电子设计高频部分.ppt

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1、内容安排,第一讲 基础知识第二讲 高频放大器及设计第三讲 振荡器及设计第四讲 调幅与调频通信及系统设计第五讲 设计举例,参考资料,1.谢自美 主编.电子线路综合设计.武汉：华中科技大学出版社，20062.高吉祥 主编.高频电子线路设计.北京：电子工业出版社，20073.谢自美 主编.电子线路设计实验测试（第二版）.武汉：华中科技大学出版社，20004.李晋炬 编著.通信电路与系统实验教程.北京：北京理工大学出版社，20065.于海勋,郑长明.高频电路实验与仿真.北京：科学出版社,2005.,第一讲 基础知识,一、理论基础 二、测量基础 三、设计与布线基础,一、理论基础,1.通信系统（以调幅为例

2、）2.高频小信号放大器3.高频功率放大器4.高频振荡器5.频谱变换6.反馈控制电路,1.调幅通信系统,包括发射机和接收机。发射机组成框图：,图1-1 调幅发射系统框图,产生载波,声电转换,载波放大,振幅调制,调幅接收机,接收机框图,图1-2 超外差式调幅接收机框图,混频器：对本振信号和高频输入信号相乘运算，输出固定的差拍频率（中频），有利于后级中频放大器设计。本振：频率稳定度很高的高频振荡器，振荡频率随输入信号频率改变而改变。高质量接收机用频率合成方式产生本振频率。,2.高频小信号放大器,技术指标 高频小信号放大器的技术指标有中心频率f0、增益AV、带宽BW0.7和矩形系数Kr0.1和噪声系数

3、NF。,（1）中心频率 中心频率是指调谐放大器的工作频率，在此频率上，调谐放大器增益最大。它是调谐放大器的重要性能指标，同时也是选择有源放大器和计算调谐回路设计参数的重要依据。（2）增益Av:电压和功率增益,带宽和矩形系数,（3）带宽和矩形系数,图1-3 带宽和矩形系数,矩形系数,矩形系数大于1，越小放大器性能越接近理想。,噪声系数,（4）噪声系数：噪声系数用输入信号噪声功率比(S/N)i与输出噪声功率比(S/N)o定义。通常用dB表示。,噪声系数反映了信号从电路输入端传到输出端时，信噪比的恶化程度。NF=0dB时，说明放大器时理想的，没有引入噪声。通信系统是由多级级联而成，而系统的噪声系数主

4、要由第一级决定。越往后级，对系统噪声系数影响越小。因此，接收机前端放大器必须采用低噪声放大器。,高频小信号放大器特点和电路,（1）频带放大器:带宽问题（2）有窄带和宽带放大器之分：负载有调谐回路的为窄带放大器（3）增益不是很大：30dB（4）工作稳定性问题：采用负反馈，牺牲增益增加稳定性；采用结电容小的管子,图1-4 单调谐放大器电路图,最高频率：功率放大倍数为1,2.高频谐振功率放大器,1.特点：静态时管子截止，大信号输入管子导通，工作在C类。导通角90，效率较高。2.与高频小信号放大器区别：高频谐振功放工作在大信号状态，输入信号几百毫伏到几伏，晶体管工作在非线性状态，工作在C类，输出功率大

5、，效率较高。小信号谐振放大器工作在小信号状态，输入信号微伏到毫伏级，晶体管工作在线性区域，工作在A类，输出功率小，效率不高（最高50%）。,电路和工作状态,原理电路如图1-5.工作状态：欠压、临界、过压。欠压：基极调幅用。由于效率低，功率管容易烧坏，一般不用。临界：输出功率最大，发射机末端用。过压：效率可达最大，管子耗散功率小，工作比较安全，功放中间级用、集电极调幅用。,图1-5 高频谐振功放电路与负载特性,设计方法简介,具体设计方法和计算步骤如下：（1）利用公式 计算出导通角。VBE为管子起始导通电压，Vbm为基极输入电压峰值。（2）查余弦脉冲分解系数表得出1、0和。（3）一般给定输出功率P

6、o，由公式 可以计算出Ic1m。（4）由公式，计算出Ic0。（5）由公式PD=VCCIc0计算出电源提供功率。（6）由公式PT=PD-PO计算出管子消耗功率。（7）最后由公式 计算出效率。以上只是理论计算结果，实际设计高频谐振功率放大器时，需要耐心调试与测试，才能使设计电路符合要求。,4.高频振荡器,范围应用：载波源、本振电路组成：基本放大电路、选频网络和反馈网络起振、平衡、稳定条件：振幅条件和相位条件实际电路：三点式、晶振（基音、泛音）、VCO、PLL频率合成性能指标：频率稳定度、输出电平稳定度和波形失真,原理电路,三点式振荡电路：电容、电感三点式,图1-6 三点式振荡器原理图,电容三点式振

7、荡器的反馈元件为电容，因此谐波失真小，波形好，频率调节不方便且频率覆盖系数小。电感三点式振荡器反馈元件为电感，谐波失真大，波形差，振荡频率最大几十MHz，容易起振，频率覆盖系数大是其优点。实际设计中，高频率稳定度的电容三点式振荡器用的比较多，比较典型的有克拉泼振荡器和西勒振荡器。,克拉泼与西勒振荡器,电容三点式振荡器 共基极克拉泼：特点：振荡频率与C3有关，与晶体管结电容无关，频稳度高。但频率覆盖系数小。西勒：特点：接入系数小，频率稳定度高，频率覆盖系数大，应用广泛。,图1-7 克拉泼与西勒振荡原理电路,C1C3，C2C3，则CC3，,5.频谱变换与电路,频谱变换,频谱搬移,频谱非线性变换,幅

8、度调制和解调,混频,倍频,调频,鉴频,限幅,AM、DSB、SSB,包络检波和同步检波,直接调频,间接调频,变容二极管调频,晶体管振荡器直接调频,电容话筒调频,斜率鉴频、相位鉴频、比例鉴频,锁相鉴频,锁相调频,振幅调制与解调原理,振幅调制数学原理,调制信号,载波信号,振幅解调原理大信号二极管包络检波：二极管和RC低通滤波电路同步检波：输入振幅调制信号和恢复载波,振幅调制电路,高电平调幅 高频功率放大和振幅调制同时进行，用高频谐振功放实现。工作在过压状态。电路略。低电平调幅 先调幅再功率放大。可用模拟相乘器实现。,图1-8 MC1496构成的振幅调制电路,载波输入,调制信号输入,振幅调制波形与测量

9、,振幅调制波形,图1-9 振幅调制波形与测量方法,(a)AM波形峰谷法测量,(b)AM波形梯形法测量,(c)DSB波形,调幅度,梯形法：将AM信号送到示波器垂直通道，调制信号送到水平通道，示波器上显示波形，用上式可以计算调制系数m。通过观察A、B间的连线是否为直线可以判断调制过程中有无明显的非线性失真。,频率调制原理,调频信号的数学表达式：,调频信号带宽：,调频信号波形：载波频率随调制信号幅度而改变的疏密波，载波幅度不变,调频信号指标：最大频偏fm,频率调制电路,变容二极管调频电路,图1-10 变容二极管调频电路,本质上是一个压控振荡器VCO,鉴频电路通常调试比较复杂，故设计时一般用集成电路实

10、现，如MC3362内部就集成有乘积型相位鉴频器。,混频原理和电路,数学原理,图1-11 混频电路模型,混频器的主要技术指标有混频增益、1dB压缩点、三阶互调阻断点、噪声系数和隔离度。,混频器在产生中频信号的同时，会产生很多的混频失真，接收机中绝大多数失真来自混频器。常见的混频干扰和失真有镜频干扰，交叉调制失真和互调干扰。,图1-12 混频电路,6.反馈控制电路,自动增益控制电路（AGC）作用：当输入小信号时，系统高增益，当输入大信号时，系统低增益。输入信号幅度变换范围较大时，输出幅度基本不变。调幅接收机中可明显改善输入信号动态范围，通常从检波输出反馈到高放和中放电路，自动调节高放和中放增益。自

11、动频率控制电路（AFC）作用：通过频率负反馈，自动调节本振频率稳定在预期频率上。调频接收机中使用较多，通常从鉴频器输出反馈到本振端，本振一般采用VCO。自动相位控制电路（锁相环路PLL）通信系统中用途最广泛，大都采用集成PLL电路实现，环路锁定后，输出频率锁定在输入频率上，无频率差，可用来产生高稳定的本振信号。也可用于频率调制和鉴频。以后将详细介绍具体应用。,AGC和AFC原理电路,图1-13 调幅接收机电路AGC原理：信号|AGC|D1截止R2,D1对T1无负载作用T1负载电阻T1增益AFC原理：VCOfI+f鉴频输出电压VCO图1-14带AFC的接收机电路和VCO特性,锁相环原理,PLL原

12、理框图,图1-15 PLL的组成框图,环路锁定后：f0=fi,由于有VCO的存在，PLL的输出频率在一定范围内才可能等于输入信号频率。理解这一点是理解锁相环的关键。,图1-16 锁相环路的数学模型,锁相环应用,锁相分频（倍频）图(a)f0=Nfi锁相混频 图(b)锁相调频和鉴频 图(c)(d)锁相频率合成 图(e)设晶振频率为fr，输出频率为fo，则fr与fo的关系为当参考频率fr一定时，改变可变程序分频比可以改变输出频 率fo，并且步进间隔为。,图1-17 PLL的应用,(a),(b),(c),(d),(e),锁相调频和鉴频电路,高频锁相环NE564,图1-18 NE564内部结构，锁相鉴频

13、和调频电路,二、测量基础,1.高频测量仪器 示波器：高频信号测量需要高阻抗探头。高频信号源：输出幅度Vrms，单位dBuV,uV,mV,dBm，注意换算关系。,仪器连接与接地,仪器连接与接地,频谱分析仪,可以测量微弱射频信号频率、电平幅度、谐波和噪声分布。-110dBm+13dBm,三、设计与布线基础,1.元器件布局 基本原则：高频元件的放置要尽量紧凑，从而可以缩短布线长度，降低信号线的交叉干扰。2.布线设计 基本原则：尽量减小分布电容和分布电感。元器件引脚尽量短、强、若信号线分开、布线走向能直勿弯、需要转折时不要90转向，可45折线或圆弧曲线转折、尽量缩小环路面积、布线时应考虑尽量减小分布电容。3.接地和抗干扰 信号接地：电流返回源的低阻抗路径。高频多点接地，低频一点接地。抗干扰措施：屏蔽、隔离和滤波。,