基础知识高频电子线路课件

第一章基础知识 主要内容 1 1LC谐振回路的选频特性和阻抗变换特性 1 2集中选频滤波器 1 3电噪声 本章重点 LC并联回路的选频特性 阻抗变换 阻抗匹配系统总噪声的降低方法 1 1LC谐振回路的选频特性和阻抗变换特性 LC谐振回路的作用 选频 即将LC回路调谐在需要选择的频率上 信号的频幅转换和频相转换 在斜率鉴频和相位鉴频 组成阻抗变换和匹配电路 阻抗电路的串 并联等效转换 由电阻元件和电抗元件组成的阻抗电路的串联形式与并联形式可以互相转换 等效条件 等效互换的原则 保持其等效阻抗和Q值不变 并串转换 串并转换 品质因数Q 储存能量与消耗能量之比 并联 串联 统一的阻抗转换公式 注意 转换后电抗元件的性质不变 若Q 1时 一 并联谐振回路 1 1 1LC谐振回路的选频特性 ui 又由于 其阻抗的幅频特性以及相频特性如图所示 并联谐振回路在谐振频率点的阻抗最大 相频特性曲线斜率为负 在谐振时 其两端电压最大 信号源与负载并联连接 使有用信号在负载上的电压振幅增大 通频带 单位谐振曲线上所包含的频率范围为回路的通频带 用BW0 7表示 矩形系数 单位谐振曲线N f 下降到0 1时的频带范围与通频带之比 即 选择性 对不需要信号的抑制能力 要求在通频带之外 谐振曲线N f 应是陡峭下降 故Q值越高 频率选择性越好 但通频带越窄 通频带与回路的Q值成反比 故二者是一对矛盾关系 9 95 Q01 Q02 理想的幅频特性 图 归一化谐振曲线 二 串联LC谐振回路 幅频特性 相频特性 其幅频特性曲线与相频特性曲线如下图所示 串联谐振回路谐振点阻抗最小 相频特性曲线斜率为正 其在谐振时电流最大 信号源与负载串联连接 使有用信号通过回路有效地传送给负载 矩形系数 9 95 串联谐振和并联谐振回路的比较 1 试计算所需的线圈电感值 2 若回路品质因数为Q0 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 5MHz 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 例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 1 2阻抗变换电路 目的 实现阻抗匹配 减小负载对谐振回路的影响 即是将实际负载阻抗 变换为前级电路所要求的最佳阻抗值 LC带载并联回路 信号源会有相应的输出电阻 输出电容 负载除了纯电阻外 还有负载电容 并联谐振回路与信号源和负载的连接 信号源 LC回路 负载 信号源 负载都等效到LC回路 其中 中心频率 回路有载 值 通频带 可见 Qe Q0 回路的选择性降低 谐振电压也随总电阻的减小而减小 常用阻抗变换电路 变压器电路 电感分压式电路 电容分压电路 纯电感或纯电容阻抗变换电路 LC选频匹配网络 倒L型 T型 型 为消除信号源和负载对回路的影响必须采用阻抗变换电路提高回路的Q值 1 自耦变压器电路 1 纯电感或纯电容阻抗变换电路 由于两种情况都只有电阻消耗能量则有 n 1 对回路影响减弱 设初级线圈与抽头部分次级线圈为匝数之比 N1 N2 1 n n定义为接入系数 则 2 变压器阻抗变换电路 其中 N1 N2 1 n 3 电容分压式电路 其中 证明 RL与C2的并联转换为串连 当时 可得 再把RLS与C1 C2串连转换成并联 式中 由于所以RL RL 其接入系数为 4 电感分压式电路 其中 例2 其与自耦变压器的区别 L1和L2各自屏蔽 没有互感耦合 例2 如图所示并联谐振回路 信号源与负载是部分接入 已知 1 5pF 2 15pF s 75 L 300 为了使电路匹配 即负载RL等效到LC回路输入端的电阻RL RS 求 线圈初次级匝数比N1 N2应该是多少 见书P13 结论 一般地 阻抗变换时 由回路的低端折合到高端 部分接入到全接入 电阻增加 即除以n2 因为n通常不大于1 反之 乘以n2 计算这类题目时 要特别注意所有负载对Q值 通频带等参数的影响 注意 四种阻抗变换电路特点 n都是近似值 在较宽频率范围内实现阻抗变换 2LC选频匹配网络 对于理想的阻抗变换 即在频率很窄的范围内实现阻抗变换 一般可采用LC选频匹配网络 LC相频匹配网络有倒L型 T型以及 型等形式 这里以倒L型为例 说明其选频匹配原理 倒L型网络由两个异性电抗元件X1 X2组成 第一种情况 倒L型阻抗匹配网络 实际负载 等效负载 串并转换 谐振时 结论 这种电路可以在谐振频率处增大负载电阻的等效值 选频匹配网络的电抗值为 并串转换 谐振时 可以求得选频匹配网络的电抗值为 结论 这种电路可以在谐振频率处减小负载电阻的等效值 第二种情况 选频匹配网络特点 对于倒L型网络 需要求出两个元件 故需两个条件 实际负载 等效负载 谐振频率 对于T型或者 型网络 需要求出三个元件 分析方法类似 只是需要三个条件 适合分析对于窄带信号的较为精确的阻抗变换 例3 已知某电阻性负载为10 请设计一个匹配网络 使该负载在20MHz时转换为50 如负载由10 电阻和0 2 H电感串联组成 又该怎样设计匹配网络 解 匹配网络使负载值增大 故采用如图所示的倒L型网络 实际负载 等效负载 选频匹配网络的电抗值求得元件参数值为 因设计要求L2 0 2uH 0 16uH 故需要一个串联电容来抵消部分电感量 0 2uH电感在20M时的电抗值为 LC串并联电路可以完成以下几点功能 小结 1 LC并联电路的选频特性可以在高频电路里作为滤波器 选频特性的好坏由通频带与回路的品质因数Q值决定 但这两个指标是相互矛盾的 在实际中要取得折中 2 LC并联回路的阻抗相频特性曲线是具有负斜率的单调变化曲线 这一点对于后面第四章要讨论的LC正弦振荡电路的稳定性具有很大作用 其曲线中线性部分可以进行频率与相位的线性转换 这是相位鉴频电路中的一种方法 同样 LC并联谐振回路阻抗的幅频特性曲线中的线性部分对于频率与幅度的线性转换在斜率鉴频电路中得到应用 3 LC串联谐振回路的选频特性在第四章LC正弦波振荡电路里可作为短路元件工作于振荡频率点 4 LC阻抗变换电路和选频匹配电路都可以实现信号源内阻与负载的阻抗变换 其中 LC阻抗变换电路可在较宽的频率范围进行阻抗变换 而选频匹配网络工作在较窄的频带范围内 1 2集中选频滤波器 1 3电噪声 电噪声定义 放大电路或电子设备的输出端与有用信号同时存在的一种随机变化的的电流或电压 没有有用信号是时它也存在 噪声 1 电阻的热噪声 特点 无外加电压时 自由电子的无规则运动 值小 持续时间短 正负值的概率相同 某一瞬间的电压是随机的 图 电阻热噪声电压波形 一 放大电路内部噪声的来源和特点 而大量的实践和理论分析已经找出它们的规律性 可以用概率特性和功率谱密度来描述 例如 电阻热噪声电压un t 具有很宽的频谱 它从零开始连续不断 而且各个频率分量是相等的如下图所示 理论和实践证明 当电阻的温度为T k 绝对温度 时 电阻R所产生的热噪声电压的均方值为 式中 k为玻耳兹曼常数 为1 38 10 23J K T为电阻温度 单位为K B为测量此电压时的带宽 定义 单位频带内噪声电压 或电流 的均方值 噪声电压功率频谱密度 噪声电流功率频谱密度 噪声功率谱密度 带宽为BW内产生的热噪声为 均方值电流 均方值电压 电阻热噪声等效电路 即有一个噪声电压源和一个无噪声的电阻串联 诺顿等效 2 晶体管噪声 晶体三极管的噪声主要有四个来源 1 热噪声晶体三极管的热噪声主要是基区电阻rbb 产生的热噪声 由于少数载流子由发射极通过PN结注入基区时 在单位时间内注人的载流子数不同 是随机起伏的 这种起伏会影响到集电极电流的起伏 由此引起的噪声叫散弹噪声 2 散弹噪声 3 分配噪声集电极电流随基区载流子复合数量的变化而变化所引起的噪声 频率越高 噪声越大 4 闪烁噪声闪烁噪声又称为1 f噪声 主要在低频范围起主要作用 在高频工作时通常不考虑它的影响 在场效应管中 主要是沟道电阻产生的热噪声 3场效应管的噪声 二 放大电路噪声的表示方法及计算 一 额定功率和额定功率增益 额定功率 指电压信号源可能输出的最大功率 当RL Rs时 信号源输出功率最大 结论 额定功率与实际负载值无关 现在用额定功率来表示电阻的热噪声功率 电阻R的噪声额定功率为 结论 电阻的噪声额定功率与自身阻值以及负载无关 此结论可推广到任何无源二端网络 额定功率增益 表征线性四端网络的输出额定功率PAo与输入额定功率PAi的比值 例4求下图所示四端口网络的额定功率增益 额定功率增益 输出端额定功率 输入端额定功率 解 结论 四端网络的额定功率增益与网络电阻和信号源内阻有关 与该网络输入 输出电路是否匹配无关 即只要网络与其信号源电路确定 则额定功率增益就是一个定值 二 线性四端网络的噪声系数 定义 指四端网络的某一端口处信号功率与噪声功率之比 信噪比通常用分贝数表示 对放大器的噪声一般用信噪比来进行衡量 信噪比 描述信号抗噪声质量的一个物理量 Ps和Pn分别为信号功率和噪声功率 1 噪声系数 用分贝数表示 定义 放大电路输入端信号噪声功率比Psi Pni与输出端信号噪声功率比Pso Pno的比值 用NF来表示 说明 Pni是输入信号源内阻Rs的热噪声产生在放大器输入端的噪声功率 而Rs的温度规定为290K 称为标准噪声温度 用T0表示 相应的噪声系数称为标准噪声系数 本书均采用标准噪声系数 简称噪声系数 Pno是由RS的热噪声和放大器内部噪声共同在放大器输出端产生的总噪声功率 如果放大电路是理想无噪声的线性网络 则NF 1 若放大电路本身有噪声 则NF 1 NF数值大小 说明 NF值越接近于1 表示该放大器的内部噪声性能越好 噪声系数意义 表示信号通过放大器后 信号噪声功率比变坏程度 2 噪声系数的计算公式 而根据额定功率增益的定义 上式还可表达成 为便于分析与计算 不考虑实际负载大小 仅考虑最佳情况用额定功率代替实际功率 则噪声系数可以写成 则 放大器内部噪声额定功率 故 当NF 1时 PnAn 0 为理想无噪声网络 输出噪声额定功率 输入噪声额定功率 放大器内部噪声额定功率 由于 3 级联噪声系数 则两级放大器总噪声系数为 设两级具有相同通频带的放大器其噪声系数分别为NF1 NF2 额定功率增益为GpA1 GpA2 PnAo PnAiGpA1GpA2 PnAn1GpA2 PnAn2 PnAn1 NF1 1 GpA1 k T0 BW PnAn2 NF2 1 GpA2 k T0 BW 则总的输出噪声额定功率由以下几部分组成 PnAn1和PnAn2分别是第一级和第二级的内部噪声额定功率 由于 则对于n级放大器 其总的噪声系数为 结论 为了减小噪声系数 需降低前级 尤其是第一级 的噪声系数 增加前级 尤其是第一级 的额定功率增益 4 无源四端网络的噪声系数 故 无源四端网络可以看成是一个电阻 其输入噪声功率和输出噪声功率相同 例5 某接收机由高放 混频 中放三级电路组成 如图所示 已知混频器的额定功率增益GPA2 0 2 噪声系数NF2 10dB 中放噪声系数NF3 6dB 高放噪声系数NF1 3dB 若要求加入高放后使整个接收机总噪声系数降低为加入前的1 10 则高放的额定功率增益GPA1应为多少 设本振产生的噪声忽略不计 三 等效输入噪声温度 则由 a 可得 PnAo PnAiGpA PnAn 可见 Te越大 则其噪声性能越差 理想情况下噪声温度为0 故可得到Te与NF之间的关系为 NF 1 Te T0 由 b 可得 PnAo k T0 Te BW GpA 将线性电路的内部附加噪声折算到输入端 此附加噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效 这就是 噪声温度 令增加的温度为Te 即噪声温度 这样Rs的温度变为T0 Te k T0 BW GpA NF 四 接收灵敏度 接收灵敏度是指接收机正常工作时 输入端所必须得到的最小信号电压或者功率 灵敏度越高 则能够接收到的信号越微弱 灵敏度主要取决于接收机内部噪声N