高频电子线路(第二章)ppt课件.ppt

《高频电子线路(第二章)ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频电子线路(第二章)ppt课件.ppt（72页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第二章 高频电路基础,刘桂云2009.02.18/2011.02.18,2.1 高频电路中的元器件2.2 高频电路中的基本电路2.3 电子噪声及其特性2.4 噪声系数和噪声温度,2.1 高频电路中的元器件,高频电路基本组成: 有源器件、 无源元件和无源网络。 高频电路中使用的元器件与在低频电路中的基本相同, 不同在于它们在高频使用时的高频特性。 高频电路中的元件主要有电阻(器)、 电容(器)和电感(器)，都属于无源的线性元件。,2.2.1 高频电路中的元件,1. 高频电阻 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）。,一个电阻R的高频等效电路如图2.1所示, 其中,

2、 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,一般，电阻的高频特性：金属膜电阻 碳膜电阻 绕线电阻；表面贴装电阻 引线电阻；小尺寸电阻大尺寸电阻。,频率越高，电阻器的高频特性越明显。使用时，尽量减小高频特性的影响，使之表现为纯电阻。,金属膜电阻,碳膜电阻,线绕电阻,一个高频电容器的等效电路如图2.2（a）所示，其中Rc为极间绝缘电阻，Lc为等效电感。 理想电容器的阻抗为1/(jC), 如图2.2（b）虚线所示，实际特性如实线所示，存在自身谐振频率SRF 。,图2.2 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,2. 高频电容,

3、高频电感主要用作谐振元件、滤波元件和阻隔元件，一般由导线绕制而成。,在高频电路中，高频电感的损耗电阻主要是交流电阻，频率越高，高频电感的损耗越大。 一般由品质因数Q来表征其损耗性能。Q值越高，电感的储能作用越强，损耗越小。 一般，在中短波段和米波波段，高频电感可等效为电感和电阻串联或并联；工作频率更高时，等效电路还应考虑分布电容的存在，与电感并联。,3. 高频电感,理想电感器L的感抗为jL。 实际高频电感器存在分布电容、损耗电阻，因此也有自身谐振频率SRF。实际高频电感器特性如图2.3所示。,图 2.3 高频电感器的自身谐振频率SRF,2.2.2 高频电路中的有源器件,主要有二极管、晶体管和集

4、成电路, 完成信号的放大、非线性变换等功能。,1. 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。,主要有点触式二极管和表面势垒二极管，其极间电容小，工作频率高。变容二极管：PN结反偏时，势垒电容随反偏电压变化而变 化。 用于振荡回路、电调谐器等。PIN二极管：高频等效电阻受正向电流控制。用作电可控开 关，限幅器等。,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。,2. 晶体管与场效应管（FET） 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, 对其主要要求是高增益和低噪声; 另一类

5、为高频功率放大管, 除了增益外, 要求其在高频时有较大的输出功率。, 2.2 高频电路中的基本电路,基本电路有高频振荡回路、高频变压器、谐振器与滤波器等，主要完成信号的传输、频率选择以及阻抗变换等功能。,2.2.1 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, 主要完成阻抗变换、 信号选择等任务, 并可直接作为负载使用。,振荡回路就是由L和C串联或并联形成的回路。,（1） 并联谐振回路 并联谐振回路由于阻抗较大，且有阻抗变换功能，在电路中除用作选频和滤波网络外，常直接作为放大器的负载使用。,1. 简单振荡回路,谐振特性：简单

6、振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有阻抗最大和最小值的特性。特定频率为谐振频率。,图2 .4 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,并联谐振回路电路如图2.4（a）所示，其并联阻抗为：,定义使感抗与容抗相等的频率为并联谐振频率0, 令Zp的虚部为零, 求解方程的根就是0, 可得,式中, Q为回路的品质因数, 有,当 时,回路在谐振时的阻抗最大, 为一纯电阻 R0,称为回路的中心频率。,并联回路通常用于窄带系统, 此时与0相差不大, 上式可进一步简化为：,式中, =-0，为失谐; =2Q / 0为广义失谐。对应的

7、阻抗模值与幅角分别为,高Q条件下，并联回路在谐振频率附近的阻抗可表示为：,3dB通频带：阻抗振幅特性下降为谐振值的 时对应的频率范围，通常用dB来表示。 令式Zp/R0等于 , 则可推得=1, 从而可得带宽为,通频带和矩形系数：,矩阵系数： Kr0.1=B0.1/B0.707,对于并联谐振回路，,图2.5 并联振荡回路中谐振时的电流、 电压关系,并联谐振时，电流、电压关系：,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=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

8、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:,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。由公式得,(1) 计算 L 值。 由公式 可得,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) 串联谐振回路。 图2 .6（a）是最简单

9、的串联振荡回路。,图2 . 6 串联振荡回路及其特性,若在串联振荡回路两端加一恒压信号 , 则发生串联谐振时因阻抗最小, 流过电路的电流最大, 称为谐振电流, 其值为,在任意频率下的回路电流 与谐振电流之比为,串联谐振回路阻抗为：,回路中心频率为：,其模为,其中,图为串联回路在谐振时的电流、 电压关系,串联回路谐振时电流、电压关系：,UL=UC=QU,图2 7 几种常见抽头振荡回路,负载或信号源与回路电感或电容部分相接。,2. 抽头并联振荡回路,采用抽头回路，可以通过改变抽头位置或电容分压比来实现回路与信号源的阻抗匹配或进行阻抗变换。在这种部分接入方式电路中，有一个回路与外电路之间的调节因子抽

10、头系数p。,定义：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。表达式：,电路分析,对于图2.7（a）、（b）电路，回路窄带高Q，电路谐振， ILI 。,当谐振时，输入端呈现的电阻设为R，由功率相等，有,对于（a）电路，p =（L1+M）/ L 或 p = N1/N对于（b）电路，p= C1/(C1+C2),电阻折合式。,电路失谐不大，p又不是很小的情况下，输入端阻抗也有类似关系:,信号源折合关系：对于电压源， U = pUT 对于电流源（如图2-8）， IT = pI,图 2 - 8 电流源的折合,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,P越小，I

11、L与I比值越小，将不满足假设条件ILI。,3. 耦合振荡回路,主要功能： 1. 阻抗变换；2. 较好的频率特性。 图 2 - 10 是两种常见的耦合回路。 （a）是互感耦合电路, (b) 是电容耦合回路。,在高频电路中, 有时用到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称为初级回路, 与负载相接的回路称为次级回路或负载回路。,图 2 10 两种常见的耦合回路及其等效电路,对于（b）电路, 耦合系数为,耦合系数k反映两回路的相对耦合程度。,反映阻抗：,对于（a）电路，,耦合因子： A = k Q,同样方法可得电容耦合回路的转移阻抗特性为：,电感耦合回路转移阻抗为：,归一

12、化转移阻抗：,转移阻抗：,临界耦合时，A = 1， k0= 1/Q,通频带：,矩形系数：,图 2 - 11 耦合回路的频率特性,2.2.2 高频变压器和传输线变压器,高频变压器与低频不同： 为了减少损耗, 高频变压器常用导磁率高、 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。故磁芯的结构形状与低频时不同，主要采用环形结构和罐形结构，如图212（a）（b），还有双孔结构，如212（c）。,1. 高频变压器,高频变压器常用于几十兆赫兹以下的高频电路中，进行信号传输，阻抗变换，隔绝直流。,图 2 -12 高频变压器的磁芯结构（a） 环形磁芯; (b

13、) 罐形磁芯; (c) 双孔磁芯,图 2 - 13 高频变压器及其等效电路 (a) 电路符号; (b) 等效电路,高频变压器近似等效电路如下图：,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,中心抽头变压器：可用作功率分配器、功率合成器、平衡桥电路，也可与有源器件组合构成非线性变换电路。电路如图2-14。,图 2 -14 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,图 2 -15 传输线变压器的典型结构和电路 (a) 结构示意图; （b） 电路,利用绕制在磁环上的传输线而构成的高频变压器。用于频率较高的电路中，工作频带宽。 图

14、 2- 15 为其典型的结构和电路图。,2. 传输线变压器,图 2 -16 传输线变压器的工作方式 (a) 传输线方式; (b) 变压器方式,传输线变压器有两种工作方式：传输线方式和变压器方式，如图2-16所示。,传输线主要参数为波速、波长及特性阻抗：,r为传输线的相对介电常数。,Zc取决于传输线的横向尺寸参数。 当传输线端接的RL与特性阻抗Zc相等时，传输线上传输行波，有最大的传输带宽。,传输线变压器通常作宽带应用，其带宽性能的好坏与参数及结构尺寸的选择有关。,2.2.3 石英晶体谐振器,1. 物理特性 石英晶体谐振器是由天然或人工生成的石英晶体切片制成。,图2-18 石英晶体的形状及各种切

15、型的位置（a）形状 （b）不同切型位置 （c）电路符号,图2-19 石英晶体谐振器（a）外形；（b）内部结构,石英晶体谐振器主要利用石英晶体的压电效应，谐振时发生电能和机械能的转换。固有谐振频率与晶片的材料、几何形状、尺寸及振动方式有关。,2. 等效电路及阻抗特性,图 2 - 20 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,图 2 - 20 是石英晶体谐振器的等效电路。,由图 2 - 20(b) 可看出, 晶体谐振器是一串并联的振荡回路, 其串联谐振频率 fq 和并联谐振频率 f0 分别为,由于C0Cq , Cq / C01, 可得：,图 2 -2

16、2(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:,图 2 -21 晶体谐振器的电抗曲线,晶体谐振器的特点:（1）晶体的谐振频率fq和f0非常稳定。（2）品质因数非常高。（3）接入系数非常小。（4）晶体在工作频率附近阻抗变化率大，有很高的并联谐振阻抗。,图2-22 陶瓷滤波器电路,2.2.4 集中滤波器 ,1. 陶瓷滤波器,图2-23 声表面波滤波器的结构和幅频特性（a）结构示意图；（b）均匀对指的幅频特性,2. 声表面波滤波器,图 2 - 23(a)中的声表面波滤波器的传输函数为,声表面波器件主要特性：（1）工作频率范围宽。（2）相对带宽也比较宽。（3）便于微型

17、化和片式化。（4）带内插入衰减较大。（5）矩形系数小，可做到1.12。 故，较其他滤波器，频率选择性好，性能稳定，体积小，设计灵活，可靠性高，制造简单且重复性好，适合大批生产。,图2-24 一种用于通信机中的声表面波滤波器特性,图 2 -25 T型和型网络,图 2 - 26 T型电阻网络匹配器,2.2.5 衰减器与匹配器,1. 高频衰减器 调整信号传输通路上的信号电平。,高频匹配器 使相连接的两部分高频电路阻抗匹配。,2.3 电子噪声及其特性,2.2.1 概述 所谓干扰（或噪声）, 就是除有用信号以外的一切不需要的信号及各种电磁骚动的总称。,2.2.2 电子噪声的来源与特性 除纯电抗外，任何电

18、子线路中都有电子噪声，对信号较弱场合影响较大。 电子线路中，噪声来源：电阻热噪声和半导体管噪声。,电阻热噪声 由于自由电子受热时不规则运动引起的电阻两端电动势的大小和方向随机变化产生的。,图2-27 电阻热噪声电压波形,（1） 热噪声电压和功率谱密度,图 2 - 28 电阻热噪声等效电路,均方电压谱密度和均方电流谱密度：,（2） 线性电路中的热噪声,图 2 - 29 热噪声通过线路电路的模型,多个电阻热噪声：,通过线性网络：,图 2 -30 并联谐振回路的热噪声,热噪声通过振荡回路：,展开化简后得,可得,并联回路可以等效为Re+jXe（图 2-30（c）,分析输出噪声谱密度与 Re、 Xe 的

19、关系。,输出端的均方噪声电压为,图 2-29 是一线性系统, 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 为：,设|H(j)|的最大值为H0, 则可定义一等效噪声带宽 Bn, 令,（3） 噪声带宽,图2-31 线性系统的等效噪声带宽,则等效噪声带宽 Bn 为,例： 图 2 - 30的单振荡回路为例, 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：,2) 分配噪声 基区载流子复合的随机性造成分配

20、比变化。3) 闪烁噪声 表面清洁处理不好。,2. 晶体三极管的噪声,散弹（粒）噪声 由载流子随机起伏流动产生，属于白噪声。,散弹噪声均方电流谱密度：,3. 场效应管噪声 热噪声、感应噪声、闪烁噪声。,图 2 - 32 噪声系数的定义,2.4 噪声系数和噪声温度,图 2 - 32 为一线性四端网络, 其噪声系数定义为输入端的信号噪声功率比 (Ps/Pn)i 与输出端的信号噪声功率比 (Ps/Pn) o 的比值, 即,2.4.1 噪声系数,KP 为电路的功率传输系数。 用 Na 表示线性电路内部附加噪声功率,由 KP=So/Si , 上式可以表示为：,式（2-61）表示噪声系数等于归于输入端的总输

21、出噪声与输入噪声之比。式（2-62）是用归于输入端的附加噪声表示。,（2-61）,（2-62）,用 dB 表示的噪声系数为：,注意：（1）噪声功率与带宽相关，可引入噪声带宽。（2）Ni为信号源内阻Rs的最大输出功率，即kTB。（3）噪声系数对线性网络输出端所接负载大小无关，与输 入端的匹配情况有关。（4）噪声系数的定义只适用于线性或准线性电路。,1. 额定功率法 “额定功率”是指信号源所能输出的最大功率, 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 2 - 33 所示。,2.2.2 噪声系数的计算,图 2 - 33 信号源的额定功率（a） 电压源 （b） 电流源,其额

22、定功率为：,US,额定功率增益 KpH 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,额定噪声输入功率为：,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, 故可将实际功率改为额定功率。,由,得,式中, Psmi 和 Psmo 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; Nmn 为网络内部的最大输出噪声功率。,若等效到输入端为：,对于无源四端网络, 输出端匹配时，由于 Nmo= kTB, 得,式中，L为网络的衰减倍数。,图 2 - 34 无源四端网络的噪声系数,输入端信号源的最大输出功率为：,将信号源电导和信号源

23、电流等效到回路两端分别为 p2GS , pIS , 输出端匹配时的最大输出功率为 ：,网络的噪声系数为：,图 2 35 抽头回路的噪声系数,例如：计算抽头回路的噪声系数,2 噪声系数与灵敏度 噪声系数: 用来衡量部件和系统噪声性能的。 灵敏度: 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。,2.2.3 噪声温度,噪声温度：将线性电路的内部附加噪声折算到输入端，等 效为信号源内阻上温度的升高。,等效到输入端的附加噪声为Na/KP，令噪声温度为Te，得，,噪声系数可表示为：,故，,本 章 小 结,1. 高频电路中的元器件 高频电阻、高频电容、高频电感；晶体二极管、晶体管、集成电路。2. 高频电路中的基本电路 （1） 高频振荡回路：简单振荡回路、抽头振荡回路、耦合振荡回路。 （2）高频变压器和传输线变压器 （3）石英晶体谐振器 （4）集中滤波器：陶瓷滤波器、声表面波滤波器 （5）衰减器与匹配器3. 电子噪声 电阻热噪声、晶体三极管的噪声、噪声的计算。,