通信电子线路CH02通信电子线路基础

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第,2,章 通信电子线路基础,南通大学电子信息学院,目录,2.,1,高频电路中的有源器件,2.,2,无源谐振电路分析,2.,3,干扰和噪声,2.1,高频电路中的有源器件,二极管：,检波、调制、解调、混频等，变容二极管，,PIN,管等。,BJT,、,FET,：,高频应用,集成电路：,通用集成宽带放大电路，专用高频集成电路。,任务：完成信号的放大、非线性变换等主要功能。,2.1.1 BJT,的高频小信号模型,一、混合,等效电路,C,be,C,bc,+,_,b,e,e,c,b,+,_,+,_,2.1.1 BJT,的高频小信号模型,二、三极管的,Y,参数等效电路,三极管处在小信号线性放大状态时，可以近似为,线性器件,。因此，我们避开三极管的内部结构，将其看成一个线性二端口网络。如下图所示，可以用网络参数等效电路来等效三极管。,U,ce,+,b,e,c,e,I,b,I,c,U,be,+,_,_,（,a,）,_,y,oe,y,fe,U,be,（,b,）,I,b,I,c,+,_,U,be,U,ce,+,y,ie,y,re,U,ce,Y,参数等效电路,三极管的二端口模型,2.1.1 BJT,的高频小信号模型,三极管共发射极接法的,y,参数电流方程：,由这个电流方程画出三极管的交流,Y,参数等效电路如图,：,_,y,oe,y,fe,U,be,I,b,I,c,+,_,U,be,U,ce,+,y,ie,y,re,U,ce,2.1.1 BJT,的高频小信号模型,是输入端交流短路时的,输出导纳,，即受控电流源的内导纳。,是输出交流短路时的,输入导纳,；,是输入交流短路时的,反向传输导纳,，这是造成三极管输入回路与输入回路耦合的主要因数，也称为反馈导纳；,是输出端交流短路时的,正向传输导纳,，这是体现三极管电流控制作用的参数，其作用相当于,H,参数等效电路中的,；,混合,等效电路和,Y,参数等效电路所反映的是同一只三极管，所以两种等效电路之间存在着确定的关系。,2.1.1 BJT,的高频小信号模型,三点结论,1),Y,参数与静态工作点有关，在这点上与,H,参数一样；,2),Y,参数与三极管的工作频率有关。在下一章将要讨论的小信号谐振放大器中，由于电路的通频带很窄，三极管的工作频率被局限在一个较小的范围内，,Y,参数在此可以近似看成常数；,3),如果工作频率对三极管来讲不是特别高，即满足：,Y,参数均为容性参数，为了今后分析电路方便，我们将,Y,参数记为：,2.1.1 BJT,的高频小信号模型,2.1.2,二极管和场效应管的高频小信号模型,一、二极管的高频小信号模型,二、,FET,的高频小信号模型,r,D,C,J,C,gd,C,gs,+,g,s,s,d,r,gs,_,+,_,2.2,无源谐振网络,任务：信号传输、频率选择和阻抗变换等。,一、,LC,串联谐振回路,：,r,是,L,和,C,的损耗之和,（,1,）,串联谐振频率：,（,2,）,品质因数：,回路谐振时无功功率,与损耗功率之比,C,L,r,Z,S,（,3,）,特性阻抗,：,谐振时容抗或感抗的值,2.2.1,无源谐振网络,（,4,）广义失谐,：能够清楚的反映失谐的大小,通信电路中用到的谐振电路多为窄带电路，即,与,0,很接近，则有,2.2.1,无源谐振网络,二、并联谐振回路：,LC,理想，,g,0,是,L,和,C,的损耗之和。,C,L,r,I,y,+,U,-,C,L,g,o,I,y,+,U,-,谐振频率,品质因数,广义失谐,2.2.1,无源谐振网络,2,、并联谐振回路的幅频特性和相频特性,曲线越窄，选频特性越好，定义当,U,下降到,U,0,的 时，对应的频率范围为通频带,BW,0.7,z,o,/2,-/2,相频特性,幅频特性,U,o,U,0,0.707U,0,BW,0.7,0.7,通频带：,矩形系数：,2.2.1,无源谐振网络,直接接入信号源和负载的,LC,并联谐振回路,C,L,r,C,L,R,L,R,s,R,o,C,L,C,L,R,L,R,s,C,L,R,o,谐振频率：,(C=C+C,L,),谐振阻抗：,R,e,=,R,s,/R,o,/R,L,有载品质因数：,通频带：,2.2.1,无源谐振网络,例：已知并联振荡回路的,f,o,=465KHz,，,C=200pF,，,W=8kHz,，求,:(1),回路的电感,L,和有载,Q,L,；,(2),如将通频带加宽为,10kHz,，应在回路两端并接一个多大的电阻？,解,:,（,1,）,谐振时的阻抗：,R,o,=Q,L,o,L,98.4K,（,2,）设要并接的电阻为,R,L,，由题意知,2.2.1,无源谐振网络,3,、部分接入的并联振荡回路,目的：,实现阻抗匹配；减小负载对谐振回路的影响,设接入系数为：,n=U,2,/U,1,，,则：,R,L,=n,2,R,L,信号源的阻抗匹配,R,s,=R,i,负载的阻抗匹配,R,L,=R,0,阻抗匹配,C,L,r,R,L,R,s,R,i,R,o,C,L,R,L,C,L,R,L,R,L,U,1,U,2,R,0,2.2.1,无源谐振网络,(1),自耦变压器部分接入电路,接入系数：,部分到全部,增大,全部到部分,减小,信号源的匹配,:,R,s,=R,0,L,1,N,1,N,2,L,2,M,R,S,R,0,紧耦合：,n=M/L,2,紧耦合：,R,2.2.1,无源谐振网络,(2),电容抽头部分接入电路,接入系数,:,2.2.1,无源谐振网络,(3),负载部分接入电路,实现阻抗变换,接入系数：,接入系数：,2.2.1,无源谐振网络,三、耦合谐振回路,双调谐回路,1,、单调谐回路中通频带和选择性问题,单调谐回路中,Q,值越高，谐振曲线越尖锐，,通频带越窄，选择有用信号的能力越强,即选择性越好,。,但在需要保证一定通频带的条件下，又要选择性好，对于单调谐回路来说是难以胜任的。,采用耦合振荡回路就可以解决单调谐回路中通频带和选择性的矛盾。,2.2.1,无源谐振网络,2,、耦合谐振回路及特性分析,两个概念,耦合系数,反映两回路的相对耦合程度。定义为耦合元件电抗的绝对值与初、次级回路中同性质元件电抗值的几何平均值之比。,耦合系数,k,通常在,0,1,之间，,k0.05,称为强耦合；,k=1,称为全耦合,。,耦合因数,表示耦合与,Q,共同对回路特性造成的影响。,2.2.1,无源谐振网络,b,、频率特性分析,设：,初级回路总阻抗为,Z1,，次级回路总阻抗为,Z2,，两回路之间的耦合阻抗为,Zm,，则两回路方程为,：,L,1,L,2,C,1,r,1,C,2,r,2,+,_,I,2,E,I,1,2.2.1,无源谐振网络,整理上式，得右式,为了简化分析，只讨论,等振、等,Q,电路。,等振：,指初、次级回路谐振频率相等；,等,Q,：,指初、次级回路,Q,相等。,2.2.1,无源谐振网络,得到归一化幅频特性：,不同,值时的频率特性曲线：,2.2.1,无源谐振网络,=1,1,1,1,0,=1,，称为临界耦合,曲线为单峰。,1,，,称为过耦合，曲线为双峰。,当,=2.41,时,2.2.2,无源固体组件,(,固体滤波器,),一、石英晶体谐振器,1,、电器特性,利用石英晶体的,压电效应,和,逆压电效应,可以将其制成晶体谐振器。通常把基频谐振称为,基音谐振,，把高次谐波上的谐振称为,泛音谐振。,一般的用图示的,LC,谐振回路来模拟石英晶体的电特性,。,C,q,L,q,r,q,C,0,JT,X,f,f,s,0,f,p,容性,感性,2.2.2,无源固体组件,(,固体滤波器,),2,、应用：,振荡器，高频窄带滤波器,Z,1,Z,2,R,L,1,1,2,2,差接桥式带通滤波器,具有高,Q,，通带极窄,石英晶体谐振器的两个频率：,2.2.2,无源固体组件,(,固体滤波器,),二、陶瓷滤波器和声表面波滤波器,1,、陶瓷滤波器,（带通滤波器）,工艺：,由压电陶瓷制成。但,Q,值低于石英晶体，约为几百，高于,LC,谐振电路,。,优点：,体积小、成本低、通带衰耗小和矩形系数小等。,缺点：,一致性差。频率特性离散性大，通频带不够宽。,3,2,1,2.2.2,无源固体组件,(,固体滤波器,),2,、声表面波滤波器,原理：,依靠基片变形激起表面超声波实现,选频特性：,当叉指换能器的几何参数以及发端换能器的距离一定时，它就具有选择某一频率信号输出的能力。,特点：,可满足多种频率特性、性能稳定、工作频率高、体积小、可靠性高等。,声表面波传播方向,R,s,U,s,R,L,声表面波滤波器结构图,2.2.2,无源固体组件,(,固体滤波器,),总结,一千兆赫,几百兆赫,几十兆赫,最高工作频率,可达,50%,可达,10%,小于,1%,相对带宽,可小于,1.2,可小于,4,矩形系数,可满足多种频率特性、性能稳定、工作频率高,可靠性高、性能稳定、成本低、工作频率较高,频率稳定、,Q,值高、相对带宽窄,特点,符号,三端,两端,声表面滤波器,陶瓷滤波器,晶体滤波器,滤波器名称,2.3,干扰和噪声,通信电子线路处理的信号，多数是微弱的小信号，因而很容易受到内部和外界一些不需要的电压、电流及电磁骚动的影响，这些影响称为干扰（或噪声）。,当干扰（或噪声）的大小可以与有用信号相比较时，有用信号将被它们所“淹没”。为此，研究干扰问题是电子技术的一个重要课题。,一般来讲，除了有用信号之外的任何电压或电流都叫干扰（或噪声），但习惯上把外部来的称为,干扰,，内部固有的称为,噪声,。,2.3.1,外部干扰,一、外部干扰的来源,外部干扰分为自然干扰和人为干扰。自然干扰是大气中的各种扰动。人为干扰是各种电器设备和电子设备产生的干扰。,二、消除外部干扰的方法,1,、电源干扰的抑制方法,供电电源因滤波不良所产生的,100,Hz,纹波干扰,是主要的电源干扰，电源内阻产生的,寄生耦合干扰,也是主要的电源干扰。,对于高增益的小信号放大器，寄生耦合有时可能造成放大器自激振荡。,2.3.1,外部干扰,解决,100,Hz,电源干扰和寄生耦合的方法是对每个电路的供电电源单独进行一次,RC,滤波，叫做,RC,去耦电路,。,如果电路的工作频率较高，而供电电流又比较大，则可以用电感代替电阻，构成,LC,去耦电路,，电感,L,称为,扼流圈,。因为大容量的电解电容都存在串联寄生电感，在高频时寄生电感的感抗会很大，使电容失去滤波的作用，所以电路中都,并联一小容量的电容,，就可消去寄生电感的影响。,C,1,C,2,R,R,0,U,CC,+,放大,整流稳压电源,C,1,C,2,L,R,0,U,CC,+,放大,整流稳压电源,2.3.1,外部干扰,工厂里的大型用电设备产生的电火花干扰能沿着电力线进入电子设备。除此之外，电力线还起着天线的作用接收天空中的杂散电磁波，并将其传送到电子设备中形成干扰。,这些干扰的特点是：突发性强，干扰往往以脉冲电压形式出现；频率高，通常为几百,kHz,几,MHz,；干扰会同时出现在电力线的两根导线上，其大小和相位相同，这种性质的干扰称为,共模干扰,。,2.3.1,外部干扰,消除电网共模干扰的方法是在交流市电的输入端插入一个,滤波器,，下图电路为某电视机的交流电源滤波器，在每根电源线与地之间均构成一个,型滤波器,，电容,C,的容量在几千,pF,到,0.01,F,之间选取，电感,L,绕制在高频磁芯上，约,10,圈左右，导线直径要根据设备的交流输入功率来选择。,220,V,输出,C,C,C,C,TP801,TP802,220,V,输入,2.3.1,外部干扰,2,、电路接地不当的干扰及消除,电路中接地不当会形成严重的干扰，消除这些干扰的方法是正确的接地，即在电路中要采用一点接地、数字电路的地线和模拟电路的地线要完全分开，有条件时在多层印制板中要分别安排数字地层和模拟地层。,三、电磁兼容性和空间电磁耦合干扰,空间电磁耦合对电路的影响分为静电耦合干扰和交变磁场耦合干扰，防止这两种干扰的基本方法是：接地、滤波、隔离、电磁屏蔽。,2.3.1,外部干扰,下图是电路