高频电路基础教学课件PPT.ppt

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,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,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I2L，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L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/(jC), 如图2 2（b）虚线所示, 其中, f为工作频率, =2f。,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,r,C,R,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。,1）.串联谐振,(1) 阻抗特性,X,0,容性,感性,(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。,其中,幅频特性,Q1Q2,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,感性,容性,感性,容性,0,串联谐振相频特性,Q1Q2,+ uC -,+ uL -,+ ui -,+ uR -,2.并联谐振,谐振时,当LR时,1）谐振频率,当LR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,+ ui -,电感性,电容性,+,-,是与外电流相比较而言,Q1Q2,0,感性,容性,+ u -,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? 解 (1) 计算L值。,将f0以兆赫兹(MHz)为单位, 以皮法(pF)为单位, L以微亨（H）为单位， 上式可变为一实用计算公式:,将f0=fs=10 MHz代入, 得,(2) 回路谐振电阻和带宽。,回路带宽为,(3) 求满足0.5 MHz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R1R0, 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=0.5 MHz, 故,回路总电阻为,2.1.3. LC 阻抗变换网络,等效：电路在同频率工作时，从AB端看进去阻抗 或（导纳）相等。,3.并联谐振回路的广义形式,Z1,Z2,ZP,R1,R2,ZP,C,L,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,+ 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,iLiS ； iC iR,IL,接入系数p越小, 比值越小,所以 前面分析中假设 iLiS ； iC iR (即ILI) 当p较小时将不能满足.,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,f0,f,us,us,is,is,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,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 C：,k1,对电感耦合回路：,若L1 = L2 = L,X12为耦合元件电抗,X11和X22分别为初级和 次级回路中同性质的电抗.,反射阻抗是用来说明一个回路对另一回路电流的影响。对初次级回路的相互影响，可用一反射阻抗来表示。,2. 反射阻抗与耦合回路的等效阻抗,互感耦合串联回路为例来分析耦合回路的阻抗特性。在初级回路接入一个角频率为的正弦电压V1，初、次级回路中的电流分别以i1和i2表示，并标明了各电流和电压的正方向以及线圈的同名端关系。,初、次级回路电压方程可写为,式中：Z11为初级回路的自阻抗，即Z11=R11+jX11, Z22为次级回路的自阻抗，即Z22=R22+jX22。,解上列方程组可分别求出初级和次级回路电流的表示式：,称为次级回路对初级回路的反射阻抗,上两式中，,称为初级回路对次级回路的反射阻抗,而 为次级开路时，初级电流 在次级线圈L2 中所感应的电动势， 用电压表示为,考虑到反射阻抗对初、次级回路的影响，最后可以写出初、次级等效电路的总阻抗的表示式：,以上分析尽管是以互感耦合路为例，但所得结论具有普遍意义。它对纯电抗耦合系统都是适用的，只要将相应于各电阻的自阻抗和耦合阻抗代入以上各式，即可得到该电路的阻抗特性。,由上两式可见，反射阻抗由反射电阻Rf与反射电抗Xf所组成。由以上反射电阻和反射电抗的表示式可得出如下几点结论：,2）反射电抗的性质与原回路总电抗的性质总是相反的。以Xf1为例，当X22呈感性(X220)时，则Xf1呈容(Xf10)。,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,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、 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。,2. 传输线变压器,u1,u2,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,r 为传输线的相对介电常数,大于1(24),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0.,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.,L和C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1,1：1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。,u1,u2,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。,(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,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。,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）14 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。,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： 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。 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。,2. 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,电感性,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）,由于Lq大,即在q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),f,0,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(j)。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(j)|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(j)| 2可近似为,式中, f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 3 dB带宽为B 0.7= 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=o/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,