高频电子线路-第1章ppt课件.ppt

高频电子线路清华大学出版社2012.6v本课程主要分析高频电波信号的产生、放大和接收的电路，因此称为“高频电子线路”。v广义的“高频”指的是射频(Radio Frequency，RF)，它是指适合无线电发射和传播的频率，其频率范围非常宽。v只要电路尺寸比工作波长小得多，可用集总参数来分析实现。v当电路尺寸大于工作波长或相当时，应采用分布参数的方法来分析实现。v本课程的第17章讨论可用集中参数描述的高频电路，而分布参数分析法在第8章介绍。本课程学习哪些内容？本课程学习哪些内容？v第1章 系统基础知识v第2章 小信号选频放大电路v第3章 高频功率放大电路v第4章 正弦波振荡电路v第5章 振幅调制、解调与混频电路v第6章 角度调制与解调电路v第7章 反馈控制电路v第8章 高频电路的分布参数分析v第9章 高频电路的集成与EDA技术简介v无线电报的发明开始了无线电通信的时代，并逐步涉及陆地、海洋、航空、航天等固定和移动无线通信领域，从1920年的无线电广播、1930年的电视传输，直到1980年的移动电话和1990年的全球定位系统及当今的移动通信和无线局域网，无线通信市场还在飞速发展，移动通信手机、有线电视调制解调器以及射频标签的电信产品迅速地渗入我们的生活，变成大众不可缺少的工具。v高频电子线路的发展推动了无线通信技术的发展，是当代无线通信的基础，是无线通信设备的重要组成部分。学习本课程有何意义？学习本课程有何意义？第1章 系统基础知识v无线电频段是如何划分的？无线通信为何要用高频电磁波？v高频电子线路有什么特点？v无线通信系统究竟包括哪些电路？它们都有什么功用？v表征高频电路(系统)性能的参数有哪些？1.1 无线通信系统概述v为了便于分析和应用，人们对电磁波按频率或波长进行分段，分别称为频段或波段。各种频率的电磁波都是不可再生的重要资源，国际社会和任何国家都必须对它进行科学规划、严格管理。v无线通信系统电路的基本组成，由工作频率的高低可分为射频级、中频级和基带级三级电路，射频级和中频级属于本书高频电路的研究范畴，它们的基本功能电路应该包括：滤波器、放大器、高频振荡器、混频或变频器、调制与解调器。1.1.1 电磁波频段的划分与应用 极低频（ELF) 军事潜艇通信 甚低频（VLF) 导航、声纳、航空 低频（LF) 航海与航空导航信标、航空导航 中频（MF) 中波广播、航海与航空导航信标 高频（HF) 短波广播、业余无线电甚高频（VHF) 电视与调频广播、无线寻呼、地面移动通信 超高频（UHF) 电视与调频广播、无绳电话、个人无线电 特高频（SHF) 微波链路、卫星通信 极高频（EHF) 雷达、射电天文学 微米波 远程探测、激光通信、光空间通信 红外光 300kHz30MHz3000MHz300GHz3kHz频率电波利用电离层的折射、反射和散电波利用电离层的折射、反射和散射作用进行传播的方式称为天波射作用进行传播的方式称为天波 沿地球表面沿地球表面进行传播的进行传播的电波传播模电波传播模式称为地表式称为地表面波。面波。 在对流层中进行的电波传在对流层中进行的电波传播方式称为空间波播方式称为空间波电磁波在地面上远距离传播的方式电磁波在地面上远距离传播的方式1.1.2 无线通信系统的基本组成音频放大器调制器激励放大功率放大与滤波载波振荡器天线开关高频放大与滤波混频器中频放大与滤波解调器音频放大器话筒本地振荡器扬声器变频器射频级中频级基带级模拟无线通信系统模拟无线通信系统数字无线通信系统数字无线通信系统1.2 高频电路中的元器件与分析模型v无源元件主要是电阻(器)、电容(器)和电感(器)，它们都属于线性元件，在高频电路中通常起滤波、阻抗匹配、旁路、耦合、去耦、移相等作用。v有源器件主要是半导体二极管、三极管和集成电路，它们本质上都属于非线性器件，在高频电路中完成信号的放大、非线性变换等功能。1.2.1 高频无源元件电阻器、电容器和电感器的高频等效模型电阻器、电容器和电感器的高频等效模型1.2.2 高频有源器件半导体二极管伏安特性半导体二极管伏安特性T1ss(e1)(e1)quuUkTiIIbeTbcTccsecs(e1)(e1)uUuUIIII双极型晶体管的大信号双极型晶体管的大信号E-M电路模型电路模型双极型晶体管的线性电路模型双极型晶体管的线性电路模型晶体管高频共发射极混合晶体管高频共发射极混合形等效电路形等效电路当输出端短路后，当输出端短路后，rbe、Cbe和和Cbc三者并联，此时三者并联，此时cecm bebbebebc01j2()UIg rIfrCC特征频率特征频率fT和最大振荡频率和最大振荡频率fmaxmmTbebcbe2 ()2ggfCCC电流增益降至电流增益降至1时的频率时的频率Tmaxbbbe8ffr C功率增益降至功率增益降至1时的频率时的频率TTffff模拟乘法器模拟乘法器zxy( )( )( )u tK u tu t模拟乘法器是一种理想的线性频谱搬移电路模拟乘法器是一种理想的线性频谱搬移电路1.3 系统性能指标v增益、噪声、非线性、灵敏度和动态范围是描述高频电路最常用的指标v接收机所能接收的最低信号电平直接受到其固有噪声的限制，而它能接收的最高电平又受到非线性失真的限制1.3.1 增益电压增益：电压增益：无载电压增益无载电压增益o0iuUAU(有载有载)电压增益电压增益oLLL0ioLioLuuUURRAAURRURR当当 时电压增益接近最大值时电压增益接近最大值在高频时，电路阻抗比直流或低频的值小，常用功率增益来量度系统的在高频时，电路阻抗比直流或低频的值小，常用功率增益来量度系统的放大能力放大能力LoRR0uuAA定义几种类型的功率定义几种类型的功率22iiis2isiURPURRR系统吸收系统吸收(输入输入)的功率的功率2ssas4UPR源的额定输出功率源的额定输出功率2222L0LLLoi22LoLoLuR AURPUURRRRR222222o0i0ioasooosi444uuUA UARPURRRRR负载消耗的功率负载消耗的功率系统的额定输出功率系统的额定输出功率基于上面四种类型的功率，可以定义下面四种功率增益基于上面四种类型的功率，可以定义下面四种功率增益四种功率增益四种功率增益22LsLit02sasiLo4uR RPRGAPRRRR22LLiip02iLLouuPR RRGAAPRRR22oasia0sasiouPRRGAPRRR22iim0oo4uuRRGAARR转化功率增益转化功率增益(传递传递)功率增益功率增益额定额定(资用资用)功率增益功率增益最大功率增益最大功率增益Gp是人们常用的功率增益，也称为工作功率增益，它表示系统实际输出功是人们常用的功率增益，也称为工作功率增益，它表示系统实际输出功率与输入功率之比率与输入功率之比分析和计算噪声问题时，用额定功率和额定功率增益分析和计算噪声问题时，用额定功率和额定功率增益用对数形式用对数形式dB(分贝分贝)值来表示比值值来表示比值功率增益的功率增益的dB值定义值定义ppLi(dB)101g101g101gGGPP电压增益的电压增益的dB值定义值定义Li(dB)20lg20lg20lguuAAUUdBm(分贝毫瓦分贝毫瓦)定义：定义：P(dBm)= 10lgP(mW)/1mWdBW(分贝瓦分贝瓦)定义：定义：P(dBW)= 10lgP(W)/1WdBmV(分贝微伏分贝微伏)定义：定义：U(dBmV)= 20lgU(mV) /1mVdBV(分贝伏分贝伏)定义：定义：U(dBV)= 20lg U(V) /1VpLiLi(dB)(dBm)(dBm)(dB)(dB V)(dB V)uGPPAUU注意：注意：两个两个dBm(dBmV)相减，结果为相减，结果为dB。dBm(dBmV)与与dB之间可以加、之间可以加、减，结果仍为减，结果仍为dBm(dBmV)在在50系统中，功率与电压单位对应关系系统中，功率与电压单位对应关系P1W10mW1mW0.1mW1011mW0dBW,30dBm10dBm0dBm10dBm110dBmUm 10V1.0V 0.316V0.1V1mV 20dBV0dBV,120dBmV-10dBV,110dBmV100dBmV0dBmV1.3.2 噪声和噪声系数1噪声来源：噪声来源：电阻热噪声和半导体管噪声电阻热噪声和半导体管噪声电阻热噪声等效电路电阻热噪声等效电路4( )( )4IVkTSfSfkTRR22nn( )( )IVISfBWUSfBW电阻电阻R的噪声额定功率的噪声额定功率2nnA4UPkT BWR电阻的噪声额定功率只与电阻的噪声额定功率只与温度及通频带有关，而与本温度及通频带有关，而与本身阻值和负载无关身阻值和负载无关(注意，注意，实际功率是与负载有关的实际功率是与负载有关的)。这一结论可以推广到任何这一结论可以推广到任何无源二端网络。无源二端网络。有源器件和系统的噪声来源比较复杂，系统设计师为了衡量其噪声性能的好有源器件和系统的噪声来源比较复杂，系统设计师为了衡量其噪声性能的好坏，提出了噪声系数这一性能指标。坏，提出了噪声系数这一性能指标。2噪声系数噪声系数噪声系数噪声系数(Noise Figure，NF)定义定义信噪比信噪比SNR定义定义isiniosono/SNRPPSNRPPioSNRNFSNRsianianoasoanoaania/1/PPPNFPPG P标准噪声系数标准噪声系数noaa01PNFG kT BWT0=290KPnoa：输出噪声额定功率：输出噪声额定功率Pnia： 输入噪声额定功率输入噪声额定功率噪声系数表征了信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度。噪声系数表征了信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度。如果系统是无噪的，相应的噪声系数为如果系统是无噪的，相应的噪声系数为1。有噪系统的噪声系数均大于有噪系统的噪声系数均大于1。系统内部噪声产生的输出功率系统内部噪声产生的输出功率nsnoaaniaaniaaniaaniaa0(1)(1)PPGPNF GPGPNFGPNFGkT BW放大器级联的噪声放大器级联的噪声21a11NFNFNFG对于对于n级放大器级放大器321a1a1a2a1a(1)111nnNFNFNFNFNFGG GGG为了减小多级放大器的噪声系数，必须降低前级放大器为了减小多级放大器的噪声系数，必须降低前级放大器(尤其是第一级尤其是第一级)的噪声系数，而且增大前级放大器的噪声系数，而且增大前级放大器(尤其是第一级尤其是第一级)的额定功率增益。的额定功率增益。3等效输入噪声温度等效输入噪声温度a0a0e()NF G kT BWG k TT BW噪声温度与噪声系数的等效关系噪声温度与噪声系数的等效关系e0e01(1)TNFTTNFT 级联系统的等效噪声温度级联系统的等效噪声温度e2e3eee1a1a1a2a1a(1)nnTTTTTGG GGG低噪声时采用噪声温度比采用噪声系数更容易和更方便显示其噪声性能的差别。低噪声时采用噪声温度比采用噪声系数更容易和更方便显示其噪声性能的差别。【例例1.1】 某接收机由高放、混频、中放三级电路组成。已知混频器的额某接收机由高放、混频、中放三级电路组成。已知混频器的额定功率增益定功率增益Ga2=0.2，噪声系数，噪声系数NF2=10dB，中放噪声系数，中放噪声系数NF3=6dB，高，高放噪声系数放噪声系数NF1=3dB。如要求加入高放后使整个接收机总噪声系数降低。如要求加入高放后使整个接收机总噪声系数降低为加入前的为加入前的1/10，则高放的额定功率增益，则高放的额定功率增益Ga1应为多少？高放和混频两级应为多少？高放和混频两级的等效噪声温度为多少？的等效噪声温度为多少？解：先将噪声系数分贝数进行转换，解：先将噪声系数分贝数进行转换，3dB、10dB、6dB分别对应为分别对应为2、10、4。因为未加高放时接收机噪声系数为因为未加高放时接收机噪声系数为32a214110250.2NFNFNFG所以，加高放后接收机噪声系数应为所以，加高放后接收机噪声系数应为12.510NFNF 又由于又由于321a1a1a211NFNFNFNFGG G 因此有因此有23a2a11(1)(1) /(101)(41) /0.24816.8dB2.52NFNFGGNFNF高放和混频两级的等效噪声温度为高放和混频两级的等效噪声温度为2e10a11(1)101(21)290344.375(K)48NFTNFTG 1.3.3 非线性失真v在由各种有源器件构成的线性放大器中，由于有源器件的特性是非线性的，在放大过程中总会产生各种各样的失真，因此，必须限制信号的大小，使失真限制在允许的范围内，才能实现线性放大。v但在诸如混频、调制和解调等频谱搬移电路中，有源器件的非线性又正是实现这些功能电路所必需的。1非线性器件的描述方法非线性器件的描述方法一个非线性电路系统的输入一个非线性电路系统的输入x(t)和输出和输出y(t)可以描述成可以描述成 230123y tx txtxt该法称为幂级数展开法该法称为幂级数展开法其它还有解析函数和折线表示法其它还有解析函数和折线表示法2谐波谐波当输入信号为当输入信号为x(t)=Acos t时，输出信号为时，输出信号为 223301233232013322332201coscoscoscos1cos23coscos3243coscos2cos32424y tAtAtAtAAAttttAAAAAttt含输入频率含输入频率的项称为的项称为“基频基频”，高阶项，高阶项n称为称为“谐波谐波”(Harmonics)3增益压缩增益压缩输出基波信号为输出基波信号为 223311133cos( )44AAy tAtx t如果如果1和和3的符号相反，则信号增益将随幅度的符号相反，则信号增益将随幅度A的增大而减小，此现的增大而减小，此现象称为增益压缩。象称为增益压缩。常用常用1dB压缩点压缩点(1-dB compression point，输入，输入Pi1dB、输出、输出Po1dB)来度量放大器的线性来度量放大器的线性231dB1111dB3320lg20lg140.145AA1dB压缩点处的输入信号压缩点处的输入信号幅度为幅度为4大信号阻塞大信号阻塞如果电路同时接收到一个有用信号如果电路同时接收到一个有用信号A1cos1t和一个干扰信号和一个干扰信号A2cos2t，即，即 1122coscosx tAtAt则输出信号基波分量为则输出信号基波分量为3211131312133( )cos42y tAAA At当当A2A1时，上式可简化为时，上式可简化为 21132113cos2y tAAt如果如果1和和3的符号相反，有用信号所得到的增益将远小于的符号相反，有用信号所得到的增益将远小于1，即有用信号被大，即有用信号被大干扰信号阻塞了，或者称为干扰信号阻塞了，或者称为“减敏减敏”(Desensitization)，即放大器或接收器的灵，即放大器或接收器的灵敏度降低了。敏度降低了。5交调失真交调失真如果干扰信号含有调幅成分如果干扰信号含有调幅成分2222cos(1cos)cos(1,)mAtAmttm调制指数干扰调幅信号会通过非线性转移到有用信号上：干扰调幅信号会通过非线性转移到有用信号上： 2111131122222113121cos3cos1coscos31cos22coscos222mmmy tAtAt AmttmmAA Atmtt如果有用信号也为幅度调制信号，则解调后的信号含有干扰信号，产生了交如果有用信号也为幅度调制信号，则解调后的信号含有干扰信号，产生了交叉调制叉调制 。交调失真是由非线性器件的三次方项产生的。交调失真是由非线性器件的三次方项产生的。6互调失真互调失真两个频率不同的正弦波通过非线性系统后输出信号的频率分量两个频率不同的正弦波通过非线性系统后输出信号的频率分量o=m1 +n2(m和和n 不为不为0)称为称为(m+n)阶互调分量阶互调分量由三阶失真引起的互调分量称为三阶互调分量由三阶失真引起的互调分量称为三阶互调分量(IM3)，如果，如果1和和2差别差别很小，需要重点考虑的是很小，需要重点考虑的是212和和221这两项，因为它们就在基波这两项，因为它们就在基波分量附近分量附近如果两个输入信号的幅度相等如果两个输入信号的幅度相等A1=A2=A，三阶互调分量为，三阶互调分量为 3IM3312213cos(2)cos(2)4ytAtt用来衡量互调失真程度的参数主要是三阶互调截用来衡量互调失真程度的参数主要是三阶互调截点点 IP3(Third-order Intercept Point，对应的输入，对应的输入功率值称为功率值称为IIP3，而输出功率值则称为，而输出功率值则称为OIP3)三阶互调截三阶互调截点处的输入点处的输入信号幅度为信号幅度为1IP3343A1dB压缩点和压缩点和IP3的关系的关系IP31dB3.039.6dBAAIIP3 的简单测量：的简单测量：1o3o3in31o22PPPIIPPOIPPdBm3indBmdBm2PIIPP对数对数(dBm)域中：域中：在在W或或mW域中：域中：1o3in3o2in3o1o3PIIPPPPPPIIPIM3功率功率基波功率基波功率级联电路的等效级联电路的等效IIP3：最后（第最后（第2级）输出的级）输出的IM3分量功率分量功率P3o由两部分组成：第由两部分组成：第1级输出的级输出的IM3分量通分量通过第过第2级直接放大的输出功率级直接放大的输出功率P3o1，第，第1级输出基波分量通过第级输出基波分量通过第2级非线性产生的级非线性产生的IM3分量功率分量功率P3o2，它们分别为，它们分别为23123 121 123,13,1233121 13 2123,23,2ppininopoppinoooG G PPPG PIIPIIPG G PPPPIIPIIP得两级系统的得两级系统的IIP3 为为p13o3in1o3,13,2111GPIIPPPIIPIIP功率单位是功率单位是W或或mW1.3.4 灵敏度与动态范围1灵敏度灵敏度接收机的一个很重要的指标是灵敏度接收机的一个很重要的指标是灵敏度(Sensitivity)，它定义为：在给定，它定义为：在给定要求的输出信噪比的条件下，接收机所能检测的最低输入信号电平。要求的输出信噪比的条件下，接收机所能检测的最低输入信号电平。要求接收机输出最小额定信噪比为要求接收机输出最小额定信噪比为SNRo,min，则最低的可检测输入功率，则最低的可检测输入功率电平为：电平为：si,min0o,minPkTBW NF SNR在在T0=290K室温下，室温下，si,mino,minHzdBmro,min174dBm/Hz10lg PBWNFSNRFSNR rHz174dBm/Hz10lgFBWNF 称作基底噪声称作基底噪声 (Noise Floor)最小可检测输入信号电压幅度最小可检测输入信号电压幅度si,minAsi,min4UR P2动态范围动态范围si,maxsi,minPP允许的最大输入电平动态范围允许的最小输入电平si,maxsi,min(dB)=(dBm)(dBm)PP动态范围-线性动态范围线性动态范围i1dBsi,minl(dB)=(dBm)(dBm)DRPP-无杂散动态范围无杂散动态范围3rfsi,maxsi,minro,min3ro,min232 3IIPFDRPPFSNRIIPFSNR【例例1.2】 如果一个接收器的如果一个接收器的NF=9dB，IIP3=-15dBm，且，且BW=200kHz，若，若要求要求SNRo,min=12dB，那么它的无杂散动态范围，那么它的无杂散动态范围DRf为多少？为多少？解：解：r17410lg2000009112(dBm)F DRf约为约为53dB。本 章 小 结v人们按频率或波长对电磁波进行分段，分别称为频段或波段。v不同频段电波的传播方式和能力不同，因而它们的应用范围也不同。高频适于天线辐射和无线传播。v无线通信系统由工作频率的高低可分为射频级、中频级和基带级三级电路。它们的基本功能电路包括滤波器、放大器、高频振荡器、混频或变频器和调制与解调器。v各功能电路由各种有源器件、无源元件构成。实际器件存在杂散寄生的不良电容、电感和电阻。v在小信号的条件下，常用线性电路模型(如型等效电路)来分析电路。v由于二极管和晶体管的非线性特性，会产生增益压缩、交叉调制和互相调制等一系列非线性失真。v接收机所能接收的最低信号电平受其固有噪声的限制，而它能接收的最高电平受非线性失真的限制。v应理解电路指标的各种单位和参数(dB、dBm、dBV、噪声系数、1dB压缩点、三阶互调截点、灵敏度与动态范围)的意义和计算。