《高频电路基础》PPT课件.ppt

第2章高频电路基础,2.1高频电路中的元器件2.2高频电路中的组件2.3阻抗变换与阻抗匹配2.4电子噪声(了解)2.5非线性失真(了解),2.1高频电路中的元器件,与在低频电路中使用的元器件基本相同,但要注意在高频使用时的高频特性。2.1.1高频电路中的无源元件电阻、电容、电感（1）电阻器低频时：电阻特性高频时：电阻特性、电抗特性,高频特性,CR分布电容LR引线电感R电阻,电阻分布电容越小，引线电感越小，其高频特性越好,金属膜电阻碳膜电阻线绕电阻表面贴装电阻引线电阻小尺寸电阻大尺寸电阻,频率越高，电阻的高频特性越明显,损耗一般用品质因数QC和损耗角表示：,LC分布电感、极间电感RC极间绝缘电阻,理想电容器,实际电容器高频时,（2）电容器,等效电路：,在高频电路中，电容损耗可以忽略不计，在微波波段，电容损耗必须考虑,小型云母电容器：250MHZ圆片型瓷介电容器：300MHZ圆管型瓷介电容器：200MHZ圆盘型瓷介：3000MHZ小型纸介电容器：80MHZ中型纸介电容器：8MHZ,不同类型电容器的最高使用频率：,损耗电阻：直流电阻、交流电阻（主要的，涡流损耗、磁滞损耗）分布电容：各匝之间，匝与地之间,自身谐振频率SRF：在SRF上,阻抗幅值最大，相角为零,在实际应用中，常用品质因数Q表示损耗,（3）电感,Rac绕组铜损的电阻Rc磁心损耗的等效电阻C分布电容,2高频电路中的有源器件二极管、晶体管、场效应管（1）二极管表面势垒二极管、点接触式二极管、变容二极管检波、调制、解调、混频非线性变换电路,又称肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode，SBD）以贵金属（金、银、铝、铂等）为正极，以N型半导体为负极。,表面势垒二极管：100200MHZ,用于高频大电流整流二极管、续流二极管或保护二极管,点接触式二极管：300MHZ以上,接触点小，其PN结的静电容量小，适用于高频电路。,接触面小不能通过大电流，只适合于小信号的检波、整流、调制、混频和限幅，,一般用于振荡电路中，以取代传统的可变电容，达到调频的目的。,变容二极管：,是利用PN结电容随外加反向偏压变化的特性制成。,在零偏压时，结电容最大，临近击穿时，结电容最小。,（2）晶体管与场效应管（FET）特点（和低频相比）：工作原理相同，性能好在外形结构方面也有所不同高频晶体管：特征频率大于30MHZ高频小功率管：小信号放大，要求高增益、低噪声高频功率放大管：功率放大，要求有较大的输出功率一般情况下，硅管大多数是高频管，锗管大多数是低频管。（3）集成电路种类比低频少得多：通用型、专用型,2.2高频电路中的组件主要组件:a)高频振荡（谐振）回路（重点）b)高频变压器和传输线变压器（部分重点）c)石英晶体谐振器（重点）d)滤波器、高频衰减器（自学）主要功能：a)信号的传输b)频率选择c)阻抗变换,分类：a)串联振荡回路b)并联振荡回路c)抽头并联振荡回路d)耦合振荡回路（了解）,2.2.1高频振荡回路（重点）定义：由电感和电容串联或并联形成的回路LC谐振回路,最为常用的无源网络,功能：a)阻抗变换、信号选择（工作在谐振状态）高频小信号放大器、高频功率放大器的输出回路b)频幅转换、频相转换（工作在失谐状态）斜率鉴频、相位鉴频电路,1）串联谐振回路,损耗电阻，通常很小,回路阻抗：,电路结构：,纯阻性,相移为零,阻抗最小,用于信号选择,谐振频率:,谐振时的信号频率,谐振电阻：回路谐振时的电阻值,谐振电流：回路谐振时流过的电流,谐振特性：串联振荡回路信号为时：（1）回路的电抗为零、纯阻性、相移为零、阻抗值最小（2）流过电路的电流最大（3）电流电压同相,串联回路谐振时的电流、电压关系：,谐振曲线：串联振荡回路两端电压信号幅值不变，回路电流与谐振电流之比的模随频率变化的曲线。,令：,品质因数,特点：品质因数越大，曲线越尖锐，带宽越窄，回路选择性越好,通频带,回路带宽（通频带）：,广义失谐：,负载,在实际选频应用时，串联回路适合于信号源和负载串联连接，使有用信号通过回路有效地传送给负载。,串联谐振回路的选频应用,串联振荡回路两端输入幅值相同、频率不同的电压信号时，只有频率在通频带内部的信号在回路中产生的电流较大。,内容小结：1）电路结构、阻抗特性3）谐振特性、谐振时电压电流关系4）谐振曲线5）选频应用,讨论：1）串联谐振回路中，哪些参数反映回路本身特性，只和回路的本身结构有关？,2）串联电路接负载后，回路哪些参数可能发生变化，怎样变化？,2）并联谐振回路,回路阻抗：,电路结构：,因为：,串并转换,等效电路,很大,谐振电阻：,谐振特性：在并联振荡回路输入信号的频率为时（1）回路的阻抗最大、纯阻性（2）回路两端电压最大（3）电流、电压同相,谐振频率：,品质因数：,并联回路谐振时的电流、电压关系：,谐振曲线：回路任意频率下阻抗与谐振电阻之比的模随频率变化的曲线。,通频带,在实际选频应用时，并联回路适合与信号源和负载并联连接，使有用信号在负载上的电流振幅最大。,并联谐振回路选频应用：,串联振荡回路输入幅值相同、频率不同的电流信号时，只有频率在通频带内部的信号在回路两端产生的电压较大。,2）并联电路接信号源与负载后，回路哪些参数可能发生变化，怎样变化？,讨论：1）并联谐振回路参数中，哪些是反映回路本身特性，只和回路本身结构有关？,内容小结：1）电路结构2）特性参数3）谐振时电压电流关系4）谐振特性与谐振曲线5）选频应用,例2-1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,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=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,此时要求的带宽B=0.5MHz,故,回路总电阻为,设回路上并联电阻为R1,并联后的总电阻为R1R0,回路有载品质因数为QL。由带宽公式有,需要在回路上并联7.97k的电阻。,2.抽头并联振荡回路概念：激励源或负载与回路电感或电容部分连接的并联振荡回路,激励源与电感部分连接,负载与电感部分连接,负载与电容部分连接,激励源与电感部分连接,负载与电容部分连接,激励源与电容部分连接,功能：频率选择阻抗变换：1）使信号源内阻和回路阻抗匹配2）减小信号源和负载对谐振回路的影响接入系数：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p与外电路相连的那部分电抗上的电压与本回路参与分压的同性质总电抗上的电压之比,接入系数与阻抗变换公式:,图（a）：,接入系数：,思考？,图（b）：,接入系数：,输入端等效电阻：,思考？,谐振时的回路电流IL与I的比值要小些,而不再是Q。,电流源折合：,信号源折合：,电压源折合：,适合于信号源与谐振回路部分连接的情况（图2-9a、b、c）,例2-2如图211，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。,由于忽略了回路本身的固有损耗,因此：Q,谐振角频率为：,电阻R1的接入系数：,回路电容为：,解：,输出电压为：,回路有载品质因数：,回路带宽：,回路两端电压u(t)：,等效到回路两端的电阻为：,抽头并联谐振回路小结：,阻抗变换：,信号源折合：,回路功能：,2）减小信号源和负载对回路的影响（谐振电阻，品质因数）,1）实现信号源和负载阻抗匹配,计算分析：通过阻抗变换和信号源折合转换成简单并联谐振回路，再进行计算分析,概念：两个互相耦合的振荡回路,也称为双调谐回路。接有激励信号源的回路初级回路与负载相接的回路次级回路（负载回路）,互感耦合回路：,电容耦合回路：,初级回路,次级回路,初级回路,次级回路,3.耦合振荡回路,功能：阻抗变换；获得比简单振荡回路更好的频率特性,应用条件：两个回路都对信号频率调谐；都为高Q回路,原理和特性（以互感耦合回路为例）：,对次级回路：并串转换（见书P.3839）,主要分析：转移阻抗特性,对初级回路：,次级回路对初级回路反射阻抗,初级串联阻抗：,引入广义失谐：,次级串联阻抗：,转移阻抗为,考虑次级的反映阻抗,则：,耦合系数：,耦合因子：,经简化得转移阻抗：,欠耦合,过耦合,临界耦合,A=1时，临界耦合系数：,归一化转移阻抗：,临界耦合时：,矩形系数:,临界耦合,并联谐振回路和串联回路的Kr0.1=9.96,工作原理：同低频变压器，靠磁通交链,靠互感进行耦合结构：1）采用导磁率高、高频损耗小的软磁材料作磁芯。2）一般用于小信号场合,尺寸小,线圈匝数较少。,环形磁芯罐形磁芯双孔磁芯,2.2.2高频变压器和传输线变压器,功能：信号传输、阻抗变换、隔绝直流,1.高频变压器（工作于几十MHz以下）,电路符号：,等效电路：,L初级励磁电感LS漏感CS分布电容,低频端：但L有分流作用，LS的分压作用和CS分流作用可以忽略,高频端：LS起分压作用，CS起旁路作用，L的旁路作用可以忽略,为了展宽高频范围，应尽量减少LS和CS，即减少初级线圈匝数，但L也迅速减小，低频响应变差。解决办法：可采用导磁率高的磁芯，在减小匝数的同时保持励磁电感的值。,设：1）初级为两个等匝数的线圈串联,极性相同2）初次级匝比n=N1/N2。,电路图：,线圈间的电压电流关系：,典型应用：作四端口器件应用,中心抽头变压器（中心轴变压器）：,概念：具有中心抽头的三绕组高频变压器，可实现多个输入信号的相加或相减,作为理想变压器看待时：,概念：利用绕制在磁环上的传输线而构成的高频变压器。,典型的结构：,电路图：,2.传输线变压器（工作于几百MHz),特点：高频专用，工作频率高，工作频带宽,功能：阻抗变换、信号传输,1）变压器工作方式,注意：在传输线的实际应用时，通常两种方式同时存在,电路：,特点：两线圈端（1、2与3、4）有同相的电压,工作方式：传输线工作方式、变压器工作方式,特点：a.在传输线的任一点上，两导线上的电流大小相等，方向相反b.RL与ZC相等而匹配时，两导线间的电压沿线均匀分布，有最大的传输带宽,2）传输线工作方式,原理电路：,原理：利用导线间的分布电容和分布电感组成的电磁波传输系统,v1=v2=v,i1=i2=i,（1）高频1：1反相器：,应用举例：a）高频反相器b）不平衡平衡变换器，平衡不平衡变换器c）3分贝耦合器、1：1高频反相器d）14阻抗变换器、41阻抗变换器,（2）对称不对称变换,将对地对称的双端输入信号转换为对地不对称的单端输出信号,（3）不对称对称变换,将对地不对称的单端输入信号转换为对地对称的双端输出信号,（4）4：1阻抗变换器,（5）1：4阻抗变换器,2.3阻抗变换与阻抗匹配,若RSRL，阻抗不匹配，传输效率不高,若RS=RL，阻抗匹配，传输效率高,2.3.1振荡回路阻抗变换抽头并联谐振回路：适合于高Q时；耦合谐振回路：通过改变M，改变Zf，从而改变初级谐振回路的阻抗2.3.2LC网络阻抗变换(重点介绍)2.3.3高频变压器阻抗变换传输线变压器阻抗变换2.3.4电阻网络阻抗变换,1.串并联等效转换公式,2.3.2LC网络阻抗变换,品质因数：,主要分析的问题：RP、XP、QP与XS、RS、QS之间的关系,等效原则：变换前后电路总阻抗不变：,要使ps，必须满足：,品质因数相等,电阻、电抗之间的关系,2.L型匹配网络,L-I型：负载电阻与网络电抗并联,L-II型：负载电阻与网络电抗串联,L-II型,由两个性质相异的电抗元件组成,L-I型,LC网络有3种类型：L型、T型、II型,L-I型匹配网络：,要分析的问题：已知Rs、RL，根据匹配要求确定XS、XP,匹配要求：,（1）匹配后的负载电阻等于信号源内阻,即:Re=Rs（2）匹配后的网络对工作频率谐振,设：RL负载电阻RS信号源内阻当RSRL的情况,由三个电抗元件(两个同性质，一个异性质)组成,2.T和型匹配网络,T型,型,1）网络的结构受信号源内阻和负载电阻的大小关系的影响2）品质因数Q不可控，不能兼顾滤波要求,L型网络的特点：,T型匹配网络：,L-II型,L-I型,对L-I型：,对L-II型：,型匹配网络：,L-II型,L-I型,对L-II型：,对L-I型：,1）网络的结构不受信号源内阻和负载电阻的大小关系的影响。2）品质因数Q是可控的，可满足不同的带宽要求，兼顾滤波要求,T型和型网络的特点：,例已知某电阻性负载为10，请设计一个匹配网络，使该负载在20MHz时转换为50。如负载由10电阻和0.2H电感串联组成，又该怎样设计匹配网络?,解：由题意可知，ReRL，故采用L-型网络：,由式(2-52b),(2-52c)求得所需电抗值：,由0.16H电感和318pF电容组成的L-型匹配网络：,如负载为10电阻和0.2H电感相串联：,XL=L=2201060.210-6=25.1XL+XS=XSXS=XS-XL=20-25.1=-5.1,0.2H电感在20MHz时的电抗值为：,由1560pF和318pF两个电容组成，这是因为负载电感量太大，需要用一个电容来适当抵消部分电感量。在20MHz处，1560pF电容和0.2H电感串联后的等效电抗值与0.16H电感的电抗值相等。,（1）石英晶体SiO2结晶体（2）晶片天然或人工生成的石英晶体切片,2.2.3石英晶体谐振器,1.石英晶体(Quartz-Crystal)谐振器的构成,在晶片的两面制作电极将电极与底座的插脚相连最后以金属壳或玻璃壳封装,电路符号,压电效应：晶体发生机械形变对应表面产生正、负荷，呈现出电压。反压电效应：给晶片施加电场，晶片将延伸或压缩，发生形变谐振原理：在晶体两端加交变电压晶体会发生周期性振动电荷的周期性变化交流电流流过晶体。,2.谐振原理压电效应、反压电效应,固有谐振频率：晶体是弹性固体，对于某一种振动方式，有一个机械的谐振频率。与切割方位、形状、大小有关，且十分稳定。,共振现象：,当高频交流电压加于晶片两端时，晶片将随交变信号的变化而产生机械振动，当其振荡频率与晶片固有振荡频率相等时，机械振动幅度最大，流过晶片的电流最大，产生电能和机械能的转换，在电路上表现出电谐振。,多谐性：石英晶片的共振具有多谐性，即除可以基频共振外，还可以谐频共振，通常把利用晶片的基频共振的谐振器称为基频（基音）谐振器，利用晶片谐频共振的谐振器称为泛音谐振器。,30MHz以下的晶体工作在基音上30MHz以上的静态工作在泛音上（3、5、7次泛音）,频率越高，晶片越薄，越容易振碎,谐振频率附近的等效电路串并联的振荡回路,C0：晶体作为电介质的静态电容，大约25pF,rq：机械摩擦和空气阻尼引起的损耗，动态电阻，很小,Lq：机械共振经压电转换而呈现的动态电感，很大低频晶体较厚，质量较大，动态电感较大高频晶体较薄，质量较小，动态电感较小,100H（100kHz）1H（1MHz）10mH（10MHz）,Cq：机械共振经压电转换而呈现的动态电容，大约0.0050.1pF，很小,包括基音、泛音在内的等效电路：,（1）等效电路,3.等效电路及阻抗特性,（2）阻抗特性,阻抗的一般表示式：,忽略rq后：,串联谐振频率：,Lq,Cq组成的串联谐振回路的谐振频率,并联谐振频率：,Co,Lq,Cq组成的并联谐振回路的谐振频率,C0Cq,所以0很靠近q，5MHz的晶体：f0fq6.5kHz,电抗特性曲线：,品质因数：,很大,接入系数：,很小,fqfo之间为高Q电感fq附近为串联谐振，相当于短路fo附近为并联谐振，Ze,曲线特点：,4.晶体谐振器的特点（1）并联谐振阻抗高（2）品质因数非常高上万（3）接入系数非常小10-3（4）fq和f0非常稳定,5.晶体谐振器的应用（1）应用于晶体振荡器中（2）应用于高频窄带滤波器,1.在学过的高频电子线路组件中，哪些可以选频活滤波功能，哪些可以实现阻抗变换,课堂讨论：,2.谐振回路为什么常常将信号源与负载部分连接?,3.在学过的高频电子线路组件中，哪些常用做宽带应用，哪些常做窄带应用。,4.谐振回路的选择性通常用哪些参数衡量？,5.为什么耦合谐振回路通常工作在临界耦合，其选择性和简单谐振回路相比体现在哪里？,6.抽头并联谐振回路和LC阻抗变换网络的阻抗变换关系分别是什么？,