高频电子线路课件第2章高频电路基础.ppt

第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页第第2章章 高频电路基础高频电路基础2.1 高频电路中的元件、高频电路中的元件、器件和组件器件和组件 2.2 电子噪声电子噪声 第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页2.1 高频电路中的元件、高频电路中的元件、器件和组件器件和组件高频电路中的元器件高频电路中的元器件 各种高频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,但要注意它们在高频使用时的高频特性。高频电路中的元件主要是电阻(器)、电容(器)和电感(器),它们都属于无源的线性元件。1 高频电路中的元件高频电路中的元件1）电阻一个实际的电阻器,在低频时主要表现为电阻特性,第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页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其高频特性。其高频特性与电阻的材料、封装形式、尺寸大小，以及使用的频率等有关。一个电阻R的高频等效电路如图21所示,其中,CR为分布电容,LR为引线电感,R为电阻。图21电阻的高频等效电路第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页2）电容由介质隔开的两导体即构成电容。一个电容器的等效电路如图22（a）所示。理想电容器的阻抗1/(jC),如图22（b）虚线所示,其中,f为工作频率,=2f。图22电容器的高频等效电路(a)电容器的等效电路;（b）电容器的阻抗特性第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页3）电感高频电感器与普通电感器一样,电感量是其主要参数。电感量L产生的感抗为jL,其中,为工作角频率。高频电感器也具有自身谐振频率SRF。在SRF上,高频电感的阻抗的幅值最大,而相角为零,如图23所示。图23高频电感器的自身谐振频率SRF第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页2 高频电路中的有源器件高频电路中的有源器件 用于低频或其它电子线路的器件没有什么根本不同。1）二极管半导体二极管在高频中主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中,工作在低电平。2）晶体管与场效应管（FET）在高频中应用的晶体管仍然是双极晶体管和各种场效应管，这些管子比用于低频的管子性能更好。高频晶体管有两大类型:一类是作小信号放大的高频小功率管,对它们的主要要求是高增益和低噪声;另一类为高频功第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页率放大管,除了高增益外,要求其在高频有较大的输出功率。3）集成电路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,主要分为通用型和专用型两种。高频电路中的组件高频电路中的组件 高频电路中的无源组件或无源网络主要有高频振荡（谐振）回路、高频变压器、谐振器与滤波器等,它们完成信号的传输、频率选择、滤波及阻抗变换等功能。第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页 1.高频振荡回路高频振荡回路高频振荡回路是高频电路中应用最广的无源网络,也是构成高频放大器、振荡器以及各种滤波器的主要部件,在电路中完成阻抗变换、信号选择、滤波等任务,并可直接作为负载使用。1)简单振荡回路简单振荡回路振荡回路就是由电感和电容串联或并联形成的回路。只有一个回路的振荡电路称为简单振荡回路或单振荡回路。（1）串联谐振回路。串联谐振回路。图24（a）是最简单的串联振荡回路。第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图24串联震荡回路及其特性第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页若在串联振荡回路两端加一恒压信号,则发生串联谐振时因阻抗最小,流过电路的电流最大,称为谐振电流,其值为（21）（22）（23）任意频率下的回路参数X与谐振时回路参数X0之比称为单位谐振函数，用（）表示。（）曲线称为单位谐振曲线。第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页(24)其模为其中,（25）（26）在任意频率下的回路电流与谐振电流之比为第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页称为回路的品质因数,它是振荡回路的另一个重要参数。根据式（25）画出相应的曲线如图25所示,称为谐振曲线。图25串联谐振回路的谐振曲线图26串联回路在谐振时的电流、电压关系第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页在实际应用中,外加信号的频率与回路谐振频率0之差=-0表示频率偏离谐振的程度,称为失谐。当与0很接近时,（27）（28）令为广义失谐,则式（25）可写成(29)第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页 由以上分析结果，并结合串联回路的频率特性可以得出如下几点结论：回路谐振(）时，,回路阻抗最小为纯电阻r当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时,将回路电流值下降为谐振值的时对应的频率范围称为回路的通频带,也称回路带宽,通常用B来表示。它是用来衡量回路对于不同频率信号的通过能力。令式（29）等于,则可推得=1,从而可得带宽为.(210)第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页(2）并并联联谐谐振振回回路路。串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻（如恒压源）的情况或低阻抗的电路（如微波电路）。当频率不高时，常采用并联谐振回路。回路失谐（）时，串联回路阻抗增加，时，1）当,串联回路阻抗呈容性；时，2）当,串联回路阻抗呈感性；第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图27并联谐振回路及其等效电路、阻抗特性和辐角特性(a)并联谐振回路;（b）等效电路;（c）阻抗特性;（d）辐角特性并联谐振回路的并联阻抗为(211)转换第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页定义使感抗与容抗相等的频率为并联谐振频率0,令Zp的虚部为零,求解方程的根就是0,可得式中,Q为回路的品质因数,有当时,。回路在谐振时的阻抗最大,为一电阻R0（212）注：注：品质因素是指回路储存能量与消耗能量之比第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页（213）（214）并联回路通常用于窄带系统,此时与0相差不大,式（213）可进一步简化为式中,=-0称为失谐，称为广义失谐（215）对应的阻抗模值与幅角分别为第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页（216）（217）图28表示了并联振荡回路中谐振时的电流、电压关系。第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页 回路失谐（）时，并联回路阻抗下降，由以上分析结果，并结合图2-7可以得出如下几点结论：时，1）当,并联回路阻抗呈感性；时，2）当,并联回路阻抗呈容性；回路谐振(）时，回路阻抗最大为纯电阻R0第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页例例 1设一放大器以简单并联振荡回路为负载,信号中心频率fs=10MHz,回路电容C=50pF,(1)试计算所需的线圈电感值。(2)若线圈品质因数为Q=100,试计算回路谐振电阻及回路带宽。(3)若放大器所需的带宽B=0.5MHz,则应在回路上并联多大电阻才能满足放大器所需带宽要求?解：解：(1)计算L值。由式(22),可得第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页将f0以兆赫兹(MHz)为单位,以皮法(pF)为单位,L以微亨（H）为单位，上式可变为一实用计算公式:将f0=fs=10MHz代入,得(2)回路谐振电阻和带宽。由式(212)第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页回路带宽为(3)求满足0.5MHz带宽的并联电阻。设回路上并联电阻为R1,并联后的总电阻为R1R0,总的回路有载品质因数为QL。由带宽公式,有此时要求的带宽B=0.5MHz,故回路总电阻为第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页2)抽头并联振荡回路抽头并联振荡回路需要在回路上并联7.97k的电阻。（218）（219）等效原则：等效原则：等效电路与原电路功率相等。第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图29几种常见抽头振荡回路第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页（220）对于图29（b）的电路,其接入系数p可以直接用电容比值表示为（221）（222）第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页谐振时的回路电流IL和IC与I的比值要小些,而不再是Q倍。由图210电流源的折合及第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页例例 2如图211，抽头回路由电流源激励,忽略回路本身的固有损耗,试求回路两端电压u(t)的表示式及回路带宽。（223）可得图211例2的抽头回路第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页解解：由于忽略了回路本身的固有损耗,因此可以认为Q。由图可知,回路电容为谐振角频率为电阻R1的接入系数等效到回路两端的电阻为此目的何在？第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页回路两端电压u(t)与i(t)同相,电压振幅U=UR=2V,故输出电压为回路有载品质因数回路带宽第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页3)耦合振荡回路在高频电路中,有时用到两个互相耦合的振荡回路,也称为双调谐回路。把接有激励信号源的回路称为初级回路,把与负载相接的回路称为次级回路或负载回路。图212是两种常见的耦合回路。图212（a）是互感耦合电路,图212(b)是电容耦合回路。第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图212两种常见的耦合回路及其等效电路第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页（224）对于图212（b）电路,耦合系数为（225）（226）第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页（227）（228）耦合因子初次级串联阻抗可分别表示为耦合阻抗为第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页由图212（c）等效电路,转移阻抗为(229)由次级感应电势产生,有考虑次级的反映阻抗,则将上两式代入式(229),再考虑其它关系,经简化得第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页(230)根据同样的方法可以得到电容耦合回路的转移阻抗特性为（232）（231）（233）（234）第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图213耦合回路的频率特性(235)第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页串、串、并联谐振回路阻抗特性比较并联谐振回路阻抗特性比较并联谐振回路空载时阻抗的幅频特性和相频特性表达式分别为：（236）串联谐振回路空载时阻抗的幅频特性和相频特性表达式分别为：Z=r+j第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页由图可见，前者在谐振频率点的阻抗最小，相频特性曲线斜率为正；后者在谐振频率点的阻抗最大，相频特性曲线斜率为负。所以，串联回路在谐振时，通过电流0最大；并联回路在谐振时，两端电压U0最大。在实际选频应用时，串联回路适合与信号源和负载串联连接，使有用信号通过回路有效地传送给负载；并联回路适合与信号源和负载并联连接，使有用信号在负载上的电压振幅增大。第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页谐谐振振回回路路特特性性对对照照表表谐振回路特性对照表谐振回路特性对照表第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页2.高频变压器和传输线变压器高频变压器和传输线变压器1.高频变压器及其特点变压器是靠磁通交链,或者说是靠互感进行耦合的。主要功能：传输信号、阻抗变换、隔直等(1)为了减少损耗,高频变压器常用导磁率高、高频损耗小的软磁材料作磁芯。(2)高频变压器一般用于小信号场合,尺寸小,线圈的匝数较少。第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图214高频变压器的磁芯结构（a）环形磁芯;(b)罐形磁芯;(c)双孔磁芯图215高频变压器及其等效电路(a)电路符号;(b)等效电路第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图216(a)是一中心抽头变压器的示意图。初级为两个等匝数的线圈串联,极性相同，设初次级匝比n=N1/N2。作为理想变压器看待,线圈间的电压和电流关系分别为(238)(237)图216中心抽头变压器电路（a）中心抽头变压器电路;（b）作四端口器件应用第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页2)传输线变压器传输线变压器就是利用绕制在磁环上的传输线而构成的高频变压器。图217为其典型的结构和电路图。图217传输线变压器的典型结构和电路(a)结构示意图;（b）电路第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页（239）（240）图218传输线变压器的工作方式(a)传输线方式;(b)变压器方式第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图219传输线变压器的应用举例（a）高频反相器;（b）不平衡平衡变换器;（c）14阻抗变换器;(d)3分贝耦合器第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页 3.石英晶体谐振器石英晶体谐振器1)物理特性石英晶体谐振器是由天然或人工生成的石英晶体切片制成。2)等效电路及阻抗特性图222是石英晶体谐振器的等效电路。由图222(b)可看出,晶体谐振器是一串并联的振荡回路,其串联谐振频率fq和并联谐振频率f0分别为（241）第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图222晶体谐振器的等效电路(a)包括泛音在内的等效电路;(b)谐振频率附近的等效电路(242)(243)第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页（244）图222(b)所示的等效电路的阻抗的一般表示式为在忽略rq后,上式可化简为（245）第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图223晶体谐振器的电抗曲线（246）容性容性容性容性感感性性第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图224差接桥式晶体带通滤波器的电路与衰减特性（a）滤波器电路;（b）衰减特性晶体谐振器具有：频率稳定、品质因素高、阻抗大等优点。所以得到广泛应用。第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页4.集中滤波器集中滤波器1)陶瓷滤波器图225陶瓷滤波器电路在使用四端陶瓷滤波器时，应注意输入、输出阻抗必在使用四端陶瓷滤波器时，应注意输入、输出阻抗必在使用四端陶瓷滤波器时，应注意输入、输出阻抗必在使用四端陶瓷滤波器时，应注意输入、输出阻抗必须与信号源、负载阻抗各相匹配，否则其幅频特性将须与信号源、负载阻抗各相匹配，否则其幅频特性将须与信号源、负载阻抗各相匹配，否则其幅频特性将须与信号源、负载阻抗各相匹配，否则其幅频特性将会变坏，通带内的响应起伏增大，阻带衰减值变小。会变坏，通带内的响应起伏增大，阻带衰减值变小。会变坏，通带内的响应起伏增大，阻带衰减值变小。会变坏，通带内的响应起伏增大，阻带衰减值变小。第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页2)声表面波滤波器第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图226(a)中的声表面波滤波器的传输函数为：（247）（248）第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页 5.衰减器与匹配器衰减器与匹配器1)高频衰减器图228T型和型网络图229T型电阻网络匹配器2)高频匹配器第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页2.2 电电 噪噪 声声2.2.1 概述概述所谓干扰（或噪声）,就是除有用信号以外的一切不需要的信号及各种电磁骚动的总称。2.2.2 电子噪声的来源与特性电子噪声的来源与特性噪声主要有两大来源：电阻热噪声和半导体管噪声。1.电阻热噪声1)热噪声电压和功率谱密度（249）第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页（250）噪声功率谱密度：kT第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图231电阻热噪声等效电路（251）（252）噪声均方电压和均方电流的谱密度分别为：第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页2)线性电路中的热噪声（253）(254)图232热噪声通过线路电路的模型第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图233并联回路的热噪声(254)第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页并联回路可以等效为Re+jXe（图233（c）,现在看上述输出噪声谱密度与Re、Xe的关系。展开化简后得与式(255)对比,可得(255)(256)第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页根据式(255)与式(256)可以求出输出端的均方噪声电压为第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页3)噪声带宽图232是一线性系统,其电压传输函数为H(j)。设输入一电阻热噪声,均方电压谱为SUi=4kTR,输出均方电压谱为SUo,则输出均方电压E2n为设|H(j)|的最大值为H0,则可定义一等效噪声带宽Bn,令（257）则等效噪声带宽Bn为（258）第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图233的单振荡回路为例,计算其等效噪声带宽。设回路为高Q电路,设谐振频率为f0，由前面分析,再考虑到高Q条件,此回路的|H(j)|2可近似为式中,f为相对于f0的频偏,由此可得等效噪声带宽为第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页2.晶体三极管的噪声晶体三极管的噪声1)散弹（粒）噪声己知并联回路的3dB带宽为B0.7=f0/Q,故(259)2)分配噪声3)闪烁噪声3.场效应管噪声场效应管噪声第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页2.2.3 噪声系数和噪声温度噪声系数和噪声温度 衡量噪声大小和性能好坏的量度衡量噪声大小和性能好坏的量度1 噪声系数的定义噪声系数的定义图235为一线线性性四端网络,它的噪声系数定义为输入端的信号噪声功率比(S/N)i与输出端的信号噪声功率比(S/N)o的比值,即图235噪声系数的定义Na第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图中,KP为电路的功率传输系数(或功率放大倍数)。用Na表示线性电路内部附加噪声功率在输出端的输出,考虑到KP=o/Si,式(260)可以表示为（260）(261)(262)第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页噪声系数通常用dB表示,用dB表示的噪声系数为(263)（264）（265）开路电压法：短路电流法：第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页2噪声温度噪声温度将线性电路的内部附加噪声折算到输入端,此附加噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效,这就是“噪声温度”。由式(262),等效到输入端的附加噪声为Na/KP,令增加的温度为Te,即噪声温度,可得（266）这样,式(262)可重写为（267）(268)第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页噪声系数的计算噪声系数的计算 1额定功率法额定功率法额定功率,又称资用功率或可用功率,是指信号源所能输出的最大功率,它是一个度量信号源容量大小的参数,是信号源的一个属性,它只取决于信号源本身的参数内阻和电动势,与输入电阻和负载无关,如图236所示。（269）（270）第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图236信号源的额定功率（a）电压源;（b）电流源额定功率增益KPm是指四端网络的输出额定功率Psmo和输入额定功率Psmi之比,即（271）第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页根据噪声系数的定义,分子和分母都是同一端点上的功率比,因此将实际功率改为额定功率,并不改变噪声系数的定义,则（272）因为Nmi=kTB,Nmo=KPmNmi+Nmn,所以（273）第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页式中,Psmi和Psmo分别为输入和输出的信号额定功率;Nmi和Nmo分别为输入和输出的噪声额定功率;Nmn为网络内部的最大输出噪声功率。也可以等效到输入端,有（274）式中,Nmoi=Nmo/KPm是网络额定输出噪声功率等效到输入端的数值。(275)对于无源线性网络：第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图237无源四端网络的噪声系数图238抽头回路的噪声系数第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页将信号源电导等效到回路两端,为p2GS,等效到回路两端的信号源电流为pIS,输出端匹配时的最大输出功率为输入端信号源的最大输出功率为因此,网络的噪声系数为第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页根据定义,级联后总的噪声系数为图239级联网络噪声系数（276）式中,No为总输出额定噪声功率,它由三部分组成:经两级放大的输入信号源内阻的热噪声;经第二级放大的第一级网络内部的附加噪声;第二级网络内部的附加噪声,即级联网络噪声系数第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页按噪声系数的表达式,Na1和Na2可分别表示为则将上式代入式（276）,得(277)v第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页用同样的方法不难推出多级级联网络的噪声系数的公式为(278)从式(278)可以看出,当网络的额定功率增益远大于1时,系统的总噪声系数主要取决于第一级的噪声系数。越是后面的网络,对噪声系数的影响就越小,这是因为越到后级信号的功率越大,后面网络内部噪声对信噪比的影响就不大了。因此,对第一级来说,不但希望噪声系数小,也希望增益大,以便减小后级噪声的影响。第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页例例 3图240是一接收机的前端电路,高频放大器和场效应管混频器的噪声系数和功率增益如图所示。试求前端电路的噪声系数(设本振产生的噪声忽略不计)。图240接收机前端电路的噪声系数第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页解解将图中的噪声系数和增益化为倍数,有因此,前端电路的噪声系数为第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页3 噪声系数与灵敏度噪声系数与灵敏度噪声系数是用来衡量部件(如放大器)和系统(如接收机)噪声性能的。灵敏度就是保持接收机输出端信噪比一定时,接收机输入的最小信号电压或功率(设接收机有足够的增益)。例如：某接收机正常接收的最小信噪比为100，其工作带宽为6MHz，其前端电路的噪声系数为10，则接收机的灵敏度为：第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页图241用噪声信号源测量噪声系数噪声系数为（279）2.2.5 噪声系数的测量噪声系数的测量（自学自学）1 采用噪声信号源的测量方法采用噪声信号源的测量方法 图241是测量系统的构成。第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页附：附：BX1RXR1AABX2R2第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页第2章 高频电路基础电电气气工工程程学学院院上页上页下页