高频高频电路基础.ppt

1,第2章 高频电路基础,2.1 高频电路中的元器件和组件,重点：串、并联谐振回路的选频特性,2,2.1.1 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, 而且还表有电抗特性的一面。 电阻器的电抗特性反映的就是其高频特性。 一个电阻R的高频等效电路如图2 1所示, 其中, CR为分布电容, LR为引线电感, R为电阻。,图 2 - 1 电阻的高频等效电路,3,4,2. 电容器 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2 -2（a）所示。 理想电容器的阻抗1/(jC), 如图2-2（b）虚线所示. 其中, f为工作频率, =2f。,(a) 电容器的等效电路; （b） 电容器的阻抗特性 图2 2 电容器的高频等效电路,5,实际电容的阻抗特性,6,3. 电感 高频电感器的电感量是其主要参数。 感抗为jL, 其中, 为工作角频率。 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2 3所示。,图 2 3 高频电感器的自身谐振频率SRF,7,导线趋肤效应示意图,趋肤效应 ：交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种现象称“趋肤效应”。趋肤效应使导体的有效电阻增加。频率越高，趋肤效应越显著。,8,9,2.1.2 高频电路中的有源器件 1） 二极管 半导体二极管在高频中主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中, 工作在低电平。 变容二极管又称“可变电抗二极管”。是一种利用PN结电容（势垒电容)与其反向偏置电压的依赖关系而制成的二极管。反偏电压愈大，则结电容愈小。 普通可变电容采用机械调节改变容量，变容二极管用电调方式改变容量，,10,11,2） 晶体管与场效应管（FET） 在高频中应用的晶体管仍然是双极晶体管和各种场效应管，这些管子比用于低频的管子性能更好, 在外形结构方面也有所不同。 高频晶体管有两大类型: 一类是作小信号放大的高频小功率管, 对它们的主要要求是高增益和低噪声; 另一类为高频功率放大管, 除了增益外, 要求其在高频有较大的输出功率。,12,3） 集成电路 用于高频的集成电路的类型和品种要比用于低频的集成电路少得多, 主要分为通用型和专用型两种。,13,振荡（谐振）回路 高频变压器 谐振器 滤波器 平衡调制（混频）器 正交调制（混频）器 移相器 匹配器 衰减器 分配器与合路器等,2.1.2 高频电路中的组件,14,1. 高频振荡回路 高频振荡回路是高频电路中应用最广的无源网络，也是构成高频放大器、 振荡器以及各种滤波器的主要部件，在电路中完成阻抗变换、 信号选择等任务, 并可直接作为负载使用。,15,16,选频的基本概念 所谓选频：就是选出需要的频率分量 并且滤除不需要的频率分量。,17,单振荡回路,耦合振荡回路,振荡回路（由L、C组成）,各种滤波器,LC集中滤波器 石英晶体滤波器 陶瓷滤波器 声表面波滤波器,串联振荡回路,并联振荡回路,18,要求,通频带外的幅频特性应满足,理想的幅频特性应是矩形，既是一个关于频率的矩形窗函数。,定义矩形系数K0.1表示选择性：,2f0.7称为通频带 ：,显然，理想选频电路的矩形系数K0.1=1，而实际选频电路的矩形系数均大于1。,理想的选频电路通频带内的幅频特性,选频电路的通频带宽度 传输信号有效频谱宽度,相一致,19,Example1-1: The series LRC circuit has the following component values: r =10, L=10H, and C=100pF Determine the impedance Z, the current for VZ=10Vrms (root mean square), the resulting voltage dropped across the capacitor, and the power dissipated by the circuit. (all at f=5.5MHz). Solution: 1. At f = 5.5MHz, = 2*5.5MHz = 34.56M rad/s, XL = L = 345.6, XC = 1/C = 289.4, Hence, Z = 10 + j345.6 - j289.4 = 10 + j56.2 = 57.180 2. i = v/Z = 10V/ 57.180 = 175mA -80 . The phase angle = -80 indicates that the current lags the applied voltage (or the voltage leads the current) for this essentially inductive circuit. 3. Vc = iXC = (175mA -80)(289.4-90) = 50.6V -170 4. The power dissipated in the circuit is that lost in the resistance, Pr = i 2r = (175mA)2(10) = 306mW.,20,Series resonance The magnitude of the impedance for the series circuit, |Z|=|r+j(XL-XC)|, has a minimum value at the frequency that causes the reactive components to cancel each other. This condition, called resonance, leaves a purely resistive impedance, Z = r. To show what a dramatic difference resonance can produce, repeat Example1-1 at a frequency just 10% below the 5.5MHz used before. Solution: Resonance occurs at 0 = 1/ LC = 31.6M rad/s , f0 = 5.03MHz 1. XL = 0L = 316, and XC= 1/0C = 316, Hence, Z = 10 + j316 j316 = 10 2. i = v/Z = 10V/ 10 = 1A = Imax. 3. Vc = iXC = (1A )(-j316) = 316V -90 4. Pr = i 2r = (1A)2(10) = 10W.,21,22,23,Remarkable result: 1. The current reaches a maximum at resonance which is limited only by the circuit resistance. 2. The voltage dropped across the capacitor is 316V, but the voltage applied to the circuit is only 10V! This is increase of 31.6 times. The ratio of 31.6 is called the Q (quality factor) of the circuit. Q is also can be calculated from 316/10, which formally is Q =XL/r ( or Q =XC/r ) Circuit Q is defined as the ratio of maximum energy stored to the amount lost per ac cycle. 3. The Q of a circuit is very important in communications because it determines the 3dB bandwidth of resonant circuits. 4. BW = f0/Q BW = 5.03MHz/31.6 = 159.2kHz,24,25,26,图2 4 串联振荡回路及其特性,27,（2 1）,（2 2）,（2 3）,在任意频率下的回路电流 I 与谐振电流 I0 之比为,串联阻抗：,串联谐振角频率：,谐振电流：,（2 4）,28,其模为,其中,（2 5）,（2 6）,图 2- 5 串联谐振回路的谐振曲线,图2 - 6 串联回路在谐振时的电流、 电压关系,29,在实际应用中, 外加信号的频率与回路谐振频率0之差=-0表示频率偏离谐振的程度, 称为失谐。 当与0很接近时,（2 7）,（2 8）,其模可写为：,(2 9),广义失谐：,通频带：,(2 10),由式,矩形系数K0.1= = 9.95,30,知识点： 1.串联谐振角频率； 2.串联谐振时，串联阻抗最小，为一纯电阻； 3.回路的品质因数 ，谐振曲线越尖锐，通频带B越小，回路的频率选择性越好； 4. 矩形系数K0.1= =9.95,与品质因数无关； 5. 串联谐振时电感及电容上的电压为最大，其值为电阻上电压值的Q倍，也就是恒压源的电压值的Q倍。,31,信号源内阻及负载对串联谐振回路的影响,通常把没有接入信号源内阻和负载电阻时回路本身的Q值叫做无载Q（空载Q值） 如式 把接入信号源内阻和负载电阻的Q值叫做有载Q值，用QL表示：,其中R为回路本身的损耗，RS为信号源内阻，RL为负载,结论：串联谐振回路通常适用于信号源内阻Rs很小(恒压源）和负载电阻RL也不大的情况。,32,（2)并联谐振回路:当高负载阻抗时，并联谐振回路应用最广。,结构：电感线圈、电容C、外加信号源相互并联的 振荡回路。,问题: 找出谐振点? 谐振点特点? 回路的参数? 与串联回路的差别?,33,图2 - 7 并联谐振回路及其等效电路、 阻抗特性和辐角特性 (a) 并联谐振回路; （b）等效电路; （c）阻抗特性; （d）辐角特性,并联谐振回路的并联阻抗为,(2 11),34,一般 L r, 代入上式 ：,35,当Q1时:,回路的品质因数,回路在谐振时的阻抗最大, 为一电阻,并联谐振频率,36,谐振时电感支路或者电容支路的电流幅值为外加电流源IS的 Q倍。因此，并联谐振又称为电流谐振。,一般Q为几十到几百，因此信号源的电流不是很大，而支路 内的电流却是很大。,37,（2 - 17）,图2 - 8表示了并联振荡回路中谐振时的电流、 电压关系。,38,知识点： 1. 并联电阻R0是等效到回路两端的并联谐振电阻； 2. 回路的品质因数 ，并联谐振电阻R0在谐振频率附近变化越快，谐振曲线越尖锐，回路的频率选择性越好； 3. 并联谐振回路的通频带B 相同； 串联谐振回路的通频带B 相同； 4. 谐振时，电感及电容上的电流为外部电流的Q倍。 5. 理想电感内阻r为零，并联谐振阻抗无穷大，串、并联回路能量无损。,39,40,信号源内阻和负载电阻对并联谐振回路的影响,41,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=50 pF, (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=0.5 MHz, 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?,42,(2) 回路谐振电阻和带宽,解: (1) 计算L值,回路带宽为,(3) 求满足0.5 MHz带宽的并联电阻 总的回路有载品质因数为QL,回路总电阻为,需要在回路上并联7.97 k的电阻。,43,窄带无源阻抗变换,在并联谐振回路中，为了减少负载和信号源内阻对选频回路的影响,保证回路有高的Q值，除了增大负载和信号源内阻外，还可以采用阻抗变换网络。 阻抗变换的目的：将实际负载阻抗变换为前级网络所要求的最佳负载值，即获得最大功率输出。,44,图2 9 几种常见抽头振荡回路,2. 抽头并联振荡回路: 了解：抽头并联振荡回路的阻抗变化(折合)关系,45,（2 18）,（2 19）,（2 20）,接入系数p： 定义为：抽头点电压与端电压的比 也可定义为：接入点电压与欲折合处电压之比,46,对于图2 9（b）的电路, 其接入系数p可以直接用电容比值表示为,（2 21）,（2 22）,47,谐振时的回路电流IL和IC与I的比值要小些, 而不再是Q倍。 由,图 2 10 电流源的折合,及,（2 23）,可得,48,例 2 如图2 11， 抽头回路由电流源激励, 忽略回路本身的固有损耗, 试求回路两端电压u(t)的表示式及回路带宽。 ,图 2 11 例2的抽头回路,49,解 由于忽略了回路本身的固有损耗, 因此可以认为Q。 由图可知, 回路电容为,谐振角频率为,电阻R1的接入系数,等效到回路两端的电阻为,50,回路两端电压u(t)与i(t)同相, 电压振幅Um = I m R = 2V, 故,输出电压为,回路有载品质因数,回路带宽,51,52,耦合回路,1、概述,单振荡回路具有频率选择性的作用， 但是其选频特性不够理想（K0.1=9.98，太大！）。,为了使网络具有矩形选频特性，需要采用耦合振荡回路。,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,53,常用的两种耦合回路：,2 、耦合系数k及耦合因子A,按耦合参量的大小：强耦合、弱耦合、临界耦合,(a)电感耦合回路,(b)电容耦合回路,为此，引入“耦合系数”的概念来说明回路间耦合程度的强弱并以k表示。,耦合回路的特性和功能与两个回路的耦合程度有关,54,(b)对电容耦合回路：,一般C1 = C2 = C：,通常 CM C：,所以k1,(a)对电感耦合回路：,若L1 = L2 =L ,互感M的单位与自感L相同，高频电路中M的量级一般是uH，耦合系数k的量级约是百分之几。,55,可见，任何电路的耦合系数不但都是无量纲的常数，而且永远是个远小于1的正数。,因此，定义耦合因子: A=Qk 其量级约是1左右。 (A1强耦合、A1弱耦合、A=临界耦合),56,耦合回路的通频带与矩形系数,根据前述单回路通频带的定义，当 Q1 = Q2 = Q，01 = 02 = 时可导出：,一般采用A稍大于1，这时在通带内放大均匀， 且在通带外衰减很大，有较理想的幅频特性。,(1) 若A=1时:,当A=2.41时:,57,2. 宽频带传输线变压器的工作原理,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，而是传输线的终端端线电压。,上网查传输线变压器宽频带原理,58,两根导线紧靠在一起，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。,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。,59,(1) 1：1传输线变压器,常用传输线变压器分析,又叫倒相变压器 当传输线无损时：u1=u2 和 i1=i2,u1,u2,1：1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。,60,图2-19 平衡与不平衡变换器 （a）平衡不平衡 （b）不平衡与平衡,2、1：1传输线实现平衡和不平衡的相互转换,61,(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,u1,u1,u2,u2,2u,+ 2u -,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。,62,两级宽带高频功率放大电路实例,两级功放都工作在甲类状态； 三个传输线变压器均为4:1阻抗变换器； 第一级功放的高输出阻抗与第二级功放的低输入阻抗经16:1阻抗变换实现匹配； 第二级功放的高输出阻抗与50负载电阻经4:1阻抗变换实现匹配。,63,3. 石英晶体谐振器,一、石英晶体的物理特性,1、石英晶体的结构 图（a）表示自然结晶体， 图（b）表示晶体的横断。 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Z，称为光轴；在图（b）中沿对角线的三条X轴，称为电轴；与电轴相垂直的三条Y轴，称为机械轴。,图2.20 石英晶体的形状及横断面图,64,2、石英晶体的切割,石英晶体谐振器是由石英晶体切片而成。各种晶片按与各轴不同角度切割而成。 下图就是石英晶体几种常用的切片方式，晶片经制作金属电极，按放于支架并封装即成为晶体谐振器元件。,图2.20 石英晶体的各种切割方式 （a）X切割 （b）Y切割 （c）AT切割,65,3、石英晶体的电特性,（1）石英晶体特有的正、反两种压电效应 正压电效应：当沿晶体的电轴或机械轴施以张力或压力时，就在垂直于电轴的两面上产生正、负电荷，呈现出电压。 负压电效应：当在垂直于电轴的两面上加交变电压时，晶体将会沿电轴或机械轴产生弹性变形（伸张或压缩），称为机械振动。,66,（2）石英晶体具有谐振回路的特性 因为石英晶体和其它弹性体一样，具有弹性和惯性，因而存在着固有振动频率。当外加电信号频率在此自然频率附近时，就会发生谐振现象。它既表现为晶片的机械共振，又在电路上表现出电谐振。这时有很大的电流流过晶体，产生电能和机械能的转换。 （3）具有较小的频率温度特性,67,2、谐振频率,串联谐振频率：,并联谐振频率：,式中,两频率之间的间隔为,68,由此式画出的电抗曲线如图1.3.4所示。由该图知：,图2.23 晶体谐振器的电抗曲线,69,晶体谐振器与一般振荡回路比较，有以下几个明显的特点：, 晶体在工作频率附近阻抗变化率大，具有很高的并联谐振阻抗。,70,表面声波滤波器,表面声波滤波器的结构如图所示。,图2.26 表面声波滤波器结构示意图,71,电信号由交叉指形换能器转换成声波。换能器的工作原理是利用压电衬底对电场作用时的膨胀和收缩效应。 一个时变电信号(交流信号源供给)输入，引起压电衬底振动，并沿其表面产生声波。严格地说，传输的声波有表面波和体波，但主要是表面波。 在压电衬底的另一端可用第二个叉指形换能器将声波转换成电信号。,简单工作原理,72,沿弹性体表面传递的声波，有n节换能器，（n+1）个电极或 个周期段。指间距b、指宽a决定声波波长 。,换能器频率,，,周期段长（波长）：,传播速度。,73,当外加信号频率 时，,各节所发出的表面波同相迭加，振幅最大，总振幅,（,为每节所激发声波强度振幅）。,当,偏离,，强度减小,（原因是各 振幅不变，但相位变化）。,表面声波滤波器的幅频特性为具有,的函数形式，,，（,）。,式中,74,目前表面声波滤波器的中心频率可在10MHz1GHz之间，相对带宽为0.5%-50% ，插入损耗最低仅几个dB，矩形系数可达1.2。,图示为一接有声表面波滤波器的预中放电路，滤波器输出端与一宽带器相接。,图 声表面波滤波器与放大器连接,75,2.2.5 高频衰减器,