高频电子线路教案.docx

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1、高频电子线路课程教案一、讲授题目：本课程的研究对象二、教学目标使学生知道本课程的研究对象，方法及目标三、教学重点难点教学重点：接收设备的组成及原理教学难点：接收设备的组成及原理四、教学过程高频电子线路是电子信息、通信等电子类专业的一门技术基础课，它的研究对象是通信系统中的发送设备和接收设备的各种高频功能电路的功能、原理和基本组成。*消息 （NEWS，MESSAGE）：- 关于人或事物情况的报道。- 通信过程中传输的具体对象：文字，语音，图象，数据等。*信息 （INFORMATION）：- 有用的消息*信号 （SIGNAL）：- 信息的具体存载体。*输入变换器- 将输入信息变换为电信号。*发送设

2、备- 将输入电信号变换为适合于传输的电信号。*传输信道- 信号传输的通道。- 有线信道：平行线、同轴电缆或光缆，也可以是传输无线电波。- 无线信道：自由空间或某种介质。*接收设备- 将输入电信号变换为适合于变换的电信号。*输出变换器- 将接收设备输出的电信号变换成原来的信息，如声音、文字、图像等。输 入变换器发 送设 备传 输信 道接 收设 备输 出变换器通信系统方框图通信系统分类： 1） 按通信业务分类*单媒体通信系统：如电话，传真等*多媒体通信系统：如电视，可视电话，会议电话等*实时通信系统：如电话，电视等*非实时通信系统：如电报，传真，数据通信等*单向传输系统：如广播，电视等*交互传输系

3、统：如电话，点播电视等*窄带通信系统：如电话，电报，低速数据等*宽带通信系统：如点播电视，会议电视，高速数据等2） 按传输媒体分类a)有线传输介质：*双绞线（屏蔽双绞线，非屏蔽双绞线）损耗大，几千比特/秒 几百兆比特/秒*同轴电缆损耗小，价高，抗干扰能力强，几百兆比特/秒*光纤损耗小，价高，抗干扰能力强，带宽大，体积小，重量轻，几千兆比特/秒。实例：光纤在几千米距离内，数据率 = 2 GHZ / S 同轴电缆 在 1 千米距离内，数据率 = 几百 MHZ / S 双绞线在 1 千米距离内，数据率 = 几 MHZ / S b)无线传输信道:自由空间或某种介质。无线电接收设备的组成与原理无线电接收

4、过程正好和发送过程相反，它的基本任务是将通过天空传来的电磁波接收下来，并从中取出需要接收的信息信号。下图是一个最简单的接收机的方框图，它由接收天线、选频电路、检波器和输出变换器(耳机)四部分组成。选 频电 路检波器最简单的接收机方框图直接放大式接收机的方框图如下图所示。选 频电 路高频放大器检 波器低频电压放大器低频功率放大器直接放大式接收机方框图直接放大式接收机的特点是灵敏度较高，输出功率也较大，特别适用于固定频率的接收。但是，在用于多个电台接收时，其调谐比较复杂。再则，高频小信号放大器的整个接收频带内，频率高端的放大倍数比低端要低。因此，对不同的电台其接收效果也就不同。为了克服这样的缺点，

5、现在的接收机几乎都采用超外差式线路。下图所示是超外差式接收机的方框图。超外差式接收机的中频放大器的中心频率是固定不变的，而且接收机的主要放大倍数由中频放大器承担，所以，整机增益在接收频率范围内，高端和低端的差别就会很小。对于调谐来说，仅对混频器的选频输入回路和本机振荡器进行同步调谐，这是容易实现的。混频器中 频放大器检 波器低频电压放大器低频功率放大器本机振荡器超外差式接收机的方框图超外差接收机由于有固定频率的中频放大器，它不仅可以实现较高的放大倍数，而且选择性也很容易得到满足。可以同时兼顾高灵敏度与高选择性，这是非常重要的。本课程讲授的各功能电路，大多属于非线性电子线路。非线性电子线路的分析

6、方法与线性电子线路的分析方法是不相同的。因而，在学习本课程的各功能电路时，要根据不同电路的功能和特点，掌握各个功能电路的实现方法和基本原理； 要根据输入信号的大小和器件的工作状态的不同选用不同的近似分析法，系统地了解非线性电子线路的分析方法。高频电子线路的理论与实践必须紧密联系，要学会用理论去指导实验和分析实验现象，从而得出合理的结论，这对我们以后的工作会有很大帮助。无线信道及传播方式表列出了无线电波的频段划分、主要传播方式和用途等。表中列出的频段、传播方式和用途的划分是相对而言的，相邻频段间无绝对的分界线。频带波长表 无线电波的频段、传播方式和用途名称主要传播方典型应用式3 kHz30100

7、10 km甚低频地波远距离导航；声纳；电报；电话30 300kHz10km1低 频 （ 长波）地波导航系统； 航标信号；电报；通信0.3 MHz31000100 m中 频 （ 中波）地波或天波调幅广播；舰船无线通信；测向；遇险和呼救3100高 频 （ 短天波或地调幅广播； 短波通30MHz10 m波）波信；飞机与船通信；岸与船通信30101甚高频直 线 传电视广播； 调频广GHz300MHzm（超短波）播播；航空通信；导航设备0.3 3100特高频直 线 传电视广播；雷达；遥GHz10 cm（分米波）播控遥测；导航；卫星通信；移动通信；3101超高频直 线 传卫星通信； 空间通30GHzcm（

8、厘米波）播信；微波接力；机载雷达；气象雷达30101极高频直 线 传雷达着陆系统；射电300mm（毫米波）播天文无线电波的主要传播方式图高频电子线路课程教案一、讲授题目：高频电路基础知识二、教学目标掌握谐振回路，理解高频小信号放大器的主要技术指标三、教学重点难点教学重点：谐振回路教学难点：谐振回路四、教学过程*高频：被放大信号的频率在数百千赫至数百兆赫。由于频率高，放大器的晶体管的极间电容的作用不能忽略。*小信号：放大器输入信号小，可以认为放大器的晶体管(或场效应管)是在线性范围内工作，这样就可以将晶体管(或场效应管)看成为线性元件，分析电路时可将其等效为二端口网络。*放大器：功能是实现对微弱

9、的高频信号进行不失真的放大。高频小信号放大器的分类图高频小信号放大器的通频带1）高频：几百千赫至几百兆赫（105108Hz）小信号： 5mv .（2） 相对带宽： Dff0（3） 窄带放大器： Df 5%f0高频小信号放大器的主要技术指标（1）电压增益与功率增益pA = u0 ,A = 0uuppii(2)通频带* 相对带宽： Dff0* 窄带放大器： Df 1, R = R = 00= (1+ Q2 )r Q2 rpp0Gr000 00R = R R/(R+ R )0 L0LY = 1 + j(wc - 1 ) = g + j(wc - 1 )RwLwLww= g1+ jQ ( - 0 )g

10、 = 1 +R0L ww01 = g + g R0LL回路谐振频率和有载品质因数为w = w =1,Q = R =1= wCp0LCLw Lw Lgg00则并联谐振回路的阻抗的模及相角为| Z (w) |= 1 =RYww1 + Q2 (L w0- w0 )20j(w) = -arctan Q ( w - w )L ww0可以看出，当w = w 时，回路谐振，回路等效为纯电阻，其阻值最大为 R。0在回路加电流源 I 激励时，输出电压U0( jw) = Iz(w),w = w 时，U00( jw ) = IR 。并联谐振回路的输出电压相对幅频特性和相频特性为1 + Q2 (- 0 )wwL w0

11、w0U (w) =1wU ()000j(w) = -arctan Q ( w - w )L ww0图并联回路的阻抗特性串并联阻抗的等效互换下图是一个串联电路与并联电路的等效互换图。设串联电路是由 X ，与 r11组成，等效后的并联电路是由 X 与 R 组成。所谓“等效”是指在工作频率相22同的条件下，AB 两端的阻抗相等。也就是等效互换电路R jXR X 2R2 Xr + jX = 22 = 2 2+ j2 211R + jXR2 + X 2R2 + X 2222222R X 2R2 Xr =2 2 , X =2 21R2 + X 21R2 + X 22222根据品质因数 Q 的定义， QX1

12、R=2 = Q1rX212式中，Q 为并联回路的品质因数。可见等效互换结果Q 不变，即 Q =Q =Q ，可得212X 2 RR1r = 2 2= 2= R1R2 + X 2R2Q2 + 1 2222 + 1X 22=R2 XXX2 22=1X1R2 + X 2X 21 + 12221 +2R2Q22这个结果表明，串联电路转换为等效并联电路后，R2 为串联电路 r1 的 Q2 倍，而x2 与串联电路x1 相同，保持不变。高频电子线路课程教案一、讲授题目：晶体管高频小信号谐振放大器二、教学目标：掌握高频小信号放大器三、教学重点难点教学重点：体管高频小信号等效电路教学难点：单调谐回路谐振放大器四、

13、教学过程晶体管 y 参数等效电路晶体管 y 等效电路图根据二端口网络理论，I = y U111 1+ y U12 2I = y U221 1+ y U22 2其中， y = y11 i= I /U1|1 U =02称为输出短路时的输入导纳；y = y12 r= I /U1|2 U =01称为输入短路时的反向传输导纳；y = y21 fy = y22 o= I /U2= I /U2|1 U =02|2 U =01称为输出短路时的正向传输导纳； 称为输入短路时的输出导纳。对于共发射极组态， I= I , U = U, I = I , U = U，其中 y 参数用 y 、 y 、1b1be2c2ce

14、ierey 、 yfeoe表示。对于共基极组态， I1= I , Ue1= U , Ieb2= I , Ue2= U ，其 y 参数用 y 、cbiby 、 yrbfb、 y 表示。对于共集电极组态，Iob1= I , Ub1= U , Ibe2= I , Ue2= U ，其y 参数ec用 y 、 yicrc、 y 、 ffcoc表示。混合等效电路下图所示是晶体管混合等效电路。放大器的等效电路及其简化单调谐回路谐振放大器单级调谐放大器高频等效电路图单调谐放大器简化等效电路图由三极管的内部特性，有I = y Ubie i+ y Ure eI = ycUfe i+ y Uoe e由外部负载特性，有

15、Ic= -Y U得L cU = -yfeUcy + Y i oeLI = y Uy y+ -re fe U 放大器的输入导纳为bie iy + Y i oeLIy yY = b = yiUiei- fe re y + Y oeL得放大器的输出导纳为 Y =Ie = y- y fe yreiUoe ey + Yies设 T 和 T 是同型号的晶体管，电感线圈的电感量为 L，在工作频率时的空12载 品 质 因 数 为Q， 则 空 载 谐 振 电 导 g= 1/(w LQ ) 。 由 于0000y = gieie+ jwC , yieoe= g + jwCoeoe，故 yie可用 g 和Cieie并

16、联表示， y 用 goeoe和C 并联oe表示。根据接入系数的定义， p1= N / N , p12132= N / N4513。由简化等效电路可以很方便地对放大器的技术指标进行分析。放大器的技术指标1电压增益根据定义， Au= 0 ,uuiA = 0p ，ppiY = gSS+ jwCS+ 1jwL式中， gS= p2 g1 oe+ g + p2 g ；02 ieC = p2CS1 oe+ C + p2C2 ie从等效关系可知U0 =- p y1Ui = -p y U1 fe ifeg2SpY+ jwC +SS则1jwLUp p yUA =o = -1 2 feiug + jwCSS+ 1L

17、CSjwL放大器谐振时， w C0 S- 1/(w L) = 0 ，对应的谐振频率w00= 1/，则A = -u 0p p y1 2 feg可见，谐振时的电压增益 Au 0S与晶体管的正向传输导纳 y成正比，与回路两端总fe电导 gS 成反比，负号表示放大器的输入与输出电压相位差高频电子线路课程教案一、讲授题目：小信号谐振放大器的稳定性二、教学目标: 了解晶体管高频小信号谐振放大器的稳定性三、教学重点难点不稳定的原因及提高稳定性的措施四、教学过程谐振放大器存在不稳定的原因在实际运用中，晶体管存在着反向传输导纳 y ,放大器的输出电压可通过晶体管的 yrere反向作用到输入端，引起输入电流的变化

18、，这种反馈作用将可能引起放大器产生自激等不良后果。由图可见， 放大器的输入导纳 Y = y + Y= y - y y/( y+ Y ) 。其中，iieFiere feoeLY = g+ jb= - y y/( y+ Y ) 。Y是频率的函数。在某些频率上，g有可能为负FFFrefeoeLFF值。回路的总电导将可能减小，甚至为零，QL将 趋于无限大，放大器处于自激振荡状态。图等效输入电路放大器的稳定系数及稳定增益图调谐放大器等效电路提高谐振放大器稳定性的措施使晶体管 y 的反馈作用消除的过程称为单向化。单向化的目的就是提高放re大器的稳定性。单向化的方法有中和法和失配法。(一)中和法所谓中和，是

19、在晶体管放大器的输出与输入之间引入一个附加的外部反馈电路，以抵消晶体管内部 yre的反馈作用。下图所示是有中和电路的放大器。具有中和电路的放大器(二)失配法失配法的实质是降低放大器的电压增益，以确保满足稳定的要求。可以选用合适的接入系数 p 、p 或在谐振回路两端并联阻尼电阻来实现降低电压增益。在12实际运用中，较多的是采用共射一共基级联放大器，其等效电路如图所示。共射-共基级联放大器高频电子线路课程教案一、讲授题目：高频功率放大器二、教学目标理解晶体管高频功率放大器的功能、分类和主要技术指标三、教学重点难点1、基本电路及其特点2、高频功率放大器的工作原理四、教学过程一、高频功率放大器的功能无

20、线电通信的任务是传送信息。为了有效地实现远距离传输，通常是用要传送的信息对较高频率的载频信号进行调频或调幅，经过高频功率放大达到较大功率，再通过天线辐射出去。高频功率放大器的特点是放大信号频率高，要求输出功率高和效率高。高频功率放大器的功能是用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器，将直流电源供给的能量转换为大功率的高频能量输出，其输出信号与输入信号的频谱相同，如图 1 所示。图 1高频功率放大器的频谱表示二、高频功率放大器的分类高频功率放大器可分为窄带功率放大器和宽带功率放大器两类。窄带功率放大器一般都具有窄带选频网络，难于做到瞬时调谐。宽带高频功率放大器采用了具有宽频带特性的传输线变压器

21、作为负载，不需要调谐，适用于频率相对变化范围大。为了提高效率，窄带高频功率放大器工作状态多选用在丙类或丁类，甚至戊类放大；宽带高频功率放大器只能选用甲类和乙类推挽放大工作状态。三、高频功率放大器的主要技术指标高频功率放大器的主要指标是高频输出功率、效率、功率增益和谐波抑制度等。图 2 是丙类高频功率放大器的原理电路图。图 2(a)所示是一般中间级原理电路，其负载是下一级的输入阻抗经变压器二次侧折合到一次侧，与 Lc 谐振回路组成的等效负载。图 2(b)所示是最简单的输出级原理电路，其负载是天线，而天线的等效阻抗可看成为天线电容 c。和电阻 r。串联组成。从原理图可以看出，无论是中间级还是输出级

22、，其负载均可等效为并联谐振回路。因而，在分析讨论丙类高频功率放大器时，通常是用图 3 所示的原理电路。图 2丙类高频功率放大器原理图图 3高频功率放大器原理图从原理图可以看出，丙类高频功率放大器的特点是： 为了提高效率，晶体管发射结为负偏置，由 V 来保证。BB 负载为谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。丙类高频功率放大器一、工作原理丙类高频功率放大器的发射结在 V 的作用下处于负偏压状态，当无输入信BB号电压时，晶体管 T 处于截止状态，集电极电流 ic= 0。当 输 入 信 号 电 压 为 ub= Ucosw t 时 ， 基 极 与

23、发 射 极 之 间 的 电 压bmu= VBEBB+ Ucoswt ，由输入特性可得基极电流ibmB为脉冲形状。iB可用傅里叶级数展开为i = IB B 0+ Ib1mcoswt + Ib 2mcos2 wt + Ibnmcos nwt式中，IB 0为基极电流的直流分量；Ib1m为基极电流的基波电流振幅；Ib2m, Ibnm分别为基极电流的二次至 n 次谐波电流振幅。同理由正向传输特性可得集电极电流 iC为脉冲状， iC也可用傅里叶级数展开为i = ICC 0+ Ic1mcoswt + Ic 2mcos2wt + Icnmcos nwt式中， IC 0为集电极电流的直流分量；Ic1m为集电极电

24、流的基波电流振幅；Ic 2m, Icnm分别为集电极电流的二次至 n 次谐波电流振幅。当集电极回路调谐于高频输入信号频率时，由于回路的选择性，对集电极电流的基波分量来说，回路等效为纯电阻R ；对各次谐波来说，回路失谐，呈现p很小的阻抗，回路两端可近似认为短路；而直流分量只能通过回路电感支路，其直流电阻很小，也可近似认为短路。这样，脉冲形状的集电极电流 i 流经谐振c回路时，只有基波电流才产生电压降，即回路两端只有基波电压。因而输出的高频电压信号的波形没有失真。回路两端的基波电压振幅 U 为cmUIRcmc1m p高频电子线路课程教案一、讲授题目：丙类(C 类)高频功率放大器的工作原理二、教学目

25、标理解晶体管高频功率放大器的工作原理三、教学重点难点集电极余弦电流脉冲的分解四、教学过程下图是丙类高频功率放大器各级电压和电流的波形图。各级电压和电流波形 丙类(C 类)高频功率放大器的折线分析法由于丙类高频功率放大器工作在大信号非线性状态，所以，晶体管的小信号等效电路的分析方法是不适用的。虽然采用静态特性曲线经过理想化成为折线来进行近似分析会存在一定的误差，但是，用它对高频功率放大器进行定性分析是一种较为简便的方法。1、晶体管特性曲线的理想化及其解析式静态特性曲线及其理想化输入特性曲线的理想化图(a)所示的虚线表示的直线就是理想化的输入特性曲线。其数学表示式为i = 0Bu UBEBZi =

26、 g (uBbBE- U)BZu UBEBZ式中，g 为理想化输入特性的斜率，即b正向传输特性曲线的理想化g = DibB/ DuBE理想化晶体管的电流放大系数被认为是常数，因而将输入特性的 i 乘以B就可得到理想化正向传输特性。正向传输特性的斜率为g = DicC/ DuBE= bDiB/ DuBE= b gbg 称为理想化晶体管的跨导。它表示晶体管工作于放大区时，单位基极电压c变化产生的集电极电流变化。正向传输特性的数学表示式为i = 0Cu UBEBZi = g (uCcBE- U)BZu UBEBZ输出特性曲线的理想化图 (b)所示的输出特性曲线要分别对饱和区和放大区采取不同的简化方法

27、。在饱和区，根据理想化原理，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。这样，理想化特性曲线对不同的 u 值，应重合为一条通过原点的斜BE线。该斜线称为饱和临界线，其斜率用g 表示。它表示晶体管工作于饱和区时，cr单位集电极电压变化引起集电极电流的变化的关系。可表示为式中， gcr= DiC/ Du。CEv = g uC cr CE在放大区，根据理想化原理，集电极电流与集电极电压无关。那么，各条特性曲线均为平行于 u轴的水平线。又因=i i为常数，故各平行线对等差的iBCECB来说，间隔应该是均匀相等的。2、集电极余弦电流脉冲的分解余弦电流脉冲的表示式余弦电流脉冲是由脉冲高度 I和通角来

28、决定的。只要知道这两个值，CMC脉冲形状便可完全确定。在已知条件下，通过理想化正向传输特性求出集电极电流脉冲，可用下图来说明。丙类状态下集电极电流波形图设激励信号为 ub= Ucosw t ，则ubmBE= V + UBbbmcoswt 。而晶体管理想化正向传输特性可表示为i = 0u UCBEBZ将 u 代人式中，可得BEi = g (u- U ) u UCcBEBzBEBZi = g (V+ Ucoswt - U)CcBBbmBZ当wt = qc时， ic= 0 ，代入上式中可得cosqU- V=BZBBcUbm上式表明，已知 V ,U 和 U 可确定高频功率放大器的半通角 ，有时也称为通

29、BBBZbmC角。通常用 = 180。表示甲类放大； = 90。表示乙类放大； 90。表CCC示丙类放大。但是，必须注意的是高频功率放大器的实际全通角为 2 .C当w t = 0 时， iC= I，可得CMi = g UCc bm(coswt - cosq )cI= g UCMc bm(1- cosq )c得集电极余弦电流脉冲的表示式为ccoswt - cosq余弦电流脉冲的分解系数i = ICCM1 - cosqc周期性的电流脉冲可以用傅里叶级数分解为直流分量、基波分量及高次谐波分量，即 i 可写成为Ci = ICC 0式中+ Ic1mcoswt + Ic 2mcos2wt + Icnmco

30、s nwtI= 1C 02p p i d (wt) =-p c1 qc Icoswt - cosq 1 - cosqc d (wt)c2p -q CMcsinq - cosq= Ic cc = Ia (q )CM p(1- cosq )cCM 0 cI= 1 p i coswtd (wt) =1 qc Icoswt - cosqc coswtd (wt)c1mp -p cp -q CMc1 - cosqcq - sinq cosq= Iccc = Ia (q )CMp(1- cosq )cCM 1 c1p1 qcoswt - cosqI=i cos nwtd (wt) = c Ic cos n

31、wtd (wt)cnmp -p Cp -q CMc1 - cosqc 2 sin nq cosq - n cos nq sinq = Icccc = Ia (q )n n -qCM p( 21)(1 cos)cCM nc称为余弦电流脉冲分解系数。 ( )为直流分量分解系数； ( )0C1C为基波分量分解系数； ( )为 n 次谐波分量分解系数。这些分解系数在使C用中，通常不需要通过积分关系求出各个分量，可以由下图或本章附录中查得。图中给出了 、 、和 g =I I与 的关系曲线。本章01231c1mc0mC附录给出了不同 值所对应的C0、 、12和 g 的数据值。1余弦脉冲分解系数与的 关系C高频电子线路课程教案一、讲授题目：高频功率放大器特性二、教学目标理解晶体管高频功率放大器的工作原理三、教学重点难点1、功率放大器的功率与效率2、高频功率放大器的负载特性及动态特性四、教学过程功率与效率可知，丙类高频功率放大器的 uBE和 u