高頻電子線路第2章高頻電路基礎

1、2022-4-141第第2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎 高頻電路中的元器件高頻電路中的元器件 高頻電路中的基本電路高頻電路中的基本電路 電子噪聲電子噪聲及其特性及其特性 噪聲系數(shù)與噪聲溫度噪聲系數(shù)與噪聲溫度2022-4-142一、高頻電路中的元器件高頻電路中的元器件 高頻電路中的元器件包括無源元件和有源器件。無源元件和有源器件。1、無源元件：電阻、電容和電感、無源元件：電阻、電容和電感l(wèi) 電阻：電阻：電阻器在高頻狀態(tài)下，除電阻特性外，還要考慮分布電感和分布電容，這就是電阻的高頻特性，它與制作電阻的材料、封裝形式與尺寸的大小有密切關系。 電阻的高頻等效電路CR:分布電容；LR:分布電感實際電阻

2、的高頻特性實際電阻的高頻特性：金屬膜電阻好于碳膜電阻；碳膜電阻好于繞線電阻；表面貼裝(SMD)電阻好于引線電阻；小尺寸電阻好于大尺寸電阻。2022-4-143l 電容：電容：對于非理想的電容器，除了電容特性外，還要考慮它的兩極間的絕緣電阻和分布電感。高頻電容器都有一個自身諧振頻率SRF(Self Resonant Frequency) ，只有工作頻率小于SRF，電容器才呈現(xiàn)正常的電容特性。 高頻特性好的電容高頻特性好的電容：片狀電容和表面貼裝電容。2022-4-144l 電感：電感：一個電感器除了其電感特性和線圈損耗電阻外，在高頻電路中還要考慮其分布電容。因此高頻電感器也有其SRF，它的工作頻

3、率應小于這個SRF。 高頻電感與傳輸線變壓器高頻電感與傳輸線變壓器：由小尺寸電感線圈與磁芯構成。2022-4-1451）二極管）二極管l 非線性變換二極管：非線性變換二極管：用于調制、解調和混頻電路中，工作在低電平，結電容小、工作頻率高。 舉例：點觸式二極管舉例：點觸式二極管(如如2AP系列系列) 工作頻率100200MHz。 表面勢壘二極管表面勢壘二極管工作頻率可以達到微波波段。l 變容二極管：變容二極管：結電容隨反偏電壓變化而變化。主要用在電調諧器、電壓控制振蕩器(VCO)、調頻器等電路中。l PIN二極管：二極管：由P型、N型和本征(I型 )半導體組成。它的高頻等效電阻受正向直流電流的控

4、制，主要用在電控的開關、限幅、衰減和移相電路中。2. 高頻電路中的有源器件：高頻電路中的有源器件：半導體二極管、晶體管和集成電路。 主要介紹主要介紹有源器件在高頻狀態(tài)下的特性。2022-4-1463）集成電路）集成電路(IC) 用于高頻的集成電路分為通用IC和專用IC(ASIC)。 通用通用IC：寬帶放大器、模擬乘法器。 ASIC：鎖相環(huán)(PLL)、調頻解調器、單片接收機以及電視機專用集成IC等。2）晶體管和場效應管）晶體管和場效應管(FET) 二者的主要用途二者的主要用途：高頻小信號放大器、高頻功率放大器。 高頻小信號放大管：高頻小信號放大管：要求高增益和低噪聲。 高頻功率放大管：高頻功率放

5、大管：除了高頻增益要求外，還要求有較大的高頻功率輸出。 晶體管：晶體管：工作頻率可達幾千MHz，噪聲系數(shù)為幾個分貝，輸出功率可達上百瓦。 場效應管：場效應管：在同樣的工作頻率下，噪聲系數(shù)要比雙極晶體管的更低。2022-4-147 高頻電路中的基本電路(無源組件或無源網(wǎng)絡)有很多，本章主要介紹高頻諧振高頻諧振 (振蕩振蕩)回路回路、高頻變壓器高頻變壓器、石英晶石英晶體諧振器體諧振器和集中濾波器集中濾波器四種無源組件。其它基本電路(平衡調制器平衡調制器、正交調制器正交調制器、移相器移相器、匹配匹配器與衰減器器與衰減器等)在后續(xù)章節(jié)里介紹。1、高頻諧振、高頻諧振 (振蕩振蕩)回路回路主要功能：主要功

6、能：作為高頻放大器、振蕩器和濾波器的主要部件完成阻抗變換、信號選擇的功能，也可以直接作為負載來使用。高頻諧振回路的分類：高頻諧振回路的分類：簡單諧振諧振回路、抽頭并聯(lián)諧振回路和耦合諧振回路。 二、高頻電路中的基本電路二、高頻電路中的基本電路2022-4-148（1) 簡單諧振回路：簡單諧振回路：只有一個回路的諧振回路稱為簡單諧振回路，包括并聯(lián)諧振回路和串聯(lián)諧振回路兩種。 串聯(lián)諧振回路主要用在低阻抗電路(微波線路)中，而在中波、短波和超短波線路中并聯(lián)諧振回路用的比較廣。l 并聯(lián)諧振回路：并聯(lián)諧振回路： 回路阻抗：回路阻抗： CjLjrCjLjrZp11)(諧振頻率諧振頻率：令ZP的虛部為零，可得

7、諧振頻率。 200101111120QQLCQLC一般電感線圈的，品質因數(shù)品質因數(shù)： LrCLrCrrLQ000,112022-4-149CQLQCrLR000回路諧振阻抗：回路諧振阻抗：諧振時阻抗最大，近似為一純電阻。 011,1111)(CrLCjLjrCLLrCjLjrCjLjCjLjrCjLjrZp上式的推導：上圖是用R0表示的等效電路2022-4-1410用廣義失諧表示回路阻抗：用廣義失諧表示回路阻抗：0000202002220ffQQQQQ 定義廣義失諧arctgRZjRjQRZzpp,1,12120000回路阻抗LrjQRCjLjrCLZp,111000重寫回路阻抗稱為失諧。度表

8、示頻率偏離諧振的程絕對頻率偏移絕對角頻率偏移,:00fff2022-4-1411歸一化阻抗的幅頻特性歸一化阻抗的幅頻特性(諧振特性諧振特性)：品質因數(shù)越高，諧振曲線越尖銳。3dB通頻帶通頻帶(半功率通頻帶半功率通頻帶)：將阻抗幅頻特性下降為諧振值的0.707倍時對應的頻率范圍，簡稱回路帶寬。12200707. 0ffQQffBQfQfBB0021 . 01 . 096. 9110.10:對應的頻率范圍諧振值的定義為諧振曲線下降為矩形系數(shù)：矩形系數(shù)：描述諧振曲線接近理想帶通(矩形)的程度。并聯(lián)諧振回路理想帶通, 196. 9, 1707. 01 . 01 . 0BBKr2022-4-141290

9、LCIIIIIUCLQIII諧振時電壓電流關系：諧振時電壓電流關系：I為回路電流。歸一化阻抗的相頻特性歸一化阻抗的相頻特性：相頻特性斜率越大。越大呈容性呈感性；,:2,200000QZffZffQddQarctgppZZ2022-4-1413 例例 2-1 設一放大器以簡單并聯(lián)振蕩回路為負載，信號中心頻率fs=10MHz，回路電容C=50pF。 (a) 計算所需的線圈電感值； (b) 若線圈品質因數(shù)(空載)為Q=100, 試計算R0及B； (c) 若放大器所需的帶寬(有載)B=0.5 MHz, 則應在回路上并聯(lián)多大電阻R1才能滿足放大器所需帶寬要求? 解解：(a) 計算計算L值值。HCfCfL

10、07. 52533010121206202 (b) 回路空載諧振電阻回路空載諧振電阻R0和空載帶寬和空載帶寬B：不考慮負載電阻R1。kLQR8 .311007. 51021006700kHzQfB100/02022-4-1414 (c) 計算并聯(lián)的負載電阻計算并聯(lián)的負載電阻R1(已知對應的有載帶寬已知對應的有載帶寬BL=0.5 MHz)。 考慮R1的總諧振電阻為R1R0，對應回路有載品質因數(shù)QL為200LLBfQ回路總諧振電阻R1R0為kRRRkRkLQRRRRL97. 737. 637. 68 .3137. 61007. 51022000106701010所以：需要在回路上并聯(lián)7.97 k的

11、電阻。 空載與有載品質因數(shù)：空載與有載品質因數(shù)：空載品質因數(shù)對應的諧振電阻為R0，僅有電感的損耗電阻產(chǎn)生；有載品質因數(shù)對應的諧振電阻為R0和R1的并聯(lián)。2022-4-1415l 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路CLjrCjLjrZS11CrrLQ001品品質質因因數(shù)數(shù)：LC10諧諧振振角角頻頻率率：0022/1ffQQrCL定義廣義失諧定義廣義失諧rarctgrZjrrCLjrZSS諧振電阻諧振電阻,1|1/1122022-4-1416串聯(lián)回路電流串聯(lián)回路電流： 諧振時回路電流：表示為I0，取得最大值I0=U/r。 U為回路兩端信號電壓。 非諧振時回路電流： 011IjZUIS2011II諧振曲線與回

12、路品質因數(shù)的關系諧振曲線與回路品質因數(shù)的關系：2022-4-1417串聯(lián)回路諧振時電壓的相位關系：串聯(lián)回路諧振時電壓的相位關系： 90,0CLUUUUIUCLQUUU回路通頻帶與矩形系數(shù)回路通頻帶與矩形系數(shù):與并聯(lián)諧振回路相同。QffB0707. 0296. 9707. 01 . 01 . 0BBKr空載空載Q0與有載與有載QL：若r是電感的損耗電阻，則Q為空載品質因數(shù)；若r為回路總電阻(損耗電阻和負載電阻串聯(lián))，則Q為有載品質因數(shù)。2022-4-1418串聯(lián)回路ZS的幅頻特性與ZS電抗的頻率特性：ZS的相頻特性：2022-4-1419(2) 抽頭并聯(lián)諧振回路抽頭并聯(lián)諧振回路定義：定義：激勵源

13、或負載，與回路電感或回路電容部分連接的并聯(lián)諧振回路，稱為抽頭并聯(lián)諧振回路抽頭并聯(lián)諧振回路。實際電路中應用非常廣泛。 功能：功能：實現(xiàn)阻抗變換，使回路阻抗與信號源或負載阻抗相匹配。接入系數(shù)接入系數(shù)(抽頭系數(shù)抽頭系數(shù))p的定義的定義 ：與外電路相連的那部分電抗與并聯(lián)諧振回路參與分壓的同性質總電抗之比。也可以用電壓比表示：p=U/UT 整體整體(R1-R2)：阻抗變大，(b) 整體整體部分部分(R2-R1)：阻抗變小，(c). 輸入電感抽頭(抽頭電感L1)，輸出電容抽頭。21212111,CCCUUpLLLLUUpTT2210/ pRR 回路諧振電阻：22121021/ pRpRpR諧振時等效輸入電

14、阻：2022-4-1422非諧振時的接入系數(shù)和阻抗變換非諧振時的接入系數(shù)和阻抗變換：,11LLLLUUpT002221QjRpZpZTi抽頭回路電流源的變換抽頭回路電流源的變換：2/,pRRpIIiiTTLRRLRQpQIIILiTCL000/,諧振時回路電流：pQQppQRRUUIIRUIRQULUIRpRRRRRITLTTLLiLiTL2000201/)/(/,/的推導：不能太?。。簽楸ＷCpIIL,注注意意2022-4-1423 例例 2-2：抽頭回路由電流源激勵，忽略回路本身的固有損耗，試求回路兩端電壓u(t)的表示式及回路帶寬。 解解: 由于忽略了回路本身的固有損耗，因此r=0，Q。

15、pFCCCCC10002121 諧振角頻率為 sradLC/101702022-4-1424電阻R1的接入系數(shù)5 . 0211CCCp回路諧振電阻：2000112RpR回路電壓u(t) ：諧振時u(t)與i(t)同相。)(10cos2)(7Vttu輸出電壓 )(10cos)()(71Vttputu有載品質因數(shù) 2010020000LRQL回路帶寬 kHzHzQfBL6 .792028. 610702022-4-1425 (3). 耦合諧振耦合諧振(雙調諧雙調諧)回路回路l 簡單諧振回路簡單諧振回路(包括帶抽頭的簡單諧振回路包括帶抽頭的簡單諧振回路)的特點的特點：有一定的選頻能力，結構簡單，缺點

16、是選擇性差，矩形系數(shù)太大(9.96)，耦合諧振回路可以克服這些缺點。l 定義定義：將兩個互相耦合諧振回路稱為耦合諧振回路耦合諧振回路(或雙調或雙調諧回路諧回路)，其中接有信號源的回路稱為初級回路初級回路，接有負載的回路稱為次級回路或負載回路次級回路或負載回路。通常有互感耦合互感耦合和電容電容耦合耦合兩種。l 主要功能：阻抗變換主要功能：阻抗變換和改善回路頻率特性改善回路頻率特性(相對于簡單諧振回路)。l 要滿足的條件：要滿足的條件：兩個回路調諧于信號頻率；兩個回路均為高Q回路。2022-4-1426 兩種常見的耦合回路兩種常見的耦合回路：l互感耦合圖(a)和圖(c) l 電容耦合圖(b)和圖(

17、d)2022-4-1427我們主要討論互感耦合諧振回路。先定義兩個參數(shù)先定義兩個參數(shù):MjZm耦合阻抗21212LLMLLMk耦合系數(shù) 初級回路對次級回路的影響：初級回路對次級回路的影響：用感應電動勢jMI1來描述；次級回路初級回路的反作用：次級回路初級回路的反作用：用等效反映阻抗Zf來描述。22222ZMZZZmfZ2為次級回路的串聯(lián)阻抗。反映耦合回路頻率特性的參數(shù)：反映耦合回路頻率特性的參數(shù)：耦合回路的轉移阻抗轉移阻抗Z21=U2/I。 所以下面的內容重點分析所以下面的內容重點分析 Z21。2022-4-1428 初級和次級回路串聯(lián)阻抗可分別表示為 )1 ()1 (2211jrZjrZ 耦

18、合阻抗為 假設假設: L1=L2=L，C1=C2=L，r1=r2=r，Q1=Q2=Q=0L/r，Q100002QrL引入廣義失諧：kQA 定義耦合因子：MjZm2022-4-1429初級線圈電流在次級產(chǎn)生的感應電動勢：mZI1212ZZIIm 將I2和U的表達式帶入Z21中:jAACQjZ2122021計算轉移阻抗為：UICCUCjICjIUZ221212222111初級回路的等效電壓源其中1CjIU考慮次級的反映阻抗：221111ZZZIZZIUmf2022-4-14302222max21214)1 (2AAZZ歸一化轉移阻抗歸一化轉移阻抗: 用歸一化轉移阻抗分析耦合回路的頻率特性用歸一化轉

19、移阻抗分析耦合回路的頻率特性:(a) A=1：臨界耦合，特性曲線為單峰，對應的耦合系數(shù)為臨界耦合系數(shù)kc=1/Q。(b) A1(kkc)：過耦合，轉移阻抗的特性曲線為雙峰。(c) A1(kkc)：欠耦合，特性曲線帶寬較窄，最大值也較小。 2022-4-1431耦合回路理想的工作狀態(tài)：耦合回路理想的工作狀態(tài)：臨界耦合，頻率特性為Qkc14max21214111ZZ臨界耦合回路的性能參數(shù)：臨界耦合回路的性能參數(shù)： QfB07 . 02(a) 通頻帶：通頻帶： QfB0單回路通頻帶(b) 矩形系數(shù)矩形系數(shù)K0.1：反映特性曲線接近理想矩形的程度。15. 325 . 4007 . 01 . 01 .

20、0QfQfBBK臨界耦合回路17 . 01 . 01 . 0BBK理想矩形107 . 01 . 01 . 0BBK單調諧回路2022-4-1432電容耦合諧振回路電容耦合諧振回路：CCCCCCCCk21耦合系數(shù)kQA 耦合因子：2222max21214)1 (2AAZZ歸一化轉移阻抗：輕度過耦合時通頻帶：輕度過耦合時通頻帶：通帶內有起伏，只要凹限點的歸一化阻抗大于0.707即可，這時可以獲得更大的帶寬。當歸一化阻抗等于0.707時，耦合因子和帶寬為QfBA07 . 01 . 3,41. 22022-4-1433理想變壓器理想變壓器：變壓器的初級線圈和次級線圈之間通過磁場進行信號傳輸，理想變壓器

21、要求初級與次級的耦合系數(shù)為1。(1) 高頻變壓器高頻變壓器主要功能：主要功能：信號傳輸和阻抗變換。高頻變壓器特點：高頻變壓器特點：與低頻變壓器相比有如下特點。l 高頻變壓器常用導磁率高、高頻損耗小的軟磁材料作磁芯，增加初級線圈和次級線圈之間的耦合程度，比如錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體；l 高頻變壓器的尺寸要小，線圈的匝數(shù)較少，主要用在小信號場合。 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2022-4-1434高頻變壓器的磁芯結構高頻變壓器的磁芯結構: (a) 環(huán)形磁芯; (b) 罐形磁芯; (c) 雙孔磁芯。高頻變壓器及其等效電路高頻變壓器及其等效電路： (a) 電路符號; (b) 等

22、效電路2022-4-1435 中心抽頭變壓器：中心抽頭變壓器：用作功率分配器、功率合成器以及平衡-不平衡變換電路 (a) 中心抽頭變壓器電路;（b）作四端口器件應用 )(213321IInInUUU 初級為兩個等匝數(shù)的線圈串聯(lián), 極性相同， 設初次級匝數(shù)比n=N1/N2。 假設為理想變壓器,那么線圈間的電壓和電流關系分別為2022-4-1436 (2) 傳輸線變壓器：傳輸線變壓器：將繞在磁環(huán)上的傳輸線構成的高頻變壓器。傳輸線變壓器的工作方式傳輸線變壓器的工作方式： (a) 傳輸線方式; (b) 變壓器方式 2022-4-1437 傳輸線變壓器的應用舉例傳輸線變壓器的應用舉例：LLiRIUIUR

23、c4122/2: )(1舉例2022-4-1438物理特性：物理特性：石英晶體是SiO2的結晶體，在自然界中以六角錐體形式出現(xiàn)。對天然的石英晶體通過人工加工形成石英諧振器。 (a)外形；(b) 不同切型位置 3. 石英晶體諧振器石英晶體諧振器 2022-4-1439物理特性：物理特性：石英晶體作為諧振器，是由于它的正壓電效應和反壓電效應。l 正壓電效應：正壓電效應：當晶體受外力作用而變形時，會在對應表面產(chǎn)生正負電荷，形成感應電壓；l 反壓電效應：反壓電效應：當晶體兩面加上電壓，晶體會產(chǎn)生機械變形，如果加上交流電壓，晶體會產(chǎn)生機械振動；l 機械振動與頻率穩(wěn)定性機械振動與頻率穩(wěn)定性：晶體有一個固定

24、的機械諧振頻率。當外加電信號的頻率與這個機械諧振頻率相等時，就會產(chǎn)生機械共振和電諧振。石英晶體的物理特性非常穩(wěn)定。它的物理穩(wěn)定性決定了其穩(wěn)定的諧振頻率。因此石英晶體諧振器廣泛應用在高穩(wěn)定的振蕩器、窄帶濾波器、鑒頻器中。電路符號：電路符號：2022-4-1440石英晶體的工作方式：石英晶體的工作方式：可以在基頻上諧振，也可以在高次諧波(通常是奇次諧波，又稱泛音)上諧振。l 基頻基頻(音音)諧振器：諧振器：利用基頻共振的諧振器。以KHz來標志。l 泛音諧振器：泛音諧振器：利用泛音共振的諧振器。以MHz來標志。l 石英晶體諧振頻率：石英晶體諧振頻率：基音諧振頻率最高為25MHz，泛音諧振頻率為250

25、MHz以上。石英晶體諧振器的外形石英晶體諧振器的外形(a)與內部結構與內部結構(b)：2022-4-1441 晶體諧振器的等效電路晶體諧振器的等效電路： (a) 包括泛音在內的等效電路； (b) 諧振頻率附近的等效電路：qqqCLf21：串串聯(lián)聯(lián)諧諧振振頻頻率率00000112121CCfCCCLCCCCLfqqqqqqqq并聯(lián)諧振頻率：并聯(lián)諧振頻率：2022-4-1442主要參數(shù)特性主要參數(shù)特性(以以B45型型1MHz中等精度晶體為例中等精度晶體為例)： Lq=4.00H，Cq=0.0063pF rq=100200，C0=23pF Qq=qLq/rq1.25105 2.5105 因此Cq C

26、0，fq和f0相差很小。%2 . 0%1 . 021000CCfffqq相對頻率間隔：晶體的標稱頻率：晶體的標稱頻率：標在晶體外殼上的頻率是在晶體上并聯(lián)一個電容CL測得的，CL =30pF或50pF。00211CCffqq10CCpq數(shù)：外電路對晶體的接入系2022-4-1443220220111qeeCjjXZ電抗：晶體的電抗特性：晶體的電抗特性：為了簡化分析，忽略rq。當0，晶體諧振器呈現(xiàn)容性；當q1；理想無噪聲系統(tǒng)：理想無噪聲系統(tǒng)：NF =1噪聲系數(shù)定義的局限性噪聲系數(shù)定義的局限性：l 噪聲系數(shù)只適用線性或準線性電路；l 噪聲系數(shù)對純電抗無意義。2022-4-1461(1) 額定功率法：

27、額定功率法：在信號源內阻RS和負載電阻RL匹配的情況下，信號源的輸出功率最大，所以稱為額定功率法。交流有效值額定功率:,4142:222SSSSSSSSSsmIURIRURRUPmnmipmmomiNNKNkTBN,已知：smismoPmmiPmmomosmomismiFPPKNKNNPNPN,/PmmomoiPmmnmoiPmmoFKNNkTBKNkTBNkTBKNN/,12. NF的計算方法：的計算方法：本質上都是根據(jù)定義計算，但是，對于四端口網(wǎng)絡，用額定功率法計算最簡單。2022-4-1462舉例：舉例：考慮接收機天線的輸入回路，這是一個抽頭諧振回路。由于抽頭諧振回路為無源網(wǎng)絡，所以SG

28、pG2諧振電導SSmoGpGIpP2224額定輸出功率SSsmGIP42信號源額定功率sssmosmPmFGpGGpGpGPPKN22211無源四端網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)：如振蕩回路、電阻電抗構成的濾波無源四端網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)：如振蕩回路、電阻電抗構成的濾波器和衰減器。器和衰減器。kTBNNmomi輸輸出出端端匹匹配配為網(wǎng)絡衰減系數(shù)。LLKNPmF,1！便這種方法計算起來更簡2022-4-1463(2) 級連四端網(wǎng)絡的級連四端網(wǎng)絡的NF：設有二級四端網(wǎng)絡，其功率放大倍數(shù)分別為：KP1、KP2 ，噪聲系數(shù)分別為： NF1、NF2 。級聯(lián)后總的噪聲系數(shù)為1211PmFFPmoFKNNkTBKNN21PmPmPmPmoFKKKkTBKNN定義第二級內部噪聲第一級內部噪聲，設21aaNNkTBKNNkTBKNNpmFapmFa222111) 1() 1(，kTBKNNKNNKkTBKNpmFFpmaapmpmo22121212022-4-1464 例例 2-3：下圖是一接收機的前端電路，高頻放大器和場效應管混頻器的噪聲系數(shù)和功率增益如圖所示。試求前端電路的噪聲系數(shù)(設本振產(chǎn)生的噪聲忽略不計)。 解：解：將圖中的噪聲系數(shù)和增益化為倍數(shù)， 有47. 410,94. 710210,101