第2章高頻電路基礎(chǔ)(修改)

1、第2章 高頻電路基礎(chǔ)第第2章章 高頻電路基礎(chǔ)高頻電路基礎(chǔ) 2.1 高頻電路中的元件、高頻電路中的元件、 器件和組件器件和組件 2.2 電子噪聲電子噪聲 第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.1 高頻電路中的元件、高頻電路中的元件、 器件和組件器件和組件2.1.1高頻電路中的元器件高頻電路中的元器件 LRCRR第2章 高頻電路基礎(chǔ) LCRCC(a)阻抗頻率 f(b)0第2章 高頻電路基礎(chǔ) LQr第2章 高頻電路基礎(chǔ)阻抗與相角阻抗相角頻率 fSRF0第2章 高頻電路基礎(chǔ) 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 第2章 高頻電路基礎(chǔ)高頻振蕩回路高頻振蕩回路第2章 高頻電路基礎(chǔ)第2章 高頻電路基礎(chǔ)第2章 高頻電路基礎(chǔ)并聯(lián)諧振回路的選

2、頻特性并聯(lián)諧振回路的選頻特性Is.LCZ+Uo Is.LrCCLrCLrIUZ j/1jj/ )j(so )/1( j/CLrCL CL/1 當(dāng)當(dāng) 1 0，LC LCf210 rCLRZ p第2章 高頻電路基礎(chǔ)CrrLQ001 回路等效損耗電阻回路等效損耗電阻抗抗回路諧振時(shí)的感抗或容回路諧振時(shí)的感抗或容CL CL001 PRrQ 第2章 高頻電路基礎(chǔ))/(j100p QRrCLrCLCLrCLZ)/1(j1/)/1( j/ 20 0p2j1Z QR20p21Z）（ QR)2arctan0 Q（第2章 高頻電路基礎(chǔ)O Z RP 阻抗幅頻特性阻抗幅頻特性 O 90-90阻抗相頻特性阻抗相頻特性0這

3、對曲線說明了并這對曲線說明了并聯(lián)諧振回路具有怎聯(lián)諧振回路具有怎樣的頻率特性？樣的頻率特性？第2章 高頻電路基礎(chǔ)O Z RP 阻抗幅頻特性阻抗幅頻特性 O 90-90阻抗相頻特性阻抗相頻特性0諧振時(shí)，回路相移為零，回路阻抗最大且為純電阻。諧振時(shí)，回路相移為零，回路阻抗最大且為純電阻。失諧時(shí)，回路有相移，且回路阻抗下降。失諧時(shí)，回路有相移，且回路阻抗下降。 0 0 時(shí)時(shí), , 回路呈容性，相移為負(fù)；回路呈容性，相移為負(fù)； 0 0 時(shí)時(shí), , 回路呈感性，相移為正；回路呈感性，相移為正；Q Q 值增大，曲線變陡值增大，曲線變陡Q增大增大Q增大增大 1 0，LC rCLRZ p-90 -90 900)

4、時(shí)，則時(shí)，則Xf呈容性呈容性(Xf0)；反之，；反之，當(dāng)當(dāng)X2呈容性呈容性(X20)。 第2章 高頻電路基礎(chǔ)22()Mr3 3）反射電阻和反射電抗的值與耦合阻抗的平方值）反射電阻和反射電抗的值與耦合阻抗的平方值（ M）2成成正比。當(dāng)互感量正比。當(dāng)互感量M=0時(shí)，反射阻抗也等于零。這就是單回路時(shí)，反射阻抗也等于零。這就是單回路的情況。的情況。4 4）當(dāng)初、次級回路同時(shí)調(diào)諧到與激勵(lì)頻率諧振（即）當(dāng)初、次級回路同時(shí)調(diào)諧到與激勵(lì)頻率諧振（即X1=X2=0）時(shí)，反射阻抗為純阻。其作用相當(dāng)于在初級回路中增加一電時(shí)，反射阻抗為純阻。其作用相當(dāng)于在初級回路中增加一電阻分量，阻分量， 且反射電阻與原回路電阻成反

5、比。且反射電阻與原回路電阻成反比。第2章 高頻電路基礎(chǔ)kQAQrL00002)(耦合因子 初次級串聯(lián)阻抗可分別表示為 MjZjrZjrZm)1 ()1 (2211 耦合阻抗為 轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性 常取 L1=L2=L，C1=C2=C，Q1=Q2=Q廣義失諧第2章 高頻電路基礎(chǔ)由圖2 12（c）等效電路, 轉(zhuǎn)移阻抗為 222221212111IUj CIZCCEIj C E (2 29) 由次級感應(yīng)電勢 產(chǎn)生, 有2ImZI1212ZZIIm考慮次級的反射阻抗, 則)()(22111ZZZIZZIEmf 將上兩式代入式(2 29), 再考慮其它關(guān)系, 經(jīng)簡化得 第2章 高頻電路

6、基礎(chǔ)jAACQjZ2122021 (2 30)根據(jù)同樣的方法可以得到電容耦合回路的轉(zhuǎn)移阻抗特性為jAALjQZ21220212222max21214)1 (2AAZZ （2 32） （2 31） Qk10（2 33）A1時(shí)稱臨界耦合，其臨界系數(shù)k0=1/Q,|Z21|曲線單峰第2章 高頻電路基礎(chǔ)4max21214111ZZ（2 34） A時(shí)稱過耦合，|Z21|曲線雙峰A時(shí)稱欠耦合，|Z21|曲線單峰下圖為歸一化的轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性。臨界耦合時(shí)的特性為QfB07 . 02(2 35) 回路帶寬第2章 高頻電路基礎(chǔ)|Z21|max|Z21|10.707k k0k k0k k0ff1faf0fbf2

7、0 圖 2 13 耦合回路的頻率特性 7 . 01 . 01 . 0BBK（2 36） 矩形系數(shù)第2章 高頻電路基礎(chǔ)臨界耦合時(shí)過耦合狀態(tài)時(shí)，凹陷點(diǎn)等于0.707時(shí)00.72.413.1fABQ15. 35 . 41 . 001 . 0KQfB第2章 高頻電路基礎(chǔ) 2. 高頻變壓器和傳輸線變壓器高頻變壓器和傳輸線變壓器 (1) 高頻變壓器及其特點(diǎn) 變壓器是靠磁通交鏈, 或者說是靠互感進(jìn)行耦合的。 (1) 為了減少損耗, 高頻變壓器常用導(dǎo)磁率高、 高頻損耗小的軟磁材料作磁芯。 (2) 高頻變壓器一般用于小信號場合, 尺寸小, 線圈的匝數(shù)較少。 第2章 高頻電路基礎(chǔ)(a)(b)(c) 圖 2 14

8、高頻變壓器的磁芯結(jié)構(gòu)（a） 環(huán)形磁芯; (b) 罐形磁芯; (c) 雙孔磁芯 N1N2(a)LSCSLN1N2(b)圖 2 15 高頻變壓器及其等效電路 (a) 電路符號; (b) 等效電路第2章 高頻電路基礎(chǔ) 用于窄帶電路時(shí)，已知f時(shí)的電路參數(shù)L，Ls，Cs,能構(gòu)成電路并進(jìn)行計(jì)算。 用于寬帶電路時(shí)：低頻端，L的阻抗小，對負(fù)載起分流作用，影響低頻響應(yīng)。高頻端，Cs的阻抗起旁路作用，而漏感Ls的阻抗大，起分壓作用。要展寬高頻范圍，應(yīng)減少變壓器的Ls和Cs,但勵(lì)磁電感L也隨匝數(shù)減少而迅速變小，這會(huì)導(dǎo)致低頻響應(yīng)變差，故采用高磁導(dǎo)率的高頻磁芯。第2章 高頻電路基礎(chǔ) 2) 傳輸線變壓器 傳輸線變壓器就是

9、利用繞制在磁環(huán)上的傳輸線而構(gòu)成的高頻變壓器。 圖 2 17 為其典型的結(jié)構(gòu)和電路圖。 磁環(huán)42132143(a)(b)圖 2 17 傳輸線變壓器的典型結(jié)構(gòu)和電路 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖; （b） 電路 第2章 高頻電路基礎(chǔ)rrfvcv0（2 39） （2 40） RSES1324U1.RLU2.ZCI.RSES1234U1.RLUL(a)(b)I. 圖 2 18 傳輸線變壓器的工作方式 (a) 傳輸線方式; (b) 變壓器方式 第2章 高頻電路基礎(chǔ)傳輸線工作方式的特點(diǎn)：在傳輸線的任一點(diǎn)上，兩導(dǎo)線上流經(jīng)的電流大小相等，方向相反。RLZC時(shí)，兩導(dǎo)線間的電壓沿線均勻分布（指振幅）變壓器方式：勵(lì)磁電感較大

10、，其感抗值遠(yuǎn)大于特性阻抗Zc和負(fù)載阻抗，12端和34端有相同的電壓。傳輸線變壓器的寬帶性能的好壞與參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸的選擇有很大關(guān)系，特性阻抗Zc和負(fù)載阻抗ZL接近，以實(shí)現(xiàn)匹配。第2章 高頻電路基礎(chǔ)RSESU1.132U2.RLUL.(a)(b)RSESU1.132RL/2I1.I2.4I1.U1/2.ZCI2.U1/2.RL/2U1.2U1.2RSU1.132U2.RLUL.(c)I.I.U2.I.U1.RSES.ES.RLRbRL42A13U1.BUL.UL.I2.I1.(d).4.4 圖 2 19傳輸線變壓器的應(yīng)用舉例 （a） 高頻反相器; （b） 不平衡平衡變換器; （c） 1 4 阻抗變

11、換器; (d) 3 分貝耦合器 第2章 高頻電路基礎(chǔ)例例第2章 高頻電路基礎(chǔ) 3. 石英晶體諧振器石英晶體諧振器 1) 物理特性 石英晶體諧振器是由天然或人工生成的石英晶體切片制成。 2) 等效電路及阻抗特性 圖 2 22 是石英晶體諧振器的等效電路。 由圖 2 22(b)可看出, 晶體諧振器是一串并聯(lián)的振蕩回路, 其串聯(lián)諧振頻率fq和并聯(lián)諧振頻率f0分別為第2章 高頻電路基礎(chǔ)第2章 高頻電路基礎(chǔ)第2章 高頻電路基礎(chǔ)q1q3q5C0LqCqrqC0(a)(b) 圖 2 22 晶體諧振器的等效電路 (a) 包括泛音在內(nèi)的等效電路; (b) 諧振頻率附近的等效電路 其中： 安裝電容C0約pFF 動(dòng)

12、態(tài)電感Lq約10-3H102 H 動(dòng)態(tài)電容Cq約10-4pF10-1pF 動(dòng)態(tài)電阻rq約幾十歐到幾百歐第2章 高頻電路基礎(chǔ)q1q3q5C0LqCqrqC0(a)(b) 圖 2 22 晶體諧振器的等效電路 (a) 包括泛音在內(nèi)的等效電路; (b) 諧振頻率附近的等效電路 0000011212121CCfCCCLCCCCLfCLfqqqqqqqqqqq(2 42) (2 43) 第2章 高頻電路基礎(chǔ))211 (00CCffqq（2 44） 圖 2 22(b)所示的等效電路的阻抗的一般表示式為 001)1()1(1CjCLjrCLjrCjZqqqqqqe在忽略rq后, 上式可化簡為 22022011

13、1qeeCjjXZ （2 45） 第2章 高頻電路基礎(chǔ)Xe0q0圖 2 23 晶體諧振器的電抗曲線 qqqeLCLddddXq2)1(（2 46） 第2章 高頻電路基礎(chǔ)1:211Z1Z222RLb0fqf0(a)(b)f圖 2 24 晶體濾波器的電路與衰減特性（a） 濾波器電路; （b） 衰減特性 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 4. 集中濾波器集中濾波器 1) 陶瓷濾波器陶瓷諧振片 圖 2 25 陶瓷濾波器電路 第2章 高頻電路基礎(chǔ)第2章 高頻電路基礎(chǔ) 2) 聲表面波濾波器 圖 2 26(a)中的聲表面波濾波器的傳輸函數(shù)為0020002sin2sin)(2sin2sin)exp()(NjHNxvjjH

14、（2 47） （2 48） 第2章 高頻電路基礎(chǔ)第2章 高頻電路基礎(chǔ) 5. 衰減器與匹配器衰減器與匹配器 1) 高頻衰減器 VVWVWW 圖 2 28 T型和型網(wǎng)絡(luò) R1R2R3Z1Z2 圖 2 29 T型電阻網(wǎng)絡(luò)匹配器 第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.2 電子電子 噪噪 聲聲 2.2.1 概述概述 所謂干擾（或噪聲）, 就是除有用信號以外的一切不需要的信號及各種電磁騷動(dòng)的總稱。 2.2.2 電子噪聲的來源與特性電子噪聲的來源與特性 1. 電阻熱噪聲 1) 熱噪聲電壓和功率譜密度 kTBRdteTLimEnTn41202（2 49） )21exp(21)(222nnnnEeEep（2 50） 第2章

15、高頻電路基礎(chǔ)第2章 高頻電路基礎(chǔ)RR (理想)E2n4 kTBRGI2n4 kTBG(a)(b)圖 2 31 電阻熱噪聲等效電路 )/(4)/(422HzAkTGSHzVkTRSIU （2 51） （2 52） 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 2) 線性電路中的熱噪聲 )(42122212RRkTBEEEnnn（2 53） dfSESjHSUonUiUo022)(2 54) |H(j)|2U2iSUiU2oSUo圖 2 32熱噪聲通過線路電路的模型 多個(gè)電阻的熱噪聲熱噪聲通過線性網(wǎng)絡(luò)第2章 高頻電路基礎(chǔ)LrCLrCSUi 4kTrReXe(a)(b)(c)SUo 圖 2 33并聯(lián)回路的熱噪聲kTrCLr

16、CSUo4)1()1(222(2 54) 1()1jCH jrj LjC第2章 高頻電路基礎(chǔ) 并聯(lián)回路可以等效為Re+jXe（圖 2 33（c）,現(xiàn)在看上述輸出噪聲譜密度與Re、 Xe的關(guān)系。 eUeeekTRSCLrrCRCjLjrjwLrCjjXRo4)1()1(1)()(1222展開化簡后得 與式(2 55)對比, 可得 (2 55) (2 56) 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 根據(jù)式(2 55)與式(2 56)可以求出輸出端的均方噪聲電壓為QfkTRfdffQRkTfkTrdffQCrfdSdfSEooUUn24)2(144)2(1)(10020020202第2章 高頻電路基礎(chǔ)結(jié)論: 對二端線

17、性電路，其噪聲電壓或噪聲電流 譜密度SU、SI可用等效電阻Re(或Ge)來代替SU=4kTR,SI=4kTG中的R、G。電阻熱噪聲通過線性電路后，一般不再是白噪聲。第2章 高頻電路基礎(chǔ) 3) 噪聲帶寬 圖 2 32 是一線性系統(tǒng), 其電壓傳輸函數(shù)為H(j)。 設(shè)輸入一電阻熱噪聲,均方電壓譜為SUi=4kTR, 輸出均方電壓譜為SUo, 則輸出均方電壓E2n2為 dfjHkTRdfjHSdfSEUiUon2020022)(4)( 設(shè)|H(j)|的最大值為H0, 則可定義一等效噪聲帶寬Bn, 令20224HkTRBEnn（2 57） 則等效噪聲帶寬Bn為2020)(HdfjHBn（2 58）第2章

18、 高頻電路基礎(chǔ)第2章 高頻電路基礎(chǔ) 圖 2 33 的單振蕩回路為例, 計(jì)算其等效噪聲帶寬。 設(shè)回路為高Q電路, 設(shè)諧振頻率為f0， 由前面分析, 再考慮到高Q條件, 此回路的|H(j)| 2可近似為 2022)2(1)1()(ffQCrjHo式中, f為相對于f0的頻偏, 由此可得等效噪聲帶寬為QffdffQBn2)2(11020第2章 高頻電路基礎(chǔ) 2. 晶體三極管的噪聲晶體三極管的噪聲 1) 散彈（粒）噪聲 己知并聯(lián)回路的 3 dB帶寬為B 0.7= f0/Q, 故7 . 07 . 057. 12BBBn012)(qIfS(2 59) 2) 分配噪聲3) 閃爍噪聲 3. 場效應(yīng)管噪聲場效應(yīng)

19、管噪聲 溝道電阻產(chǎn)生的熱噪聲、溝道熱噪聲通過溝道和柵極電容的耦合作用在柵極上的感應(yīng)噪聲、閃爍噪聲第2章 高頻電路基礎(chǔ) 2.2.3 噪聲系數(shù)和噪聲溫度噪聲系數(shù)和噪聲溫度 1 噪聲系數(shù)的定義噪聲系數(shù)的定義 圖 2 35 為一線性四端網(wǎng)絡(luò), 它的噪聲系數(shù)定義為輸入端的信號噪聲功率比(S/N)i與輸出端的信號噪聲功率比(S/N)o的比值, 即線性電路KPNFSiNiSoNo 圖 2 35 噪聲系數(shù)的定義 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 圖中, KP為電路的功率傳輸系數(shù)(或功率放大倍數(shù))。 用Na表示線性電路內(nèi)部附加噪聲功率在輸出端的輸出, 考慮到KP=o/Si, 式(2 60)可以表示為ooiioiFNSNSN

20、SNSN)()(（2 60） ipaipapiFipopioFNKNNKNKNNNKNKNNN1(2 61) (2 62) 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 噪聲系數(shù)通常用dB表示, 用dB表示的噪聲系數(shù)為 oiFFNSNSLgLgNdBN)()(1010)(2 63) 2222nionoFnionoFIINUUN（2 64） （2 65） 注：噪聲系數(shù)的定義只適用于線性或準(zhǔn)線性電路第2章 高頻電路基礎(chǔ) 2噪聲溫度噪聲溫度 將線性電路的內(nèi)部附加噪聲折算到輸入端, 此附加噪聲可以用提高信號源內(nèi)阻上的溫度來等效, 這就是“噪聲溫度”。 由式(2 62), 等效到輸入端的附加噪聲為Na/KP, 令增加的溫度為T

21、e, 即噪聲溫度, 可得BkTKNepa（2 66） 這樣, 式(2 62)可重寫為TNTTTBkTBkTNBkTNFeeeieF) 1(111（2 67） (2 68) 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 2.2.4噪聲系數(shù)的計(jì)算噪聲系數(shù)的計(jì)算 1額定功率法額定功率法 額定功率, 又稱資用功率或可用功率, 是指信號源所能輸出的最大功率, 它是一個(gè)度量信號源容量大小的參數(shù), 是信號源的一個(gè)屬性, 它只取決于信號源本身的參數(shù)內(nèi)阻和電動(dòng)勢, 與輸入電阻和負(fù)載無關(guān), 如圖 2 36 所示。 SSamSSamRIPREP22414（2 69） （2 70） 第2章 高頻電路基礎(chǔ)RSESRL RSISRSRL RS(

22、a)(b) 圖 2 36 信號源的額定功率 （a） 電壓源; （b） 電流源 額定功率增益KPm是指四端網(wǎng)絡(luò)的輸出額定功率Psmo和輸入額定功率Psmi之比, 即smismoPmPPK（2 71） 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 根據(jù)噪聲系數(shù)的定義, 分子和分母都是同一端點(diǎn)上的功率 比, 因此將實(shí)際功率改為額定功率, 并不改變噪聲系數(shù)的定義, 則mipmmomoamomismiFNKNNPNPN（2 72） 因?yàn)镹mi= kTB, Nmo= KPmNmi+ Nmn, , 所以 kTBKkkTBKNNpmmnpmmoF1（2 73） 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 式中, Psmi和Psmo分別為輸入和輸出的信號額

23、定功率; Nmi和Nmo分別為輸入和輸出的噪聲額定功率; Nmn為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的最大輸出噪聲功率。 也可以等效到輸入端, 有kTBNNmoiF（2 74） 式中, Nmoi=Nmo/KPm是網(wǎng)絡(luò)額定輸出噪聲功率等效到輸入端的數(shù)值。 LKNpmF1 (2 75) 無源四端網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)：第2章 高頻電路基礎(chǔ)無 源四端網(wǎng)絡(luò)KPmE2S.Roj Xo4 kTBRoUon2(a)(b)RSRL圖 2 37 無源四端網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù) 第2章 高頻電路基礎(chǔ)例：求如例：求如圖所示虛線內(nèi)電阻網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)。圖所示虛線內(nèi)電阻網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)。 1212()()inFoutPRsRRRsRNPRsR第2章 高頻電路基礎(chǔ)抽

24、頭回路的噪聲系數(shù)： 將信號源電導(dǎo)等效到回路兩端, 為p2GS, 等效到回路兩端的信號源電流為pIS, 輸出端匹配時(shí)的最大輸出功率為 SSsmSSmoGIPGpGIpP4)(42222 輸入端信號源的最大輸出功率為 因此, 網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)為SSSpmFGpGGpGpGPPKN22211pISGSLCG第2章 高頻電路基礎(chǔ)第一級NF1KPm1kTBN1第二級NF2KPm2No根據(jù)定義, 級聯(lián)后總的噪聲系數(shù)為圖 2 39 級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù) 0FPmNNKkTB（2 76） 式中, No為總輸出額定噪聲功率, 它由三部分組成: 經(jīng)兩級放大的輸入信號源內(nèi)阻的熱噪聲; 經(jīng)第二級放大的第一級網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的附加噪

25、聲; 第二級網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的附加噪聲, 即0212pmpmaaNKkTBKNN級聯(lián)四端網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)：第2章 高頻電路基礎(chǔ) 按噪聲系數(shù)的表達(dá)式, Na1和Na2可分別表示為kTBKNNkTBKNNpmFapmFa222111) 1() 1( 則 kTBKNNKkTBNKkTBNKKkTBKNpmFFpmFpmFpmpmpmo) 1() 1() 1(22122121將上式代入式（2 76）, 得 1211PmFFFKNNN(2 77) 第2章 高頻電路基礎(chǔ)用同樣的方法不難推出多級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)的公式為 21312111PmPmFPmFFFKKNKNNN(2 78) 從式(2 78)可以看出, 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的額定功率增益遠(yuǎn)大于1時(shí), 系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要取決于第一級的噪聲系數(shù)。 越是后面的網(wǎng)絡(luò), 對噪聲系數(shù)的影響就越小, 這是因?yàn)樵降胶蠹壭盘柕墓β试酱? 后面網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲對信噪比的影響就不大了。 因此, 對第一級來說, 不但希望噪聲系數(shù)小, 也希望增益大, 以便減小后級噪聲的影