第二章_高频电路基础

高频电子线路 第 2章 高频电路基础 2.1 高频电路中的元器件2.2 高频电路中的基本电路 2.3 电子噪声2.4 噪声系数和噪声温度 高频电子线路 2.1 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。 高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的元器件基本相同 , 但要注意它们在高频使用时的高频特性。 高频电路 中的 元件主要是 电阻 (器 )、 电容 (器 )和电感 (器 ), 它们都属于无源的线性元件 。 一、高频电路中的元件 1、电阻 一个实际的电阻器 , 在 低频时主要表现为电阻特性 ,但在高频使用时不仅表现有电阻特性的一面 , 而且还表现有电抗特 高频电子线路 性的一面。 电阻器的 电抗特性反映的就是其高频特性 。 一个电阻 R的高频等效电路如图 2-1所示 , 其中 , CR为分布电容 , LR为引线电感 , R为 电阻。 通常， 表面贴装电阻的高频特性好于金膜电阻，金膜电阻好于炭膜电阻，线绕电阻的高频特性最差。图 2-1 电阻的高频等效电路 高频电子线路 2、电容 由介质隔开的两导体即构成电容 。 一个电容器的等效电路却如图 2-2（ a） 所示。 理想电容器的阻抗 1/(jC), 如图 2-2（ b） 虚线所示 , 其中 , f为工作频率 , =2f。 高频电路中常常使用片状电容和表面贴装电容，因为其高频特性较好。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 自身谐振频率容性区 感性区 高频电子线路 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 ：电感一般都是由导线绕制的，一般都有一定直流电阻，同时由于存在涡流、磁滞和电磁辐射等损失，所以电感就存在耗损。品质因素 ：定义为电路中无功功率与有功功率之比，是专门用来描述电路的能量耗损的。高频电感器与普通电感器一样 , 电感量是其主要参数。 电感量 L产生的感抗为 jL, 其中 , 为工作角频率。 高频电子线路 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 高频电子线路 二、 高频电路中的有源器件 用于低频或其它电子线路的器件没有什么根 本不同。1、二极管 二极管的作用 ：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 200300MHz(3) 变容二极管 ：其电容随偏置电压变化而变化。 高频电子线路 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 。 高频电子线路 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。 高频电子线路 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 高频电子线路 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 , 并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。(1)、并联谐振回路1）电路结构 高频电子线路 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 并联谐振回路的并联 阻抗为 ： RL+r/Rc(2-1) 感性区 容性区 高频电子线路 2）谐振频率 ：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： （ 2-4） （ 2-2） （ 2-3） 高频电子线路 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， 若电感的耗损电阻越小，回路的 Q值越高，其谐振电阻 R0越大。3）特征阻抗 ：定义为（ 2-6） 高频电子线路 （ 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（ 2-13）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： 高频电子线路 （ 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。 高频电子线路 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 , 将回路电流值下降为谐振值的 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。 令式（ 2-15）等于 , 则可推得 =1, 从而可得带宽为：(2-10) 此外，对于并联谐振回路，还有以下参数： 高频电子线路 7）矩形系数 ： 定义 为阻抗的幅频特性 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) 高频电子线路 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。 波形偏移 (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。 高频电子线路 例 3-1： 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 高频电子线路 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) 高频电子线路 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： 高频电子线路 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 。 高频电子线路 图 2-6 串联谐振回路及其特性 高频电子线路 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 与谐振电流之比为回路阻抗：谐振频率： 高频电子线路 其模为 其中： 高频电子线路 称为回路的 品质因数 , 它是振荡回路的另一个重要参数。 根据前式可以画出相应的曲线如下 图所示 , 称为 谐振曲线。 图 2- 串联谐振回路的谐振曲线 图 2 串联回路在谐振时的电流、 电压关系 高频电子线路 在实际应用中 , 外加信号的频率 与回路谐振频率0之差 =-0表示频率偏离谐振的程度 , 称为 失谐 。 当与 0很接近时 , 令 为广义失谐 , 则式（ 2-5）可写成 高频电子线路 串联谐振回路总结 ：(1) 在串联谐振回路的阻抗特性、幅频特性、相频特性与并联谐振回路成对偶关系。如图 2-6所示。 (2) 谐振频率、品质因素、通频带、矩形系数等与并联谐振回路相同（高 Q时）。 高频电子