1、第二章 选频网络,主要内容：1、熟练掌握串/并联谐振回路原理及其相关曲线2、掌握串、并联阻抗的等效互换与回路抽头式的阻抗变换。3、了解滤波器的选频作用及其分类 重点难点：串/并联谐振回路原理及等效互换,第二章 选频网络,2.1 高频电路中的元器件特性 2.2 串联谐振回路 2.3 并联谐振回路 2.4 耦合回路 2.5 滤波器,高频电子线路中常用的选频网络有：,选频网络,振荡电路（由L、C组成）,各种滤波器,LC集中滤波器,石英晶体滤波器,陶瓷滤波器,声表面波滤波器,所谓选频（滤波），就是选出需要的频率分量和滤除不需要的频率分量。,功能：选频、阻抗变换,2.1 高频电路中的元器件特性,各种高频
2、电路基本上是由有源器件、无源元件和无源网络组成的。高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的元器件基本相同，但是注意它们在高频使用时的高频特性。高频电路中完成信 号的放大，非线性变换等功能的有源器件主要是二极管，晶体管和集成电路。,常用的无源元件有电阻、电感和电容，它们是线性双通的、不随时间变化的、具有集总参量的。 线性指元件参量与流经它的电流或加于其上的电压的数值无关 双通指元件参量与电流方向和电压极性无关 集总参量指不随空间位置而变的参量。,2.1 高频电路中的元器件特性,无源元件上的电流和电压的关系称为元件的伏安特性。 在理想情况下，电阻是一个耗能元件电容是储存电能的元件电感是储存磁能的
3、元件 线路中磁能和电能是不能突然改变的，即电感线圈中的电流和电容器中的电荷都不能骤然增加。,2.1 高频电路中的元器件特性,在线路中引用的无源元件（R、L和C）都是理想元件。实际元件应用由不同的等效电路来表示；针对不同的运用情况，应采用最确切的等效电路。下面介绍电阻、电感、电容的高频特性,2.1 高频电路中的元器件特性,一个实际的电阻器，在低频时主要表现为电阻特性，但在高频使用时不仅表现有电阻特性的一面，而且还表现有电抗特性的一面。电阻器的电抗特性反映的就是高频特性。,一个电阻R的高频等效电路如图所示，其中CR为分布电容，LR为引线电感，R为电阻。,电阻的高频等效电路,1.电阻器,电感线圈在高
4、频频段除表现出电感L的特性外，还具有一定的损耗电阻r和分布电容。在分析一般长、中、短波频段电路时，通常忽略分布电容的影响。因而，电感线圈的等效电路可以表示为电感L和电阻r串联，如图所示。,电感线圈的串联等效电路,2. 电感线圈的高频特性,集肤效应,电阻r随频率增高而增加，这主要是集肤效应的影响。所谓集肤效应是指随着工作频率的增高，流过导线的交流电流向导线表面集中这一现象，当频率很高时，导线中心部位几乎完全没有电流流过，这相当于把导线的横截面积减小为导线的圆环面积，导电的有效面积较直流时大为减小，电阻r增大。工作频率越高，圆环的面积越小，导线电阻就越大。,设流过电感线圈的电流为I，则电感L上的无
5、功功率为I2L，而线圈的损耗功率，即电阻r的消耗功率为I2r，故由式（2.1.1）得到电感的品质因数,( 2.1.1 ),( 2.1.2 ),Q值是一个比值，它是感抗L与损耗电阻r之比，Q值越高损耗越小，一般情况下, 线圈的Q值通常在几十到一二百左右。,在无线电技术中通常不是直接用等效电阻r，而是引入线圈的品质因数这一参数来表示线圈的损耗性能。 品质因数定义为无功功率与有功功率之比 :,Q 值越高，表明该电感器的储能作用越强，损耗越小。,在电路分析中，为了计算方便，有时需要把电感与电阻串联形式的线圈等效电路转换为电感与电阻的并联形式。 下图中的LP、R表示并联形式的参数。,( 2.1.3 ),
6、电感线圈串、并联等效电路,根据等效电路的原理，在左图中1-2两端的导纳应等于右图中1-2两端的导纳，即,由上式，并用式(2.1.2)就可以得到,( 2.1.4 ),由上述结果表明，一个高Q电感线圈，其等效电路可以表示为串联形式,也可以表示为并联形式。在两种形式中，电感值近似不变，串联电阻与并联电阻的乘积等于感抗的平方。,当Q 1时，则,由式(2.1.4)看出，r越小R就越大，即损耗小，反之，则损耗大。 一般地，r为几欧的量级，变换成R则为几十到几百千欧。Q 也可以用并联形式的参数表示。 由式(2.1.4)有上式代入(2.1.2)得上式表明，若以并联形式表示Q时，则为并联电阻与感抗之比。,( 2
7、.1.4 ),一个实际的电容器除表现电容特性外，也具有损耗电阻和分布电感。 在分析一般米波以下频段的谐振回路时，常常只考虑电容和损耗。 电容器的等效电路也有两种形式，如图所示。,电容器的串、并联等效电路,r,C,R,3. 电容器的高频特征,为了说明电容器损耗的大小，引入电容器的品质因数Q，它等于容抗与串联电阻之比,( 2.1.5 ),( 2.1.6 ),电容器损耗电阻的大小主要由介质材料决定。 Q值可达几千到几万的数量级，与电感线圈相比, 电容器的损耗常常忽略不计。,若以并联等效电路表示，则为并联电阻与容抗之比。,同理，可以推导出上图串、并联电路的变换式:,当Q 1时，它们近似式为,上面分析表
8、明，一个实际的电容器，其等效电路可以表示为串联形式，也可以表示为并联形式。 两种形式中电容值近似不变，串联电阻和并联电阻的乘积等于容抗的平方。,2.1 高频电路中的元器件,二、高频电路中的有源器件,主要是：,二极管,晶体管,集成电路,完成信号的放大、非线性变换等功能。,1、晶体二极管,主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中，工作在低电平。,变容二极管,点接触式二极管、表面势垒二极管(又称肖特基二极管)。,2.1 高频电路中的元器件,高频中常用二极管：,特点：它们的极间电容小、工作频率高。,特点：电容随偏置电压变化。,高频电路中的有源器件,晶体三极管与场效应管（FET),高频功率放大管
9、要求除了增益外，要有较大的输出功率。,高频晶体管有两大类型:,小信号放大的高频小功率管要求：增益高和噪声低;,小信号的场效应管也能工作在同样高的频率，且噪声更低。,目前双极型小信号放大管，工作频率可达几千兆赫兹，噪声系数为几分贝。,集成电路（IC),（1）目前通用型的宽带集成放大器，工作频率可达一二百兆赫兹，增益可达五六十分贝， 甚至更高。 用于高频的晶体管模拟相乘器，工作频率也可达一百兆赫兹以上。,用于高频的集成电路的类型和品种要比用于低频的集成电路少得多，主要分为用通型和专用型两种。,（2）专用集成电路(ASIC): 集成锁相环、集成调频信号解调器、单片集成接收机以及电视机中的专用集成电路
10、等。,高频电路中的有源器件,高频电路中的基本电路,信号的传输、频率选择及阻抗变换等功能。,高频电路中的基本电路主要有：,高频振荡(谐振)回路,高频变压器,谐振器与各种滤波器,完成功能：,1、基本原理 2、谐振特性 3、谐振曲线及其通频带 4、相位特性曲线 5、能量关系以及内阻和负载的影响,2.2 串联谐振回路,由电感线圈和电容器组成的单个振荡电路，称为单振荡回路。,信号源与电容和电感串接，就构成串联振荡回路。,高频电子线路中的电感线圈等效为电感L和损耗电阻R的串联；电容器等效为电容C和损耗电阻R 的并联。,通常，相对于电感线圈的损耗，电容的损耗很小，可以忽略不计。 损耗的本质？,损耗电阻,电子
11、元器件的阻碍性。,容性,感性,阻抗,1、谐振现象,jL,1/(jC),一、基本原理,如何区分容性和感性？,串联单振荡回路的谐振特性：其阻抗在某一特定频率上具有最小值（谐振状态），而偏离此频率时将迅速增大。,阻抗,谐振频率,谐振条件:,即信号频率,或,阻抗,谐振频率,1. 谐振时，回路阻抗值最小，即Z=R；,选频特性曲线,，具有带通选频特性。,当信号源为电压源时，回路电流最大，,二、谐振特性,1) 0时，,X 0呈容性；,2) = 0时，,X =0呈纯阻性；,3) 0时，,X 0呈感性。,2. 阻抗性质随频率变化的规律：,阻抗,实际上，谐振时,又因为,所以,考虑到，谐振时,3.串联谐振时，电感和
12、电容两端的电压模值大小相等，且等于外加电压的Q倍；,由于Q值较高,常在几十到几百左右,必须预先注意回路元件的耐压问题。（储能的标志）,回路的品质因数,电压谐振=串联谐振,Q被称为回路的品质因数，它是振荡回路的另一个重要参数。 画出相应的曲线如图所示，称为谐振曲线。,Q1Q2,由图可知回路的品质因数越高，谐振曲线越尖锐，回路选择性越好。,谐振特性总结,2. 阻抗性质随频率变化的规律：,3.串联谐振时，电感和电容两端的电压模值大小相等，且等于 外加电压的Q倍。,回路中电流幅值与外加电压频率之间的关系曲线称为谐振曲线。,因此，表示谐振曲线的函数为（归一化）,三、 串联谐振回路的谐振曲线和通频带,谐振
13、曲线包括幅频特性曲线和相频特性曲线，分别用N()和()两函数表示。仅对选频特性而言，通常更关心幅频特性N()。针对幅频特性，又分为两个方面：频率选择性和通频带。,见右图，频率偏离0越远，N()下降得越多。,因此，可以用 =0 表示频率偏离谐振的程度，称为失谐量（失调量） 。,1. 频率选择性,对于同样的频率和0，回路的Q值愈大， N()下降的越多。,回路的Q值愈高，谐振曲线愈尖锐，对外加电压的选频作用愈显著，回路的选择性就愈好。,串联振荡回路 的谐振曲线,所以，定义广义失谐量,因此，要衡量电路偏离谐振的程度，必须包含Q和失谐量的综合效果。,当 0，即失谐不大时：,广义失谐量,幅频特性函数N()
14、和曲线分别为,串联振荡回路 通用谐振曲线,2. 通频带,串联振荡回路的 通频带,回路中所损耗的功率为谐振时的一半（功率与电流的平方成正比），所以这两个特定的边界频率又称为半功率点,下面，求解带宽,思考：信号源的内阻将对其选择性如何影响？负载呢？,串联单振荡回路由电感线圈（包括其损耗电阻）和电容器构成，电抗元件电感和电容不消耗外加电动势的能量，消耗能量的只有损耗电阻。,1. 能量关系,五、能量关系及电源内阻与负载电阻的影响,就能量关系而言，所谓“谐振”，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡，而且谐振回路中电流最大
15、。,考虑信号源内阻RS和负载电阻RL后，由于回路总的损耗增大，回路Q值将下降，称其为等效品质因数QL。,为了区别起见，把没有考虑信号源内阻和负载电阻时回路本身的Q值叫做无载Q值(或空载Q值)，用Q0表示；而把考虑信号源内阻和负载电阻时的Q值叫做有载Q值，用QL表示。,由于QL值低于Q0，因此考虑信号源内阻及负载电阻后，串联谐振回路的选择性变坏，通频带加宽。,2. 电源内阻与负载电阻的影响,四、串联振荡回路的相位特性曲线,由于人耳听觉对于相位特性引起的信号失真不敏感，所以早期的无线电通信在传递声音信号时，对于相频特性并不重视。但是，近代无线电技术中，普遍遇到数字信号与图像信号的传输问题，在这种情况下，相位特性失真要严重影响通信质量。,串联振荡回路的 相位特性曲线,串联振荡回路通用 相位特性,由右图可见，Q值愈大，相频特性曲线在谐振频率0附近的变化愈陡峭。但是，线性度变差，或者说，线性范围变窄。,串联振荡回路的 相位特性曲线,
