第一章 高頻電路基礎(chǔ)

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 高頻電路中的元器件高頻電路中的元器件2.2 簡單振蕩回路簡單振蕩回路2.3 耦合振蕩回路耦合振蕩回路2.4 電子噪聲電子噪聲第2章 高頻電路基礎(chǔ) 2.1 高頻電路中的元器件高頻電路中的元器件 高頻電路是由有源器件、 無源元件和無源網(wǎng)絡(luò)組成的。 高頻電路中使用的元器件與在低頻電路中使用的元器件基本相同， 但要注意它們在高頻使用時的高頻特性。 高頻電路中的元件主要是電阻(器)、 電容(器)和電感(器)，它們都屬于無源元件。 2.1.1 高頻電路中的元件高頻電路中的元件 1） 高頻電阻 一個實(shí)際的電阻器， 在低頻時主要表現(xiàn)為電阻特第2

2、章 高頻電路基礎(chǔ) 性， 但在高頻使用時不僅表現(xiàn)有電阻特性的一面， 而且還表現(xiàn)有電抗特性的一面。 電阻器的電抗特性反映的就是其高頻特性。 一個電阻R的高頻等效電路如圖2 1所示, 其中, CR為分布電容， LR為引線電感，R為電阻。 LRCRR 圖 2 - 1 電阻的高頻等效電路 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 分布電容和引線電感越小，表明電阻的高頻特性越好。電阻器的高頻特性與制作電阻的材料、電阻的封裝形式和尺寸大小有密切的關(guān)系。第2章 高頻電路基礎(chǔ) 2） 高頻電容 由介質(zhì)隔開的兩導(dǎo)體即構(gòu)成電容， 高頻電容的阻抗可表示成電導(dǎo)和電納的并聯(lián)組合。一個電容器的等效電路如圖2 -2（a）所示。 理想電容器的阻抗1

3、/(jC)， 如圖2-2（b）虛線所示，其中， f為工作頻率， =2f。 (a) 電容器的等效電路; （b） 電容器的阻抗特性圖2 2 電容器的高頻等效電路 LCRCC(a)阻抗頻率 f(b)0第2章 高頻電路基礎(chǔ) 但實(shí)際的電容器在高頻運(yùn)用時的阻抗頻率特性如圖2-2（b）實(shí)線所示，呈V型特性，而且其具體形式與電容的種類和電容量的不同有關(guān)。由此可知，每個電容都有一個自身諧振頻率SRF。當(dāng)工作頻率小于自身諧振頻率時，電容器呈正常的電容特性，但當(dāng)工作頻率大于自身諧振頻率時，電容器將等效為一個電感。第2章 高頻電路基礎(chǔ) 3） 高頻電感 高頻電感主要用作諧振元件、濾波元件和阻隔元件。一般由導(dǎo)線繞制而成，

4、在高頻電路中，電感線圈的損耗是不能忽略的。 高頻電感器的電感量是其主要參數(shù)。 感抗為jL， 其中， 為工作角頻率。 高頻電感器也具有自身諧振頻率SRF。 在SRF上， 高頻電感的阻抗的幅值最大， 而相角為零， 如圖2 3所示。 阻抗與相角阻抗相角頻率 fSRF0 圖 2 3 高頻電感器的自身諧振頻率SRF 第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.1.2 高頻電路中的有源器件高頻電路中的有源器件 1） 二極管 半導(dǎo)體二極管在高頻中主要用于檢波、 調(diào)制、 解調(diào)及混頻等非線性變換電路中，工作在低電平。 點(diǎn)接觸式二極管、表面勢壘二極管、變?nèi)荻O管。 2） 晶體管與場效應(yīng)管（FET） 在高頻中應(yīng)用的晶體管仍然是雙極晶體

5、管和各種場效應(yīng)管，這些管子比用于低頻的管子性能更好， 在外形結(jié)構(gòu)方面也有所不同。高頻晶體管有兩大類型：一類是作小信號放大的高頻小功率管， 對它們的主要要求是高第2章 高頻電路基礎(chǔ) 增益和低噪聲； 另一類為高頻功率放大管, 除了增益外， 要求其在高頻有較大的輸出功率。 3）集成電路(IC) 用于高頻的集成電路的類型和品種要比用于低頻的集成電路少得多， 主要分為通用型和專用型兩種。 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 2.2簡單振蕩回路簡單振蕩回路 高頻振蕩回路是高頻電路中應(yīng)用最廣的無源網(wǎng)絡(luò)，也是構(gòu)成高頻放大器、振蕩器以及各種濾波器的主要部件， 在電路中完成阻抗變換、 信號選擇等任務(wù)， 并可直接作為負(fù)載使用。

6、振蕩回路就是由電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)形成的回路。只有一個回路的振蕩電路稱為簡單振蕩回路或單振蕩回路。 2.2.1 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路 圖2 4（a）是最簡單的串聯(lián)振蕩回路。 第2章 高頻電路基礎(chǔ)LrCX 00容性感性(a)(b)|ZS|r00(c)0 /20(d)/2 圖2 4 串聯(lián)振蕩回路及其特性 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 若在串聯(lián)振蕩回路兩端加一恒壓信號 ， 則發(fā)生串聯(lián)諧振時因阻抗最小， 流過電路的電流最大， 稱為諧振電流， 其值為)1(1CLjrCjLjrZS（2 1） LC10（2 2） UrUI0 （2 3） 在任意頻率下的回路電流 與諧振電流之比為I第2章 高頻電路基礎(chǔ))(11)(

7、11111000000jQrLjrCLjZrrUZUIISS(2 4) CrrLQQII00200201)(11 其模為 其中， （2 5） （2 6） 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 稱為回路的品質(zhì)因數(shù)， 它是振蕩回路的另一個重要參數(shù)。 根據(jù)式（2- 6）畫出相應(yīng)的曲線如圖2-5所示, 稱為諧振曲線。 UL.UC.0U.I0.II0Q1 Q2Q1Q20 圖 2- 5 串聯(lián)諧振回路的諧振曲線圖2 - 6 串聯(lián)回路在諧振時的電流、 電壓關(guān)系 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 在實(shí)際應(yīng)用中， 外加信號的頻率與回路諧振頻率0之差=-0表示頻率偏離諧振的程度，稱為失諧。 當(dāng)與0很接近時， 000000202002)(2)(

8、ff（2 7）（2 8） 為廣義失諧， 則式（2 5）可寫成2011II(2 9) 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 當(dāng)保持外加信號的幅值不變而改變其頻率時, 將回路電流值下降為諧振值的 時對應(yīng)的頻率范圍稱為回路的通頻帶， 也稱回路帶寬, 通常用B來表示。 令式（2 9）等于 , 則可推得=1, 從而可得帶寬為：2121QffB02(2 10) 2.2.2 并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路 串聯(lián)諧振回路適用于電源內(nèi)阻為低內(nèi)阻（如恒壓源）的情況或低阻抗的電路（如微波電路）。當(dāng)頻率不是非常高時，并聯(lián)諧振回路應(yīng)用最廣。 第2章 高頻電路基礎(chǔ)LrCCIC.IR.R0IL.L0B11/ 2Q1 Q2Q1Q20 /2/2感性

9、Q2Q1Q1 Q2容性Z(a)(b)(c)(d)U.0|zp|/R0I. 圖2 - 7 并聯(lián)諧振回路及其等效電路、 阻抗特性和輻角特性 (a) 并聯(lián)諧振回路; （b）等效電路; （c）阻抗特性; （d）輻角特性 并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)阻抗為 CjLjrCjLjrZp11)(2 11) 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 定義使感抗與容抗相等的頻率為并聯(lián)諧振頻率0, 令Zp的虛部為零, 求解方程的根就是0, 可得CrrLQQLC00201111式中, Q為回路的品質(zhì)因數(shù), 有 當(dāng) 時, 。 回路在諧振時的阻抗最大，為一電阻R01QLC10CQLQCrLR000（2 12） 第2章 高頻電路基礎(chǔ)jRjQRZjQCr

10、LZpp121)(10000（2 13） （214）并聯(lián)回路通常用于窄帶系統(tǒng)， 此時與0相差不大， 式（2 13）可進(jìn)一步簡化為式中, =-0。 對應(yīng)的阻抗模值與幅角分別為202001)2(1RQRZp（2 15） 第2章 高頻電路基礎(chǔ)arctan)2arctan(0QZ（2 - 16）QIIICL（2 -17） IL.IC.0I.U.圖2 - 8表示了并聯(lián)振蕩回路中諧振時的電流、 電壓關(guān)系。 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 例例 1 設(shè)一放大器以簡單并聯(lián)振蕩回路為負(fù)載， 信號中心頻率fs=10MHz， 回路電容C=50 pF， (1) 試計(jì)算所需的線圈電感值。 (2) 若線圈品質(zhì)因數(shù)為Q=100， 試

11、計(jì)算回路諧振電阻及回路帶寬。 (3) 若放大器所需的帶寬B=0.5 MHz， 則應(yīng)在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿足放大器所需帶寬要求? 解：解： (1) 計(jì)算L值。 由式(2 2)，可得第2章 高頻電路基礎(chǔ)CfCL20220)2(11將f0以兆赫茲(MHz)為單位， 以皮法(pF)為單位， L以微亨（H）為單位， 上式可變?yōu)橐粚?shí)用計(jì)算公式:CfCfL20620225330101)21( 將f0=fs=10 MHz代入, 得uL07. 5 (2) 回路諧振電阻和帶寬。由式(1 12)kLQR8 .311018. 31007. 510210046700第2章 高頻電路基礎(chǔ)回路帶寬為 kHzQfB100

12、0 (3) 求滿足0.5 MHz帶寬的并聯(lián)電阻。 設(shè)回路上并聯(lián)電阻為R1， 并聯(lián)后的總電阻為R1R0， 總的回路有載品質(zhì)因數(shù)為QL。 由帶寬公式，有200LLQBfQ此時要求的帶寬B=0.5 MHz, 故回路總電阻為第2章 高頻電路基礎(chǔ) kRRRkLQRRRR97. 737. 637. 637. 61007. 5102200016701010 需要在回路上并聯(lián)7.97 k的電阻。 第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.2.3抽頭并聯(lián)振蕩回路抽頭并聯(lián)振蕩回路 抽頭并聯(lián)振蕩回路：抽頭并聯(lián)振蕩回路：激勵源或負(fù)載與回路電感或電容部分聯(lián)接的并聯(lián)振蕩回路。 采用抽頭回路，可以通過改變抽頭位置或電容分壓比來實(shí)現(xiàn)回路與信號

13、源的阻抗匹配如圖2-9（a）、（b），或進(jìn)行阻抗變換如圖2-9（d）、（e）。 抽頭系數(shù)（抽頭系數(shù)（p）：）：與外電路相連的那部分電抗與本回路參與分壓的同性質(zhì)總電抗之比，又稱為電壓比或變比。 第2章 高頻電路基礎(chǔ)LCR0UUT(a)LC2R0UUTC1(b)LR1UC2C1(c)LR1UTC1C2(e)U1R1UT(d)U1LCUTIIL圖2 9 幾種常見抽頭振蕩回路 第2章 高頻電路基礎(chǔ)0202202)(22RpRUURRURUUUpTTT（2 18）（2 19）當(dāng)諧振時，輸入端呈現(xiàn)的電阻設(shè)為R，從功率相等的關(guān)系看，有第2章 高頻電路基礎(chǔ)002221QjRpZpZT（2 20） 對于圖2 9

14、（b）的電路, 其接入系數(shù)p可以直接用電容比值表示為 2112121211CCCCCCCCUUpT（2 21） pIIT （2 22） 輸入阻抗電流關(guān)系第2章 高頻電路基礎(chǔ) 例例 2 如圖2 11， 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。 C2C12000 pF500R12000 pF10 HLi Icos 107tI1 mAu1(t)2 11 例2的抽頭回路 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 解解 由于忽略了回路本身的固有損耗, 因此可以認(rèn)為Q。 由圖可知, 回路電容為pFCCCCC10002121 諧振角頻率為 sradLC/10170電阻R1的

15、接入系數(shù)200015 . 012211RpRCCCp等效到回路兩端的電阻為 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 回路兩端電壓u(t)與i(t)同相, 電壓振幅U=IR=2 V, 故 sradQBLRQtVtpututVtuLL/10520100200010cos)()(10cos2)(500717輸出電壓為 回路有載品質(zhì)因數(shù) 回路帶寬 第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.3 耦合振蕩回路耦合振蕩回路 在高頻電路中, 有時用到兩個互相耦合的振蕩回路， 也稱為雙調(diào)諧回路。 把接有激勵信號源的回路稱為初級回路， 把與負(fù)載相接的回路稱為次級回路或負(fù)載回路。 圖 2 12 是兩種常見的耦合回路。 圖 2 12（a）是互感耦合電路

16、，圖 2 12(b)是電容耦合回路。 主要功能：用來進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換以完成高頻信號的傳輸；形成比簡單振蕩回路更好的頻率特性。 第2章 高頻電路基礎(chǔ)L2C2R2L1C1MR1I.U1.U2.R1L1C1C2L2R2I.U1.CCU2.L2r2L1C1Mr1I2.I1.E.jC1I.r2L1L2C1C2Cmr1(a)(b)(c)(d)C2E jL1I. 圖 2 12 兩種常見的耦合回路及其等效電路 第2章 高頻電路基礎(chǔ)21212LLMLLMk（2 24） 對于圖 2 12（b）電路, 耦合系數(shù)為)(21CCCCCCCCk（2 25） 圖2-12(a）第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.4電子噪聲電子噪聲 噪聲：噪

17、聲：一切干擾和破壞有用信號的無用信號泛指為噪聲，它不僅影響有用信號的清晰度，嚴(yán)重時會淹沒信號。外部產(chǎn)生的稱為干擾，如天電干擾、其他電臺發(fā)射的電磁波、電源濾波不良、日光燈火花干擾以及相鄰電路串?dāng)_等；器件內(nèi)部產(chǎn)生為內(nèi)部噪聲。2.4.1內(nèi)部噪聲的來源內(nèi)部噪聲的來源 電阻熱噪聲 ；晶體管噪聲；場效應(yīng)管噪聲第2章 高頻電路基礎(chǔ) 電阻熱噪聲：由于電阻體內(nèi)的自由電子在一定溫度下，總是處于無規(guī)則的熱運(yùn)動狀態(tài)，這種運(yùn)動方向和速度都是隨機(jī)的，溫度越高，運(yùn)動越劇烈。就一個電子來說，它運(yùn)動一次就會在電阻內(nèi)產(chǎn)生一個窄脈沖電流，大量的熱運(yùn)動電子所產(chǎn)生的無數(shù)個窄脈沖電流疊加，就形成了電阻的噪聲電流，這個噪聲電流流過電阻本身就會在其兩端產(chǎn)生噪聲電壓。由于這種噪聲是自由電子的熱運(yùn)動所產(chǎn)生的，通常把它稱為電阻熱噪聲。 一般頻帶越寬，溫度越高和阻值越大，噪聲電壓就越大。 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 晶體管噪聲：比電阻熱噪聲大。 散彈噪聲：由單位時間內(nèi)通過PN結(jié)的載流子數(shù)目隨機(jī)起伏造成的。人們將這種現(xiàn)象比擬為靶場上大量射擊時彈著點(diǎn)對靶中心的偏離。 分配噪聲：晶體管發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載流子