié)論：回路的值越高，回路的通頻帶越窄。相頻特性n相角：n相頻特性：n證明： 變化既受 影響，變化快慢受Q值影響。gLCarctg1gLCarctgf1)(arctgQf)()(f相頻特性5、信號(hào)源內(nèi)阻及負(fù)載對(duì)并聯(lián)諧振回路的影響n電路為：5、信號(hào)源內(nèi)阻及負(fù)載對(duì)并聯(lián)諧振回路的影響n由于信號(hào)源內(nèi)阻及負(fù)載的接入將使回路的Q下降，故此時(shí)的等效品質(zhì)因數(shù)為：n由此可見(jiàn)：

10、并聯(lián)諧振通常用于信號(hào)源內(nèi)阻很大和負(fù)載電阻也較大的情況。LPSPPPLRRRRQLRQ11.2.2 復(fù)雜振蕩回路n1信號(hào)源的內(nèi)阻和負(fù)載的接入使回路Q值下降n2根據(jù)電路傳輸理論：當(dāng)負(fù)載與信號(hào)源阻抗匹配時(shí)，可獲得最大的功率傳輸，失配時(shí)則造成傳輸功率減小。n3信號(hào)源中的電抗分量也會(huì)影響回路的諧振頻率。n采用阻抗變換的方法1.2.2 復(fù)雜振蕩回路n分類：n抽頭并聯(lián)振蕩回路n耦合振蕩回路一、抽頭并聯(lián)振蕩回路n1、基本概念n1電路形式：用信號(hào)源或負(fù)載與回路電感或電容部分連接的并聯(lián)振蕩回路就叫抽頭并聯(lián)振蕩回路。n2主要功用：nA.實(shí)現(xiàn)阻抗匹配或進(jìn)行阻抗變換nB.避免外接電路的影響n3接入系數(shù)p:n定義：與外電

11、路相連的那部分電抗與本回路參數(shù)分壓的同性質(zhì)總電抗之比。n電壓比：表示抽頭點(diǎn)電壓與回路端電壓之比n TUUp 2、自偶變壓器耦合連接n1信號(hào)源部分接入諧振回路：已知回路兩端電阻為R0n設(shè)回路處于諧振或失諧不大時(shí)，n所以：n從等效變換前后功率相等的關(guān)系看，有：n所以：n結(jié)論：由高抽頭向低抽頭轉(zhuǎn)換時(shí)，等效阻抗減小n倍。SLII UUTRURUT22202220pUURRT02RpR 2p2、自偶變壓器耦合連接n或已知輸入端電阻為n則折合到諧振回路兩端的電阻為：n結(jié)論：由低抽頭向高抽頭轉(zhuǎn)換時(shí)，等效阻抗提高了 倍。n總結(jié)論： 全體接部分則變小n 部分接全體則變大SRSRpR20121p2、自偶變壓器耦合

12、連接n2負(fù)載部分接入諧振回路：2、自偶變壓器耦合連接nRL折合到回路的電阻RL：n同樣依據(jù)等效變換前后功率相等的原則：n可見(jiàn)：調(diào)節(jié)p的大小，就可以改變折合電阻n 的數(shù)值：p越小， 與回路的接入部分越少，n 就越大。LLRpR21LRLRLR這種方法的優(yōu)缺點(diǎn)n優(yōu)點(diǎn)：n1實(shí)現(xiàn)了阻抗變換n2繞制簡(jiǎn)單，使用方便n缺點(diǎn)：n回路與負(fù)載有直流回路3、電容抽頭連接n接入系數(shù)P:n對(duì)于圖b): P=n對(duì)于圖b):n對(duì)于圖c)：02RpR 211CCCLLRpR21這種方法的優(yōu)缺點(diǎn)n優(yōu)點(diǎn)：n1實(shí)現(xiàn)了阻抗變換n2避免了繞制變壓器和線圈抽頭的麻煩，調(diào)整方便n3可起到隔直流作用n缺點(diǎn)：多接入了一個(gè)電容元件另一個(gè)重要結(jié)論

13、n負(fù)載電阻和信號(hào)源內(nèi)阻小時(shí)，應(yīng)采用：串聯(lián)諧振方式n負(fù)載電阻和信號(hào)源內(nèi)阻大時(shí)，應(yīng)采用：并聯(lián)諧振方式n負(fù)載電阻和信號(hào)源內(nèi)阻不大不小時(shí)，應(yīng)采用：抽頭接入方式4、電源的折合n電壓源：由定義式：n電流源：由等效變換前后功率不變TUUp TpUU UpUT1pIIT5、負(fù)載電容的折合n由電路可知：LLRpR21LLCpC2二、耦合振蕩回路n1、概述n單振蕩回路：頻率選擇、阻抗變換n1耦合回路的主要功用n頻率特性更好、阻抗變換更方便、可以隔直流n2耦合系數(shù)k:n定義：在耦合回路中，耦合電路元件電抗絕對(duì)值與初級(jí)、次級(jí)回路中同性質(zhì)的電抗值的幾何平均值之比值。n定義式：221112XXXk 耦合系數(shù)n互感耦合回路

14、：n電容耦合回路：21LLMk)(21CCCCCkCCC2、耦合回路的頻率特性n引入兩個(gè)參數(shù)：n1、廣義失諧量=2Q/n2、耦合因子=kQn轉(zhuǎn)移阻抗：jCQjZ2122021jLjQZ2122021諧振曲線n歸一化轉(zhuǎn)移阻抗相對(duì)抑制比）：n可見(jiàn)：n1、兩回路的耦合程度要影響曲線的高度和形狀n2、曲線對(duì)稱于=0的坐標(biāo)軸2222max21214)1(2ZZ討論：n1、當(dāng)=kQ=1時(shí)，臨界耦合n歸一化轉(zhuǎn)移阻抗：n2、當(dāng)=kQ1時(shí)，弱耦合n3、當(dāng)=kQ1時(shí)，強(qiáng)耦合4max21214111ZZ與單諧振回路的諧振曲線比較n1、雙調(diào)諧回路的諧振曲線頂部平緩，帶寬要寬n2、在頻帶之外，曲線下降也更陡峭通頻帶與矩

15、形系數(shù)n通頻帶：n令n矩形系數(shù)：為表示曲線邊沿的陡峭程度，通常用曲線接近理想矩形的程度來(lái)度量。n理想矩形：n雙回路臨界耦合：n單回路：QffBZZ07 .0max212122217.01.01.0BBKr11 . 0rK15.31.0rK1096.91.0rK1.3 濾波器n1.3.1 LC集中選頻濾波器n1.3.2 石英晶體諧振器n1、物理特性：n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(huà)出三種幾何對(duì)稱軸，連接兩個(gè)角錐頂點(diǎn)的一根軸 ZZ

16、 ，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。 n制作過(guò)程正反壓電效應(yīng)n定義：當(dāng)晶體受外力作用而變形時(shí)，就在它對(duì)應(yīng)的表面上產(chǎn)生正負(fù)電荷，呈現(xiàn)出電壓，稱為正壓電效應(yīng)；反之，當(dāng)在晶體兩面加電壓時(shí)，晶體又會(huì)發(fā)生機(jī)械形變，稱為反壓電效應(yīng)。固有諧振頻率:n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。因?yàn)槭⒕w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。

17、諧振頻率等于晶體機(jī)械振動(dòng)的固有頻率。諧振頻率的高低取決于晶體切割成形的幾何尺寸。石英晶體的基頻頻率最高可達(dá) 25MHz ，頻率再高就工作在泛音頻率即工作在機(jī)械振動(dòng)諧波上）。 n諧振現(xiàn)象：晶片的機(jī)械振動(dòng)、電諧振n實(shí)質(zhì)：電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換2、石英晶體振諧器的等效電路和符號(hào) ：n石英片相當(dāng)一個(gè)串并聯(lián)諧振電路，可用集中參數(shù) L q 、 C q 、 r q 來(lái)模擬， L q 為晶體的質(zhì)量慣性）， C q 為 等效彈性模數(shù)， r q 為機(jī)械振動(dòng)中的摩擦損耗。這種模擬在晶體諧振點(diǎn)附近比較適合。上圖 表示石英諧振器的基頻等效電路。圖中右邊支路的電容 C 0 稱為石英諧振器的靜電容。是以石英為介質(zhì)在兩極板間所形

18、成的電容，其容量主要決定于石英片尺寸和電極面積。 一般 C 0 在 幾 PF 幾十 PF 。 石英晶體的特點(diǎn)是 ：n等效電感 L q 特別大、等效電容 C q 特別小，因而，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。 n 由于 ，這意味著上圖 所示等效電路圖 中的接入系數(shù) 很小，因此外電路影響很小。等效電路的阻抗：n上式忽略 r q 后可簡(jiǎn)化為 石英諧振器的電抗曲線 n必須指出，在 w q 與 w p 的角頻率之間，諧振器所呈現(xiàn)的等效電感 并不等于石英晶體片本身的等效電感 L q 。石英晶體濾波器工作時(shí)，石英晶體兩個(gè)諧振頻率之間感性區(qū)的寬度決定了濾波器的通帶

19、寬度。n為了擴(kuò)大感性區(qū)加寬濾波器的通帶寬度，通?？纱?lián)一電感或并聯(lián)一電感來(lái)實(shí)現(xiàn)。 1.3.2 石英晶體諧振器n3、晶體諧振器的應(yīng)用n晶體振蕩器：n高頻窄帶濾波器：1.3.3陶瓷濾波器n資料：壓電陶瓷n等效電路：類似于晶體諧振器，但Q值小得多。n通頻帶與選擇性：通頻帶比晶體濾波器稍寬n 選擇性比晶體濾波器稍差n電路符號(hào)與等效電路：與晶體諧振器相同n 兩端陶瓷濾波器外形及符號(hào)：n價(jià)格： 廉價(jià)n應(yīng)用：接收機(jī)和其它儀器中三端陶瓷濾波器1.3.4 聲表面波濾波器nSAW: Surface Acoustic WavenSAW的特點(diǎn)：能量密度高n 傳播速度快n聲表面濾波器的優(yōu)點(diǎn)：n體積小、重量輕、中心頻率高

20、、相對(duì)帶寬較寬、理想的矩形選頻特性1、結(jié)構(gòu)特征：用叉指形電極作換能器聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖如上圖所示。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(guò)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。左端叉指電極為發(fā)端換能器，右端叉指電極為收端換能器。2、工作原理：n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)。由于逆壓電效應(yīng)的作用，基體材料將生產(chǎn)彈性變形，從而產(chǎn)生聲波振動(dòng)。向基片內(nèi)部傳送的體波會(huì)很快衰減，而表面波則向垂直于電極的左、右兩個(gè)方向傳播。向左傳送的聲表面波被涂于基片左端的吸聲材料所吸收，向右傳送的聲表面波由接收換能器接收，由于正壓電效應(yīng)，在叉指

21、對(duì)間產(chǎn)生電信號(hào)，并由此端輸出。 n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。n嚴(yán)格地說(shuō)，傳輸?shù)穆暡ㄓ斜砻娌ê腕w波，但n主要是聲面波。2、工作原理n當(dāng)輸入信號(hào)的頻率等于換能器的頻率f0時(shí)，各節(jié)所激發(fā)的表面波同相疊加，振幅最大，可寫(xiě)成As2NA02N1N01N2Nff0ooAnA非均勻叉指換能器RsUsRL發(fā)端換能器收端換能器聲表面波濾波器n3. 特點(diǎn) ： n 工作頻率高，中心頻率在 10MHz1GHz 之間，且頻帶寬 ，相對(duì)帶寬為 0.5%50% 。

22、 n 尺寸小，重量輕。動(dòng)態(tài)范圍大，可達(dá) 100dB 。 n 由于利用晶體表面的彈性波傳送，不涉及電子的遷移過(guò)程，所以抗輻射能力強(qiáng)。 n 溫度穩(wěn)定性好。 n 選擇性好，矩形系數(shù)可達(dá) 1.2 。 n4、主要應(yīng)用：n通信接收機(jī)、電視機(jī)、其他無(wú)線電設(shè)備聲表面波濾波器應(yīng)用實(shí)例n V1是預(yù)中放部分，起前置放大作用；n Z1為SAWF起集中選頻作用；n TA7680AP為彩電圖像中頻放大器IC。本章小結(jié)n本章討論的內(nèi)容是學(xué)習(xí)通信電子線路的重要基礎(chǔ)。 n1. 各種形式的選頻網(wǎng)絡(luò)在通信電子線路中得到廣泛的應(yīng)用。它能選出我們需要的頻率分量和濾除不需要的頻率分量，因此掌握各種選頻網(wǎng)絡(luò)的特性及分析方法是很重要的。 n2. 選頻網(wǎng)絡(luò)可分為兩大類。第一類是由電感和電容元件組成的諧振回路，它又分為單振蕩回路和耦合振蕩回路，第二類是各種濾波器，主要有 LC 集中濾波器、石英晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器等。 n3. 串聯(lián)諧振回路是指電感、電容、信號(hào)源三者串聯(lián)；并