高频第2章高频电路基础3滤波器与阻抗变换.ppt

2.2.3 石英晶体谐振器石英晶体谐振器2.2.4 集中滤波器集中滤波器2.2.5 高频衰减器与匹配器高频衰减器与匹配器第二章第二章 高频电路基础高频电路基础2.2.3 2.2.3 石英晶体谐振器（石英振子）石英晶体谐振器（石英振子）1 1。石英晶体的物理特性：石英晶体的物理特性：石英是矿物质硅石的一种（也可人工制造），石英是矿物质硅石的一种（也可人工制造），化学成分是化学成分是SiOSiO2 2，其形状为结晶的，其形状为结晶的六角锥体六角锥体。图。图(a)(a)表示自然结晶体，图表示自然结晶体，图(b)(b)表示晶体的横截面。表示晶体的横截面。为了便为了便于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶于研究，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，体内画出三种几何对称轴，连接两个角锥顶点的一根连接两个角锥顶点的一根轴轴ZZ，称为，称为光轴光轴，在图，在图(b)中沿对角线的三条中沿对角线的三条XX轴，轴，称为称为电轴电轴，与电轴相垂直，与电轴相垂直的三条的三条YY轴，称为轴，称为机械轴机械轴。n 石英晶体具有正、反两种压电效应。当石英晶石英晶体具有正、反两种压电效应。当石英晶体沿体沿某一电轴某一电轴受到交变电场作用时，就能受到交变电场作用时，就能沿机械轴沿机械轴产生机械振动，反过来，当机械轴受力时，就能在产生机械振动，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。谐振频率，换能效率最高。n 石英晶体和其他弹性体一样，具有惯性和弹性，石英晶体和其他弹性体一样，具有惯性和弹性，因而存在着因而存在着固有振动频率固有振动频率，当晶体片的固有频率与，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。外加电源频率相等时，晶体片就产生谐振。n 沿着不同的轴切下，有不同的切型，沿着不同的轴切下，有不同的切型，X切型、切型、Y切型、切型、AT切型、切型、BT、CT等等。等等。2.等效电路、符号及阻抗特性等效电路、符号及阻抗特性 石英片相当一个石英片相当一个串联谐振电路串联谐振电路，可用，可用集中参数集中参数L Lq q、C Cq q、r rq q来模拟，来模拟，L Lq q为晶体的为晶体的质量（惯性），质量（惯性），C Cq q 为为等效弹性模数等效弹性模数，r rg g 为机械振动中的为机械振动中的摩擦损耗摩擦损耗。右图表示石英谐振器的右图表示石英谐振器的基频等效电路基频等效电路。电容电容C C0 0称为石英谐振器的静电容。其称为石英谐振器的静电容。其容量主要决定于石英片尺寸和电极面积。容量主要决定于石英片尺寸和电极面积。一般一般C C0 0在几在几PF PF 几十几十PFPF。式中。式中 石英石英介电常数，介电常数，s s 极板面积，极板面积，d d 石英片厚石英片厚度度.接入系数为接入系数为dsC00q0qqCCCCCP C0 rq Cq Lq JT b a rqLqCqCoab石英晶体的特点是：石英晶体的特点是：等效电感等效电感L Lq q特别大、等效电容特别大、等效电容C Cq q特别小，因此，石英晶特别小，因此，石英晶体的体的Q值值 很大，一般为几万到几百万。这是很大，一般为几万到几百万。这是普通普通LCLC电路无法比拟的。电路无法比拟的。由于由于 ，这意味着等效电路中的，这意味着等效电路中的接入系数很小接入系数很小,因此因此外电路对它影响很小外电路对它影响很小。晶体的内部参数受外界因素（温度、振动）的影响很晶体的内部参数受外界因素（温度、振动）的影响很小，谐振频率很稳定。小，谐振频率很稳定。qqqq1CLrQq0CC 石英晶体有两个谐振角频率。一个是左边支路的石英晶体有两个谐振角频率。一个是左边支路的串联谐振串联谐振角频率角频率 q，即石英片本身的，即石英片本身的自然角频率自然角频率。另一个为石英谐振器。另一个为石英谐振器的的并联谐振角频率并联谐振角频率 0。串联谐振频率串联谐振频率 并联谐振频率并联谐振频率 qqq1CLCLCCCCLqq0q0q011很接近因此,由于q00qq0与CC显然显然 接入系数接入系数p很小，一般为很小，一般为10-3数量级，所以数量级，所以 0与与 q很接近。很接近。PCCCLqq111q0q0n 阻抗特性（石英谐振器的等效电抗）阻抗特性（石英谐振器的等效电抗）0qqqqqq0212101)1()1(1CjCLjrCLjrCjzzzzz上式忽略上式忽略 r rq q 后可简化为后可简化为 （1 1）当）当 =q时时z0=0 Lq、Cq串谐谐振，当串谐谐振，当 =p，z0=回路回路并谐谐振并谐谐振。（2 2）当）当 为为容性容性。（3 3）当）当 时时,z,z0 0=jx0 为为感性感性。其电抗曲线如上图所示。其电抗曲线如上图所示。2022q20001Cjjxz00q0,时jxz或q01/11222202pqeCL 石英晶体滤波器工作时，石英晶体滤波器工作时，石英晶体两个谐振频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率之间感性区的宽度决定了滤波器的通带宽度。必须指出，在必须指出，在 q q与与 p p的角频率之间，谐振器所的角频率之间，谐振器所呈现的等效电感呈现的等效电感 （数值非常大），（数值非常大），并不等于石英并不等于石英晶体片本身的等效电感晶体片本身的等效电感Lq。等效电感为等效电感为 为了展宽通带宽度，通为了展宽通带宽度，通常的办法是常的办法是用电感与石英用电感与石英谐振器相串联或并联谐振器相串联或并联。把滤波器做成一个整体器件，构成集中滤波器把滤波器做成一个整体器件，构成集中滤波器1.1.陶瓷滤波器陶瓷滤波器 利用某些陶瓷材料的压电效应构成的滤波器，称为陶利用某些陶瓷材料的压电效应构成的滤波器，称为陶瓷滤波器。它常用锆钛酸铅瓷滤波器。它常用锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3压电陶瓷材料（简压电陶瓷材料（简称称PZT）制成。）制成。这种陶瓷片的两面用银作为电极，经过直流高压极化之这种陶瓷片的两面用银作为电极，经过直流高压极化之后具有和石英晶体相类似的压电效应。后具有和石英晶体相类似的压电效应。优点：容易焙烧，可制成各种形状；适于小型化；且耐优点：容易焙烧，可制成各种形状；适于小型化；且耐热耐湿性好。热耐湿性好。它的等效品质因数它的等效品质因数QL为几百，比石英晶体低但比为几百，比石英晶体低但比LC滤滤波器高波器高.2.2.4 2.2.4 集中滤波器集中滤波器(LC(LC式、晶体、陶瓷、声表滤波器式、晶体、陶瓷、声表滤波器)l 符号及等效电路符号及等效电路图中图中C0 等效为压电陶瓷谐振子的固定等效为压电陶瓷谐振子的固定电容；电容；Lq 为机械振动的等效质量；为机械振动的等效质量；Cq 为机械振动的等效弹性模数；为机械振动的等效弹性模数；Rq 为机械振动的等效阻尼；其为机械振动的等效阻尼；其等效电路等效电路与晶体相同与晶体相同。qqq1CLCLCCCCLq0q0qqp11并联谐振频率并联谐振频率 式中，式中，C 为为C0和和C8 串联后的电容。串联后的电容。其串联谐振频率其串联谐振频率CoRqCqLq2Ll 陶瓷滤波器电路陶瓷滤波器电路 四端网络陶瓷滤波器（由双电极或三电极陶瓷滤四端网络陶瓷滤波器（由双电极或三电极陶瓷滤波器构成）：波器构成）：如将陶瓷滤波器连成如图所示的形式，即为如将陶瓷滤波器连成如图所示的形式，即为四四端（二端口网络）端（二端口网络）陶瓷滤波器。图陶瓷滤波器。图(a)(a)为由二个谐为由二个谐振子组成的滤波器，图振子组成的滤波器，图(b)(b)为由五个谐振子组成四为由五个谐振子组成四端滤波器。端滤波器。谐振子数目愈多，滤波器的性能愈好谐振子数目愈多，滤波器的性能愈好。图（图（C C）为四端陶瓷滤波器（三电极陶瓷滤波器）为四端陶瓷滤波器（三电极陶瓷滤波器）2L2 2L1(a)(b)2L2 2L1(a)图（图（a）选中心频率为串）选中心频率为串臂的串联谐振和并臂的并臂的串联谐振和并臂的并联谐振频率，串臂的并联联谐振频率，串臂的并联谐振和并臂的串联谐振分谐振和并臂的串联谐振分别为上下截止频率别为上下截止频率.声表面波滤波器声表面波滤波器SAWF（Surface Acoustic Wave Filter）是一种以）是一种以铌酸锂铌酸锂、石英石英或或锆钛酸铅锆钛酸铅等压电材等压电材料为衬底（基体）的一种电声换能元件。料为衬底（基体）的一种电声换能元件。u 结构与原理：结构与原理：声表面波滤器是在经过研磨抛光的极薄的压电材声表面波滤器是在经过研磨抛光的极薄的压电材料基片上，用蒸发、光刻、腐蚀等工艺制成两组叉料基片上，用蒸发、光刻、腐蚀等工艺制成两组叉指状电极，其中与信号源连接的一组称为发送叉指指状电极，其中与信号源连接的一组称为发送叉指换能器，与负载连接的一组称为接收叉指换能器。换能器，与负载连接的一组称为接收叉指换能器。当把输入电信号加到发送换能器上时，叉指间便会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。产生交变电场。2.2.声表面波滤波器（声表面波滤波器（SAWFSAWF）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、指条宽度宽度a、指条间隔、指条间隔b、指条有效长度、指条有效长度B和周期长度和周期长度M等。上图是声表面波滤等。上图是声表面波滤波器的基本结构图。严格地说，传输的声波有表面波和体波，但主要是声波器的基本结构图。严格地说，传输的声波有表面波和体波，但主要是声面波。在压电衬底的另一端可用第二个叉指形换能器将声波转换成电信号。面波。在压电衬底的另一端可用第二个叉指形换能器将声波转换成电信号。换能器的指宽换能器的指宽a，指与指之间间距，指与指之间间距b决定声波波长决定声波波长.相邻两极相邻两极的电场相位差为的电场相位差为180，当不同极指相邻指极的间距为声波长的，当不同极指相邻指极的间距为声波长的一半时，声波经传输延时的相位差刚好是一半时，声波经传输延时的相位差刚好是180度，便形成同向度，便形成同向叠加。偏离此波长的其他频率，便会相互抵消，因此可以实叠加。偏离此波长的其他频率，便会相互抵消，因此可以实现滤波作用。现滤波作用。声表面波滤波器的符号如图声表面波滤波器的符号如图(a)所示，图所示，图(b)为它的等效电路为它的等效电路.其左边为发送换能器，其左边为发送换能器，is和和Gs表示信号源。表示信号源。G中消耗的功率中消耗的功率相当于转换为声能的功率。右边为接收换能器，相当于转换为声能的功率。右边为接收换能器，GL为负载电为负载电导，导，GL中消耗的功率相当于再转换为电能的功率。中消耗的功率相当于再转换为电能的功率。声表面滤波器的符号与等效电路声表面滤波器的符号与等效电路u 符号及等效电路符号及等效电路 入 出(a)G C Gs Is GL G C(b)工作频率高，中心频率在工作频率高，中心频率在10MHz1GHz之间，且频带宽，之间，且频带宽，相对带宽为相对带宽为0.5%25%。尺寸小，重量轻。动态范围大，可达尺寸小，重量轻。动态范围大，可达100dB。由于利用晶体表面的弹性波传送，不涉及电子的迁移过程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。所以抗辐射能力强。温度稳定性好。温度稳定性好。选择性好，矩形系数可达选择性好，矩形系数可达1.2。在电视机的中频通道电路中作为中频通道滤波器使用，实在电视机的中频通道电路中作为中频通道滤波器使用，实现集中滤波功能，免调试。现集中滤波功能，免调试。u 声表滤波器的主要特点：声表滤波器的主要特点：3.薄膜体声（薄膜体声（FBAR薄膜体声波谐振器薄膜体声波谐振器）滤波器）滤波器 这是一种体积更小、损耗更低、这是一种体积更小、损耗更低、Q值更高、使用频率更高