高频电路基础教学课件PPT 88页

'第2章高频电路基础2.1高频电路中的元件、器件和组件2.2电子噪声 2.1高频电路中的元器件基本元件有源器件（二极管、晶体管和集成电路）无源元件（电阻、电容和电感）无源网络（高频谐振回路、高频变压器、谐振器与滤波器等）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，但是注意它们在高频使用时的高频特性。主要作用:有源器件完成信号的放大，非线性变换等功能。无源网络完成信号的传输，阻抗变换、选频等功能。 2.1.1高频电路中的元件1.电阻器一个实际的电阻器，在低频时主要表现为电阻特性，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高频特性。一个电阻R的高频等效电路如图所示，其中CR为分布电容，LR为引线电感，R为电阻。电阻的高频等效电路CRRLR 2.电感线圈的高频特性电感线圈在高频频段除表现出电感L的特性外，还具有一定的损耗电阻r和分布电容。在分析一般长、中、短波频段电路时，通常忽略分布电容的影响。因而，电感线圈的等效电路可以表示为电感L和电阻r串联，如图所示。电感线圈的串联等效电路rL 电阻r随频率增高而增加，这主要是集肤效应的影响。所谓集肤效应是指随着工作频率的增高，流过导线的交流电流向导线表面集中这一现象，当频率很高时，导线中心部位几乎完全没有电流流过，这相当于把导线的横截面积减小为导线的圆环面积，导电的有效面积较直流时大为减小，电阻r增大。工作频率越高，圆环的面积越小，导线电阻就越大。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,如图所示。 设流过电感线圈的电流为I，则电感L上的无功功率为I2ωL，而线圈的损耗功率，即电阻r的消耗功率为I2r，故由式（2.1.1）得到电感的品质因数(2.1.1)(2.1.2)Q值是一个比值，它是感抗ωL与损耗电阻r之比，Q值越高损耗越小，一般情况下,线圈的Q值通常在几十到一二百左右。在无线电技术中通常不是直接用等效电阻r，而是引入线圈的品质因数这一参数来表示线圈的损耗性能。品质因数定义为无功功率与有功功率之比: 3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（a）所示。理想电容器的阻抗1/(jωC),如图2—2（b）虚线所示,其中,f为工作频率,ω=2πf。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Rc为极间绝缘电阻，LC为分布电感或极间电感，小容量电容的引线电感。高频运用时其阻抗特性实线所示。当工作频率小于自身谐振频率，呈容性，工作频率大于自身谐振频率，呈感性。容性感性 在分析一般米波以下频段的谐振回路时，常常只考虑电容和损耗。电容器的等效电路也有两种形式，如图所示。电容器的串、并联等效电路rCRCp 2.1.2高频电路中的组件谐振回路由电感线圈和电容组成，当外界授予一定能量，电路参数满足一定关系时，可以在回路中产生电压和电流的周期振荡回路。若该电路在某一频率的交变信号作用下,能在电抗原件上产生最大的电压或流过最大的电流，即具有谐振特性，故该电路又称谐振回路。谐振回路按电路的形式分为：1.串联谐振回路2.并联谐振回路3.耦合谐振回路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。 用途：1.利用他的选频特性构成各种谐振发大器2.在自激振荡器中充当谐振回路3.在调制、变频、解调充当选频网络本章讨论各种谐振回路在正弦稳态情况下的谐振特性和频率特性。 RpLCRSiSRLCRSiSRLCRSuS 1）.串联谐振RLCRSuSZS(1)阻抗特性ωXω0容性感性RRLCRSuSZSω0ω (3)谐振曲线回路电流幅值与外加电压频率之间的关系曲线。RLCRSuSiS其中幅频特性Q2Q1Q1>Q2ω0ωI/I0 小失谐谐振特性方程（通用式）失谐量广义失谐量式中 相频特性曲线RLCRSuSω0ω感性容性ω感性容性RLCRSuSiSω0串联谐振相频特性Q1>Q2 RLCRSuSisRLCRSuS+uC-+uL-is+ui-+uR- 1 RLCRSiSZP2.并联谐振RpLCRSiS谐振时当ωL>>R时1）谐振频率Rp RLCRSiSZP当ωL>>R条件不满足时，谐振时，Z为实数，则分子中虚部必须与分母中虚部相抵消。即准确并联回路谐振频率 RpLCRSiS+ui-RLCRSiS RLCRSiS电感性电容性Rpω0ω RLCRSiS+-是与外电流相比较而言Q2Q1Q1>Q20ξωω0ω感性容性 RpLCRSiSiiiCiRiL+u-1 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=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(1)计算L值。 将f0以兆赫兹(MHz)为单位,Ｃ以皮法(pF)为单位,L以微亨（μH）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。 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R1∥R0,总的回路有载品质因数为QL。由带宽公式,有此时要求的带宽B=0.5MHz,故回路总电阻为 2.1.3.LC阻抗变换网络BX1RXR1AABX2R2等效：电路在同频率工作ω时，从AB端看进去阻抗或（导纳）相等。 BX1RXR1AABX2R2 RL1CRSiSL2RpCRSiS 3.并联谐振回路的广义形式Z1Z2ZPR1R2ZPCL表明：若R1和R2都不很大时，则认为R1和R2都集中在电感之路内 2.1.4.抽头并联振荡电路L2L1CL2L1CRLC2C1LLC2C1RL iSRSL1C2C1RLiSRSL2L1C2C1RLabbacdcdL2LCRL"RS"iS"LCRL"RS"iS"abab iSRSL2L1C2C1RLacbdiS"RS"LCRL"ab+ucb-+uab-+udb-+uab-是回路与外电路之间的调节因子与外电路相连的那部分电抗与本回路参与分压的同性质总电抗之比。非谐振时 iSRSL2L1C2C1RLacbdiLiSiCiRiL>>iS；iC>>iR IL接入系数p越小,比值越小,所以前面分析中假设iL>>iS；iC>>iR(即IL>>I)当p较小时将不能满足.iSRSL2L1C2C1RLacbdiLiSiCiR 2.1.5耦合回路概述单振荡回路具有频率选择性和阻抗变换的作用。但是：1、选频特性不够理想2、阻抗变换不灵活、不方便为了使网络具有矩形选频特性，或者完成阻抗变换的需要，需要采用耦合振荡回路。耦合振荡:耦合回路由两个或者两个以上的单振荡回路通过各种不同的耦合方式组成。单谐振回路矩形选频特性f0f ususisis 常用的两种耦合回路耦合系数k：耦合回路的特性和功能与两个回路的耦合程度有关按耦合参量的大小：强耦合、弱耦合、临界耦合电感耦合回路电容耦合回路+L1R2L2MC21V&–R1C1IsG1L1C1C2L2G2CM+-说明回路间耦合程度的强弱 k的定义:耦合回路的公共电抗绝对值与初次级回路中的同性质电抗的几何中项之比.对电容耦合回路：一般C1=C2=C：通常CM<0)时，则Xf1呈容(Xf1<0)；反之，当X22呈容性(X22<0)时，则xf1呈感性(Xf1>0)。1）反射电阻永远是正值。这是因为，无论是初级回路反射到次级回路，还是从次级回路反射到初级回路，反射电阻总是代表一定能量的损耗。 4）当初、次级回路同时调谐到与激励频率谐振（即X11=X22=0）时，反射阻抗为纯阻。其作用相当于在初级回路中增加一电阻分量，且反射电阻与原回路电阻成反比。3）反射电阻和反射电抗的值与耦合阻抗的平方值（M）2成正比。当互感量M=0时，反射阻抗也等于零。这就是单回路的情况。 is+V2-+V1- is+u2m-频率特性方程 1 1 1 2.1.6.高频变压器和传输线变压器1.高频变压器是靠磁通交链,或者说是靠互感进行耦合的。(1)高频变压器常用高导磁率μ、高频损耗小的软磁材料作磁芯。(2)高频变压器一般用于小信号场合,尺寸小,线圈的匝数较少。高频变压器的磁芯结构（a）环形磁芯;(b)罐形磁芯;(c)双孔磁芯高频变压器及其等效电路(a)电路符号;(b)等效电路 图(a)是一中心抽头变压器的示意图。初级为两个等匝数的线圈串联,极性相同，设初次级匝比n=N1/N2。作为理想变压器看待,线圈间的电压和电流关系分别为(2—38)(2—37)图2—16中心抽头变压器电路（a）中心抽头变压器电路;（b）作四端口器件应用 传输线变压器是将两根等长的导线紧靠在一起，并绕在高导磁率低损耗的磁芯上构成的。最高工作频率可扩展到几百兆赫甚至上千兆赫。传输线变压器与普通变压器在传输能量的方式上是不相同的，传输线变压器负载两端的电压不是次级感应电压，而是传输线的终端电压。两根导线紧靠在一起，所以导线任意长度处的线间电容很大，且在整个线上均匀分布。其次，两根等长导线同时绕在高μ磁芯上，所以导线上均匀分布的电感量也很大，这种电路通常又叫分布参数电路。usususRLRLRLRsRsRs(a)结构示意图(c)普通变压器的原理电路(b)原理电路图u1u2u1u2u1u2在传输线变压器中，线间的分布电容不影响高频能量的传输，电磁波以电磁能交换的形式在导线间介质中传播的。2.传输线变压器usRLRsu1u2i1i2 图2—18传输线变压器的工作方式(a)传输线方式;(b)变压器方式εr为传输线的相对介电常数,大于1(2~4),传输线上的波速和波长均小于自由空间电磁波的波速c和波长λ0.传输线的主要参数是波速,波长及特性阻抗.特性阻抗ZC决定于传输线的横向尺寸（导线粗细、间距、介电常数)的参数.ΔL和ΔC为单位线长的分布电感和分布电容。 (1)1：1传输线变压器继续休息2休息11：1传输线变压器，又叫倒相变压器。当传输线无损时，可以认为u1=u2和i1=i2。usRLRsu1u2i1i2如果传输线的特性阻抗：传输线输出端的等效阻抗为：输入端（1、3端）的等效阻抗为：为了实现传输线变压器与负载的匹配，要求：为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求：1：1传输线变压器，最佳匹配状态应该满足：满足最佳功率传输条件的传输线特性阻抗为：1：1传输线变压器具有最大的功率输出。但实际上，在各种放大电路中RL正好等于信号源内阻的情况是很少的。因此，1：1传输线变压器很少用作阻抗匹配元件，而更多的是用来作为倒相器，或进行不平衡-平衡以及平衡-不平衡转换。 usRsusususRsRsRLRLRLRLRsu1u1u2u2i2i1i1+i2(2)1：4和4：1传输线变压器1：4传输线变压器是把负载阻抗降为1/4倍以便和信号源相匹配。在负载匹配的条件下，有u1=u2=u和，i1=i2=i由于变压器的1端与4端相连，输入端1端与3端的电压为u，负载RL上的电压为u1+u2=2u，输入端1的电流为i1+i2=2i，且u1u1u2u2i22ui1i1+i2+2u-i传输线变压器的输入阻抗为：传输线变压器把负载RL变换为RL/4，实现了1：4的阻抗变换。如果把输入端和输出端对调就成为4：1传输线变压器。4：1传输线变压器把负载阻抗升高4倍和信号源匹配，由电压电流关系不难证明该变压器具有4：1的阻抗变换作用。i 图2—19传输线变压器的应用举例（a）高频反相器;（b不平衡—平衡变换器;（c）1∶4阻抗变换器;(d)3分贝耦合器 2.1.7、石英晶体谐振器1.石英晶体的物理特性：石英是矿物质硅石的一种（也可人工制造），化学成分是SiO2，其形状为结晶的六角锥体。图(a)表示自然结晶体，图(b)表示晶体的横截面。为了便于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶体内画出三种几何对称轴，连接两个角锥顶点的一根轴ZZ，称为光轴，在图(b)中沿对角线的三条XX轴，称为电轴，与电轴相垂直的三条YY轴，称为机械轴。YX1XYZYYXXYYXXYYXX(a)(b) 沿着不同的轴切下，有不同的切型，X切型、Y切型、AT切型、BT、CT……等等。石英晶体具有正、反两种压电效应。当石英晶体沿某一电轴受到交变电场作用时，就能沿机械轴产生机械振动，反过来，当机械轴受力时，就能在电轴方向产生电场。且换能性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效率最高。石英晶体和其他弹性体一样，具有惯性和弹性，因而存在着固有振动频率，当晶体片的固有频率与外加电源频率相等时，晶体片就产生谐振。 石英晶体的特点：①等效电感Lq特别大、等效电容Cq特别小，因此，石英晶体的Q值　很大，一般为几万到几百万。这是普通LC电路无法比拟的。②由于，这意味着等效电路中的接入系数很小,因此外电路影响很小。 CoCgCoCg5Cg3CgLgLg3Lg5LgRg2.石英晶体振谐器的等效电路和符号 图2—22晶体谐振器的等效电路(a)包括泛音在内的等效电路;(b)谐振频率附近的等效电路(2—42)(2—43)2.石英晶体振谐器的等效电路和符号 （2—44）图2—22(b)所示的等效电路的阻抗的一般表示式为在忽略rq后,上式可化简为（2—45） 图2—23晶体谐振器的电抗曲线fqf0电容性电容性电感性fXqO 图(b)所示的等效电路的阻抗的一般表示式为在忽略rq后,上式可化简为（2—45） xo容性O容性wqw0感性由于Lq大,即在ωq处电抗变化率大,可由下式表达 2.2电子的噪声及其特性噪声是一种随机信号，其频谱分布于整个无线电工作频率范围，因此它是影响各类收信机性能的主要因素之一。干扰与噪声的分类：自然(天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等)干扰(一般指外部干扰)人为(工业干扰和无线电器的干扰)自然噪声(热，闪烁，散粒等）噪声(内部产生)人为噪声（交流噪声，感应噪声，接触不良噪声等）本章主要讨论自然噪声，对工业干扰和天电干扰只做简略的说明。 2.3电噪声2.3.1电子噪声的来源与特性1).起伏噪声电压的平均值（2.3—1）Vn(t)2).起伏噪声电压的方均值（2.3—2）（2.3—3）某一时刻t的起伏强度为一般用均方值表示起伏干扰的强度 （2.3—4）此式说明了噪声的功率。平均功率（2.3—5）（2.3—6）（2.3—7）（2.3—8）3）起伏噪声的功率谱S(f)f0 图电阻热噪声等效电路4）电阻的热噪声（2.3—10）（2.3—9）（2.3—11）（2.3—12）（2.3—13）噪声电压的有效值方均电压谱密度方均电流谱密度 5)线性电路中的热噪声（2.3—15）（2.3—17）结论：只要噪声源是相互独立，则总噪声服从均方叠加原则。即只要求出串联电阻值，就可求得总的噪声均方值。 热噪声通过线路电路的模型热噪声通过线性网络传递函数（2.3—18）（2.3—19）（2.3—20）SUO和Sui分别表示输出，输入端的噪声电压谱密度。 并联回路可以等效为Re+jXe（图（c））,现在看上述输出噪声谱密度与Re、Xe的关系。展开化简后得与式对比,可得（2.3—22）（2.3—21）（2.3—13） 可以求出输出端的均方噪声电压为式中，R0为回路的并联谐振电阻。 6)噪声带宽一个线性系统,其电压传输函数为H(jω)。设输入一电阻热噪声,均方电压谱为SUi=4kTR,输出均方电压谱为SUo,则输出均方电压v2n2为设:|H(jω)|的最大值为H0,则等效噪声带宽Bn为（2.3—23）（2.3—24） 如图单振荡回路为例,计算其等效噪声带宽。设回路为高Q电路,谐振频率为f0，此回路的|H(jω)|2可近似为式中,Δf为相对于f0的频偏,由此可得等效噪声带宽为己知并联回路的3dB带宽为B0.7=f0/Q,故 2.晶体三极管的噪声管内带电粒子的无规则运动产生相应“无规则”电压和电流,形成管内噪声.散弹（粒）噪声管内载流子随机起伏产生的噪声.2)分配噪声基区中载流子的复合具有随机性,即单位时间内复合的载流子数目由起伏变化而产生的集电极电流,基极电流起伏噪声.3)闪烁噪声由于半导体材料及制造工艺水平造成的表面清洁处理不好引起噪声.其电流噪声谱密度与频率成反比又称噪声,不是白噪声.4)场效应管噪声沟道电阻产生的热噪声.沟道热噪声通过沟道和栅极电容的耦合作用在栅极上的感应噪声.（2.3—24） 2.3.2噪声系数和噪声温度1．噪声系数的定义图2—35为一线性四端网络,它的噪声系数定义为输入端的信号噪声功率比(S/N)i与输出端的信号噪声功率比(S/N)o的比值,即图2—35噪声系数的定义 图中,KP为电路的功率传输系数(或功率放大倍数)。用Na表示线性电路内部附加噪声功率在输出端的输出,考虑到KP=Ｓo/Si,式(2.3—25)可以表示为(2.2—26)噪声系数表明：一个电路的噪声系数，等于该电路的输出噪声功率N0与标准信号源在输出端产生的噪声功率KPNi的比值。因为一个线性系统的输出噪声N0等于标准信号源所产生的噪声功率KPNi与网络内部噪声Na之和，即(2.2—27)(2.2—28)(2.2—29)输出端开路时,总输出.输出端开路时,理想网络的输入方均噪声电压.输出端短路时,总输出. 2．噪声温度将线性电路的内部附加噪声折算到输入端,此附加噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效,这就是“噪声温度”。等效到输入端的附加噪声为Na/KP,令增加的温度为Te,即噪声温度,可得这样,式(2.28)可重写为(2.2—30)(2.2—31)(2.2—32)Te表示网络噪声性能的另一种方法,它和NF可以互相代替.都是表示网络噪声性能好坏的指标. 2.3.3噪声系数的计算1．额定功率法额定功率,又称资用功率或可用功率,是指信号源所能输出的最大功率,它是一个度量信号源容量大小的参数,是信号源的一个属性,它只取决于信号源本身的参数——内阻和电动势,与输入电阻和负载无关,如图所示。额定功率增益KPm是指四端网络的输出额定功率Psmo和输入额定功率Psmi之比,即 根据噪声系数的定义,分子和分母都是同一端点上的功率比,因此将实际功率改为额定功率,并不改变噪声系数的定义,则因为Nmi=kTB,Nmo=KPmNmi+Nmn,,所以Psim和Psom分别为输入和输出的信号额定功率.Nmi和Nmo分别为输入和输出的噪声额定功率KPm为额定功率增益Nmn为网络内部的最大输出噪声功率。也可以等效到输入端,有式中,Nmoi=Nmo/KPm是网络额定输出噪声功率等效到输入端的数值。L为网络的衰减系数.(2.2—35)(2.2—36)(2.2—34)(2.2—33)设:Nm0=kTB 根据定义,级联后总的噪声系数为图2—39级联网络噪声系数式中,No为总输出额定噪声功率,它由三部分组成:经两级放大的输入信号源内阻的热噪声;经第二级放大的第一级网络内部的附加噪声;第二级网络内部的附加噪声,即级联四端网络的噪声系数(2.2—38)(2.2—37) 因为网络内部的最大输出噪声功率级联后总输出噪声功率N0由三部分组成信号源内阻热噪声两级放大后的输出第一级网络的内部噪声经第二级放大后的输出3)第二级网络的内部噪声Na2整个系统的噪声系数(2.2—39) 用同样的方法不难推出多级级联网络的噪声系数的公式为从式(2.2—39)可以看出,当网络的额定功率增益远大于1时,系统的总噪声系数主要取决于第一级的噪声系数。越是后面的网络,对噪声系数的影响就越小,这是因为越到后级信号的功率越大,后面网络内部噪声对信噪比的影响就不大了。因此,对第一级来说,不但希望噪声系数小,也希望增益大,以便减小后级噪声的影响。(2.2—39) 例3图2—40是一接收机的前端电路,高频放大器和场效应管混频器的噪声系数和功率增益如图所示。试求前端电路的噪声系数(设本振产生的噪声忽略不计)。图2—40接收机前端电路的噪声系数因此,前端电路的噪声系数为解将图中的噪声系数和增益化为倍数,有 3．噪声系数与灵敏度噪声系数是用来衡量部件(如放大器)和系统(如接收机)噪声性能的。灵敏度就是保持接收机输出端信噪比一定时,接收机输入的最小信号电压或功率(设接收机有足够的增益)。2.2.5噪声系数的测量1．采用噪声信号源的测量方法图2—41是测量系统的构成。噪声系数为'