高频第2章高频电路基础3滤波器与阻抗变换.ppt
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1、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,
2、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
3、。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
4、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
5、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
6、(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。PCCCLqq111q
7、0q0n 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
8、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
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