高頻濾波器與系統匹配電路設計與特性量測.doc

Chapter 5 高頻濾波器與系統匹配電路設計與特性量測 本章除了說明高頻濾波器的設計原理、與匹配電陸的設計與的操作使用說明之外，也將其應用領域範圍作詳細的介紹，有完整說明。本章的內容包括： 本章要點 5-1 目的 5-2 概論 5-3 設備需求 5-4 消耗性材料 5-5 理論基礎 5-6 實習步驟與問題討論 Lowpass Filter 電路與系統匹配電路而後利用轉換公式，由低通濾波器獲得需求的帶通 Band-Pass 濾波器電路，同時量測所設計電路的特性以印證理論的正確性。 5-2概論 任何訊號傳輸系統，由於傳輸媒介的不連續，訊號形式的調變 AM,FM,A/D,D/A等 ，接收電磁波的信號轉換成電壓 、電流與放大器的非線性等特性，均無可避免地產生不必要的訊號 或稱雜訊Noise ，通常此類訊息頻率大都為傳輸訊號的高頻諧波，如不加以去除，將影響傳輸信號的品質，濾波器即是濾掉或降低雜訊強度，提高S/N比的重要電路。因此，本實習首先討論由適當的元件 被動元件與主動元件 ，依據需要的規格設計出低通濾波器，再由低通濾波器經由公式，轉成帶通濾波器。高通濾波器雖亦可由理論取得，而實際上依定義而論高通濾波器是不可能達成的，因此低通與帶通濾波器電路的設計與相關特性的量測是本實習的主要目的。設計濾波器電路時須考慮下列數點因素: l .在帶通內各頻率之信號衰減應為0或趨近於0之值，且各頻率信號衰減不得大於0.8dB 。 2 .帶通外各頻率的信號衰減量必須足夠大到能抑制信號的傳輸。 3 .帶通內之輸出或輸入阻抗須能與兩端組件或線路的阻抗相匹配，而帶通外的阻抗必須為高阻抗。 4 .構成濾波器的元件必須為不容易產生過負荷或飽和者，以避免非線性失真的產生，且其Q值 Ouality Factor 必須很高且溫度係數很小，以避免在使用過程中特性發生變化。另外，由理論得知，欲得到最大功率的輸入與輸出，輸入端與輪出端必須取得阻抗的匹配，阻抗匹配的意思是輸入阻抗等於輸出阻抗的共軛複數。本實習亦將討論阻抗匹配的方法,利用集總電子零件的電感、電容依需求設計L型、型或T型等匹配電路,並互相比較電路的量測特性。欲量測的特性包括電路的截止頻率、頻寬、介入損失、頻帶內的頻率響應曲線等,並討論其意義。 5-3設備需求 1.頻譜分析儀 Advantest R3361A 2.信號波產生器 H3312A 3.示波器 HP 54501A 4.導線，BNC T型接頭等零組件 5.電源供應器 Topward TPS-4000 6.脈波產生器 7.萬用麵包板 8.繪圖機 HP Color Pro 5-4消耗性材料 1.A4影印紙 2.繪圖筆 3.部份電子零件 5.5 理論基礎 5.5.1 濾波器的特性分析與電路設計 通訊傳輸系統中，在寬廣的信號頻譜內，部份的頻率須讓它通過到達接收器,其餘的頻率由於無關系統的要求,甚至影響系統有用信號的接收品質,必須禁止其通過,欲達成此功能,可由濾波器 或稱濾波電路 擔任。依頻譜通過或禁制的高低,濾波器可區分為下列四類: l.低通濾波器 Low-PassFilter 此電路顧名思義,即知信號低於某一臨界頻率的成份幾乎無衰減地通過,此臨界頻率稱為截止頻率 Cutoff Frequency ，是信號振幅下降到最高值的0.707 或-3dB 的頻率,高於截止頻率的分量,輸出準位迅速地衰滅至零,圖5.1 a 顯示低通濾波器的響應曲線。2.高通濾波器 High-PassFilter 此項濾波器的功能恰與低通濾波器者相反,低於截止頻率的信號分量迅速地被衰減,而高於截止頻率者幾乎無衰減地通過,5.1 b 即為其典型的頻率響應曲線。3.帶通濾波器 Band-PassFilter  此型濾波器僅讓某範圍的波道頻率通過，高若低於預訂的波道頻帶的信號均能迅速地衰減,如圖5.1 c 所示的頻率響應曲線 。 4.帶斥濾波器 Band-RejectionFilter  此型濾波器叉稱為Band-Stop濾波器,其功能與帶通濾波器恰相反，除了某設定藉圉內的信號成份迅速被衰減外，其餘的頻帶信號幾乎無衰減地通過,如圖5.1 d 所示的頻率響應曲線。 圖5,1 瀘波器的分類 a 低通濾波器 b 高通濾波器 c 帶通濾波器 d 帶斥濾波器 由於電子零組件時聞響應的限制,高通濾波器與帶斥濾波器為無達成的濾波電路,因此本實習將僅限牙卜討論如何利用被動元件、C設計低通與帶通濾波器及其特性的量測。 由電子元件的基本特性得知,欲衰減信號的高頻分量,可採用串聯的電感器 L 或並聯的電容器 C ;欲衰減信號的低頻分量,可採串聯的C或並聯的L,欲衰滅某範圍頻帶的信號,可採用並聯的LC路使其諧振於此頻帶,以阻遏此信號頻率的通過,相反地如欲通過某段狹窄的信號頻率,採用LC串聯電路