高频电路基础优秀PPT.ppt
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1、高频电路基础第一页,本课件共有86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2.1.1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,第二页,本课件共有86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
2、频特性。一个电阻R的高频等效电路如图2 1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三页,本课件共有86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却如图2 2(a)所示。理想电容器的阻抗1/(jC),如图2 2(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四页,本课件共有86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
3、23所示。图23高频电感器的自身谐振频率SRF第五页,本课件共有86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,在外形结构方面也有所不同。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第六页,本课件共有86页和低噪声;另一类为高频功率放大管,除了增益外,要求其在高频有较大的输出功率。3)集成电路用于高频的
4、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。2.1.2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、频率选择及阻抗变换等功能。第七页,本课件共有86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、信号选择等任务,并可直接作为负载使用。1)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。
5、图24(a)是最简单的串联振荡回路。come back第八页,本课件共有86页图24串联振荡回路及其特性第九页,本课件共有86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)在任意频率下的回路电流与谐振电流之比为第十页,本课件共有86页(24)其模为其中,(25)(26)第十一页,本课件共有86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(26)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、电压关系第十二页,本课件共有86页在实际应用中,外加信号的
6、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,(2 7)(28)令为广义失谐,则式(25)可写成(29)第十三页,本课件共有86页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。令式(29)等于,则可推得=1,从而可得带宽为.(210)(2)并联谐振回路。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)。第十四页,本课件共有86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
7、谐振回路的并联阻抗为(211)第十五页,本课件共有86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)第十六页,本课件共有86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。对应的阻抗模值与幅角分别为(215)第十七页,本课件共有86页(2 16)(217)图28表示了并联振荡回路中谐振时的电流、电压关系。第十八页,本课件共有86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=
8、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),可得第十九页,本课件共有86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)第二十页,本课件共有86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
9、,有此时要求的带宽B=0.5MHz,故回路总电阻为第二十一页,本课件共有86页2)抽头并联振荡回路需要在回路上并联7.97k的电阻。(218)(219)第二十二页,本课件共有86页图29几种常见抽头振荡回路第二十三页,本课件共有86页(2 20)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)第二十四页,本课件共有86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电流源的折合及第二十五页,本课件共有86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
10、的抽头回路第二十六页,本课件共有86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第二十七页,本课件共有86页回路两端电压u(t)与i(t)同相,电压振幅U=IR=2V,故输出电压为回路有载品质因数回路带宽第二十八页,本课件共有86页3)耦合振荡回路(p24)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。第二十九页,本课件共有86页图
11、212两种常见的耦合回路及其等效电路第三十页,本课件共有86页(224)对于图212(b)电路,耦合系数为:(225)(226)对于图212(a)电路,耦合系数为:(a)图中耦合阻抗为:Zm=jXm第三十一页,本课件共有86页(227)(2 28)耦合因子:初次级串联阻抗可分别表示为:耦合阻抗为:广义失谐:第三十二页,本课件共有86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,经简化得第三十三页,本课件共有86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)(23
12、4)第三十四页,本课件共有86页图213耦合回路的频率特性(235)第三十五页,本课件共有86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高频变压器及其特点 变压器是靠磁通交链变压器是靠磁通交链,或者说是靠互感进行耦合的。或者说是靠互感进行耦合的。(1)为了减少损耗为了减少损耗,高频变压器常用导磁率高频变压器常用导磁率高、高、高频损耗高频损耗小的软磁材料作磁芯。小的软磁材料作磁芯。(2)高频变压器一般用于小信号场合高频变压器一般用于小信号场合,尺寸小尺寸小,线圈的匝线圈的匝数较少。数较少。(236)第三十六页,本课件共有86页图图 2 14 高频变压器的磁芯结
13、构高频变压器的磁芯结构(a)环形磁芯环形磁芯;(b)罐形磁芯罐形磁芯;(c)双孔磁芯双孔磁芯 图图 2 15 高频变压器及其等效电路高频变压器及其等效电路 (a)电路符号电路符号;(b)等效电路等效电路第三十七页,本课件共有86页图图 2 16(a)是是一一中中心心抽抽头头变变压压器器的的示示意意图图。初初级级为为两两个个等等匝匝数数的的线线圈圈串串联联,极极性性相相同同,设设初初次次级级匝匝比比n=N1/N2。作作为为理理想想变变压压器器看看待待,线线圈圈间间的的电电压压和和电电流流关关系分别为系分别为(238)(237)图图 2 16 中心抽头变压器电路中心抽头变压器电路 (a)中心抽头变
14、压器电路中心抽头变压器电路;(b)作四端口器件应用作四端口器件应用第三十八页,本课件共有86页2)传输线变压器传输线变压器 传传输输线线变变压压器器就就是是利利用用绕绕制制在在磁磁环环上上的的传传输输线线而而构构成成的的高频变压器。高频变压器。图图 2 17 为其典型的结构和电路图。为其典型的结构和电路图。图图 2 17 传输线变压器的典型结构和电路传输线变压器的典型结构和电路 (a)结构示意图结构示意图;(b)电路电路第三十九页,本课件共有86页(239)(240)图图 2 18 传输线变压器的工作方式传输线变压器的工作方式(a)传输线方式传输线方式;(b)变压器方式变压器方式 第四十页,本
15、课件共有86页图图 2 19传输线变压器的应用举例传输线变压器的应用举例 (a)高频反相器高频反相器;(b)不平衡不平衡平衡变换器平衡变换器;(c)1 4 阻抗变换器阻抗变换器;(d)3 分贝耦合器分贝耦合器第四十一页,本课件共有86页 3.石英晶体谐振器石英晶体谐振器 1)物理特性物理特性 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。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等效电路及阻抗特性 图图 2 22 是石英晶体谐振器的等效电路。是石英晶体谐振器的等效电路。由由图图 2 22(b)可可看看出出,晶晶体体谐谐振振器器是是一一串串并并联联的的振振荡
16、荡回回路路,其串联谐振频率其串联谐振频率fq和并联谐振频率和并联谐振频率f0分别为分别为(241)第四十二页,本课件共有86页第四十三页,本课件共有86页第四十四页,本课件共有86页图图 2 22 晶体谐振器的等效电路晶体谐振器的等效电路 (a)包括泛音在内的等效电路包括泛音在内的等效电路;(b)谐振频率附近的等效电路谐振频率附近的等效电路(242)(243)第四十五页,本课件共有86页(244)图图 2 22(b)所示的等效电路的阻抗的一般表示式为所示的等效电路的阻抗的一般表示式为在忽略在忽略rq后后,上式可化简为上式可化简为(245)第四十六页,本课件共有86页图图 2 23 晶体谐振器的
17、电抗曲线晶体谐振器的电抗曲线(246)第四十七页,本课件共有86页图图 2 24 晶体滤波器的电路与衰减特性晶体滤波器的电路与衰减特性(a)滤波器电路滤波器电路;(b)衰减特性衰减特性 第四十八页,本课件共有86页4.集中滤波器集中滤波器 1)陶瓷滤波器陶瓷滤波器图图 2 25 陶瓷滤波器电路陶瓷滤波器电路第四十九页,本课件共有86页第五十页,本课件共有86页2)声表面波滤波器声表面波滤波器 图图 2 26(a)中的声表面波滤波器的传输函数为中的声表面波滤波器的传输函数为(247)(248)第五十一页,本课件共有86页第五十二页,本课件共有86页补充、陶瓷滤波器和声表面波滤波器补充、陶瓷滤波器
18、和声表面波滤波器1、陶瓷滤波器、陶瓷滤波器(带通滤波器)(带通滤波器)321工艺:工艺:由压电陶瓷制成。但由压电陶瓷制成。但Q值低于石英晶体,约为几值低于石英晶体,约为几百,高于百,高于LC谐振电路谐振电路。优点:优点:体积小、成本低、通带衰耗小和矩形系数小等。体积小、成本低、通带衰耗小和矩形系数小等。缺点:缺点:一致性差。频率特性离散性大,通频带不够宽。一致性差。频率特性离散性大,通频带不够宽。2、声表面波滤波器、声表面波滤波器声声表表面面波波传播方向传播方向RsUsRL声表面波滤波器结构图声表面波滤波器结构图依靠基片变形激起表面超声波实现依靠基片变形激起表面超声波实现选频特性:选频特性:当
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