第二章 高频电路基础

1、(1-1)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院高频电路原理与分析高频电路原理与分析（第四版）西安电子科技大学出版社 曾兴文刘乃安陈健编曾兴文刘乃安陈健编主讲:李建新 教授(1-2)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院第第2章高频电路基础章高频电路基础 各种无线电设备主要是由一些处理高频信号的功能电各种无线电设备主要是由一些处理高频信号的功能电路组成。每一种功能电路又都是由各种各样的无源元件路组成。每一种功能电路又都是由各种各样的无源元件或有源元件组成，它们是构成高频电路的基础，因

2、此本或有源元件组成，它们是构成高频电路的基础，因此本章介绍高频电路中常用的元件和组件。章介绍高频电路中常用的元件和组件。 另外，在高频电子电路中各种噪声干扰是影响高频另外，在高频电子电路中各种噪声干扰是影响高频电路性能的主要因素，了解电子噪声的概念对理解高频电路性能的主要因素，了解电子噪声的概念对理解高频电路和系统的性能非常有用。所以，本章还将简单介绍电路和系统的性能非常有用。所以，本章还将简单介绍有关噪声的概念和基本特性及计算方法。有关噪声的概念和基本特性及计算方法。(1-3)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院主要内容主要内容 2.

3、1高频电路中的元件器件高频电路中的元件器件 2.2 高频电路中的组件高频电路中的组件 2.3 阻抗变换与阻抗匹配阻抗变换与阻抗匹配 2.4电子噪声电子噪声(1-4)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院2 . 1 高频电路中的元件器件高频电路中的元件器件 2.1.1高频电路中的元件高频电路中的元件 1 电阻器电阻器 高频等效电路高频等效电路(1-5)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 CR和和LR越小，高频性能越好。越小，高频性能越好。 高频特性与材料、封装形式和尺寸大小高频特性

4、与材料、封装形式和尺寸大小有关。有关。 金属膜电阻优于碳膜电阻；碳膜电阻优于金属膜电阻优于碳膜电阻；碳膜电阻优于线绕电阻；表面贴装（线绕电阻；表面贴装（SMD）电阻优于引电阻优于引线电阻；小尺寸电阻优于大尺寸电阻。线电阻；小尺寸电阻优于大尺寸电阻。 频率越高，电阻的高频特性越明显。频率越高，电阻的高频特性越明显。(1-6)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 2 电容器电容器 高频等效电路高频等效电路 阻抗特性阻抗特性(1-7)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 SRF称为自身

5、谐振频率。称为自身谐振频率。 容性容性 感性感性 3 电感器电感器 高频等效电路高频等效电路 阻抗特性阻抗特性SRFSRF(1-8)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 SRF称为自身谐振频率。称为自身谐振频率。 感性感性 容性容性 2.1.2 高频电路中的有源器件高频电路中的有源器件 （1）二极管）二极管 主要用于检波、调制、解调及混频等非线性电主要用于检波、调制、解调及混频等非线性电路，工作于低电平状态。常用以下两种二极管，路，工作于低电平状态。常用以下两种二极管，其结电容小，工作频率高其结电容小，工作频率高 点接触型二极管点接触型

6、二极管 100200MHZ（2AP系列）系列） 表面势垒二极管表面势垒二极管 微波段微波段 变容二极管变容二极管调频变容二极管变容二极管调频SRFSRF(1-9)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 在振荡回路中，作为电调谐器或自动调谐电路。在振荡回路中，作为电调谐器或自动调谐电路。 用于振荡器中，通过改变电压来改变振荡信号用于振荡器中，通过改变电压来改变振荡信号的频率，即压控振荡器。的频率，即压控振荡器。 PNI二极管（隧道二极管），其高频等效电阻二极管（隧道二极管），其高频等效电阻受正向直流电流的控制，可作为可调电阻。用于受正向直流

7、电流的控制，可作为可调电阻。用于电控开关、限幅器、电调衰减器或电调移相器。电控开关、限幅器、电调衰减器或电调移相器。 （2）晶体管（）晶体管（BJT）与场效应管与场效应管(FET) 高频小功率管，主要用于小信号放大，要求高高频小功率管，主要用于小信号放大，要求高增益和低噪声。增益和低噪声。(1-10)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 高频功放管，除增益外，还要求在高频时有高频功放管，除增益外，还要求在高频时有较大的输出功率。较大的输出功率。 BJT工作频率可达几千兆赫，噪声系数只有工作频率可达几千兆赫，噪声系数只有几分贝，而小信号几

8、分贝，而小信号FET在同样的工作频率下，在同样的工作频率下，噪声系数更低；在输出功率方面，在几百兆赫噪声系数更低；在输出功率方面，在几百兆赫以下频率，以下频率， BJT可达几十瓦至上百瓦，而可达几十瓦至上百瓦，而FET在几千兆赫频率以上还能输出几瓦功率。在几千兆赫频率以上还能输出几瓦功率。 （3）集成电路）集成电路 通用型宽带集成放大器，通用型宽带集成放大器，100200MHZ，增增益益5060dB。 专用集成电路（专用集成电路（ASIC），），包括集成锁相环、包括集成锁相环、集成调频信号解调器、单片集成接收机以及电集成调频信号解调器、单片集成接收机以及电视机中的专用集成电路等。视机中的专用集

9、成电路等。返回返回(1-11)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院2.2 高频电路中的组件高频电路中的组件 2.2.1 高频振荡回路高频振荡回路 1. 简单振荡回路简单振荡回路 电感与电容组成的串并联电路。电感与电容组成的串并联电路。 （1）串联谐振回路）串联谐振回路 阻抗阻抗)1(1CLjrCjLjrZS(1-12)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 阻抗特性曲线阻抗特性曲线 串联谐振频率串联谐振频率LC10(1-13)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与

10、分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 谐振电流谐振电流 任意频率下回路电流与谐振电流之比任意频率下回路电流与谐振电流之比 其中：其中： 称为品质因数称为品质因数rUI0)(11111000jQrCLjZrIISCrrLQ001(1-14)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 因因 引入广义失谐引入广义失谐 则则 谐振曲线为谐振曲线为 00000220022ffQQ2011II(1-15)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 令令 得通频带得通频带 （2）并联谐振回路）并联谐振回

11、路 210IIQffB07 . 02(1-16)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 阻抗阻抗 阻抗特性曲线（见图阻抗特性曲线（见图c） 并联谐振频率并联谐振频率CjLjrCjLjrZP11)(20111QLC(1-17)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 其中其中 当当 谐振电阻谐振电阻 当回路谐振时，阻抗最大且为一纯电阻当回路谐振时，阻抗最大且为一纯电阻R0 用谐振电阻表示的阻抗用谐振电阻表示的阻抗CrrLQ0011QLC10CQLQCrLR000(1-18)第二章第二章

12、高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院jRQjRjQCrLZP121)(100000201RZP2011RZP(1-19)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院2. 抽头并联振荡回路（部分接入）抽头并联振荡回路（部分接入）（1）几种常用的抽头并联振荡回路）几种常用的抽头并联振荡回路(1-20)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 （2）接入系数）接入系数p 与外电路相连的那部分电抗与本回路参与分压与外电路相连的那部分电抗与本回路参与分压的同

13、性质总电抗之比。的同性质总电抗之比。 （3）电阻、电压、电流的部分接入关系）电阻、电压、电流的部分接入关系 （4）采用部分接入后，回路电流）采用部分接入后，回路电流IL和和IC与与I的的比值要减小，即比值要减小，即TUUp 20pRR pUUTpIIT0RQULUITTLRUI (1-21)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 两式相比得两式相比得 即即 （5）用元件参数表示的接入系数）用元件参数表示的接入系数 电感部分接入电感部分接入 无互感无互感 有互感有互感pQQppQRRUUIITL201pQIILLLp1LMLp1(1-22)

14、第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 电容部分接入（如图电容部分接入（如图29e） 3. 耦合振荡回路（双调谐回路）耦合振荡回路（双调谐回路） （1）类型）类型 互感耦合回路互感耦合回路 电容耦合回路电容耦合回路2112121211CCCCCCCCUUpT(1-23)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院(1-24)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 （2）在高频电路中的作用）在高频电路中的作用 进行阻抗变换，实现高频信号

15、的传输进行阻抗变换，实现高频信号的传输 形成比简单振荡回路更好的频率特性形成比简单振荡回路更好的频率特性 （3）条件）条件 两个回路都调谐于信号频率两个回路都调谐于信号频率 两个回路都为高两个回路都为高Q电路电路(1-25)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 （4）分析（以互感耦合电路为例）分析（以互感耦合电路为例） 设互感系数为设互感系数为M，初、次级线圈电感分别为初、次级线圈电感分别为L1、L2。 为了反映两回路的相对耦合程度，引入耦合系数为了反映两回路的相对耦合程度，引入耦合系数 根据电路理论，根据电路理论，21212LLMLL

16、Mk12IMjE212ZIMjI122221IZMIMjE(1-26)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 引入反映阻抗引入反映阻抗 其中其中Z2是次级回路的串联阻抗。是次级回路的串联阻抗。 当次级回路谐振时，反映阻抗当次级回路谐振时，反映阻抗Zf为一纯电阻为一纯电阻rf，使初级使初级并联谐振电阻下降；并联谐振电阻下降； 当次级回路失谐时，当次级回路失谐时， Zf为一随频率变化的感性阻抗为一随频率变化的感性阻抗（0 ） 或容性阻抗（或容性阻抗（ 0）；）； 反映阻抗反映阻抗 Zf的变化会影响初级并联阻抗的变化会影响初级并联阻抗Z1和初级

17、和初级的转移阻抗的转移阻抗Z21的频率特性发生变化。的频率特性发生变化。 设两回路参数完全相同，即设两回路参数完全相同，即22211ZMIEZfLLL21CCC21QQQ21(1-27)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 再引入两个参数：再引入两个参数： 广义失谐广义失谐 耦合因子耦合因子 初次级串联阻抗可分别表示为初次级串联阻抗可分别表示为 耦合阻抗为耦合阻抗为 由图由图212（c）等效电路，转移阻抗为等效电路，转移阻抗为00002)(QrLkQA )1 ()1 (2211jrZjrZMjZm122121122122111EICCE

18、CjICjIUZ(1-28)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 I2由次级感应电动势由次级感应电动势I1Zm产生，即产生，即 考虑次级的反映阻抗，则考虑次级的反映阻抗，则 将将I2和和E1代入转移阻抗并化简得代入转移阻抗并化简得212ZZIIm)()(2211111ZZZIZZIEmfjAACQjZ2122021(1-29)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 归一化转移阻抗为归一化转移阻抗为 经分析得经分析得 A1时，时，Z21有两个极大值，在有两个极大值，在0处出现处出现凹

19、点凹点 其频率特性曲线为其频率特性曲线为2222max21214)1 (2AAZZ(1-30)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院|Z21|max|Z21|10.707k k0k k0k k0ff1faf0fbf20 图图 2 13 耦合回路的频率特性耦合回路的频率特性 (1-31)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 A=1称为临界耦合，耦合系数称为临界耦合，耦合系数k0=1/Q称为临界耦合系数；称为临界耦合系数； A1或或kk0称为过耦合；称为过耦合； A1或或kk0称为欠耦

20、合；称为欠耦合； 由图可见由图可见 kk0的过耦合状态时，可以得到更大的带宽，的过耦合状态时，可以得到更大的带宽，但凹陷点的值不能小于但凹陷点的值不能小于0.707，理论分析可以得出，理论分析可以得出最大凹陷点为最大凹陷点为0.707时的耦合因子及带宽分别为时的耦合因子及带宽分别为(1-35)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 2. 2. 2 石英晶体谐振器石英晶体谐振器 1. 物理特性物理特性 （1）形状：六角锥体、三个对称轴即）形状：六角锥体、三个对称轴即Z轴（光轴）、轴（光轴）、X轴（电轴）、轴（电轴）、 Y轴（机械轴），可形成

21、多种切片轴（机械轴），可形成多种切片（FT、DT、BT、AT、CT、ET、GT），），在晶片两侧在晶片两侧制作好金属电极并与底座的插脚相连，最后用金属或制作好金属电极并与底座的插脚相连，最后用金属或玻璃外壳封装，形成石英晶体谐振器。玻璃外壳封装，形成石英晶体谐振器。 如图如图220和图和图221(1-36)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院(1-37)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院(1-38)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信

22、息学院信息学院 （2） 特性：特性： 压电效应当晶体受外力作用而形变（如伸缩、切压电效应当晶体受外力作用而形变（如伸缩、切变、扭曲等）时，就在它对应的表面上产生正、负电变、扭曲等）时，就在它对应的表面上产生正、负电荷，呈现出电压。荷，呈现出电压。 反压电效应当在晶体两端面加电压时，晶体又会反压电效应当在晶体两端面加电压时，晶体又会产生机械形变。若电压为交变电压，则晶体就会发生产生机械形变。若电压为交变电压，则晶体就会发生周期性的振动（且具有一固有谐振频率），同时会有周期性的振动（且具有一固有谐振频率），同时会有电流流过晶体。电流流过晶体。 机械共振与电谐振当外加电信号频率在晶体固有机械共振与电

23、谐振当外加电信号频率在晶体固有谐振频率附近时，就会发生谐振现象。它既表现为晶谐振频率附近时，就会发生谐振现象。它既表现为晶片的机械共振，又在电路上表现为电谐振。晶片的片的机械共振，又在电路上表现为电谐振。晶片的谐谐振频率振频率与晶片的材料、几何形状、尺寸及振动方式与晶片的材料、几何形状、尺寸及振动方式（取决于切片方式）有关，而且十分稳定；其（取决于切片方式）有关，而且十分稳定；其温度系温度系数数（温度变化（温度变化1时所引起的固有谐振频率相对变化量）时所引起的固有谐振频率相对变化量）均在均在106以上数量级，温度系数只与振动方式有关。以上数量级，温度系数只与振动方式有关。(1-39)第二章第二

24、章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 GT和和AT型切片，其温度系数在很宽范围内都趋于型切片，其温度系数在很宽范围内都趋于零；而其它型切片只在某一特定温度附近小范围内才零；而其它型切片只在某一特定温度附近小范围内才趋于零，通常将这个特定的温度称为趋于零，通常将这个特定的温度称为拐点温度拐点温度。 高频晶体切片，其谐振时的电波长高频晶体切片，其谐振时的电波长0与晶片厚度成与晶片厚度成正比，谐振频率与厚度成反比。正比，谐振频率与厚度成反比。 对于一定形状和尺寸的某一晶体，它既可在某一特对于一定形状和尺寸的某一晶体，它既可在某一特定基频上谐振，也可在高

25、次谐波（谐频或泛音）上谐定基频上谐振，也可在高次谐波（谐频或泛音）上谐振。通常把利用晶片基频（音）共振的谐振器称为基振。通常把利用晶片基频（音）共振的谐振器称为基频（音）谐振器，单位为频（音）谐振器，单位为kHZ（最高最高25MHZ）；）；把利把利用晶片谐频共振的谐振器称为泛音谐振器，单位为用晶片谐频共振的谐振器称为泛音谐振器，单位为MHZ(最高最高250MHZ)，通常能利用的是通常能利用的是3、5、7之类的之类的奇次泛音。奇次泛音。(1-40)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 2. 等效电路及阻抗特性等效电路及阻抗特性 C0称为晶

26、体的静态电容（几几十称为晶体的静态电容（几几十PF）；）；Lq、Cq、rq 是对是对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数，其中应于机械共振经压电转换而呈现的电参数，其中rq 是机械是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗。摩擦和空气阻尼引起的损耗。q1q3q5C0LqCqrqC0(a)(b)(1-41)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 由等效电路得石英晶体的阻抗表达式为由等效电路得石英晶体的阻抗表达式为 分别令分子和分母为零得串联谐振频率和并联谐分别令分子和分母为零得串联谐振频率和并联谐振频率振频率(忽略忽略rq)001)1()1(1CjCL

27、jrCLjrCjZqqqqqqe0000011212121CCfCCCLCCCCLfCLfqqqqqqqqqqq(1-42)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 由于由于C0Cq，f0与与fq相差很小，根据数学公式将其展开得相差很小，根据数学公式将其展开得 由此可求得相对频率间隔为由此可求得相对频率间隔为 因因Cq/C0=0.0020.003，故相对频率间隔仅有千分之一、二故相对频率间隔仅有千分之一、二左右。左右。 晶体振荡器与一般振荡回路比较所具有的特点：晶体振荡器与一般振荡回路比较所具有的特点： （1）晶体的谐振频率）晶体的谐振频率

28、fq 与与f0非常稳定。因非常稳定。因Lq、Cq 、C0仅由晶仅由晶体尺寸决定。体尺寸决定。)211 (00CCffqq0021CCfffqqq(1-43)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 （2）晶体振荡器有非常高的品质因数，如国产）晶体振荡器有非常高的品质因数，如国产B45型型1MHZ石英晶体，其品质因数为石英晶体，其品质因数为125000250000；而普通；而普通振动回路振动回路Q值只能做到一二百。值只能做到一二百。 （3）晶体振荡器的接入系数）晶体振荡器的接入系数p=Cq/（C0+Cq） Cq/C0 非非常小常小(0.002

29、0.003)，故晶体振荡器与外电路的耦合必然，故晶体振荡器与外电路的耦合必然很弱，即外电路（或负载）对晶体振荡器影响很小。当很弱，即外电路（或负载）对晶体振荡器影响很小。当晶体接有负载电容晶体接有负载电容CL时，接入系数时，接入系数p=Cq/（C0+ CL）将更将更小，小，f0将减小。将减小。CL越大，越大， f0越接近越接近fq。 （4）晶体在工作频率附近，其阻抗变化率很大。）晶体在工作频率附近，其阻抗变化率很大。 在阻抗表达式中忽略在阻抗表达式中忽略rq后，化简得后，化简得220220111qeeCjjXZ(1-44)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理

30、与分析信息学院信息学院Xe0q0图图 2 23 晶体谐振器的电抗曲线晶体谐振器的电抗曲线 (1-45)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 由图可知，当由图可知，当 0时，晶体谐振器呈容性；时，晶体谐振器呈容性；当当 q 0 时，晶体谐振器等效为一电感，且为数时，晶体谐振器等效为一电感，且为数值巨大的非线性电感。值巨大的非线性电感。 因因 由于由于Lq很大，即在很大，即在q 处电抗变化率很大。处电抗变化率很大。 3. 晶体谐振器的应用晶体谐振器的应用 （1）晶体谐振器主要应用于晶体振荡器中，包括串联）晶体谐振器主要应用于晶体振荡器中，包

31、括串联型振荡器和并联型振荡器，可获得频率稳定度很高的型振荡器和并联型振荡器，可获得频率稳定度很高的振动信号（见第振动信号（见第4章）。章）。 （2）晶体谐振器应用于高频窄带滤波器中。）晶体谐振器应用于高频窄带滤波器中。qqqeLCLddddX2)1(0(1-46)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院(1-47)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 根据四端网络理论，当晶体阻抗根据四端网络理论，当晶体阻抗Z1与与Z2异号异号时，滤波器时，滤波器处于处于通带通带；晶体阻抗；晶体阻抗Z

32、1与与Z2同号同号时，滤波器处于阻带。时，滤波器处于阻带。由晶体电抗特性可知，滤波器在由晶体电抗特性可知，滤波器在fqff0为通带，为通带， f f0为为阻带阻带。 另外，当另外，当Z1Z2时，电桥完全平衡，衰减最大；由于晶时，电桥完全平衡，衰减最大；由于晶体与电路中存在损耗，负载与滤波器不可能完全匹配，体与电路中存在损耗，负载与滤波器不可能完全匹配，所以晶体滤波器的通带衰减并不为零。所以晶体滤波器的通带衰减并不为零。返回返回(1-48)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 阻抗匹配是功放的级与级之间或功放与负载之间起信号阻抗匹配是功放

33、的级与级之间或功放与负载之间起信号耦合作用的电路。其作用：耦合作用的电路。其作用：（2）滤波作用；）滤波作用；（1）实现阻抗变换作用；）实现阻抗变换作用；（3）适应波段工作要求，改变工作频率时调谐要方便，并）适应波段工作要求，改变工作频率时调谐要方便，并能在波段内保持较好的匹配和较好的效率。能在波段内保持较好的匹配和较好的效率。2 . 3 阻抗变换与阻抗匹配阻抗变换与阻抗匹配(1-49)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院2.3.1 振荡回路的阻抗变换振荡回路的阻抗变换（1） 不仅可实现窄带阻抗变换，而且还可以减小信号不仅可实现窄带阻抗

34、变换，而且还可以减小信号源或负载对谐振回路的影响。源或负载对谐振回路的影响。（2） 若信号源或负载包含电抗时，此法仍然使用。若信号源或负载包含电抗时，此法仍然使用。（3） 若并联振荡回路不满足若并联振荡回路不满足Q1，此法失效。，此法失效。对抽头并联振荡回路：对抽头并联振荡回路：(1-50)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院对耦合振荡回路（双调谐回路）：对耦合振荡回路（双调谐回路）： 调节调节M，可改变耦合阻抗和耦合系数，因此调节互感，可改变耦合阻抗和耦合系数，因此调节互感系数就可实现阻抗变换。系数就可实现阻抗变换。(1-51)第二章

35、第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院2.3.2 LC网络的阻抗变换网络的阻抗变换R2R1(a)(b)(c)图图 3 27几种常见的几种常见的LC匹配匹配(a) L型型; (b) T型型; (c) 型型常用的输出匹配网络主要有常用的输出匹配网络主要有LC匹配网络和耦合网络。匹配网络和耦合网络。(1-52)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院1. 串并联阻抗变换公式串并联阻抗变换公式ppppspsXRQXXQQXRQR222111XsXpRpXsXpRsXpXpRp(a)(b)XsXsRs

36、(1-53)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院sssspspRXQXXQQXRQR2221)1 (XsXpRpXsXpRsXpXpRp(a)(b)XsXsRs(1-54)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 （1）L型匹配网络按负载电阻与网络电抗的连接关系，可型匹配网络按负载电阻与网络电抗的连接关系，可分为分为L型（负载电阻与网络电抗并联）和型（负载电阻与网络电抗并联）和L型（负型（负载电阻与网络电抗串联）载电阻与网络电抗串联）XsXpRpXsXpRsXpXpRp(a)(b)X

37、sXsRs 图图 3 28 L型匹配网络型匹配网络 (a) L-I型网络型网络; (b) L-型网络型网络2. L型网络阻抗变换型网络阻抗变换(1-55)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院ppppsLpsXRQXXQQXRRQR22cr2111对对L型：型：结论结论： 在负载电阻在负载电阻Rp大于高频功放要求的最佳负载阻抗大于高频功放要求的最佳负载阻抗RLcr时，时，采用采用L型网络，通过调整型网络，通过调整Q值，可以将大的值，可以将大的Rp变为小的变为小的Rs以获得阻抗匹配（以获得阻抗匹配（ Rs RLcr ）。谐振时，应有）。谐振

38、时，应有Xs+ Xs=0。所以，所以， L型匹配网络又称为型匹配网络又称为高阻变低阻高阻变低阻网络。网络。(1-56)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院对对L型：型：11seLLRRRRQ)(sseLeeRRRQRXXeLeLLRRRRQRXp(1-57)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院sssspLspRXQXXQQXRRQR22cr21)1 (对对L型：型：结论结论： 在负载电阻在负载电阻Rp小于高频功放要求的最佳负载阻抗小于高频功放要求的最佳负载阻抗RLcr时，时，采用

39、采用L型网络，通过调整型网络，通过调整Q值，可以将小的值，可以将小的Rs变为大的变为大的Rp以获得阻抗匹配（以获得阻抗匹配（ Rp RLcr ）。谐振时，应有）。谐振时，应有Xp+ Xp=0。所以，所以， L型匹配网络又称为型匹配网络又称为低阻变高阻低阻变高阻网络。网络。(1-58)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院对对L型：型：11pLeLRRRRQ)(sLeLLRRRQRXLeLeeRRRRQRXXpp(1-59)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 （2）T型网络或型网络

40、或型网络型网络(1-60)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院212221QQRR阻抗变换作用为阻抗变换作用为关于关于T型网络或型网络或型网络的阻抗变换关系的详细推导可型网络的阻抗变换关系的详细推导可参考高频电子线路阳昌汉、杨翠娥编参考高频电子线路阳昌汉、杨翠娥编P60-61电子电路与系统高频电路谢沅清编电子电路与系统高频电路谢沅清编P83(1-61)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院2.3.3 变压器阻抗变换变压器阻抗变换LLRNNR221)(2.3.4 电阻网络阻抗变换电阻

41、网络阻抗变换 电阻网络阻抗变换器是一种有损耗的宽带阻抗变换器。电阻网络阻抗变换器是一种有损耗的宽带阻抗变换器。称为高频电阻匹配器（称为高频电阻匹配器（T型电阻衰减网络）。型电阻衰减网络）。(1-62)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院匹配器的最小衰减量：匹配器的最小衰减量：1) 1(22212121minZZZZZZL匹配器的电阻值：匹配器的电阻值：12) 1(minmin21min11LLZZLZR12) 1(minmin21min22LLZZLZR12minmin213LLZZR返回返回(1-63)第二章第二章 高频电路基础高频电

42、路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院2 . 4 电子噪声电子噪声 2.4.1 概述概述 在电子测量系统中，放大电路对微弱信号的在电子测量系统中，放大电路对微弱信号的放大要受到内部噪声的限制。由于放大电路具有放大要受到内部噪声的限制。由于放大电路具有内部噪声，当外来信号通过放大电路放大输出的内部噪声，当外来信号通过放大电路放大输出的同时，也有内部噪声输出。若外来信号小到一定同时，也有内部噪声输出。若外来信号小到一定值时，放大器输出信号和噪声大小相差不多，以值时，放大器输出信号和噪声大小相差不多，以致在放大器的输出端难以分辨。致在放大器的输出端难以分辨。(1-64)第二章

43、第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 1. 噪声（干扰）定义噪声（干扰）定义 所谓噪声（干扰）就是除有用信号以外的一切不需所谓噪声（干扰）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。要的信号及各种电磁骚动的总称。 它是在放大电路或电子设备的输出端与有用信号它是在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电流或电压，在没有有用同时存在的一种随机变化的电流或电压，在没有有用信号时，它也存在。信号时，它也存在。 噪声和干扰是两个同义术语，没有本质的区别。噪声和干扰是两个同义术语，没有本质的区别。习惯上，将外部来的称为

44、干扰，内部产生的称为噪声。习惯上，将外部来的称为干扰，内部产生的称为噪声。(1-65)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 2. 噪声类型噪声类型 按噪声发生地点分：外部噪声（干扰）和内部噪声（干扰）按噪声发生地点分：外部噪声（干扰）和内部噪声（干扰） 按产生噪声的根源分：自然干扰和人为干扰按产生噪声的根源分：自然干扰和人为干扰 按电特性分：脉冲型、正弦型、起伏型按电特性分：脉冲型、正弦型、起伏型 3. 抑制外部干扰的措施抑制外部干扰的措施 消除干扰源、切断干扰传播途径（屏蔽）、躲避干扰消除干扰源、切断干扰传播途径（屏蔽）、躲避干扰 2

45、.4.2 电子噪声的来源与特性电子噪声的来源与特性 在电子线路中，噪声来源主要有两方面：电阻热噪声和在电子线路中，噪声来源主要有两方面：电阻热噪声和半导体管噪声（晶体管噪声）半导体管噪声（晶体管噪声）(1-66)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院1. 电阻热噪声电阻热噪声一个电阻在没有外加电压时，电阻材料的自由电子要作一个电阻在没有外加电压时，电阻材料的自由电子要作无规则的运动、发生碰撞、复合和产生二次电子现象。对无规则的运动、发生碰撞、复合和产生二次电子现象。对一个电子，其一次运动过程，就会在电阻两端产生很小的一个电子，其一次运动过

46、程，就会在电阻两端产生很小的电压，电压的正负由电子的运动方向决定。大量的热运动电压，电压的正负由电子的运动方向决定。大量的热运动电子就会在电阻两端产生起伏电压。电子就会在电阻两端产生起伏电压。(1-67)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 就一段时间看，出现正负电压的概率相同，因而两端的就一段时间看，出现正负电压的概率相同，因而两端的平均电压为零。平均电压为零。01lim( )0TnnTuu t dtT 但就某一瞬时来看，电阻两端电压的大小和方向是随但就某一瞬时来看，电阻两端电压的大小和方向是随机变化的。机变化的。这种因热运动而产生的

47、起伏电压就称为电阻的这种因热运动而产生的起伏电压就称为电阻的热噪声热噪声。 噪声电压是随机变化的，无法确切地写出它的数学噪声电压是随机变化的，无法确切地写出它的数学表达式。大量的实践和理论分析已经找出了它们的规律表达式。大量的实践和理论分析已经找出了它们的规律性，可以用性，可以用噪声电压均方值噪声电压均方值和和功率谱密度功率谱密度来描述。来描述。(1-68)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院（1）热噪声电压和功率谱密度）热噪声电压和功率谱密度表达式表达式当温度为当温度为T（K）时，时， 阻值为阻值为R的电阻两端噪声电压的均方值的电阻两

48、端噪声电压的均方值为为 该式称为该式称为奈奎斯特公式奈奎斯特公式。式中，。式中，k=1.3710-23J/K为波尔为波尔茨曼常数；茨曼常数；B为测量此电压时的带宽；为测量此电压时的带宽；T为绝对温度，为绝对温度，En表表示起伏噪声电压交流分量的示起伏噪声电压交流分量的有效值有效值（均方根）。（均方根）。 由于热噪声电压是由大量电子运动产生的起伏电压之和，由于热噪声电压是由大量电子运动产生的起伏电压之和，总的噪声电压总的噪声电压en服从正态分布（高斯分布），即其概率密度服从正态分布（高斯分布），即其概率密度p(en)为为)21exp(21)(222nnnnEeEepTnTnkTBRdteTE02

49、241lim(1-69)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 具有这种分布的噪声称为具有这种分布的噪声称为高斯噪声高斯噪声。 分析可得，分析可得， en 4En的概率小于的概率小于0.01，即，即 en 大于此值的概率实际上可以忽略。大于此值的概率实际上可以忽略。等效电路等效电路RR (理想)E2n4 kTBRGI2n4 kTBG(a)(b)图图 2 31 电阻热噪声等效电路电阻热噪声等效电路 (1-70)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 即电阻的热噪声可以用一个即电阻的热噪

50、声可以用一个噪声电压源噪声电压源和一个无噪声的和一个无噪声的电阻电阻串联表示串联表示或或用一个用一个噪声电流源噪声电流源和一个无噪声的和一个无噪声的电导电导并并联表示。联表示。 电阻热噪声也可以看成是一噪声功率源，其输出的最大电阻热噪声也可以看成是一噪声功率源，其输出的最大噪声功率为噪声功率为 该式表明，电阻的输出热噪声功率与带宽成正比。则单该式表明，电阻的输出热噪声功率与带宽成正比。则单位频带内的最大噪声功率为位频带内的最大噪声功率为kT，它与观察的频带范围无关，它与观察的频带范围无关，称为噪声源的称为噪声源的噪声功率谱密度噪声功率谱密度。 这种功率谱不随频率变化的噪声，称为这种功率谱不随频

51、率变化的噪声，称为白噪声白噪声。 为了方便计算电路中的噪声，引入噪声电压谱密度或噪为了方便计算电路中的噪声，引入噪声电压谱密度或噪声电流谱密度。声电流谱密度。kTBREn2)21(1-71)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 均方电压谱密度均方电压谱密度：单位频带内的噪声电压均方值。：单位频带内的噪声电压均方值。 均方电流谱密度均方电流谱密度：单位频带内的噪声电流均方值。：单位频带内的噪声电流均方值。 即即 （2）线性电路中的热噪声）线性电路中的热噪声 多个电阻的热噪声多个电阻的热噪声 设两个电阻（设两个电阻（R1、R2）的噪声电势是

52、统计独立的，即互的噪声电势是统计独立的，即互不相关。再设串联后的电势瞬时值为不相关。再设串联后的电势瞬时值为kTGBISkTRBESnInu442221nnneee(1-72)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院其均方值为其均方值为即只要各噪声源是相互独立的，则总的噪声服从均方叠加原则。即只要各噪声源是相互独立的，则总的噪声服从均方叠加原则。 热噪声通过线性网络热噪声通过线性网络 研究图研究图232的电路模型，并设其传递函数为的电路模型，并设其传递函数为H（j），），则则对单一频率的信号来说，输出量与输入量之比就与对单一频率的信号来说，

53、输出量与输入量之比就与 H 2 （j）成正比。即成正比。即)(421lim1lim1lim)(1lim21222102102202102212RRkTBEEdteeTdteTdteTdteeTEnnTnnTTnTTnTTnnTn(1-73)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 现以噪声通过现以噪声通过LC振荡回路（如图振荡回路（如图233）为例分析噪声）为例分析噪声通过线性网络的特性：通过线性网络的特性：02200)(dfSESjHSUniUU(1-74)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息

54、学院信息学院 由电路，其传输函数为由电路，其传输函数为)1(1)(CLjrCjjH2222)1()1()(CLrCjHkTrCLrCSU4)1()1(2220(1-75)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 将并联回路等效为串联回路（如图将并联回路等效为串联回路（如图233c），），则则 经化简并整理得经化简并整理得 与（与（255）式对比得）式对比得CjLjrLjrCjjXRee1)()(1222)1()1(CLrrCReeUkTRS40(1-76)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院

55、信息学院 重要重要结论结论： 对于线性二端网络，输出的噪声电压谱密度或噪声对于线性二端网络，输出的噪声电压谱密度或噪声电流谱密度电流谱密度SU、SI可以用等效电阻可以用等效电阻Re（或或Ge）来代替来代替下式中的下式中的R或或G 电阻热噪声通过线性电路后，一般就不再是白噪声电阻热噪声通过线性电路后，一般就不再是白噪声了（因了（因Re是频率的函数）是频率的函数）kTGBISkTRBESnInu4422(1-77)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 输出端的均方噪声电压为输出端的均方噪声电压为QfkTRfdffQRkTfkTrdffQCr

56、fdSdfSEUUn24)2(144)2(1)1(002002020200(1-78)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 等效噪声带宽的物理意义：使等效噪声带宽的物理意义：使H20与与Bn为两边的矩形面为两边的矩形面积与曲线下的面积相等。如图积与曲线下的面积相等。如图234所示。所示。（3）噪声带宽）噪声带宽(1-79)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 对图对图232的电路模型，设其传递函数为的电路模型，设其传递函数为H（j）。）。设输入设输入一电阻热噪声，均方电压谱为一电

57、阻热噪声，均方电压谱为Sui=4kTR，输出均方电压谱输出均方电压谱为为Su0，则输出均方电压则输出均方电压E2n2为为 设设H（j）的最大值为的最大值为H0，则可定义等效噪声宽度则可定义等效噪声宽度Bn，则则 等效噪声带宽等效噪声带宽Bn为为0202022)(4)(0dfjHkTrdfjHSdfSEiUUn20224HkTrBEnn2002)(HdfjHBn(1-80)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 以单振荡回路为例，计算其等效噪声带宽。以单振荡回路为例，计算其等效噪声带宽。202020202222)2(1)2(1)1()1()

58、1()(ffQHffQCrCLrCjH(1-81)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学院信息学院 由此可得等效噪声带宽为由此可得等效噪声带宽为 已知并联回路的通带为已知并联回路的通带为 对多级单调谐回路，级数越多，传输特性越接近矩形，对多级单调谐回路，级数越多，传输特性越接近矩形，Bn越接近越接近B0.7；对临界耦合的双调谐回路，对临界耦合的双调谐回路， Bn1.11 B0.7QffdffQBn2)2(11020QfB07 . 07 . 07 . 057. 12BBBn(1-82)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电

59、路原理与分析信息学院信息学院 2. 晶体三极管的噪声晶体三极管的噪声 在晶体三极管中，除了其中某些分布电阻（在晶体三极管中，除了其中某些分布电阻（rbb） ，会产生电阻热噪声以外，还有以下几种噪声来源。会产生电阻热噪声以外，还有以下几种噪声来源。 （1）散弹（粒）噪声）散弹（粒）噪声 由于载流子随机起伏流动产生的噪声，称为由于载流子随机起伏流动产生的噪声，称为散弹噪声散弹噪声或散粒噪声或散粒噪声。散弹噪声与电阻热噪声一样也是白噪声，但。散弹噪声与电阻热噪声一样也是白噪声，但其远大于电阻热噪声，其引起的电流起伏均方值与其远大于电阻热噪声，其引起的电流起伏均方值与PN结的结的直流电流成正比。即直流

60、电流成正比。即 其中其中 q1.61019C；I0为为PN结的平均电流。此式称结的平均电流。此式称为为肖特基公式肖特基公式。 在晶体管中因发射结正偏，结电流较大，而集电结反在晶体管中因发射结正偏，结电流较大，而集电结反偏，除了基区来的传输电流外，只有较小的反向饱和电流偏，除了基区来的传输电流外，只有较小的反向饱和电流产生散弹噪声，所以在晶体管中发射结的散弹噪声起主要产生散弹噪声，所以在晶体管中发射结的散弹噪声起主要作用，而集电结的散弹噪声可以忽略。作用，而集电结的散弹噪声可以忽略。02)(qIfSI(1-83)第二章第二章 高频电路基础高频电路基础结束高频电路原理与分析高频电路原理与分析信息学