通信电子线路第一章.pptVIP

通信电子线路 参考书籍 1 胡宴如 高频电子线路 高等电路出版社 2 曾兴雯 高频电路原理与分析 西安电子科技大学出版社 3 沈伟慈 高频电路 西安电子科技大学出版社 教师 张松华QQ 835746687教授班级 电子0803 0804 第1章高频电子线路基础 1 1概述1 2无线电波1 3通信系统简介1 4高频电路中的元器件特性 本章要点 本章主要内容有高频电路的基本概念 无线电波段的划分和传播方式 现代通信系统的基本结构 高频电路中的元器件 噪声与干扰等高频电子线路的基础知识 1 1概述 1 通信的基本概念通信 通过第三方 人或设备系统 传输和交换信息的过程 通信是快速 准确地获取和掌握信息的重要方式 通信系统 完成信息传输的系统 现代通信系统 通常都是采用电信号来完成通信传递过程 现代通信实质上就是电子通信 即电通信 简称为通信 2 通信的发展史1 1837年摩尔斯 SamuelMorse 利用电磁感应在一个简单的 由一根金属长线构成的简易收发机之间以点 划和空格形式传递信息的装置 作为第一个电子通信系统 2 1876年贝尔 AlexanderGrahamBell 和华迪生 ThomasAWatson 发明的电话机 这就是以金属导线为传输媒质的简单的有线通信方式 3 1894年马可尼 GuglielmoMarconi 试验无线电通信获得成功 从而开辟了无线电通信的广阔发展道路 4 1904年开始出现真空管电子器件 从而使通信设备有了飞速的发展 相继出现有较高水平的有线通信和长波 中波及短波一类的较高水平的无线电通信 5 20世纪30年代出现半导体器件 从而使通信设备的发展又踏上一个新的里程碑 6 1955年皮尔斯提出了利用人造卫星实现全球通信的设想 1957年前苏联发射第一颗人造地球卫星SputnikI 1960年美国用ATLAS卫星首次实现了卫星广播 从而开辟了卫星通信的新领域 7 20世纪60 70年代又出现了 光纤通信 和 计算机通信 使通信更加快速 内容更加丰富 大规模集成电路的出现和计算机的迅速发展都对通信技术的发展起着极其重要的推动作用 它不仅使通信设备更小型化 而且寿命长 可靠性高 从而又进一步推动个人移动通信和宇宙空间通信的发展 3 通信系统选用高频信号的意义 为了天线易于实现 为了区分不同是电台信号 减少噪声干扰 提高通信质量 低频电路与高频电路的不同 低频电路为集总参数电路 高频电路为分布参数电路低频电路一般为线性电路 高频电路为非线性电路低频电路的分析采用解析方法 高频电路中常采用解析和图解等方法来分析 本教材的内容安排高频电子线路基础 高频谐振放大器 高频谐振功率放大器 正弦波振荡器 振幅调制 解调与混频 角度调制与解调电路 反馈控制电路与频率合成技术 高频电子线路课程设计 1 2无线电波 1 无线电波的概念频率从几十千赫至几万兆赫的电磁波都属于无线电波 在这样宽广的范围内的无线电振荡虽然具有许多共同的特点 但是频率不同时 高频振荡的产生 放大和接收方法等就大不一样 特别是无线电波的传播特点更不相同 2 无线电波段的划分 3 无线电波的传播方式1 直射传播 适用于超短波和微波2 绕射传播 适用于超长波3 电离层的折射和反射传播 适用于中波和短波 a 电波的直射 b 电波的绕射传播 地面波 c 电离层的折射和反射图1 2无线电波的传播方式 1 3通信系统简介 1 通信系统的基本结构从广义上说 凡是在发信者和收信者之间 以任何方式进行消息的传递 都可称之为通信 实现消息传递所需设备的总和 称为通信系统 例如 广播电台是传输声音的系统 电视是传输图像信息与声音信息的系统 计算机通信是传送数据的系统 它们都是通信系统 信息源信息源是指需要传送的原始信息 如语言 音乐 图像 文字等 一般是非电物理量 原始信息经换能器转换成电信号后 送入发送设备 将其变成适合于信道传输的号 然后经过天线送入信道 输入换能器输入换能器主要任务是将发信者提供的非电量消息 如声音 景物等 变换为电信号 发送设备发送设备主要有两大任务 一是调制 二是放大 所谓调制 就是将基带信号变换成适合信道传输特性传输的频带信号 所谓放大 是指对调制信号和已调信号的电压和功率放大 滤波等处理过程 以保证送入信道足够大的已调信号功率 信道信道是连接发 收两端的信号通道 又称传输媒介 通信系统中应用的信道可分为两大类 有线信道 如架空明线 电缆 波导 光纤等 和无线信道 如海水 地球表面 自由空间等 接收设备接收设备的任务是将信道传送过来的已调信号进行处理 以恢复出与发送端相一致的基带信号 这种从已调波中恢复基带信号的处理过程 称为解调 输出换能器输出换能器的作用是将接收设备输出的基带信号变换成原来形式的消息 如声音 景物等 供收信者使用 2 发射机和接收机的组成发射机和接收机是现代通信系统的核心部件 它们是为了使基带信号在信道中有效和可靠地传输而设置的 现以无线广播调幅发射机为例 说明它的组成 如图1 4所示 最简单的接收机叫做直接放大式接收机 直接放大式接收机的方框图如图1 5所示 现在的接收机几乎都采用超外差式的线路 超外差式接收机的方框图如图1 6所示 概括说来 高频电子线路所研究的基本功能电路包括小信号 高频或中频 放大电路 高频功率放大电路 正弦波振荡电路 调制和解调电路 倍频电路 混频电路等 1 4高频电路中的元器件特性 导线 电阻器 电感器和电容器在高频电路中应用时 元件中某一种参数的特性在一定的情况下总是居于主要地位 其他特性处于次要地位 当运用情况改变时 例如工作频率改变 这种主次关系可能发生变化 了解了电路元件的高频特性后 就能够在选择和使用电路元件时 考虑到高频特性 使电路元件在高额信号作用下更稳定地工作 并为正确选择和使用电路元件打下基础 1 导线与电缆1 导线的类型在电子电路中常用的导线有裸铜线 镀银线 单股漆包线 单股塑包线 多股塑包线 单股或多股纱 丝 包线等 裸铜线常用在频率较低的电路中作地线 镀铜线常用在频率为数兆赫兹以上的电路中作地线或绕制电感线圈 单股漆包线常用来绕制电感线圈 多股塑包线大多作电源连接线或电路接线 而单股塑包线用作电路里面点与点之间的短接线 纱 丝 包线则常常用来绕制接收机的中波天线线圈 电感线圈或多层的蜂房式线圈 现在还有一种导线组 在计算机与外设的连接中常使用 电视机天线与主机之间的馈线 常选用双股扁平电缆或同轴电缆 2 导线的高频电阻集肤效应 随着工作频率的增高 流过导线的交流电流会离开导线中心 向导线表面 皮肤 集中的现象 如书图1 7所示 随着工作频率的增高 由于集肤效应 导线的中心部位几乎没有电流流通 这相当于把导线的横截面积减小为导线外圈的圆环面积 导电的有效面积较直流时大大减小 电阻增大 工作频率越高 导线的电阻越大 3 直导线的电感一根直导线的电感取决于它的直径和长度 式中 l为导线长度 cm d为导线直径 cm对于宽度为W cm 厚度为t cm 的矩形截面积的导体 W t 其电感量可由如下求得 2 电阻器电阻一般可分为合成型电阻 薄膜型电阻 线绕型电阻等几大类 1 电阻器的高频等效电路 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1 8所示 其中 Cd为分布电容 Ls为引线电感 R为电阻 其等效电路阻抗Z为 2 根据不同的用途选用电阻器 对于民用和一般用途 选用通用型电阻器 对于一般的要求 可选用合成实芯电阻器和炭膜电阻器 对于精密电子仪器 应选用阻值误差小与质量高的炭膜 金属膜电阻器和精密金属膜电阻器 精密线绕电阻器 对于高频和高速脉冲电路一般用薄膜型电阻器 对于需要大功率电阻的地方 可选用功率型线绕 金属氧化膜和金属玻璃釉电阻器 对于高压电阻器 可选用金属玻璃釉电阻器 3 电容器电容常用作交流信号旁路 耦合 电容器和电感器配合常用做滤波器和调谐电路 1 实际电容的高频等效电路 一个电容器 在高频时的串联和并联等效电路如图1 9所示 其中 r为各种损耗的等效电阻 其等效电路的变换关系为 为电容的品质因数 2 合理选用电容器 电容器的性能主要是制造电容器所使用的介质材料的特性决定的 以介质的不同可分为空气介质电容 纸质电容 云母电容 小型金属化电容 瓷介电容 涤纶电容以及电容量较大或很大的铝电介电容及钽电容 按结构不同 可分为固定电容器和可调整的可变电容器及半可变电容器 3 可变电容器 1 可变电容器的应用常用无线电设备中控制或改变振荡回路 谐振回路的频率 2 可变电容器的分类可分为固体 薄膜 介质可变电容器 空气可变电容器 微调电容器 4 电感器电感为非标称元件 常由设计人员自己设计制作 电感线圈有很多种类 如空心电感线圈 瓷心电感线圈 单层电感线圈 多层乱绕电感线圈和多层蜂房式电感线圈等 1 线圈的损耗 1 线圈的等效电路一个实际线圈的等效电路常用一个电感和一个等效的损耗电阻r相串联的电路来表示 如图1 10 a 或用一个电感和一个等效损耗电阻R相并联的电路来表示 如图1 10 b 未考虑寄生电容的影响 为电容的品质因数 2 线圈的分布电容 电感线圈的分布电容与线圈的结构 工艺有密切关系 为了使分布电容尽可能见减小 在设计 绕制电感线圈时要注意 3 高Q电感线圈要提高电感线圈的Q值 应增加电感的感抗 但线圈的损耗电阻不能太大 常采用如下措施 a 选择最佳的线圈形状b 选择尺寸较大的线圈c 用镀银线绕制线圈d 用绞合线绕制线圈e 线圈中加入瓷芯 2 电感线圈的瓷芯 1 瓷芯的作用a 增大电感 缩小体积b 提高品质因数c 减小固有电容d 增大线圈间的耦合e 便于调整 调谐 2 瓷芯的形状常用的形状有环形 圆柱形 线轴形 罐形 杯形等 a 环形磁芯 b 罐形磁芯 c 双孔磁芯3 电感线圈的微调 5 中频变压器又称中周变压器 简称中周 是超外差接收电路中的重要元件 起选频和耦合作用 抑制上下频带 只容许中间频率的信号通过 在很大程度上决定了整机的灵敏度 选择性和通频带等指标 1 对中频变压器的参数要求 1 调谐频率 即超外差的中频频率 2 选择性 选取中频频率的性能优劣 3 通频带 其宽度应为最高调制频率的两倍 2 中频变压器的种类和结构形式中频变压器有单调谐回路和双调谐回路 其耦合方式可以是电感耦合和电容耦合 调谐方式可以是调感式和调容式 6 高频扼流圈只容许直流和低频电流通过 而对高频电流呈现很大阻抗的元件 称为高频扼流圈 在电子线路中 常用来阻止高频电流通过 从而使高频和低频或直流电流分路 1 5电噪声 1概述 人们收听广播时 常常会听到 沙沙 声 观看电视时 常常会看到 雪花 似的背景或波纹线 这些都是接收机中的放大器和其它元器件存在噪声的结果 噪声对有用信号的接收产生了干扰 特别是当有用信号较弱时 噪声的影响就更为突出 严重时会使有用信号淹没在噪声之中而无法接收 噪声的种类很多 有的是从器件外部窜扰进来的 称为外部噪声 有的是器件内部产生的 称为内部噪声 本书只介绍内部噪声 内部噪声源主要有电阻热噪声 晶体管噪声和场效应管噪声三种 2常用电路元器件的噪声1 电阻热噪声电阻热噪声是由于电阻内部自由电子的热运动产生的 在运动中自由电子经常相互碰撞 因而其运动速度的大小和方向都是不规则的 温度越高 运动越剧烈 只有当温度下降到绝对零度时 运动才会停止 自由电子这种热运动在导体内形成非常微弱的电流 这种电流呈杂乱起伏的状态 称为起伏噪声电流 起伏噪声电流流过电阻本身就会在其两端产生起伏噪声电压 由于起伏噪声电压的变化是不规则的 其瞬时振幅和瞬时相位是随机的 所以无法计算其瞬时值 起伏噪声电压的平均值为零 噪声电压正是不规则地偏离此平均值而起伏变化 电阻热噪声电压波形 但是 起伏噪声的均方值是确定的 可以用功率计测量出来 实验发现 在整个无线电频段内 当温度一定时 单位电阻上所消耗的平均功率在单位频带内几乎是一个常数 即其功率频谱密度是一个常数 对照白光内包含了所有可见光波长这一现象 人们把这种在整个无线电频段内具有均匀频谱的起伏噪声称为白噪声 阻值为 的电阻产生的噪声电流功率频谱密度和噪声电压功率频谱密度分别为 k 1 38 10 23J K 其中k是波尔兹曼常数 是电阻温度 以绝对温度 计量 在频带宽度为 内产生的热噪声均方值电流和均方值电压分别为 I2n SI f BWU2n SU f BW 所以 一个实际电阻可以分别用噪声电流源和噪声电压源表示 如图所示 理想电抗元件是不会产生噪声的 但实际电抗元件是有损耗电阻的 这些损耗电阻会产生噪声 对于实际电感的损耗电阻一般不能忽略 而对于实际电容的损耗电阻一般可以忽略 例试计算 k 电阻的噪声均方值电压和均方值电流各是多少 设 K k 解 U2n 4k T R BW 4 1 38 10 23 290 510 103 105 8 16 10 10 2 I2n 4k T BW R 4 1 38 10 23 290 105 510 103 3 14 10 21 2 2 晶体管噪声 晶体管噪声主要包括以下四部分 热噪声 构成晶体管的发射区 基区 集电区的体电阻和引线电阻均会产生热噪声 其中以基区体电阻rbb 的影响为主 散弹噪声 散弹噪声是晶体管的主要噪声源 它是由单位时间内通过 结的载流子数目随机起伏而造成的 人们将这种现象比拟为靶场上大量射击时弹着点对靶中心的偏离 故称为散弹噪声 在本质上它与电阻热噪声类似 属于均匀频谱的白噪声 其电流功率频谱密度为 I 0 其中 0是通过 结的平均电流值 是每个载流子所载的电荷量 19库仑 注意 在 0 时 散弹噪声为零 但是只要不是绝对零度 热噪声总是存在 这是二者的区别 分配噪声 在晶体管中 通过发射结的非平衡载流子大部分到达集电结 形成集电极电流 而小部分在基区内复合 形成基极电流 这两部分电流的分配比例是随机的 从而造成集电极电流在静态值上下起伏变化 产生噪声 这就是分配噪声 分配噪声实际上也是一种散弹噪声 但它的功率频谱密度是随频率变化的 频率越高 噪声越大 其功率频谱密度也可近似按 2 中公式计算 闪烁噪声 产生这种噪声的机理目前还不甚明了 一般认为是由于晶体管表面清洁处理不好或有缺陷造成的 其特点是频谱集中在约 k 以下的低频范围 且功率频谱密度随频率降低而增大 在高频工作时 可以忽略闪烁噪声 3 场效应管噪声 场效应管是依靠多子在沟道中的漂移运动而工作的 沟道中多子的不规则热运动会在场效应管的漏极电流中产生类似电阻的热噪声 称为沟道热噪声 这是场效应管的主要噪声源 其次便是栅极漏电流产生的散弹噪声 场效应管的闪烁噪声在高频时同样可以忽略 沟道热噪声和栅极漏电流散弹噪声的电流功率频谱密度分别是 SI f 4kTSI f 2qIg 其中 m是场效应管跨导 g是栅极漏电流 常见的场效应管噪声有如下 1 沟道热噪声 2 栅极感应噪声 3 栅极散弹噪声 4 天线噪声 3 噪声系数和噪声温度1 噪声系数的定义下图为一线性四端网络 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 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 2 噪声系数与灵敏度 噪声系数是用来衡量部件 如放大器 和系统 如接收机 噪声性能的 灵敏度就是保持接收机输出端信噪比一定时 接收机输入的最小信号电压或功率 设接收机有足够的增益 4降低噪声系数的措施 提高信噪比可以从两方面入手 一是提高信号强度 二是降低噪声 1 降低器件本身噪声的方法分析表明 适当选择晶体管的工作点 噪声系数将达到其最小值 因为器件的工作点变化时 输入噪声变化不大 故选择工作点使噪声系数最小时 可近似地认为输出信噪比也比较大 应该指出 当工作点降低时 器件的放大倍数下降 有可能使噪声系数减小 信噪比却得不到应有的提高 在讲述稳压二极管时曾指出 雪崩型稳压二极管有较大的噪声 因此在低噪声放大器中采用稳压二极管作为电源使用时 最好采用齐纳二极管 如果在稳压管两端并联一个大容量的电容 使噪声分流一部分进入电容 可进一步减小噪声 2 选用合适电路或设计特种电路 1 选用合适的放大电路可以证明 三种组态连接的噪声系数好差别不大 特别是低频时的差别更小 具体选择时 应该由其他因素确定 例如共射组态有较大的增益 可以减小后级噪声的影响 共集组态有较高的输入阻抗 共集和共基有较好的频率响应 2 负反馈电路的采用问题我们知道 负反馈不能改善来自第一