高频电路基础课件

高频电子线路高频电子线路武汉工程大学电气信息学院2016年9月主主讲：郑宽磊磊电话：15926338899第二章 高频电路基础2.1无源器件与模型2.2有源器件与模型2.3传输线与微带线2.4Y参数与S参数2.5噪声与噪声系数主要内容主要内容第二章 高频电路基础引子1、高频电路与低频电路中元器件的频率特性是不同的。在低频呈现的集总器件 在高频时呈现分布参数2、无线通信电路中，器件的物理结构都尽可能的小，从而使得器件的有效工作频率随尺寸的减小而升高，如表面贴器件。3、高频电路由无源元件和有源器件组成。有源器件：具有电流控制能力的器件。如电子管、三极管、场效应管、晶闸管、可控硅等。无源器件：导线、电阻、电容、电感，以及二极二极管管等。第二章 高频电路基础2.1.1 导线 1、导线包括裸铜线、镀银(金)线、漆包线、塑包线、纱包线等，用于传输信号。2、趋肤效应图2-1趋肤效应示意图2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.1 导线 图2-2趋肤深度与工作频率的关系2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.2 电阻器LR为电阻的引线电感;CR为分布电容2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.3 电容器2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础电容标定：1MHz；rc为损耗电阻；Lc为引线电感电容的品质因数Qc为式中：为工作频率C为电容值rc为电容的总损耗电阻。2.1.3 电容器2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.4电感器为磁芯损耗的等效电阻为绕组间的分布电容为电感绕组的交流电阻2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.4电感器2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.4电感器电感的品质因数QL为采用漆包线绕制绕制环形线圈(铁粉磁芯)(铁氧体磁芯)2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.5 铁氧体磁珠2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.6 高频二极管应用:检波、调制、解调以及混频等非线性变换电路中,工作在低电平。1高频二极管模型Rd：二极管耗损电阻VD：内部PN结电压ID：直流导通电流Cd：正向偏置时的扩散电容Cj：反向偏置时的势垒电容势垒电容：2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础反向工作时，结电容以势垒电容Cj为主，其大小与外加反向电压ur的关系：正向工作时，结电容以扩散电容为主，其大小与二极管电流有关：2.1无源器件与模型无源器件与模型 2.1.6 高频二极管第二章 高频电路基础2高频二极管应用1)检波二极管检波二极管检波波(也称幅度解幅度解调)二极管是利用二极管单向导电性将高频或中频无线电信号中的幅度信息(如音频信号)取出来；广泛应用于半导体收音机、电视机及通信设备等小信号电路中，其工作频率较高，但处理信号时无增益。通常选用锗半导体材料制成的点接触型二极管，其接触面积小，虽然不能通过大的电流，且结电容小，但具有工作频率高和反向电流小等特点。常用的检波二极管有2AP系列、1N34/A、1N60等。2.1无源器件与模型无源器件与模型 2.1.6 高频二极管第二章 高频电路基础2高频二极管应用2)2)混频二极管混频二极管混混频是将两个不同频率的信号(如接收射频信号和本地振荡信号)通过非线性处理获得两频率之差的信号(简称差频)、或两频率之和的信号(简称和频)的过程。混频二极管是一种肖特基势垒二极管。与一般二极管相比，混频二极管具有工作频率高、噪声低、反向电流小、结电容小等特点。在大信号工作时，为开关工作状态，可获得较大的动态范围，广泛应用于高频与微波电路中。2.1无源器件与模型无源器件与模型 2.1.6 高频二极管第二章 高频电路基础2高频二极管应用3)3)晶体二极管晶体二极管又称为PIN二极管，是由在P型和N型半导体材料之间掺入一薄层低掺杂的本征半导体层组成，为一种静态结电容很小、用于高频开关和高频保护的特殊二极管。当工作频率超过100MHz时，由于少数载流子的存储效应和本征层中渡越时间效应，该二极管失去整流功能而变为阻抗器件，并且其阻抗值随偏置电压变化而变。当直流正向偏置时，本征区的阻抗很小，为导通状态，作为可变阻抗元件使用；反向偏置时，本征区为高阻抗状态，呈开路状态。常用于高频开关、移相、调制、限幅等电路中，作为开关和衰减器使用。2.1无源器件与模型无源器件与模型 2.1.6 高频二极管第二章 高频电路基础2高频二极管应用3)3)晶体二极管晶体二极管2.1无源器件与模型无源器件与模型 2.1.6 高频二极管第二章 高频电路基础2高频二极管应用4)4)变容二极管变容二极管2.1无源器件与模型无源器件与模型 2.1.6 高频二极管常用于调谐回路、振荡电路和锁相环路，实现自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等，如电视机高频头的频道转换和调谐电路第二章 高频电路基础2高频二极管应用5)隧道二极管隧道二极管(Tunneldiode)是采用砷化镓(GaAs)和锑化镓(GaSb)等材料混合、在重掺杂N型(或P型)的半导体片上用快速合金工艺形成高掺杂的PN结而制成的，PN结的耗尽层非常薄，使电子能够直接从N型层穿透PN结势垒进入P型层，称为隧道结。隧道二极管的正向电流电压特性具有负阻特性2.1.6 高频二极管2.1无源器件与模型无源器件与模型 第二章 高频电路基础1高频三极管2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.1 高频三极管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:一类是作小小信信号号放放大大的高频小功率管,对它们的主要要求是高增益,和低噪声;另一类为高高频频功功率率放大管放大管,除了增益外,要求其在高频有较大的输出功率。晶体管的电流放大系数随工作频率的升高而下降，当下降为1时，对应的工作频率称为特征频率fT，根据特征频率fT的不同可以分为：低频管：fT3MHz高频管：fT30MHz第二章 高频电路基础2.高高频三极管的主要参数三极管的主要参数包括：电流放大倍数、反向电流参数、频率参数和极限参数。电流放大倍数：共发射极电流放大倍数(或)共基极电流放大倍数在高频放电路中，三极管的值一般选用3080，其值太小，放大作用差；反之，工作性能不稳定。2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.1 高频三极管第二章 高频电路基础2.高高频三极管的主要参数三极管的主要参数极间反向电流：集-基反向饱和电流穿透电流集-基反向饱和电流为发射极开路时，在集电极与基极之间的反向电压所对应的反向电流，为少子载流子形成的漂移电流，是三极管工作不稳定的主要因素。穿透电流是基极开路，集电极与发射极之间的反向电压形成的集电极电流，与一样，易受温度影响。2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.1 高频三极管包括：电流放大倍数、反向电流参数、频率参数和极限参数。第二章 高频电路基础2.高高频三极管的主要参数三极管的主要参数包括：电流放大倍数、反向电流参数、频率参数和极限参数。频率参数三极管的频率参数反映了三极管的电流放大能力与工作频率关系的参数，包括共射极截止频率和特征频率当下降到中频段0.707倍时，所对应的频率称为共射极截止频率。当三极管的下降到时所对应的频率，称为特征频率。2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.1 高频三极管第二章 高频电路基础2.高高频三极管的主要参数三极管的主要参数包括：电流放大倍数、反向电流参数、频率参数和极限参数。极限参数：最大允许集电极耗散功率最大允许集电极电流反向击穿电压、选取的原则：工作电压应小于击穿电压的(1213)尽量选择反向电流小、结电容小的三极管电压放大，需要、高。功率放大，需要注意：2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.1 高频三极管第二章 高频电路基础3.基区基区宽度度调制效制效应又称为厄尔利(Early)效应，在三极管共射放大时，集电结上的反偏电压变化，集电结的势垒厚度也随着变化，引起基区宽度发生变化，从而引起三极管输入特性曲线、输出特性曲线的变化。图NPN三极管少数载流子的浓度分布2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.1 高频三极管第二章 高频电路基础3.基区基区宽度度调制效制效应2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.1 高频三极管对NPN三极管发射结处于正向偏置高浓度的发射区提供多数载流子(电子)扩散到基区，其浓度分布如图中的曲线基区的起始少数载流子(电子)浓度为当集电结反向偏置时，靠近集电结一侧的基区少数载流子浓度为第二章 高频电路基础3.基区基区宽度度调制效制效应2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.1 高频三极管对应的基区少数载流子的浓度分布如曲线，其梯度对应于集电极电流显然，集电极电流与集电极电压无关，到达基区靠集电结一侧的电子都会进入集电区，形成集电极电流，其多数载流子的浓度分布如图的曲线。第二章 高频电路基础NPN三极管少数载流子的浓度分布第二章 高频电路基础3.基区基区宽度度调制效制效应2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.1 高频三极管在饱和工作式，当减小时，由于，集电极正向偏置，集电结变窄，基区变宽，从发射区扩散到基区的载流子(电子)由于集电结正向偏置而积聚在基区，基区靠近集电结的基区少数载流子浓度也不再为零，且有所提高，浓度分布如图2-13的曲线，因此，集电区的多数载流子的浓度分布如图2-13的曲线所示，基区少数载流子的密度梯度下降，所对应于集电极电流也有所减小，为第二章 高频电路基础3.基区基区宽度度调制效制效应2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.1 高频三极管式中，第一项为发射结正向偏置的结果，第二项为集电结正向偏置的结果。当后，第二项的作用明显，而导致集电极电流减小当时，基极电流的主要成分仍是基区复合电流，当增大时，增大，基区宽带变窄，复合电流减小，对应基极电流下降；当减小时，基区变宽，复合电流增大，对应基极电流也增大。第二章 高频电路基础4.密勒效密勒效应2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.1 高频三极管在三极管组成的反相反相放大电路中，若在输入与输出之间跨接电容，或之间存在分布电容或寄生电容C，由于放大器的放大作用，可将其等效到输入端和输出端，对应的输入端电容为输出端电容为由于放大器的输出一般为低阻抗，输出电容的影响可以忽略，但输入阻抗由于电容的密勒效应而减小，甚至可能变为负阻抗引起放大器自激。第二章 高频电路基础特点：特点：场效应管为电压控制电流型器件，具有高输入阻抗、低功耗的优点。按结构分为MOS和JFET两类，其中MOS管又分为CMOS和DMOS。2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.2 高频场效应管基本MOS管的模型1、MOS管的模型第二章 高频电路基础2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.2 高频场效应管简化的MOSFET模型第二章 高频电路基础2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.2 高频场效应管2.DMOS管技管技术与CMOS器件结构类似，具有源、漏、栅等电极，但其漏端击穿电压高分为：垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管VDMOSFET横向双扩散金属氧化物半导体场效应管LDMOSFET主要技术指标有：导通电阻、阈值电压、击穿电压等。优点：高电流驱动能力、低导通电阻（Rds）和高击穿电压应用：大电流控制或功率放大第二章 高频电路基础2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.2 高频场效应管VDMOS管技管技术优点：兼有双极晶体管和普通MOS器件的优点，开关速度快、损耗小，输入阻抗高、驱动功率小，频率特性好，跨导高度线性，安全工作区大。应用：应用：电机调速、逆变器、不间断电源、开关电源、电子开关、高保真音响、LED照明汽车电器和电子镇流器等低频功率控制场合。第二章 高频电路基础2.2 有源器件与模型有源器件与模型2.2.2 高频场效应管LDMOS管技管技术LDMOS是一种双扩散结构的功率器件，与CMOS工艺兼容，能够承受更高的电压。LDMOS管具有较好的负温度系数特性，互调电平低、近似常数，在小信号放大时近似线性，几乎没有交调失真。与双极型晶体管相比，LDMOS管具有更高的增益，可达14dB以上。采用LDMOS管的功率放大器的增益可达60dB，LDMOS具有极高的瞬时峰值功率，可承受住高驻波比的过激励信号。因此，LDMOS具有较高的热稳定性和频率稳定性、更高的增益和更低的噪音，更好的IMD性能和更佳的AGC能力。LDMOS器件特别适用于CDMA、W-CDMA等宽频率范围射频功率电路。第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线电磁波既可以通过自由空间传播，又可以通过导线传播，传播速度为光速，无线电波频率越高，波长越短。在低频工作时，实际电路的外形尺寸与无线电波的波长相比，满足，可以忽略电磁波沿线传播所需的时间，即不计滞后效应，可以按集总参数的电路描述。第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线但在有有线通信通信或电力力传输中，传输线的长度与信号波长相当或大于波长，电磁波的滞后效应不可忽略，沿线传播的电磁波不仅是时间的函数，还是空空间坐坐标的函数，必须采用分布参数电路描述，如同轴电缆、电力传输线；在高频工作时，由于波长短，甚至小于元件尺寸，此时也不能采用集总电路分析。通常，当电缆或电线的长度大于波长的1/7时，就作为传输线处理；传输线主要结构有平行双平行双导线、平行多平行多导线、同同轴线、带状状线，以及工作于准TEM模(即横电磁波，在传播方向上没有电场和磁场分量)的微微带线等，它们都可借助简单的双导线模型进行电路分析。第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.1 传输线模型模型 1传输线基本基本组成与模型成与模型传输线作为二端口元件，其端口输入电流与输出电流相等。传输线与参考平面间由于电场的建立，在传输线上产生电流I，如果输出电压为U，则电磁波传输过程中，传输线等效为一个电阻U/I，称为传输线的特性阻抗ZC。下以均匀传输线均匀传输线(传输线上每一点的输入阻抗相等)为例，推导一节模型的特性阻抗ZC第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.1 传输线模型模型 2特性阻抗特性阻抗对应有当工作频率大于100kHz时，可忽略R0和G0，特性阻抗为当工作频率小于1kHz时，可忽略L0和C0，特性阻抗为R0两根导线每单位长度的电阻。L0两根导线每单位长度的电感。C0每单位长度导线之间的分布电容。G0每单位长度导线之间的电导。第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.1 传输线模型模型 3行波与行波与驻波波行波：电磁波在传输线上向前传输。反射波：传输线上的特性阻抗发生变化时,沿传输线反向传输。驻波：在传输线上同时存在行波和反射波，若两列波的频率、幅度相等，相位相反，则两列波迭加后的波形并不向前推进，故称驻波，各处的振幅稳定不变。波节：驻波中振幅为零的地方波腹：驻波中振幅最大的地方行驻波：若两列波的频率相等，相位相反，但幅度不等，则两列波迭加后，形成行驻波（两个方向）反射系数:行驻波的振幅的大小与反射波的强度有关，常用反射系数和驻波比表示。驻波系数：波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线设两列相干波，分别沿x轴正、反两个方向传播：其合成波称为驻波，表达式为（不具有传播的特征）（简谐振动，但幅度与位置有关）第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.1 传输线模型模型 3行波与行波与驻波波当传输线终端接入负载时，若负载ZL不等于特性阻抗时，电磁波就将在终端产生不同程度的反射，则反射系数为当特性阻抗ZC与负载阻抗ZL相等时，入射波全部被负载吸收而无反射，称为匹配负载匹配负载当终端短路，即ZL=0时，=1，入射波被负载全部反射。驻波比为驻波电场最大值和电场最小值之比，常用于描述传输线阻抗匹配的情况，驻波比与反射系数之间的关系应为第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线3行波与行波与驻波波在负载匹配情况下有：传输线上传输的是“行波”；传输线上传输的是“纯驻波”；传输线上传播的是“行驻波”。而在负载短路情况下有：在其它任意负载下，2.3.1 传输线模型模型 第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.1 传输线模型模型 4传输线的的终端特性端特性对于一段传输线而言，每一点的输入阻抗不等，既与特性阻抗有关，又与位置有关，也就是跟传输线的长度有关。下面考察三种特殊情形下传输线的输入阻抗。1终端接时，则沿传输线任何一点向终点看去的输入阻抗为：2终端开路时，3终端短路时，式中，为传播常数，l为传输线长度。第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.1 传输线模型模型 4传输线的的终端特性端特性终端开路、终端短路传输线的特性终端开路ZL终端短路ZL0第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.2 高高频变压器器变压器分类：高频变压器中频变压器低频变压器脉冲变压器收音机的磁性天线耦合提取电磁波感应信号，为高频变压器收音机的中频放大级使用中频变压器进行信号滤波与传递，俗称“中周”电源变压器等实现电压转换电视机的行输出变压器，也称“高压包”，为脉冲变压器，输出非正弦波形。高频变压器的工作频率在几十MHz以下，具有电压变换、电流变换、传递功率、阻抗匹配、阻抗变换等功能。与低频变压器相比，高频变压器在磁性材料、变压器结构等方面有所不同。第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.2 高高频变压器器1高高频导磁材料磁材料铁氧体磁性材料按其晶体结构可分为尖晶石型(MFe2O4)、石榴石型(R3Fe5O12)、磁铅石型(MFe12O19)和钙钛矿型(MFeO3)，按铁氧体的用途不同，又可分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁和压磁等几类，可用于制造能量转换、传输和信息存储的各种功能器件。以锰锌软磁铁氧体MnZnFe2O4和镍锌软磁铁氧体NiZnFeO4为代表的软磁铁氧体，矫顽力小，易磁化，在高频条件下具有高磁导率、高电阻率和低损耗的特点，其温度特性、频率特性稳定，是高频大功率器件的首选材料。第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.2 高高频变压器器1高高频导磁材料磁材料锰锌铁氧体(MX系列)的初始导磁率i约为40010000，工作频率从几千至500kHz，镍锌铁氧体(NX系列)的初始导磁率i约10至1500，工作频率约从500kHz至几百MHz。如工作在1.6MHz以下的中波段收音机，其接收天线所采用的磁棒一般选用初始导磁率为400的MX型锰锌铁氧体磁芯，短波段收音机的接收天线所采用的磁棒一般选用初始导磁率为60或40的NX型镍锌铁氧体磁芯，其初始导磁率较小，在高频工作下损耗也很小，能在频率较高的短波工作。因此，软磁铁氧体广泛应用于短波、超短波短波、超短波无线通信系统中，如功率分配、功率合成、阻抗变换、功率输出以功率分配、功率合成、阻抗变换、功率输出以及接收天线及接收天线等。第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.2 高高频变压器器2高高频变压器的磁芯器的磁芯结构构常见的几种磁芯第二章 高频电路基础E形磁芯的截面均为方形(或圆形)，常用于低频的普通变压器，如电源变压器。罐形磁芯空间利用率高，屏蔽性能好，漏磁和分布电容小，且电感易调节，适合高频变压器和电感元件等。U形磁芯的截面积一致，可作输出扼流圈、输入滤波器、开关电源变压器及高频镇流器等。环形磁芯可适用于不同频段，磁导率规格广，可用于宽频变压器宽频变压器和传输线变压器传输线变压器，如电源滤波器、共模抑制滤波器和中继器等。2.3 传输线与微与微带线2.3.2 高高频变压器器2高高频变压器的磁芯器的磁芯结构构第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.2 高高频变压器器3高高频变压器的等效器的等效电路路 R1、R2为初、次级绕组的电阻，C1、C2为初、次级绕组的分布电容，L1、L2代表初、次级的漏电感，Tr为没有分布参数的理想变压器。第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.3 传输线变压器器1传输线变压器的器的结构及其工作模式构及其工作模式传输线变压器就是利用绕制在磁环上的传输线而构成的高频变压器。传输线变压器可以看作双线并绕的1:1变压器，也可看做绕在磁环上的传输线。所以它有变压器器方式和传输线两种工作方式，取决于激励形式。第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.3 传输线变压器器2阻抗阻抗转换首先，考虑传输线模式，传输线1-2和3-4上的电流大小相等，方向相反，其大小为I，如图示，负载RL上的电流为2I、电压为U24。其次，考虑变压器模式，有U12=U34由于2端与3端短接，则U1=U12+U34=2U34=2U24该电路的输入阻抗为即为4:1的传输线变压器第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.3 传输线变压器器2阻抗阻抗转换9:1传输线变压器第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.3 传输线变压器器3平衡平衡结构构转换第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.4 微带传输线原理微带传输线分为带状线和微带线两种结构，均用于印刷电路板(PCB)设计。1.微微带线主要参数：特性阻抗、衰减常数、延迟时间、单位长度的电感与电容等特性阻抗特性阻抗传输延迟传输延迟微带线是一根带状导线，通过电介质与地平面隔离,可有效传输高频信号，同时还可以与电感、电容等构成一个匹配网络，是一种平面传输线第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.4 微带传输线原理2.带状状线主要参数：特性阻抗、衰减常数、延迟时间、单位长度的电感与电容等。特性阻抗特性阻抗带状线是处于两层导电平面之间的电介质中间的铜带线第二章 高频电路基础2.3 传输线与微与微带线2.3.4 微带传输线原理微带传输线在PCB板中的应用第二章 高频电路基础第二章 高频电路基础2.4 Y参数与参数与S参数参数 晶晶体体管管在在高高频线性性运运用用时常常采采用用两两种种等等效效电路路进行行分分析析,一一是是混合混合型等效型等效电路路,一是一是参数等效参数等效电路路。2.4.1 晶体管混合混合型型等效电路 前前者者是是从从模模拟晶晶体体管管的的物物理理机机构构出出发,用用集集中中参参数数元元件件、L、和和受受控控源源来来表表示示管管内内的的复复杂关关系系。优点点是是各各元元件件参参数数物物理理意意义明明确确,在在较宽的的频带内内元元件件值基基本本上上与与频率率无无关关。缺缺点点是是随随器器件件不不同同而而有有不不少少差差别,分分析析和和测量量不不方方便便。因因而而混混合合型型等等效效电路法路法较适合于分析适合于分析宽频带小信号放大器。小信号放大器。eb rcerbcreeCbeCbcrbbrbecrccbgm vbe第二章 高频电路基础2.4 Y参数与参数与S参数参数2.4.1 晶体管混合混合型型等效电路(1)基极体电阻：5100。rbb较小时，三极管可获得高增益和低噪声特性。(2)发射射结等效等效等效等效电阻阻rbe：5002000，rbe=(3)发射结电容：100500(4)集集电结电阻阻 ：25M(可忽略可忽略)(5)集电结电容：0.55pF，为内部反馈元件，严重影响放大器的性能指标。(6)受控电流源gmVbe：表征晶体管的放大作用，(7)集集射极电阻射极电阻rce：10100k(可忽略可忽略)(8)集集射极电容射极电容Cce：210pF(可忽略可忽略)第二章 高频电路基础2.4.1 晶体管混合混合型型等效电路2.4 Y参数与参数与S参数参数混合混合 等效等效电路的路的简化：化：rbc与Cbc引起的容抗相比rbc可视为开路。rbe与Cbe引起的容抗相比，rbe可以忽略（视为开路）rce与回路负载比较，可视为开路。第二章 高频电路基础 参参数数法法则是是从从测量量和和使使用用的的角角度度出出发,把把晶晶体体管管作作为一一个个有有源源线性性双双口口网网络,用用一一组网网络参参数数构构成成其其等等效效电路路。优点点是是导出出的的表表达达式式具具有有普普遍遍意意义,分分析析和和测量量方方便便。缺缺点点是是网网络参参数数与与频率率有有关关。由由于于高高频小小信信号号谐振振放放大大器器相相对频带较窄窄,一一般般仅需需考考虑谐振振频率率附附近近的的特特性性,因因而而采采用用这种种分分析析方方法法较合适。合适。2.4 Y参数与参数与S参数参数2.4.2 晶体管Y参数参数等效电路第二章 高频电路基础式中，称为共射电路输出短路时的输入导纳；称为共射电路输入短路时的输出导纳；称为共射电路输出短路时的正向传输导纳；称为共射电路输入短路时的反向传输导纳。2.4.2 晶体管Y参数参数等效电路2.4 Y参数与参数与S参数参数第二章 高频电路基础yieyoeyreuceyfeubeCiegiegoeCoe2.4 Y参数与参数与S参数参数Y Y参数和参数和混合混合参数的关系参数的关系第二章 高频电路基础2.4 Y参数与参数与S参数参数Y Y参参数数和和混混合合参数参数的关系的关系输入导纳输出导纳转移导纳转移导纳可以看出，这四个参数都是复数。第二章 高频电路基础特别说明：(1)Y参数不仅与晶体管的静态工作点有关，而且与工作频率有关，不过当放大器工作在窄带时，Y参数变化不大，可近似看作常数；(2)以后如无特别说明，高频小信号放大器均工作在窄带，晶体管一律用Y参数等效。显然,在高频工作时由于晶体管结电容不可忽略,参数是一个复数。晶体管参数中输入导纳和输出导纳通常可写成用电导和和电容容表示的直角坐直角坐标形式,而正向传输导纳和反向传输导纳通常可写成极坐极坐标形式Y Y参数参数和和混合混合参数参数的关系的关系2.4 Y参数与参数与S参数参数第二章 高频电路基础第二章 高频电路基础2.4.4 S参数与三极管的Smith图1.S参数定参数定义S参数主要用于高频小信号线性电路中2.4 Y参数与参数与S参数参数第二章 高频电路基础1.S参数定参数定义2.4.4 S参数与三极管的Smith图2.4 Y参数与参数与S参数参数第二章 高频电路基础1.S参数定参数定义为端口1的反射系数()，通常被称为回波损耗(RL)S22为端口2的反射系数S12为端口2到端口1的反向增益S21为端口1到端口2的正向增益，也称为插入损耗。对于互易网络，有：S12=S21；对于对称网络，有：S11=S22；对于无耗网络，有：(S11)2+(S12)2=1。如果以端口1作为信号的输入端口，端口2作为信号的输出端口，则回波损耗S11越小越好，通常要求小于0.1；而插入损耗S21表征传输的效率，其值越大越好，理想值是1。2.4.4 S参数与三极管的Smith图2.4 Y参数与参数与S参数参数第二章 高频电路基础2.S参数参数测量量正向S参数测试设置2.4.4 S参数与三极管的Smith图2.4 Y参数与参数与S参数参数第二章 高频电路基础2.S参数参数测量量根据正向测试图，可以获得正向S参数将图中的信号源与负载交换位置，其他电路不变，可以获得三极管的反向S参数2.4.4 S参数与三极管的Smith图2.4 Y参数与参数与S参数参数第二章 高频电路基础3S参数与其他双端口参数的关系参数与其他双端口参数的关系双端口参数有Z、Y、H参数等，与S参数的关系分别为2.4 Y参数与参数与S参数参数2.4.4 S参数与三极管的Smith图第二章 高频电路基础2.4 Y参数与参数与S参数参数2.4.4 S参数与三极管的Smith图4Smith图Smith图用于工程设计，可直接获得相关参数，如Z-smith图、Y-smith图和S-Smith图等。以传输线与负载情况为例，特性阻抗，负载为则反射系数为第二章 高频电路基础4Smith图例：(a)ZL=0，终端短路，(b)ZL=，终端开路，(c)ZL=50，终端匹配，(d)ZL=(16.67-j16.67)(e)ZL=(50+j50)，复平面极坐标如图2.4.4 S参数与三极管的Smith图2.4 Y参数与参数与S参数参数第二章 高频电路基础4Smith图(反射系数的smith图)考虑传输线长为d，其反射系数(d)为其输入阻抗Zin为归一化输入阻抗zin为2.4 Y参数与参数与S参数参数2.4.4 S参数与三极管的Smith图第二章 高频电路基础坐标与的映射关系为两个圆。圆在横轴上，圆对应一段弧。2.4.4 S参数与三极管的Smith图2.4 Y参数与参数与S参数参数4Smith图(反射系数的smith图)第二章 高频电路基础4Smith图(反射系数的smith图)2.4.4 S参数与三极管的Smith图2.4 Y参数与参数与S参数参数第二章 高频电路基础4Smith图(反射系数的smith图)2.4.4 S参数与三极管的Smith图2.4 Y参数与参数与S参数参数例，某负载 接入传输线，特征阻抗 ，工作在2GHz频率上，若传输线长2cm，相速为光速的一半。试用反射系数的概念分析输入阻抗。解 利用反射系数分析阻抗，通常采用六步法计算，也可采用Smith图解法，为了比较两种计算方法，现将他们的计算过程列入表所示，作图的步骤如图所示。方法1：公式计算法1）负载反射系数：第二章 高频电路基础4Smith图(反射系数的smith图)2.4.4 S参数与三极管的Smith图2.4 Y参数与参数与S参数参数2）传输线相移3）输入端反射系数4）输入阻抗第二章 高频电路基础4Smith图(反射系数的smith图)2.4.4 S参数与三极管的Smith图2.4 Y参数与参数与S参数参数方法2：Smith圆图分析法1）归一化负载阻抗2）在Smith圆图上，找r=0.6的圆和x=1.2的弧，其交点为3）连接圆和，得到4）传输线相移5）以为半径画圆，顺时针移动相位，得到，对应的6）去归一化，得到输入阻抗第二章 高频电路基础4Smith图(反射系数的smith图)2.4.4 S参数与三极管的Smith图2.4 Y参数与参数与S参数参数Smith圆图输入电阻的计算第二章 高频电路基础5三极管三极管S参数参数2.4.4 S参数与三极管的Smith图2.4 Y参数与参数与S参数参数NPNNXPBFG-425W宽带晶体管的典型S参数第二章 高频电路基础频率(GHz)模值角度模值角度模值角度模值角度0.0400.950-1.9273.575177.7290.00383.5370.996-1.1160.1000.954-5.3093.518175.2470.00787.0570.996-3.0820.2000.951-10.5173.504170.4410.01482.3410.991-6.3430.3000.947-15.8913.496166.5340.02078.6810.988-9.4050.4000.941-20.9873.493161.2210.02775.1090.982-12.5760.5000.935-26.2973.476156.5310.03371.2540.974-15.5930.6000.928-31.5083.433151.9540.04067.6360.965-18.6050.7000.919-36.6693.384147.5150.04663.8750.954-21.6740.8000.910-41.8713.350143.1520.05160.3570.943-24.6000.9000.898-46.9483.317138.8010.05756.9290.930-27.5591.0000.886-52.1613.272134.3090.06253.4880.916-30.3961.1000.874-57.1813.223130.1140.06750.1810.903-33.0981.2000.861-62.2183.171125.8370.07146.9550.888-35.8591.3000.849-67.1543.119121.7860.07543.7910.873-38.5311.4000.835-72.1573.072117.6820.07940.6310.857-41.1515三极管三极管S参数参数2.4.4 S参数与三极管的Smith图2.4 Y参数与参数与S参数参数偏置条件第二章 高频电路基础第二章 高频电路基础2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 1、噪声是对电子系统造成影响的干扰信号总称。2、有确定来源、有规律的无用信号称为干扰干扰，如50Hz的电源干扰、工业干扰、天电干扰等；3、而电子线路中内部某些元器件产生的随机起伏的电信号称为噪声噪声，如电阻热噪声、天线热噪声、有源半导体器件的噪声等。4、由于噪声具有随机性，因此噪声的分析通常采用统计分析方法统计分析方法，如均值、均方值、频谱与功率谱来表征。5、主要讨论电阻热噪声和半导体噪声模型，以及噪声的表示方法。第二章 高频电路基础2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 2.5.1 电阻阻热噪声噪声 噪声内因：电阻中的带电粒子在导体内作无规则的运动，从而导致发生电子碰撞，产生持续时间极短的脉冲电流，该电流的方向是随机的。因此，在一段时间内，电阻内部的电流均值为零，但瞬时电流在平均值上下变动，称为起伏电流。起伏电流在电阻两端产生噪声电压。噪声功率谱密度为白噪声白噪声：起伏噪声在很宽的频带内具有均匀的功率谱密度。在有限带宽内，噪声电压均方值为噪声功率也可采用电流均方值表示第二章 高频电路基础电阻噪声等效电路*纯电抗元件没有损耗电阻，不产生噪声。*电阻产生的噪声功率谱仅与温度、电阻值有关，与外部的电压、电流无关。2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础理理想想电抗抗元元件件是是不不会会产生生噪噪声声的的,但但实际电抗抗元元件件是是有有损耗耗电阻阻的的,这些些损耗耗电阻阻会会产生生噪噪声声。对于于实际电感感的的损耗耗电阻一般不能忽略阻一般不能忽略,而而对于于实际电容的容的损耗耗电阻一般可以忽略。阻一般可以忽略。例例试计算510k电阻的噪声均方值电压和均方值电流各是多少？设T=290K，BW=100kHz。（BW即fn）解:U2n=4kTRBW=41.3810-232905101031058.1610-102I2n=4kTBW/R=41.3810-23290105/510103)3.1410-2122.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 2.5.2 晶体管噪声晶体管噪声 1、主要有热噪声、散粒噪声噪声、散粒噪声、分配噪声和闪烁噪声。2、热噪声噪声和散粒散粒(弹)噪声噪声为白噪声白噪声，其余的为有色噪声。3、热噪声噪声主要存在于基极电阻，而发射极和集电极电阻的热噪声一般很小，可以忽略。4、散粒噪声散粒噪声是由于少数载流子通过PN结注入基极时，在单位时间内注入的载流子数目不等，因而到达集电极的载流子数目不等而引起的噪声，其表现是发射极电流和集电极电流的起伏现象。5、分配噪声分配噪声也与载流子数目有关，发射区注入到基区的少数载流子，一部分经基区进入集电极形成集电极电流，另一部分在基区复合；其中，载流子复合时，其数量时多时少而形成噪声；6、闪烁噪声噪声，也称1/f 噪声，是由于晶体管在制造过程中的表面损伤或晶格缺陷，引起表面和体内电导受到无规则的调制，从而产生的噪声。主要在低频处产生，高频时通常不予考虑。第二章 高频电路基础2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 2.5.2 晶体管噪声晶体管噪声（考虑三极管的高频共基极共基极电路组态）1、基极的噪声由rb产生的热噪声热噪声为主，噪声电压均方值为2、发射极的噪声以载流子不规则运动所产生的散粒散粒(弹)噪声噪声为主，其电流均方值为3、集电极的噪声以少数载流子复合不规则而引起的分配噪声分配噪声为主，其电流均方值为第二章 高频电路基础2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 2.5.2 晶体管噪声晶体管噪声 晶体管噪声系数与频率关系第二章 高频电路基础2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 2.5.2 晶体管噪声晶体管噪声 晶体管中还存在雪崩噪声和爆裂噪声。1、雪崩噪声是PN结反向工作在击穿状态时产生的，PN结耗尽层内，由于反向电压的作用，因此电子与晶体发生碰撞，产生雪崩倍增效应，形成多余的电子-空穴对，而碰撞是随机发生的，产生与散粒噪声类似的随机电流脉冲，但其幅度要大得多。2、爆裂噪声是流过半导体PN结电流突然变化所引起的，通常爆裂噪声电流只在两种电流值之间切换，为电流型噪声，在高阻电路中影响更大。爆裂噪声表现为失调电压的幅度随机跳变，与半导体材料的缺陷和高浓度离子注入相关。3、对于CMOS工艺，其中的散粒噪声、爆裂噪声和雪崩噪声通常影响较小，可忽略。第二章 高频电路基础2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 2.5.3 噪声的表示与计算为了使放大器能够正常工作,除了要满足增益、通频带、选择性等要求之外,还应对放大器的内部噪声给以限制,一般是对放大器的输出端提出满足一定信噪比的要求。对于其它线性四端网络也有同样的要求。所谓信噪比是指四端网络某一端口处信号功率与噪声功率之比。信噪比SNR(SignaltoNoiseRatio)通常用分贝数表示,写作：SNR=其中Ps、Pn分别为信号功率与噪声功率。第二章 高频电路基础2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 2.5.3 噪声的表示与计算噪声的描述有噪声系数、噪声温度、噪声等效带宽等。1、噪声系数考虑到信号功率的增益噪声系数表示为：为一对于一线性四端网络,噪声系数NF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（2-54）第二章 高频电路基础2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 2.5.3 噪声的表示与计算2噪声温度噪声温度噪声的大小与温度密切相关。系统内部的噪声将降低输出端的信噪比，若把系统当作无噪系统，将输出端噪声功率增大的部分等效为输入端源内阻在温度上升时所产生的噪声，该等效温度称为噪声温度。输入端噪声功率，经过无噪放大器放大后，输出噪声功率为，对应的温度关系为（2-55）第二章 高频电路基础系统本身产生的噪声功率为Pno2，如果考虑系统为无噪声系统，将系统本身所产生的噪声功率也折算到输入端考虑Pni2，对应的噪声功率与噪声温度Te2关系为则噪声系数NF为因此，等效噪声温度Te2为采用噪声温度表示，放大器输出噪声功率Pn0为2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础3等效噪声带宽放大器的电压传输系数为A(f)，则输出功率谱密度为S0(f)=|A(f)|2Si(f)对应输出端的噪声电压均方值为根据功率相等的条件，有fn为等效噪声等效噪声带宽若输入端噪声的功率谱密度Si(f)是均匀的，有2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础4级联网络的噪声系数自身产生的输出噪声功率分别为（由公式2-54、2-55）2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础*每一级放大器自身产生的噪声功率与外部输入的噪声功率无关，两级放大器自身噪声功率计算采用相同的噪声源。第一级放大器输出的总噪声功率为第二级输出的总噪声功率为2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础两级放大器的总噪声系数NF12为（由2-54公式）N级放大器级联的总噪声系数为当前两级功率增益足够大时，级联电路的总噪声系数主要决定于第一级的噪声系数，后级放大电路对总噪声系数的影响小。因此，在多级级联电路中，降低噪声系数的关键是第一级，不仅要求它的噪声系数小，而且还希望它的功率增益尽可能大。2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础例例 图所示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 接收机前端电路的噪声系数2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础106解 ：将图中的噪声系数和增益化为倍数,有因此,前端电路的噪声系数为：2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础2.5.4 集成放大器的噪声分析集成放大器的噪声分析运算放大器内部的噪声来自于PN结和内部电阻等，存在五种噪声源：散粒噪声、热噪声、闪烁噪声、爆裂噪声和雪崩噪声。目前，放大器的噪声模型有三种，分别是En-In模型、Rn-Gn模型和An-Bn模型。(a)En-In模型(b)Rn-Gn模型(c)An-Bn模型2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础几种常用运算放大器的噪声参数型号测试条件增益带宽积LT1077A270.02ECC=5V0.23(MHz)OP-079.60.12ECC=15V0.6(MHz)A741230.55ECC=15V1(MHz)OP-2730.7ECC=15V8(MHz)NE553250.7ECC=15V10(MHz)MAX4101.51.2ECC=5V28(MHz)AD8111.920ECC=15V140(MHz)THS30011.613,16ECC=15V420(MHz)2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础例：例：某三极管放大电路，输入信号源Us=25mV、Rs=50，放大电路的参数：输入电阻Rin=200、电压增益Av=50，带宽B=1MHz，等效噪声电压、等效噪声电流，分析输出信噪比。解：其模型如图所示。输入有1个信号源和3个噪声源,独立计算。信号信号输出出：源内阻源内阻的噪声噪声输出出：(源内阻的源内阻的源内阻的源内阻的热热噪声噪声噪声噪声 )2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础放大器等效噪声电压等效噪声电压的输出：放大器等效噪声电流等效噪声电流的输出：总的噪声电压输出总的噪声电压输出：输出信噪比输出信噪比：2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础2.5.5 常常见噪声的功率噪声的功率谱密度密度 1白噪声白噪声白噪声的功率谱密度函数为Sn()=N0/2(+)若采用单边频谱表示因此，白噪声的自相关函数为2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础白噪声的功率谱密度与自相关函数2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础2高斯噪声高斯噪声其一维概率密度函数为噪声的平均功率为噪声的方差为2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础正态分布的密度函数2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础3窄窄带高斯噪声高斯噪声高斯白噪声，是指噪声的概率密度函数满足正态分布统计特性，同时其功率谱密度函数为常数的一类噪声。在通信系统中，经常假定系统中信道噪声为高斯型白噪声。当高斯噪声通过选频带通滤波器时，形成窄带高斯噪声。（频带宽度f 远远小于其中心频率fc）窄带高斯噪声的频谱被局限在中心频率c附近很窄的频率范围内，其包络和相位均缓慢随机变化。因此，窄带高斯噪声n(t)可表示为 n(t)=A(t)cos(ct+(t)2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础展开上式，即式中，nc(t)、ns(t)分别为同相分量和正交分量 nc(t)、ns(t)和n(t)具有相同的统计特性2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数 第二章 高频电路基础2.5.6 减少噪声的措施减少噪声的措施 1.选用低噪声的元器件用低噪声的元器件选择低噪声器件的标准就是选取、值小的器件2.选择晶体管合适的工作点晶体管合适的工作点3.选择合适的信号源内阻合适的信号源内阻4.选择合适的工作合适的工作带宽和放大和放大电路路5.降低噪声温度也是重要措施降低噪声温度也是重要措施6.采用信号采用信号处理的方法降低噪声理的方法降低噪声2.5 噪声与噪声系数噪声与噪声系数