第2章高频电路基础.ppt

第2章高频电路基础 2 1高频电路中的元件 器件和组件2 2电子噪声 要求掌握高频电路中的元器件的物理特性 LC谐振回路的各种参数 意义以及换算 电子噪声分析和计算 2 1高频电路中的元件 器件和组件 2 1 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 1 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 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 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 j C 如图2 2 b 虚线所示 其中 f为工作频率 2 f 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 3 电感 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j L 其中 为工作角频率 Lr 等效交流电阻r 表征趋肤效应 涡流损耗 磁芯电感在磁介质的磁滞损失以及电磁辐射引起的能量损失等 常用品质因数Q来表征高频电感器的损耗性能 Q的定义是高频电感的感抗与其串联损耗电阻之比 即 2 高频电路中的有源器件与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 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 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 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 场效应管也能工作在同样频率下 且噪声更低 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 2 1 2高频电路中的组件高频电路中的无源组件或无源网络主要有高频振荡 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 1 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 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 串联谐振回路 最简单的串联振荡回路如图 r是L和C的损耗之和 1 串联谐振频率 2 品质因数 回路谐振时无功功率与损耗功率之比 电容性 电感性 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 在任意频率下的回路电流与谐振电流之比为 其模为 其中 称为回路的品质因数 它是振荡回路的另一个重要参数 画出相应的谐振曲线如图2 5所示 图2 5串联谐振回路的谐振曲线 2 5 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 2 7 2 8 令 为广义失谐 则式 2 5 可写成 2 9 B 图2 7并联谐振回路及其等效电路 a 并联谐振回路 b 等效电路 2 并联谐振回路 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 并联谐振回路的并联阻抗为 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 返回 电感性 电容性 电容性 电感性 同样定义并联谐振回路端电压的相位为 ui 图2 8表示了并联振荡回路中谐振时的电流 电压关系 返回 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 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 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 将f0 fs 10MHz代入 得 2 回路谐振电阻和带宽 解 1 计算L值 回路带宽为 3 求满足0 5MHz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 5MHz 故 回路总电阻为 需要在回路上并联7 97k 的电阻 作用 实现阻抗匹配或阻抗变换 2 抽头并联振荡回路 设接入系数为 p U1 UT 则 RL p2RL 接入系数 或抽头系数 p的定义 与外电路相联的那部分电抗与本回路参与分压的同性质总电抗之比 也可用电压比来表示 U 部分电抗两端电压UT 总电抗两端的电压 接入系数为 p U1 UT 高Q值时 L1 1 接入系数 2 考虑互感 3 紧耦合变压器 对于图 b 的电路 其接入系数p可以直接用电容比值表示为 4 在回路失谐不大 又p不很小时 电压源的折合 U pUT 例2如图2 11 抽头回路由电流源激励 忽略回路本身的固有损耗 试求回路两端电压u t 的表示式及回路带宽 图2 11例2的抽头回路 解由于忽略了回路本身的固有损耗 因此可以认为Q 由图可知 回路电容为 谐振角频率为 电阻R1的接入系数 等效到回路两端的电阻为 回路两端电压u t 与i t 同相 电压振幅U IR 2V 故 输出电压为 回路有载品质因数 回路带宽 例3 如图所示为一等效电路 其中L 0 8uH 空载Q值Q0 100 C 5pF C1 20pF C2 20pF RL 5k R 10k 试求回路的谐振频率 谐振电阻Rp 由左图可画出右图的等效电路 1 回路的谐振频率回路总电容 2 将RL折合到回路两端时的接入系数p为 例4 电路如图所示 给定参数为工作频率f0 10 7MHz C 20pF 线圈L13的QO 60 N12 6匝 N23 6匝 N45 3匝 R 10k Rg 2 5k RL 830 Cg 9pF CL 12pF 求 L13 回路有载品质因数QL和带宽B0 7 思考下图为紧耦合的抽头电路 其接入系数的计算可参照前述分析 给定回路谐振频率fp 465kHz Rs 27K Rp 172K RL 1 36K 空载Qo 100 P1 0 28 P2 0 063 Is 1mA求回路通频带B 和等效电流源 传输线变压器 3 耦合振荡回路 单振荡回路具有频率选择性和阻抗变换的作用 但是 1 选频特性不够理想2 阻抗变换不灵活 不方便 为了使网络具有矩形选频特性 或者完成阻抗变换的需要 需要采用耦合振荡回路 耦合回路由两个或者两个以上的单振荡回路通过各种不同的耦合方式组成 本部分的内容自学 图2 12两种常见的耦合回路及其等效电路 把接有激励信号源的回路称为初级回路 把与负载相接的回路称为次级回路或负载回路 下图是两种常见的耦合回路 图2 12 a 是互感耦合电路 图2 12 b 是电容耦合回路 对于图2 12 b 电路 耦合系数为 耦合系数k定义为Xm与初 次级中与Xm同性质的两电抗的几何平均值之比 即对于图2 12 a 电路 反射阻抗 耦合系数k 耦合回路的特性和功能与两个回路的耦合程度有关 反射阻抗是用来说明一个回路对耦合的另一回路电流的影响 对初次级回路的相互影响 可用一反射阻抗来表示 附 反射阻抗与耦合回路的等效阻抗 反射阻抗是用来说明一个回路对耦合的另一回路电流的影响 对初次级回路的相互影响 可用一反射阻抗来表示 现以下图所示的互感耦合串联回路为例来分析耦合回路的阻抗特性 在初级回路接入一个角频率为 的正弦电压 初 次级回路中的电流分别以i1和i2表示 并标明了各电流和电压的正方向以及线圈的同名端关系 初 次级回路电压方程可写为 式中Z1为初级回路的自阻抗 即Z1 r1 jX1 Z2为次级回路的自阻抗 即Z2 r2 jX2 解上列方程组可分别求出初级和次级回路电流的表示式 称为次级回路对初级回路的反射阻抗 上两式中 称为初级回路对次级回路的反射阻抗 而为次级开路时 初级电流在次级线圈L2中所感应的电动势 用电压表示为 必须指出 在初级和次级回路中 并不存在实体的反射阻抗 所谓反射阻抗 只不过是用来说明一个回路对另一个相互耦合回路的影响 例如 Zf表示次级电流通过线圈L2时 在初级线圈L1中所引起的互感电压对初级电流的影响 且此电压用一个在其上通过电流的阻抗来代替 这就是反射阻抗的物理意义 将自阻抗Z2和Z1各分解为电阻分量和电抗分量 分别代入上式 得到初级和次级反射阻抗表示式为 考虑到反射阻抗对初 次级回路的影响 最后可以写出初 次级等效电路的总阻抗的表示式 以上分析尽管是以互感耦合路为例 但所得结论具有普遍意义 它对纯电抗耦合系统都是适用的 只要将相应于各电阻的自阻抗和耦合阻抗代入以上各式 即可得到该电路的阻抗特性 由上两式可见 反射阻抗由反射电阻rf与反射电抗Xf所组成 由以上反射电阻和反射电抗的表示式可得出如下几点结论 1 反射电阻永远是正值 这是因为 无论是初级回路反射到次级回路 还是从次级回路反射到初级回路 反射电阻总是代表一定能量的损耗 2 反射电抗的性质与原回路总电抗的性质总是相反的 以Xf为例 当X2呈感性 X2 0 时 则Xf呈容性 Xf0 3 反射电阻和反射电抗的值与耦合阻抗的平方值 M 2成正比 当互感量M 0时 反射阻抗也等于零 这就是单回路的情况 4 当初 次级回路同时调谐到与激励频率谐振 即X1 X2 0 时 反射阻抗为纯阻 其作用相当于在初级回路中增加一电阻分量 且反射电阻与原回路电阻成反比 耦合因子 初次级串联阻抗可分别表示为 耦合阻抗为 转移阻抗的频率特性常取L1 L2 L C1 C2 C Q1 Q2 Q 广义失谐 由图2 12 c 等效电路 转移阻抗为 2 29 由次级感应电势产生 有 考虑次级的反射阻抗 则 将上两式代入式 2 29 再考虑其它关系 经简化得 2 30 根据同样的方法可以得到电容耦合回路的转移阻抗特性为 2 32 2 31 2 33 A 1时称临界耦合 其临界系数k0 1 Q Z21 曲线单峰 2 34 A 时称过耦合 Z21 曲线双峰A 时称欠耦合 Z21 曲线单峰下图为归一化的转移阻抗的频率特性 临界耦合时的特性为 2 35 回路带宽 图2 13耦合回路的频率特性 2 36 矩形系数 临界耦合时 过耦合状态时 凹陷点等于0 707时 2 高频变压器和传输线变压器 1 高频变压器及其特点 变压器是靠磁通交链 或者说是靠互感进行耦合的 1 为了减少损耗 高频变压器常用导磁率 高 高频损耗小的软磁材料作磁芯 2 高频变压器一般用于小信号场合 尺寸小 线圈的匝数较少 图2 14高频变压器的磁芯结构 a 环形磁芯 b 罐形磁芯 c 双孔磁芯 图2 15高频变压器及其等效电路 a 电路符号 b 等效电路 用于窄带电路时 已知f时的电路参数L Ls Cs 能构成电路并进行计算 用于宽带电路时 低频端 L的阻抗小 对负载起分流作用 影响低频响应 高频端 Cs的阻抗起旁路作用 而漏感Ls的阻抗大 起分压作用 要展宽高频范围 应减少变压器的Ls和Cs 但励磁电感L也随匝数减少而迅速变小 这会导致低频响应变差 故采用高磁导率的高频磁芯 2 传输线变压器 传输线变压器就是利用绕制在磁环上的传输线而构成的高频变压器 图2 17为其典型的结构和电路图 图2 17传输线变压器的典型结构和电路 a 结构示意图 b 电路 图2 18传输线变压器的工作方式 a 传输线方式 b 变压器方式 波速与波长为 传输线工作方式的特点 在传输线的任一点上 两导线上流经的电流大小相等 方向相反 RL ZC时 两导线间的电压沿线均匀分布 指振幅 变压器方式 励磁电感较大 其感抗值远大于特性阻抗Zc和负载阻抗 1 2端和3 4端有相同的电压 传输线变压器的宽带性能的好坏与参数及结构尺寸的选择有很大关系 特性阻抗Zc和负载阻抗ZL接近 以实现匹配 图2 19传输线变压器的应用举例 a 高频反相器 b 不平衡 平衡变换器 c 1 4阻抗变换器 d 3分贝耦合器 例 3 石英晶体谐振器1 物理特性 石英晶体谐振器是由天然或人工生成的石英晶体切片制成 利用石英晶体的压电效应和逆压电效应可以将其制成晶体谐振器 图2 22晶体谐振器的等效电路 a 包括泛音在内的等效电路 b 谐振频率附近的等效电路 其中 安装电容C0约 pF F 动态电感Lq约10 3H 102H 动态电容Cq约10 4pF 10 1pF 动态电阻rq约几十欧到几百欧 2 等效电路及阻抗特性 一般的用图示的LC谐振回路来模拟石英晶体的电特性 通常把基频谐振称为基音谐振 把高次谐波上的谐振称为泛音谐振 由图可看出 晶体谐振器是一串并联的振荡回路 串联谐振频率fq为 并联谐振频率f0为 等效电路的阻抗的一般表示式为 在忽略rq后 上式可化简为 图2 23晶体谐振器的电抗曲线 在 q处的电抗变化率 感性 容性 晶体谐振器的特点 晶体的谐振频率fq和f0非常稳定 有非常高的品质因数 接入系数非常小 晶体在工作频率附近阻抗变化率大 有很高的并联谐振阻抗 所以晶体谐振器的频率稳定度比一般振荡回路要高 图2 24晶体滤波器的电路与衰减特性 a 滤波器电路 b 衰减特性 3 晶体谐振器的应用 振荡器高频窄带滤波器 具有高Q 通带极窄 4 集中滤波器 1 陶瓷滤波器 带通滤波器 图2 25陶瓷滤波器电路 工艺 由压电陶瓷制成 但Q值低于石英晶体 约为几百 高于LC谐振电路 优点 体积小 成本低 通带衰耗小和矩形系数小等 缺点 一致性差 频率特性离散性大 通频带不够宽 2 声表面波滤波器 声表面波滤波器结构图依靠基片变形激起表面超声波实现 选频特性 当叉指换能器的几何参数以及发端换能器的距离一定时 它就具有选择某一频率信号输出的能力 特点 可满足多种频率特性 性能稳定 工作频率高 体积小 可靠性高等 总结 5 衰减器与匹配器 1 高频衰减器 图2 28T型和 型网络 图2 29T型电阻网络匹配器 2 高频匹配器 2 2电子噪声 2 2 1概述 所谓干扰 或噪声 就是除有用信号以外的一切不需要的信号及各种电磁骚动的总称 2 2 2电子噪声的来源与特性1 电阻热噪声当温度大于300K时 作随机运动的自由电子 穿越电阻的运动过程 会在电阻两端产生的随机的起伏噪声电压 下图是电阻起伏噪声电压波形的示意图 1 热噪声电压和功率谱密度起伏噪声电压是时间上连续的随机过程 根据概率统计理论 起伏电压的强度可以用其均方值表示 电阻R两端起伏噪声电压的均方值为 总的噪声电压服从的正态分布 其概率密度为 功率谱密度定义是 单位频带内噪声电压 或电流 的均方值 噪声电压的功率谱密度SU 4kTR V2 Hz 噪声电流的功率谱密度SI 4kTG A2 Hz SU常用在串联电路中计算噪声 SI常用在并联电路中计算噪声 电路中电阻热噪声的计算 1 单个电阻的热噪声强度 2 多个电阻的热噪声强度 2 线性电路中的热噪声 图2 32热噪声通过线路电路的模型 热噪声通过线性网络 电路的传输函数 输出端的噪声电压谱密度 输出噪声电压均方值为 图2 33并联回路的热噪声 并联回路的热噪声 2 55 并联回路可以等效为Re jXe 图2 33 c 现在看上述输出噪声谱密度与Re Xe的关系 展开化简后得 与式 2 55 P41 对比 可得 注意 纯电抗不产生热噪声 输出端的均方噪声电压为 结论 对二端线性电路 其噪声电压或噪声电流谱密度SU SI可用等效电阻Re 或Ge 来代替SU 4kTR SI 4kTG中的R G 电阻热噪声通过线性电路后 一般不再是白噪声 3 噪声带宽上图是一线性系统 其电压传输函数为H j 设输入一电阻热噪声 均方电压谱为SUi 4kTR 输出均方电压谱为SUo 则输出均方电压E2n2为 设 H j 的最大值为H0 则可定义一等效噪声带宽Bn 令 则等效噪声带宽Bn为 图2 33的单振荡回路为例 计算其等效噪声带宽 设回路为高Q电路 设谐振频率为f0 由前面分析 再考虑到高Q条件 此回路的 H j 2可近似为 式中 f为相对于f0的频偏 由此可得等效噪声带宽为 2 晶体三极管的噪声1 散弹 粒 噪声 己知并联回路的3dB带宽为B0 7 f0 Q 故 2 分配噪声3 闪烁噪声3 场效应管噪声 沟道电阻产生的热噪声 沟道热噪声通过沟道和栅极电容的耦合作用在栅极上的感应噪声 闪烁噪声 2 2 3噪声系数和噪声温度1 噪声系数的定义图2 35为一线性四端网络 它的噪声系数定义为输入端的信号噪声功率比 S N i与输出端的信号噪声功率比 S N o的比值 即 图2 35噪声系数的定义 图中 KP为电路的功率传输系数 或功率放大倍数 用Na表示线性电路内部附加噪声功率在输出端的输出 考虑到KP o Si 上式可以表示为 噪声系数通常用dB表示 用dB表示的噪声系数为 对噪声系数的说明 1 噪声功率与带宽相联系的 白噪声 噪声功率与带宽B成正比线性系统 由于有频响特性 噪声功率不与带宽B成正比引入等效噪声带宽 噪声系数具有平均意义 2 噪声系数与输入信号大小无关 与输入噪声功率Ni有关 因此在噪声系数的定义中 规定Ni为信号源内阻Rs的最大输出功率 4 噪声系数的定义只适用于线性或准线性电路 3 噪声系数与输出端所接负载的大小 包括开路和短路 无关 因此 2 噪声温度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 Na等效到输入端的附加噪声为Na KP 令增加的温度为Te 即噪声温度 可得 2 2 4噪声系数的计算1 额定功率法 额定功率 又称资用功率或可用功率 是指信号源所能输出的最大功率 它是一个度量信号源容量大小的参数 是信号源的一个属性 它只取决于信号源本身的参数 内阻和电动势 与输入电阻和负载无关 如图 电压源 电流源 根据噪声系数的定义 分子和分母都是同一端点上的功率比 因此将实际功率改为额定功率 并不改变噪声系数的定义 则 因为Nmi kTB Nmo KPmNmi Nmn 所以 额定功率增益KPm是指四端网络的输出额定功率Psmo和输入额定功率Psmi之比 即 Nmi和Nmo分别为输入和输出的噪声额定功率 Nmn为网络内部的最大输出噪声功率 等效到输入端 有 式中 Nmoi Nmo KPm是网络额定输出噪声功率等效到输入端的数值 无源四端网络的噪声系数 图2 37无源四端网络的噪声系数 例 求如图所示虚线内电阻网络的噪声系数 抽头回路的噪声系数 将信号源电导等效到回路两端 为p2GS 等效到回路两端的信号源电