第二章 高频电路基础

高频电子线路 武 汉 工程大学 电 气信息学院2016年 9月主 讲 ： 郑宽 磊电话 ：二章 高频电路基础2.1 无源器件与模型 2.2 有源器件与模型 2.3 传输线 与微 带线 2.4 Y参数与 S参数 2.5 噪声与噪声系数主要内容第二章 高频电路基础引子1、 高频电路与低频电路中元器件的频率特性是不同的。 在低频呈现的集总器件在高频时 呈现分布参数2、 无线通信电路中，器件的物理结构都尽可能的小，从而使得器件的有效工作频率随尺寸的减小而升高，如表面贴器件。3、 高频电路由无源元件和有源器件组成 。有源器件 ： 具有电流控制能力的器件 。 如电子管、三极管、场效应管、晶闸管、可控硅等 。无源器件 ：导线、 电阻、电容、电感，以及 二极管 等 。第二章 高频电路基础2.1.1 导线 1、 导线包括裸铜线、镀银 (金 )线、漆包线、塑包线、纱包线等，用于传输信号 。2、 趋肤效应图 2-1 趋 肤效 应 示意 图2.1 无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.1 导线 图 2-2 趋肤深度与工作 频 率的关系2.1 无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.2 电 阻器LR为电 阻的引 线电 感 ;CR为 分布 电 容2.1 无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.3 电 容器2.1 无源器件与模型 第二章 高频电路基础电容 标定： 1MHz； rc为损耗电阻； Lc为引线电感电容的品质因数 Qc为式中： 为工作频率C为电容值rc为电容的总损耗电阻。 2.1.3 电 容器2.1 无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.4 电 感器 为 磁芯 损 耗的等效 电阻为绕组间 的分布 电 容为电 感 绕组 的交流 电阻2.1 无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.4 电 感器 2.1 无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.4 电 感器 电感的品质因数 QL为采用漆包 线绕 制 绕 制 环 形 线 圈(铁 粉磁芯 )(铁 氧体磁芯 )2.1 无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.5 铁 氧体磁珠 2.1 无源器件与模型 第二章 高频电路基础2.1.6 高 频 二极管应用 :检波、调制、解调以及混频等非线性变换电路中 , 工作在低电平。 1高频二极管模型Rd：二极管耗损电阻VD：内部 PN结电压ID：直流导通电流Cd：正向偏置时的扩散电容Cj：反向偏置 时的 势垒电容 ：2.1 无源器件与模型 第二章 高频电路基础反向工作 时 ， 结电 容以 势垒电 容 Cj为 主，其大小与外加反向 电压 ur的关系 ：正向工作 时 ， 结电 容以 扩 散 电 容 为 主，其大小与二极管 电 流有关 ：2.1 无源器件与模型 2.1.6 高 频 二极管第二章 高频电路基础2高频二极管应用1)检波二极管检 波 (也称 幅度解 调 )二极管是利用二极管 单 向 导电 性将高 频 或中 频 无 线电 信号中的幅度信息 (如音 频 信号 )取出来 ；广泛 应 用于半 导 体收音机、 电视 机及通信 设备 等小信号 电 路中，其工作 频 率 较 高，但 处 理信号 时 无增益。通常 选 用 锗 半 导 体材料制成的点接触型二极管，其接触面 积 小， 虽 然不能通 过 大的 电 流，且 结电 容小，但具有工作 频 率高和反向 电 流小等特点。常用的 检 波二极管有 2AP系列、 1N34/A、 1N60等 。2.1 无源器件与模型 2.1.6 高 频 二极管第二章 高频电路基础2高频二极管应用2)混频二极管混 频 是将两个不同 频 率的信号 (如接收射 频 信号和本地振 荡 信号 )通 过 非 线 性 处 理 获 得两 频 率之差的信号 (简 称 差 频 )、或两 频 率之和的信号 (简 称 和 频 )的 过程。混 频 二极管是一种肖特基 势垒 二极管 。与一般二极管相比，混 频 二极管具有工作 频 率高、噪声低、反向 电 流小、 结电 容小等特点。在大信号工作 时 ， 为 开关工作状 态 ，可 获 得 较 大的 动态 范 围，广泛 应 用于高 频 与微波 电 路中。2.1 无源器件与模型 2.1.6 高 频 二极管第二章 高频电路基础2高频二极管应用3)晶体二极管 又称为 PIN二极管，是由在 P型和 N型半导体材料之间掺入一薄层低掺杂的本征半导体层组成，为一种静态结电容很小、用于 高频开关 和 高频保护 的特殊二极管。当工作频率超过 100MHz时，由于少数载流子的存储效应和本征层中渡越时间效应，该二极管失去整流功能而变为阻抗器件，并且其阻抗值随偏置电压变化而变。当直流正向偏置时，本征区的阻抗很小，为导通状态，作为可变阻抗元件使用；反向偏置时，本征区为高阻抗状态，呈开路状态。常用于高频开关、移相、调制、限幅等电路中，作为 开关 和 衰减器 使用。 2.1 无源器件与模型 2.1.6 高 频 二极管第二章 高频电路基础2高频二极管应用3)晶体二极管2.1 无源器件与模型 2.1.6 高 频 二极管第二章 高频电路基础2高频二极管应用4) 变容二极管2.1 无源器件与模型 2.1.6 高 频 二极管 常用于调谐回路、振荡电路和锁相环路，实现自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等，如电视机高频头的频道转换和调谐电路第二章 高频电路基础2高频二极管应用5) 隧道二极管隧道二极管 (Tunnel diode)是采用砷化镓 (GaAs)和锑化镓 (GaSb)等材料混合、在重掺杂 N型 (或 P型 )的半导体片上用快速合金工艺形成高掺杂的 PN结而制成的， PN结的耗尽层非常薄，使电子能够直接从 N型层穿透 PN结势垒进入 P型层，称为隧道结。 隧道二极管的正向 电 流 电压 特性具有 负 阻特性2.1.6 高 频 二极管2.1 无源器件与模型 第二章 高频电路基础1高频三极管2.2 有源器件与模型2.2.1 高 频 三 极管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，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 : 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 ; 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。晶体管的电流放大系数 随工作频率的升高而下降，当 下降为 1时，对应的工作频率称为 特征频率 fT，根据特征频率 fT的不同可以分为：低频管： fT 3MHz高频管： fT 30MHz第二章 高频电路基础2.高 频 三极管的主要参数包括： 电流放大倍数、反向电流参数、频率参数和极限参数。电 流 放大倍数 ：共 发 射极 电 流 放大倍数 (或 )共基极 电 流 放大倍数 在高频放电路中，三极管的 值一般选用 30 80，其值太小，放大作用差；反之，工作性能不稳定。2.2 有源器件与模型2.2.1 高 频 三 极管第二章 高频电路基础2.高 频 三极管的主要参数极 间 反向 电 流 ：集 -基反向 饱 和 电 流穿透 电 流集 -基反向 饱 和 电 流 为发 射极开路 时 ，在集 电 极与基极之 间 的反向 电压 所 对应 的反向 电 流， 为 少子 载 流子形成的漂移 电 流 ，是三极管工作不 稳 定的主要因素。穿透 电 流 是基极开路，集 电 极与 发 射极之 间 的反向 电压 形成的集 电 极 电 流 ，与 一 样 ，易受温度影响 。2.2 有源器件与模型2.2.1 高 频 三 极管包括： 电流放大倍数、反向电流参数、频率参数和极限参数。第二章 高频电路基础2.高 频 三极管的主要参数包括： 电流放大倍数、反向电流参数、 频率参数 和极限参数。频率参数三极管的 频 率参数反映了三极管的 电 流 放大能力与工作 频 率关系的参数，包括共射极截止 频 率 和特征 频 率当 下降到中 频 段 0.707倍 时 ，所 对应 的 频 率称 为 共射极截止 频 率 。当三极管的 下降到 时 所 对应 的 频 率，称 为 特征 频 率 。2.2 有源器件与模型2.2.1 高 频 三 极管第二章 高频电路基础2.高 频 三极管的主要参数包括： 电流放大倍数、反向电流参数、 频率参数 和极限参数。极限参数 ：最大允 许 集 电 极耗散功率最大允 许 集 电 极 电 流 反向 击 穿 电压 、选 取的原 则 ：工作 电压应 小于 击 穿 电压 的 (1 2 1 3)尽量 选择 反向 电 流小、 结电 容小的三极管电压 放大，需要 、 高。功率放大 ，需要注意：2.2 有源器件与模型2.2.1 高 频 三 极管第二章 高频电路基础3.基区 宽 度 调 制效 应又称为厄尔利 (Early)效应，在三极管共射放大时，集电结上的反偏电压变化，集电结的势垒厚度也随着变化，引起基区宽度发生变化，从而引起三极管输入特性曲线、输出特性曲线的变化。图 NPN三极管少数载流子的浓度分布2.2 有源器件与模型2.2.1 高 频 三 极管第二章 高频电路基础3.基区 宽 度 调 制效 应2.2 有源器件与模型2.2.1 高 频 三 极管对 NPN三极管 发 射 结处 于正向偏置高 浓 度的 发 射区提供多数 载 流子 (电 子 ) 扩 散到基区，其浓 度分布如 图 中的曲 线 基区的起始少数 载 流子 (电 子 )浓 度 为当集 电结 反向偏置 时 ，靠近集 电结 一 侧 的基区少数 载 流子 浓 度为第二章 高频电路基础3.基区 宽 度 调 制效 应2.2 有源器件与模型2.2.1 高 频 三 极管对应的基区少数载流子的浓度分布如 曲线 ，其梯度对应于集电极电流显然，集电极电流 与集电极电压 无关，到达基区靠集电结一侧的电子都会进入集电区，形成集电极电流，其多数载流子的浓度分布 如图 的曲线 。第二章 高频电路基础 NPN三极管少数 载 流子的 浓 度分布第二章 高频电路基础3.基区 宽 度 调 制效 应2.2 有源器件与模型2.