第2章 高频电子线路基础.ppt

第第2章章高频电子电路基础高频电子电路基础2.1 2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件一、高频电路中的无源元件一、高频电路中的无源元件1 1、电阻的高频特性、电阻的高频特性2 2、电感的高频特性、电感的高频特性品质因素品质因素Q Q：描述系统储能与耗能之间关系的参数。电感品质因素：电感品质因素：据电路等效原理，可以用并联等效电路表示可以用并联等效电路表示因为QL1，有即3、电容的高频特性、电容的高频特性用品质因素Q反映电容器的损耗特性串联形式串联形式并联形式并联形式二、高频电路中的有源器件二、高频电路中的有源器件1、二极管、变容二极管、二极管、变容二极管、PIN二极管二极管2、晶体管、场效应管、晶体管、场效应管 3、集成电路、集成电路 2.2 谐振回路谐振回路 高频振荡回路（谐振回路）高频振荡回路（谐振回路）分分类类：串联谐振回路、并联谐振回路、抽头并联谐振回路和耦合谐振回路。振荡回路振荡回路：由电感和电容组成的回路，当外界给予一定能量，电路参数满足一定关系时，可以在回路中产生电压和电流的周期振荡，电路的这种性质称为振荡特性，电路为振荡回路。谐振回路：谐振回路：若振荡回路在某一频率的交变信号的作用下，能在电抗元件上产生最大的电压或流过最大的电流（或者说具有最大、最小阻抗值），则电路具有谐振特性，为谐振回谐振回路路，此时的信号频率称为谐振频率谐振频率，记为0。作用：高频电子线路中广泛应用的作用：高频电子线路中广泛应用的选频网络选频网络 1、并联谐振回路、并联谐振回路求得电路总导纳：b=0时时|Y|=g 电路呈纯电阻性电路呈纯电阻性 b0时时 b0|Y|g 电路呈容性电路呈容性 b g 电路呈感性电路呈感性 在回路两端加电流源Is，b=0时Y最小，即回路阻抗最大回路阻抗最大(为纯电阻)，端电压端电压V将将最大最大，并与Is同相，电路产生并联谐振并联谐振，此时振荡频率为=0，为谐振频率谐振频率谐振时回路的感抗和容抗近似相等谐振时回路的感抗和容抗近似相等，称为回路的特性阻抗特性阻抗回路品质因素回路品质因素谐振阻抗谐振阻抗谐振时支路工作情况谐振时支路工作情况 电感支路电流约为电源电流的电感支路电流约为电源电流的Q倍，相位滞后倍，相位滞后/2电容支路电流约为电源电流的电容支路电流约为电源电流的Q倍，相位超前倍，相位超前/2谐振的物理意义谐振的物理意义：电容中储存的电能和电感中储存的磁：电容中储存的电能和电感中储存的磁能周期性地转换，且两者储存的最大能量相等。能周期性地转换，且两者储存的最大能量相等。谐振频率特性谐振频率特性用极坐标表示，可求得幅频特性幅频特性和相频特性相频特性利用电路可以求得电压表达式V、均为的函数，可写为V()和()幅频特性幅频特性当电流源幅度Is、元件参数（g、L、C）不变时，改变电流源频率，可得不同幅度的V值。可作出幅幅频特性曲线频特性曲线（或称谐振特性曲线谐振特性曲线）0回路对电源频率谐振时，即=0时，回路端电压达最大值，有V0=Is/g偏离0时（=-0），端电压幅值下降相频特性相频特性0 V滞后滞后Is 回路呈容性回路呈容性 2、串联谐振回路、串联谐振回路谐振条件：谐振条件：回路电流最大，回路电流最大，回路谐振回路谐振电路串联谐振，0为谐振频率，此时回路阻抗最小，为纯电阻，Is与V同相,为最大值I0谐振时电感和电容上的电压最大，是电阻电压值的谐振时电感和电容上的电压最大，是电阻电压值的Q倍，倍，也就是恒压源的也就是恒压源的Q倍，表明电容和电感储能周期性转换，倍，表明电容和电感储能周期性转换，而且最大能量相等。而且最大能量相等。频率特性频率特性000 Is滞后滞后V 回路呈感性回路呈感性 串联和并联具有对偶性串联和并联具有对偶性电源电源阻抗值阻抗值0并联并联gLc并并ISZ最大最大电感性电感性纯电阻最小纯电阻最小导纳导纳g电容性电容性串联串联rLc串串VSZ最小最小电容性电容性纯电阻最小纯电阻最小阻抗阻抗r电感性电感性3、谐振回路的性能分析、谐振回路的性能分析失谐失谐：当信号频率偏离0时，称电路失谐，记为=-0，用来衡量电源频率偏离谐振频率的程度。在并联谐振回路中归一化幅频特性为：串联谐振回路中的归一化幅频特性串联谐振回路中的归一化幅频特性与0很接近时，有选择性选择性谐振回路从不同频率信号中选择所需信号的特性称为选择性，它表明回路对不需要信号的抑制能力。0Q2Q1Q0通频带通频带(3dB带宽带宽)B与与Q成反比，成反比，Q越高，选择性越越高，选择性越好，但通频带越窄好，但通频带越窄谐振频率谐振频率阻抗（导阻抗（导纳）特性纳）特性恒流源恒流源恒压源恒压源激励源激励源并联谐振回路并联谐振回路串联谐振回路串联谐振回路电路名称电路名称品质因数品质因数Q串、并联谐振回路比较串、并联谐振回路比较谐振性质谐振性质谐振参数谐振参数并联谐振回路并联谐振回路串联谐振回路串联谐振回路电路名称电路名称通频带通频带电压谐振电流谐振谐振特性谐振特性结论：串联谐振回路通常适用于信号源内阻结论：串联谐振回路通常适用于信号源内阻Rs很小很小（恒压源）和负载电阻（恒压源）和负载电阻RL也不大的情况。也不大的情况。考虑电源内阻和负载后，有载Q值为：4、信号源内阻和负载对串联回路的影响、信号源内阻和负载对串联回路的影响目的目的：1）使RS、RL经变换后，等效电阻增加，与RP并联后使R减小不多，保证QL与Qo相差不大。2)使CS、CL减小，与回路电容C并联后，C增加很少，稳定0。电路电路：常用来实现阻抗变换的电路有：将激励源或负载与回路电抗（电容或电感）部分连接的抽头并联振荡回路，以及变压器耦合电路。5、并联谐振回路的耦合方式并联谐振回路的耦合方式阻抗变换电路的引入阻抗变换电路的引入理想变压器耦合电路理想变压器耦合电路接入系数接入系数据能量守恒原理据能量守恒原理1同理当初级接电阻R时，呈现在次级上的电阻为电感分压电路电感分压电路接入系数接入系数据能量守恒原理据能量守恒原理忽略互感的影响忽略互感的影响由低抽头向高抽头转换时，等效阻抗提高倍由高抽头向低抽头转换时，等效阻抗降低至电容分压电路电容分压电路可得(p1)1负载电阻RL是通过双电容分压接入并联谐振回路的,接入系数接入系数1LR2.4 耦合回路耦合回路1、耦合回路形式、耦合回路形式耦合程度通过耦合程度通过耦合系数耦合系数反映反映互感耦合串联型回路互感耦合串联型回路 电容耦合并联型回路电容耦合并联型回路k1对电容耦合回路：对电容耦合回路：一般一般C1=C2=C通常通常 CM C 若若L1=L2 =L 对电感耦合回路：2、互感耦合回路的阻抗特性、互感耦合回路的阻抗特性由基尔霍夫定律有：初级回路的自阻抗次级回路的自阻抗反射阻抗反射阻抗A、从初级回路中向电感看，等效在初级回路中串联一个反射阻抗反射阻抗反射阻抗又叫耦合阻抗耦合阻抗，表示次级电流通过互感的作用在初级回路中的感应电动势对初级电流的影响,可以用一个等效的阻抗来表示：反射阻抗使初级回路的电阻增加，且反射电抗与反射阻抗使初级回路的电阻增加，且反射电抗与X22异号异号 B、同样初级回路也产生反射阻抗同样Rf2和Xf2的性质与Rf1和Xf1相同反射阻抗的特点反射阻抗的特点（1）反射电阻抗总为正值）反射电阻抗总为正值（2）反射阻抗的性质与原回路总电抗的性质相反）反射阻抗的性质与原回路总电抗的性质相反（3）反射电阻与反射电抗的值与耦合阻抗的平方值成正比）反射电阻与反射电抗的值与耦合阻抗的平方值成正比（4）初、次级回路均在信号频率上谐振时，反射阻抗为纯）初、次级回路均在信号频率上谐振时，反射阻抗为纯 电阻电阻只有在只有在M不小，不小，Z22不大的条件下，反射阻抗较大时，不大的条件下，反射阻抗较大时，初级回路的电压与电流才受次级回路的影响较大。初级回路的电压与电流才受次级回路的影响较大。互感互感M很小时，反射阻抗很小很小时，反射阻抗很小当当Z22很大时，即使很大时，即使M较大，但是反射阻抗仍然很小较大，但是反射阻抗仍然很小（5）次级回路中消耗的功率等于初级回路电流流过反射阻）次级回路中消耗的功率等于初级回路电流流过反射阻抗的电阻部分所消耗的功率。抗的电阻部分所消耗的功率。3、耦合振荡回路的调谐、耦合振荡回路的调谐部分谐振部分谐振：耦合振荡回路的初级或次级回路中的一个达到谐振的情况。当耦合谐振回路的初级等效电路的电抗为零初级等效电路的电抗为零，或次级等效电路的电抗为零次级等效电路的电抗为零或初级和次级回路的电抗同初级和次级回路的电抗同时为零时为零时，回路达到谐振。复谐振复谐振：在部分谐振条件下，改变互感量，使Rf1R11，实现最大功率传输，使I2达到最大值，称之为复谐振，这时初级电路不仅发生了谐振而且达到了匹配。全谐振全谐振：当两个回路都单独达到与信号源频率谐振两个回路都单独达到与信号源频率谐振，回路达到全谐振，这时X11=0，X22=0，Z11=R11，Z22=R22，如果改变M，使R11=Rf1，R22=Rf2，则称为最佳全谐振。可求得最佳全揩振时的互感为：最佳全谐振时初、次级间的耦合称为临介耦合临介耦合，与此相应的耦合系数称为临介耦合系数临介耦合系数，以kc表示。1称为强耦合强耦合。耦合谐振回路两回路的耦合系数与临界耦合系数之比称为耦合因数耦合因数4、耦合回路的频率特性、耦合回路的频率特性广义失谐，可以证明次级回路电流比当初、次级回路01=02=0，Q1=Q2=Q时，1，强耦合，强耦合，谐振曲线出现双峰，谷值1，在处，x11+xf1=0，Rf1=R11，回路达到匹配，相当于复谐振，谐振曲线呈最大值，=1耦合回路的通频带耦合回路的通频带=1时，一般采用稍大于1，这时在通带内放大均匀，而在通带外衰减很大，为较理想的幅频特性。5、串、并耦合回路的互换等效、串、并耦合回路的互换等效谐振阻抗谐振阻抗由并联型回路所导出的各种情况下的电压谐振曲线，均可用来描述串联型回路中电流的变化规律并联回路转换为串联回路并联回路转换为串联回路*高频变压器高频变压器 功能功能：信号传输和阻抗变换，也可以用于隔直。用传输线绕制的传输线变压器为高频中专用，工作在更高频率，工作频带宽。特点特点：变压器靠互感进行耦合，线圈紧耦合时称为变压器。小小 结结选频网络选频网络：谐振回路谐振回路、滤波器滤波器串联谐振回路、并联谐振回路串联谐振回路、并联谐振回路：电路构成形式、品质因素、电路构成形式、品质因素、谐振特性谐振特性、谐振阻抗、通频带、谐振量（电压或电流）、谐振阻抗、通频带、谐振量（电压或电流）、支路电压或电流与信号源的关系、广义失谐的表示、失谐支路电压或电流与信号源的关系、广义失谐的表示、失谐时电路性质时电路性质采用抽头方式的阻抗变换电路：采用抽头方式的阻抗变换电路：电路形式、接入系数、对电路形式、接入系数、对负载和信号源内阻的影响负载和信号源内阻的影响耦合回路：耦合回路：反射阻抗、通频带反射阻抗、通频带*滤波器：滤波器：LC集中选频滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤集中选频滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器、声表面波滤波器波器、声表面波滤波器器件高频效应器件高频效应