第二章 高频电路基础3

第二章 高频电路基础 2.1 高频电路中的元器件2.2 高频电路中的基本电路 2.3 电子噪声2.4 噪声系数和噪声温度这部分是学习后面内容的准备，重点需要复习以下知识： 并联谐振回路的谐振特性、谐振频率、品质因数、通频带、阻抗特性（幅度和相角）、选择性等，以及这些特性之间相互的关系。 特别强调抽头（部分接入）并联谐振回路的阻抗变换关系。从低抽头向高抽头转换时： 等效阻抗增大 1/p2倍 ，注意电感、电容、电阻（电导）值大小的变化 电流源减小了 P倍 电压源增大 1/p倍 串并联阻抗的等效互换 了解等效噪声带宽、噪声系数等概念。 了解声表面波器件的特点。说明2.1高频电路中的元器件高频电路中的元器件： 各种高频电路基本上是由 有源器件、无源元件和无源网络 组成的。 高频电路中的 有源器件 主要是二极管、晶体管和集成电路，用以完成信号的放大、非线性变换等功能。 高频电路中使用的元器件与低频电路中使用的元器件基本相同，但要注意它们的 高频特性 。一、高频电路中的元件 1、电阻 实际的电阻器，低频时主要表现为 电阻特性 ，高频时不仅表现有电阻特性 , 而且还表现出 电抗特性 。电阻器的 电抗特性反映的就是其高频特性 。高频等效电路如图 2-1所示 ,CR:分布电容LR:引线电感， R:电阻。 CR, LR 越小，电阻高频特性越好。频率越高，电阻的高频特性表现越明显。尽量减小电阻高频特性的影响，使之表现为纯电阻。一般说来，金属膜电阻比碳膜电阻的高频特性要好，而碳膜电阻比线绕电阻的高频特性要好；表面贴装 (SMD)电阻比引线电阻的高频特性要好；小尺寸的电阻比大尺寸的电阻的高频特性要好 。图 2-1 电阻的高频等效电路 2、电容 ：由介质隔开的两导体即构成电容。如（ a）所示理想电容器的阻抗 1/(jC) ，如图 2-2（ b）虚线所示 , RC：极间绝缘电阻， LC：分布电感（极间电感）每个电容器都有自身谐振频率 SRF（ Self Resonant Frequency）。当工作频率 小于自身谐振频率 时，电容器呈现电容特性，当工作频率 大于自身谐振频率 时，电容器将等效为电感。图 2-2 电容器的高频等效电路 自身谐振频率容性区 感性区电容器的等效电路 ;电容器的阻抗特性3.电感 电感的作用 ：谐振元件、滤波元件、阻隔元件。电感的耗损 ：电感一般由导线绕制的，一般都有直流电阻，同时由于存在涡流、磁滞和电磁辐射等损失，所以存在耗损。品质因素 ：电感的感抗与其串联损耗电阻之比。 Q值越高，表明该电感器的储能作用越强，损耗越小。在中短波波段和米波波段， 高频电感等效为电感和电阻的串联或并联 。若工作频率更高，等效电路应考虑电感两端总的分布电容，它应与电感并联。高频电感器也具有 自身谐振频率 SRF。 在 SRF上 , 高频电感的阻抗的幅值最大 , 而相角为零 , 如图 2-3所示。图 2-3 高频电感器的自身谐振频率 SRF 感性区容性区二、 高频电路中的有源器件 高频电路中的有源器件主要是 二极管、晶体管和集成电路（ IC） ，完成信号的放大、非线性变换等功能。1、二极管 半导体二极管在高频中 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。 常用高频二极管的类型：(1) 点触式二极管 ：其最高工作频率约 200 300MHz(2) 表面势垒二极管 ：其最高工作频率约 200 300MHz(3) 变容二极管 ：其电容随偏置电压变化而变化。2、晶体管与场效应管（ FET） 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，通常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 : (1) 一类是作小信号放大的 高频小功率管 , 对它们的主要要求是高增益和低噪声 ; (2) 另一类为 高频功率放大管 , 除了增益外 , 要求其在高频有较大的输出功率 。 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。目前通用型的宽带集成放大器，其增益可达 5060dB甚至更高，其工作频率可达 100 200MHz甚至更高。本节将介绍高频电路中常用的 基本（无源）电路 ，也称 无源组件或无源网络 。这些无源组件或无源网络主要包括： 高频振荡（谐振）回路 、 高频变压器 、 谐振器与滤波器 等 , 它们完成信号的传输、 频率选择及阻抗变换 等功能 。2.2 高频电路中的基本电路一、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 , 在电路中完成 阻抗变换、信号选择 等任务 , 可直接作为负载使用。 1 .简单振荡回路 (只有一个回路 ) 振荡回路就是由电感和电容串联或并联形成的回路。 只有一个回路的振荡电路称为简单振荡回路或单振荡回路。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 感性区 容性区1）电路结构(1) 并联谐振回路并联谐振回路的并联 阻抗为 ： (2-1) 2）谐振频率 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： （ 2-4） （ 2-2） （ 2-3） 4）谐振电阻 ：回路在谐振时的阻抗最大 , 为一纯电阻 R0：（ 2-5） 由前面分析可知，得到： 时 ，即电感的耗损电阻越小，回路的 Q值越高，其谐振电阻 R0越大。 图 2-4（ a）的并联谐振回路可用图 2-4（ b）所示的等效电路来表示。 3）特性阻抗 ：定义为（ 2-6） （ 2-7） （ 2-9）并联回路通常用于 窄带系统 ，此时 与 0相差不大，式（ 2-7）可进一步简化为式中， =-0。 称为 广义失谐 。对应的阻抗模值与相角分别为：5）阻抗特性高 Q时，由式 (2-1)可得：（ 2-12） （ 2-14） 图 2-5 表示了并联振荡回路中谐振时的电流、 电压关系。 6）通频带（半功率点频带）当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时，将回路阻抗幅频特性下降为谐振值的 时对应的频率范围称为回路的 通频带，也称回路带宽 , 通常用 B来 表示。(2-10) 此外，对于并联谐振回路，还有以下参数：7）矩形系数 ：阻抗的幅频特性下降为谐振值的 0.1时的频带宽度与阻抗的幅频特性下降为谐振值的 0.707时的频带宽度之比。即其中：B0.1谐振曲线下降为谐振值的 0.1时的频带宽度B0.707谐振曲线下降 3dB的频带宽度矩形系数是大于 1的（理想时为 1）， 矩形系数越小，回路的选择性越好。对于 单级简单并联谐振回路 ，可以计算出其矩形系数为： (2-11) 需要说明的几点 ： 通过前面分析可知(1) 回路的品质因素越高，谐振曲线越尖锐，回路的通频带越狭窄，但矩形系数不变。因此，对于简单（单级）并联谐振回路，通频带与选择性是不能兼顾的。(2) 前面的结论均是在 “ 高 Q” 情况下，如果 Q值较低，并联谐振回路的谐振频率将 低于高 Q时的谐振频率 ，并使谐振曲线和相位特性随着 Q值而偏离。(3) 以上所知品质因素均是指回路没有外加负载时的值，称为 空载 Q值或 Q0。当回路有外加负载时，品质因素要用 有载 Q值或 QL表示。其中的 r为考虑负载后总的耗损电阻。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=0.5 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： (1) 计算 L值 , 由式 (2-4),可得将 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。由式 (2-12)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 R1 R0，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, 故根据 可得，回路总电阻为：需要在回路上并联 7.97 k的电阻。 （ 2） 串联谐振回路串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻（如恒压源）的情况或低阻抗的电路（如微波电路）。 图 2-4（ a）是最简单的串联振荡回路 。 图 2-6 串联谐振回路及其特性 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（ 2-15） 在任意频率下的回路电流 与谐振