通信工程教案《高频电路》

1、通信工程教案高 频 电 路第一章 绪 论 1.1 无线通信系统概述 一.无线通信系统的组成 1.通信:传输电信号。即信息的传输过程。 传输指远距离。 信号指声音、图像、文字等。 发展历史从峰火台到现代通信。 通信系统：实现信息传递的系统。 2.组成: 发送设备:产生适合信道传输的信号。 信道：传递的媒介。有有线、无线、光纤之分。 接收设备：还原出原信号。 发射：信源发送设备信道信舍接收设备低频放大器调制器高频小信号放大器高频功率放大器载波振荡器高频电路语音300-3400HZ 接收： 超外差接收机： 高频小信号放大器放大倍数作不高，容易自激。高频小信号放大器解调器低频放大器高频小信号放大器混频

2、器中频放大器检波器低频放大器本机振荡器高频电路 1.按工作频段:(长波)、中波、短波、 超短波、微波、卫星通信。(红为高频) 2.按通信方式:全双工、半双工、单工。 单工：只能发或只能收。（单向） 半双工：既能发也能收，但要分时， 不能同时收发。（双向、时分） 例：对讲机 全双工：同时收发。例：手机 3.按调制方式:调幅(AM)、调频(FM)、 调相(PM)、脉冲调制。 4.按传送的信息:模拟通信、数字通信。 或分话音、图像、数据、多媒体通信。 无线电信号与调制 一.信号分类 无线电信号:调制信号(基带信号)、载波 信号、已调波信号。 调制信号低频信号 载波信号 已调波信号 高频信号 二.无线

3、电信号的特性 1.时间特性 时间和振幅之间的关系。 通常用波形图或数学表达式描述，f(t) 2.频谱特性 (角)频率和振幅之间的关系。F() 有幅频特性和相频特性。 周期信号离散的频谱；非周期信号连续的 频谱。 较复杂的信号用频谱表示较为方便。 重要参数是频带宽度。 例：语音范围在 100HZ-6KHZ， 一般在 300-3400HZ， 调幅带宽为 9KHZ， 调频带宽为 200KHZ， 电视带宽为 8MHZ。 频分复用是无线通信采用高频原因之一。 指无线电信号的频率或波长。 无线电波在电磁波频谱中的位置看p5，在 电磁波中无线电波频率相对较低，波长相 对较长。 无线电波波段划分：p5 4.传

4、播特性 指无线电信号的传播方式、传播距离和 传播特点。 无线通信的传输媒质(信道)是自由空间。 无线电信号经天线发射，由于能量被扩散、 吸收、反射、散射等现象，到接收天线时 强度大大衰减，为有效传输要选择传播方式， 传播方式的选择主要依据无线电信号的频率。 绕射传播(地波): 靠电磁波绕射传播。 长、中、短波特别是长、中波以地波传播 能传播很远。 折射和反射传播(天波): 靠电离层反射、折射 传播。 中、短波特别是短波以天波传播能远距离 传播。 直射传播(空间波): 由于地球曲率，直射传播 的距离有限。 寻呼台采用这种传播方式。 通过架天线、中继或卫星可以远距离传输。 超短波和微波以空间波传播

5、。 5.调制特性 高频信号适合于天线发射,空间传播,只有 频率高,波长才短,使之与天线尺寸相比拟, 高效辐射. 为了有效发射低频信号,通常的做法是把 低频信号通过调制转化成高频信号发射, 这是无线电采用高频的原因之二; 调制:用调制信号控制高频载波的参数, 使载波的某参数按调制信号的规 律变化。 调幅(AM): 高频载波的振幅按调制信号的 规律变化。 调频(FM): 高频载波的频率按调制信号的 规律变化。 调相(PM): 高频载波的相位按调制信号的 规律变化。 脉冲调制: 当载波信号为脉冲信号时的上述 调制的总称。 解调(检波、鉴频、鉴相): 调制的逆过程。 本课程的特点 一.功能多样化 放大

6、、振荡、频变。 二.电路多样化，分立为基础 二极管、三极管、场效应管、变容二极管。 三.概念多，分散 章与章之间联系少。 四.非线性电路分析方法 除高频小信号谐振放大器外，都属于非线 性电路，所以不能用线性电路的分析方法和 定理，如微变等效电路法，叠加定理。而 非线性分析不成熟或无分析法，只有特定 的解。 多采用工程估算，高一级可采用CAD辅助 分析，EAD辅助设计。 要求： 1.典型基本电路工作原理, 工程估算。 2.基本概念。 3.非线性电路分析方法。第二章 高频电路基础 高频电路中的元器件 LR引线电感; cR 分布电容 LR cR越小,高频特性越好, 高频特性与制作电阻的材料、封装形式

7、和 尺寸大小有关。RLRcRR 金属膜电阻比碳膜电阻高频特性好； 碳膜电阻比线绕电阻高频特性好； 表面贴装电阻比引线电阻高频特性好； 小尺寸电阻比大尺寸电阻高频特性好。 Lc 分布电感; Rc 极间绝缘电阻 电解电容高频特性差;云母、陶瓷电容 性能好。cLccRc RL 交流电阻; cL 分布电容 Q 品质因数, 损耗越小 Q= L/RLfzfs感性容性LLRLcLfzfp感性容性 在高频中用于检波、振幅调制、混频等 非线性变换电路中。 如 : 点接触二极管(2AP), 极间电容小, 工作 频率高; 表面势垒二极管, 工作频率高达微波; 变容二极管,电容随反偏电压变化;ucj PN结呈电容效应

8、: PN结正偏时,扩散电容cD起主要作用; PN结反偏时,势垒电容(结电容) cj起主要 作用。 在PN结反偏时经过特殊处理使cj有较大变 化范围变容二极管 2.晶体管 场效应管 高频小功率管:高增益,低噪声,工作频率可达 几GHz。 高频大功率管：高增益,较大输出功率。 几百MHz下，输出功率可达10-1000w。 场效应管：同高频率下，增益同级，噪声 更低。 一种砷化镓场效应管，工作频率可达十几 GHz。 金属氧化物场效应管，几GHz频率上， 输出功率能达几瓦。 高频比低频品种少 通用有:宽带集成放大器,100-200 MHz, 50-60dB; 模拟乘法器,100 MHz以上, 专用:集

9、成锁相环、单片集成接收机、集成 鉴频器、彩电专用芯片、手机专用芯片。 2.2 高频电路中的基本电路 作用:选频、阻抗变换。 (1)并联谐振回路 (特性图) 谐振时0= ,此时|zp |最大,为纯阻RoLrccLRo Q= 无功/有功; Q = 0L/r = 1/0Lr =/r ;或 Q = Ro /0L =0cRo = Ro / , 回路特性阻抗 =0L = 1/0c = Q越高,回路选择性越好,说明损耗越小, Q0空载; QL 有载, 失谐系数 = 2Q = 2Q , 当= 1时, 2f为带宽B, B = f0/Q , 矩形系数 k= B/B,越接近1越好, 是衡量选择性好坏的技术指标,单级

10、为9.96 Q谐振曲线越尖锐Bk不变, zp= Ro/(1+j), z=-arctan, dz/d| =0= -2Q/0, 说明Q值越高,斜率越大,曲线越陡峭; 而在谐振频率附近, Q值越小,线性范围越宽, Ic= IL= QIUIIcIL 例:有一并联谐振回路, f0 =10 MHz,c=50pF, (1)试计算L值; (2)若Q =100, 求Ro 和B; (3)若B =0.5 MHz, 则并联多大的负载才 能满足带宽的要求? 解: (1) f0 = L= 1/(42f02c) = 5uH (2) Q = Ro /0L Ro = Q 0L = 31.4 k B= f0/Q = 100 kH

11、z (3) QL = f0/B = 20 R = QL0L = 6.28 k R = RL Ro RL= 7.87 k (2)串联谐振回路 (特性图) 谐振时0= ,此时|zs |最小, 为纯阻rLrc Q = 0L/r = 1/0cr = /r B = f0/Q k= B/B (3)串并联阻抗变换 zs=zp 1/(Rs+j xs) = xsRsxpRp Rp= = Rs(1+ Q2) 串 并 xp = = xs(1+ ) 或 Rs = xs = 并 串 例: Q = 0L/r1, Rp= Rs(1+ Q2) = r (1+ Q2) Lp= L( 1+ ) L LrccLpRp 目的:实现信

12、号源与回路或回路与负载的阻 抗匹配或阻抗变换。 保证通频带和选择性的要求。 接入系数 p = p 1 p = Uab/ Ucd =UabUcdRSRSL1L2cR0 按变换前后功率相等原则,有: RS= RS/ p2 或 gs= p2 gs 结论:从小端折合到大端电阻变大,电导变小。 p = cS= p2cS 结论:从小端折合到大端电容变小。 另外有负载的折合：RL= RL/ p2 或 gL= p2 gL cL= p2 cL 还有电流的折合：IS= pISc1c2cSLR0cS 例：已知：Q0 1,i(t)=cos107t mA,R1=500, c1= c2= 2000pF,L=10uH, 求

13、：u(t)、 u1(t)、B 解：p = = 0.5 R1 = R1/p2 = 2 k u(t)= R1i(t)= 2cos107t v i1(t)= i(t)/p= 2cos107t mA u1(t)= R1 i(t)=cos107t vi(t)、 u(t)Lc1c2R1 、 u1(t) 0=107 f0 = 0/2=1.59 MHz QL = R1/0L = 20 B = f0/QL = 80 kHz 与低频变压器作用一样:传输信号 阻抗变换 隔直流 特点:(1) 为了减少损耗,用导磁率高,高频损耗 小的软磁材料作磁芯 (2) 适用于小信号场合,尺寸小,线圈 匝数较少 n = N1/N2

14、E1= jM I2 E2= jM I1 U1= n U2 I1 = -I2 /n (没考虑M时) RL= n2 RL jL1I1 + jM I2 = U1 jL2I2 + jM I1 = U2+U1-+U2-I1I2ML1N1L2N2E1E2+-+-RL+-U2 U1= U2= nU3 I1 + I2= - I3 /n 如 n = N1/N2 = U1= U2= U3 /2 I1 = I2= - I3 +U1-+U2-N1N1N2+U3-I1I3I2 Sio2晶体管 1921年开始应用 把Sio2片,用两金属电极固定,抽出引线, 用外壳封装,就构成石英晶体振荡器。 (1)压电效应:加外力而变形

15、,在表面产生 电荷,呈现出电压;外加电压,晶体变形, 当电压变化,就使晶体产生振荡,当这 种振荡与机械的固有振荡频率接近时, 形成共振,而在电路上表现出电谐振。 (2) 振荡频率与晶片的材料、尺寸、几何 形状有关。 (3) 频率稳定性好,温度系数在10-6数量级以下。 (4) 泛音振荡:还可以在高次谐波上振荡, 如3、5、7奇次，实际振荡频率不一定 是整数倍。 2.等效电路及阻抗特性c0Lqcqrq 典型参数:Lq= 4H cq= 6.3 10-3pF rq= 100 c0= 3pF 串联谐振 fq= (fs) 并联谐振 f0= (fp) (谐振曲线) 曲线中 当0 呈容性; q1,理想情况下

16、 k=1为 矩形, k越小,选择性越好,单级谐振放大 器的 k 讨论; ku g (1) RL表明带负载能力差;所以用p2 接入系数改善带负载能力。 (2) QL B说明放大倍数和通 频带是一对矛盾。 所以通过p1接入系数使ku,B。 例:如图所示小信号谐振放大器,fo=300 MHz, 晶体管Y参数gie=1.5ms,cie=12pF,Yre=0, Yfe= 58-22 ms, goe=0.4ms, coe=9.5pF, Qo=100, RL= 10k,L=0.8uH, p2 求:Ku、 B、cUi+-Uo+-cLRL 解： ( Y参数等效电路图) (1) go= 1/ 0LQo gL= p

17、22/RL g= go+ gL+ goe Ku= p2Yfe/g (2) QL= 1/ 0Lg= 14 B= fo/QL = 2.14 MHz (3) c= 1/(42 f02 c = c-coe 例:Y参数等效电路如图所示，fo=10 MHz, B=500 KHz， Ku= 100，晶体管Y参数 yie=（）ms，yre= 0, yfe=（ 20-j5）ms , yoe=（20+j40）us，Qo= 60, 求:谐振回路参数L、c、RL 。yieyoecLRLyfeu1 1.起因: Yre 0, 即极间电容cbc的反馈, 影响: (1) 轻者使放大器幅频特性变坏, 产生畸变(不对称,前沿变陡

18、,后沿 没变,如图所示) (2) 重者产生自激振荡,即使没有外加 输入,放大器也会有输出,带来了 不稳定。 Uo= -YfeUi/(Yoe+YL) Yi= Yie+YreUo/ Ui= Yie- YreYfe/(Yoe+YL) 当 Ys+ Yi= 0时, 电路自激振荡 有 Ys+ Yie- YreYfe/(Yoe+YL)= 0 即 (Ys+ Yie) (Yoe+YL)/ YreYfe= 1 由此导出最大稳定放大倍数 kuy kuy= 0.6 当 ku kuy, 放大电路能稳定工作。Ui+-Uo+-YsYieIbYreUoYfeUiYoeYL 如：一放大器|Yre| =50us， |Yfe| =

19、 50ms， ku= 60, kuy= 0.6 = 19 kuy ku 所以放大器工作不稳定。 (1)减小Yre,即选Yre小的晶体管; (2)从电路上采用共发共基电路(失配法) 共基电路Yi2大,即YL1大,使Uo1减小,从而 使YreUo1影响减小,但同时ku也减小, 从上叙述可看出在共发电路负载端并一 电阻也能达到上述目的。 另采用中和电路：在输入和输出端 之间加一中和电容cn，用以抵消cbc的 影响。 有 joL2 / jocbc = joL1 / jo cn cn = N1 / N2 cbc 中和电路只对某一频率中和效果好,对其它 频率中和效果不佳。 对于单调谐放大器 ku = ku

20、1 ku2 kun= (ku1)n 依据Lc并联回路归一化频率特性: = ku (f)= (ku1)n/(1+2)n/2 B0.707= B 结论:n增大, ku 增大, B0.707减小, k减小。 1.增益 20lg ku 80 100dB 2.通频带 B B = f0/QL B大,选择性不好,信噪比低; B小,选择性好,但信号易被切割。 中波 9 kHz，电视 8 MHz，调频 200 kHz 3.选择性 k k= 1为矩形,选择性最好, k越大,选择性越差。 4.稳定性 kuy (Yre 0,的影响) 不产生自激振荡 kuy= 0.6 ku 3.2 高频功率放大器 定义:谐振回路作为匹

21、配网络的功放。 用在发射机末级 要求: (1) 输出功率po要大, (2)转换效率c 要高, 目前几百瓦以上的高频功放主要器 件用电子管;几百瓦以下的采用晶体 管或场效应管,另外,为了提高效率, 高频功放管工作在丙类(c类)工作状 态,即 90,理论上c =100% (低频功放工作在乙类或甲乙类) (插讲三种工作状态) 特点:(1)高频功放工作频率高,相对频带较窄, 所以负载采用谐振回路,可以调谐 中心频率, (2)由于输入信号大,所以呈高频、大信 号非线性状态，采用折线分析法。 (原理图) 为使静态时发射极反偏,UBB 0,或UBB UBBv)晶体管 工作在丙类, Ucc为集电极电源,提供能

22、量, Lc并联回路作用:传输信号,选频即滤波, 阻抗变换,使po大, c 也高, cb 、cc:旁路电容,保证电源不会短路。 1.电流、电压波形 设ub= Ubcost 则 ube= UBB +Ubcost 折线法:目的是简化分析过程,给出明确的 物理概念,为实验调整提供指导性 数据。 要求: (1) 输入信号幅度大 (2) 高Q回路,输出对基波之外的衰减 大,即能量集中在基波上, (波形图) 当 ube= UBB时， cost= cos cos= ic=Ico+Ic1 cost+Ic2cos2t+ Ico= Icmax 0() Ic1 = Icmax 1(), 0()直流分解系数, 1()

23、基波分解系数, 可查表, Icmax = gc(ubemax- UBB) = gc Ub (1- cos) uc= Uc cost = Ic1 RL cost 其中 Uc = Ic1 RL uce= Ucc-Uc cost = Ucc- Ic1 RL cost 此处RL是R,谐振时QLRLUc, 而在2、3等处失谐, RL小,谐波电压 为0, 另 90 工作在丙类, 越小,ic脉冲越瘦,在ucemin附近,损耗小, 故效率得到提高。 输出功率 po= Ic1 Uc = Ic12 RL= 电源功率 pd= Ico Ucc 管耗 pc = pd- po 效率 c = po / pd= 1- pc

24、/ pd = = () 波形系数, = 1() / 0(), 、1()、0()可同查一表。 集电极电压利用系数, 1, =180, =1, c 50% , = 90, =1.57, c 78.5% , 15,=2, c 100% , 提高c 的途径: (1) 让UcRL 意味着带负载 能力不强, (2)让1()Ic1po 可见c与po存在矛盾,在65Uces, 欠压状态, ucemin= Uces, 临界状态, ucemin1/cc 并联馈电线路: VT、Lc回路、Ucc三者 并联连接， (如图) cc1的作用:假设Lc中有高频电流通过, 也被cc1旁路到地,不经过Ucc,减少高频功耗, 满足

25、: uce=Ucc-uc, 性能比较:串馈:优:用元件数少, cc处于高频 接地,分布电容影响小, 缺:c没有一端接地,不便调谐, 并馈:优: c一端接地,便于调谐, 缺: cc2一端处于高频高电位, 分布参数影响大, 偏压UBB的产生:(1)外加UBB称固定偏压, (2)由基极直流或发射极直流电流流过 电阻产生,称自给偏压,优:偏压随激励 大小而变,使各极电流变化小,电路较稳定, (3)当即没外加UBB,又没Rb、Re时，称零 偏压， （自给偏压 零偏压图） 串联馈电线路：ub、VT、 UBB三者串联 连接。 (如图) 满足:(1) ube=UBB+ub, (2)对高频ub, cb短路,高频

26、信号不流过 直流源, 并联馈电线路:ub、VT、 UBB三者并联连接, (如图) (1) ube=UBB+ub, (2)对高频ub、 cb短路,高频信号不流过 直流源, 指级与级之间或功放输出与负载之间的电路。 一般用双端口网络实现 特点:(1)为了得到最大功率输出,有阻抗变换 作用,把负载电阻变成RL电阻, (2)具有抑制工作频率范围之外频率, 即滤波作用,也就是对工作频率有选频作用, (3)能高效传输信号, 常用电路: Lc匹配网络,耦合回路。 1. Lc匹配网络: 有L、T、型网络 L-型变换： Rs = Rp/(1+ Q2) xs =xsxpRpxs xsRs Q = Rp/ |xp|

27、 当Rp RL时,采用此电路达到阻抗匹配。 L-型变换： Rp= Rs(1+ Q2) , xp= xs(1+ ) Q = |xs|/ Rs 当Rs1, |Uf | | Ui |,为增幅振荡, (3)当|T(j)| 1, |Uf | 0,g T 1TTuiuiui |T(j)| 1 k+ f= 2n,0 振荡建立的物理过程: Us=0,当电源一接通产生电冲击,热噪声 幅度小,频带宽,其中有一个与选频网络fo 一致的信号ui(g)放大(ic)选频(uo) 反馈(uf) 振荡幅度的稳定过程: (图示) 振幅稳定是靠放大器的非线性完成的。 起振过程很短,一般电源一通,就有稳定输出 稳定平衡,不稳定平衡

28、 稳定平衡点:受外界影响,使T(j)发生变化, 破坏了原来的平衡条件,如果通过回路 不断循环,在原平衡点附近达到新的平 衡或去掉外界影响,能自动回到原平衡 点。 分 振幅稳定条件 相位稳定条件 振荡器具有阻止振荡幅度变化的能力。 如果ui T不变,将引起增幅振荡, T也大,将引起更大的增幅振荡, T k uo uf ui,达到 新平衡, (图示) 振幅稳定条件:T/ Ui | B 0 或 K/ Ui | B 0,振荡频率也随之增大, (图示说明) 相位稳定条件: L/|1 L2c2 L3c3 , (2) L1c1 L2c2 L3c3 , (4) L1c1 L2c2 L3c3 , f1 f2 f

29、3 当f2 fg f3时,构成电容三端式振荡回路, (2) L1c1 L2c2 f2 f3 当f2 fg f3时,构成电感三端式振荡回路, (3) L1c1= L2c2 L3c3 , f1= f2 f3 当f1= f2 fg f3时,构成电容三端式振荡回路, (4) L1c1 f2= f3 电路不能振荡。 (原理图 交流等效图) R1 R2 Re偏置电路提供合适的静态工作点, 动态时稳定输出振幅,ce为旁路电容, cb为 隔直、耦合电容,Lc为高频扼流圈,为直流 提供通路,交流断路,避免直流电源短路。 起振时晶体管工作在小信号线性状态， 为了分析方便:(1)内部反馈Yre=0, (2)忽略cb

30、e cce对c1 c2的影响, (3)忽略Yfe的相位, Yfe= gm, (4)高Q回路 fg p = , go= go/ p2 F= c1/ c2 gie= F2 gie gL= goe+ go+ gie= goe+ go+ F2 gie +-Uigiegm Uigoegoc1c2gieL+-Uf-+Uo YfeZL F= gm F/ gL 1 有 gm (goe+ go )/ F + F gie 结论: F越大,前项越小,越容易起振,但后项 越大,不易起振, 所以F一般在0.1 之间, 电容三端式特点:(1)结构简单,改变c1 c2便 容易起振, (2)输出波形好,(uo取自电容,高频电

31、容上谐 波电压小 ), (3)振荡频率高,几十MHz以上,(极间电容不 改变电抗性质), (4) fg c1 c2 F T 使起振条件变化。 适合作频率相对固定的窄带振荡器。 (原理图 交流等效图) 元件组成及作用与电容三端式基本相同, 没有高频扼流圈Lc,但L1 起到提供直流通路, 避免直流电源短路。+-Uigm UigiegLL1L2giec-+Uo+-Uf fg p= F= L2/L1 有 gm (goe+ go )/ F + F gie 电感三端式特点:(1)结构简单,改变L1 L2便 容易起振, (2)输出波形不好,含谐波成份较大,(uo取 自电感,高次谐波产生的压降大), (3)振

32、荡频率作不高,几十MHz以下,(频率高 时,极间电容影响大,可能改变电抗性质), (4) fg c F不变,不直接影响起振条件, 频段较宽,但fg go 容易停振。 适合作波段振荡器。 总之,电容三端式有振荡频率高,输出波形 好的特点,得到广泛应用。 克拉泼电路、西勒电路 由于外界环境的改变 cbe、 cce的变化， fg频率稳定度低，改进方法就是使 晶体管与回路松耦合。 (电路图) c3 c1、 c2 c = c1c2c3 c3 fg F= c1/ c2 (1) fg由c3决定,而cbe、 cce只影响c2 、 c1, 所以极间电容对fg影响小, (2)接入系数 pce= c / c1 c3

33、 / c1 pbe= c / c2 c3 / c2 pbc= c /(c1c2) 一般电路pce= pbe= pbc= 1 c2 、 c1越大c3越小 p越小,松耦合 c= pce2 cce+ pbe2 cbe+ pbc2 cbc较小, fg也较小 频稳度高, 但go= go/ pce2较大ku减小停振, 总之,fgc3 pgoku易停振 g 振幅 克拉泼电路适合作固定频率或波段范围窄 的振荡器。 它的改进型电路是西勒电路。 2.西勒电路 (电路图) c = c1c2c3+ c4 c3 + c4 fg F= c1/ c2 c4 的加入并不影响接入系数p, fgc4 p不变 ku不变不会停振 g

34、不变振幅不变 西勒电路适合作波段振荡器。 六.压控振荡器 (vco) 使用变容二极管 u c fg 在一定范围时构成电调谐振荡器, vco:利用压控元件作为频率控制器件, 适合于:调频电路,锁相环电路。 例：电容三端式振荡器如图所示，已知Lc回路的 Qo=60，晶体管的goe， gie， 试求：该振荡器的fo 并验证ICQ时电路能否起振？L110uHC1C2300p1000p 4.3 频率稳定度 频率稳定度是振荡器重要指标之一, 是指由于外界条件的变化,振荡器工作频率 偏离理论值的程度。 1.定义:在一定时间间隔内,振荡频率的相对 变化量, 绝对偏差 f = fg fo 相对偏差 f / fo

35、= f / fo 分 长期频稳度:在一天以上至几个月内, 振荡频率的相对变化,不稳定因素 是元器件的老化, 短期频稳度:在一天之内振荡频率的偏差, 影响因素为环境温度,电源波动,元件 参数不稳定, 瞬时频稳度:在秒或毫秒范围内振荡频率 的相对变化,不稳定因素是由于干扰, 噪声引起的频率抖动, 通信电路中最关心的是短期频稳度。 主要影响:Ucc cie、coe fg t gie、goe、L、c fg 要求：小型电台，移动电台，普通信号 发生器，频稳度在10-5量级， 中波，单边带调幅台，频稳度在 10-6量级， 电视发射机，频稳度在10-7量级， 卫星通信，频稳度在10-11量级， 国内原子钟，

36、频稳度在10-1210-13量级， 国际原子钟，频稳度在10-14量级。 g 是由相位平衡条件解出 T(g)= fe+ L+ F = 0 L=-(fe+ F) L= -arctan tan(fe+ F)= 2QL(g-o)/o 解得: g=o+ tan(fe+ F) g= o- tan(fe+ F)QL + (fe+ F) 由此可见o、QL、(fe+ F)的变化会引起 g的不稳定。 1. o的影响 是最严重的影响 g1= o o= o/o= - (L/L + c/c) (图示L-曲线) 2.QL的影响 g2= QL (图示L-曲线) QLL越陡频稳度,但QLRL 回路效率低, 在频率稳定度要求

37、高的振荡器中,只有很 小一部分功率送给了负载。 3. (fe+ F)的影响 g3= (fe+ F) (图示L-曲线) (fe+ F)频稳度, (g由于晶体管高频效应 |fe|, FF) 阻止外界因素对元器件的影响,这里主要 指温度的影响,如使用恒温槽,另外采取 屏蔽,防振。 使管子与回路处于松耦合,接入系数小, 减少极间电容对频率的影响,另外,选择 fT较高的晶体管,高频性能较好。 首先要有负斜率的相频特性,在此基础上 QL越高,负斜率越大,相位越稳定,即频率 越稳定,通过缩短引线,减小损耗来达到。 前面分析的Lc振荡器频稳度通常在10-3量 级,改进电路频稳度在10-4量级。它受到回 路标准

38、性的限制,改用晶体可提高频稳度。 采取稳压措施,为减小加载后使回路品 质因数减小而带来的频率稳定度下降, 负载可以小的接入系数接入或在负载 和回路之间加射极跟随器。 例:有两个电路,回路参数相同: Yfe=50ms goe=100us gie=1ms Qo 如果晶体管只在b、e极间有一个不稳定 电容cbe= 1pF 其它参数均稳定, 试求两电路的频稳度和回归比。 解:(a) c = c1c2= 8pF pbe= c/c2 c = pbe2 cbe = 0.04 pF |g/g| = c/c = 2.5 10-3 (b) c = c1c2c3 = 8pF pbe= c/c2 c = pbe2 c

39、be = 5 10-4 pFc1c2c1c2c3LLcbecbe10p40p90p360p9p(a)(b) |g/g| = c/c = 3.1 10-5 (a) fg = = 50 MHz F = c1/c2 go=1/Qo= 25 us gL= goe+ F2gie+go/p2= 0.2 ms T = Yfe F/gL (b) p= c/c1 gL= goe+ F2gie+go/p2= 3.32 ms T = Yfe F/gL 结论:pgLK容易停振,p频稳度. 4.5 石英晶体振荡器 可达10-410-9量级 原因:(1)石英晶体谐振器具有很高的标准 性,即串联谐振频率fs与并联谐振频率

40、fp非常接近(fs=1.0026 MHz fp MHz),且由于石英晶体的稳定性,使 fs十分稳定,而石英晶体振荡器的振 荡频率主要由石英晶体的谐振频率 决定。 (2) 石英晶体与外电路的接入系数p很小, p cq/(co+ cq), 一般为10-3 10-4,大大 减小了极间电容对振荡频率的影响, 从而提高频率稳定度, (3)石英晶体谐振器具有非常高的Q值, 一般地104 106, Q值越高, L负斜率越 陡,维持振荡频率稳定的能力越强。Lqcqrqcofsfpfx 并联型晶体振荡器:晶体起等效电感的作 用,与其它电抗元件组成并联谐振 回路,振荡频率在fs与fp之间, 串联型晶体振荡器:晶体

41、以低阻抗接入电 路,即晶体等效成短路线,振荡频率 为fs, 皮尔斯振荡器(电容三端式) (电路图 等效电路 阻抗特性图) xe晶体电抗 cL负载电容cL = c1c2c3 xe与 1/cL相交两点,但A点稳定, 接入系数p = fg = fs(1+ p/2) 可见 c3 微调 fg 为了方便用户,对用于并联晶体振荡器的 晶体,规定一标准cL,可将振荡频率调整到 晶体标称频率上,如在几 MHz几十 MHz内 cL一般为30pF,见p140图, 石英晶体振荡器的Q值高,而p又小,解决了 带负载能力和高增益的矛盾,使电路容易 起振。 密勒振荡器 (电感三端式) 特点:晶体等效为电感,由于晶体在be间

42、与 低输入阻抗并联,使QL降低,频率稳 定度较低。 泛音皮尔斯振荡器 (原理图) 产生更高振荡频率,可利用的有3 5 7奇次 泛音,优先级别依次降低, 当 fg fo1 3 fg 产生3次泛音振荡, 3fg fo1 5 fg 产生5次泛音振荡, 5fg fo1 u1情况。 5.2 二极管电路 u1= U1cos1t 为输入信号, u2= U2cos2t 为控制信号, U为偏置电压,用以抵消二极管的开启电压, Lc并联谐振构成带通滤波器,忽略u0反作用,+-u0+-+-u1u2VDc LiDU u2v, u1为小信号 U1 二极管工作在大信号状态,其伏安特性 用折线近似, 当u2+ u1 0 二

43、极管导通, 当u2+ u1 0 二极管截止,uDiDgD 等效为一受控开关, gD(t)= gDk(2t) (u2、 k(2t)波形图) iD= gD(t)uD = gDk(2t)(u1+ u2 ) k(2t)开关函数 k(2t)= + cos2t - cos32t + cos52t + iD= gD( + cos2t- cos32t + cos52t+) (U1cos1t+ U2cos2t)gDiDu2+ u1 iD 直流、1、2 、2n2、(2n+1)2 1， u2、u1均为小信号 iD= a0+ a1(u1+u2) + a2(u1+u2)2 = a0+ a1(U1cos1t+ U2cos

44、2t) + a2(U1cos1t+ U2cos2t)2 iD 直流、1、2 、21、22 、2 1， 进一步减少频率分量 (1) U2 U1 (2)忽略u0反作用 uD1= u2+ u1 uD2= u2- u1 i1= gDk(2t)uD1 i2= gDk(2t)uD2 iL= i1-i2= 2gDk(2t)u1+-+-+-u1u1u2i1i2iLRLVD1VD2 iL1、(2n+1)2 1， 与单二极管电路相比较,少了2 、2n2 这就是平衡电路互相抵消的结果,但实际 上二极管不可能完全一致,致使形成控制 信号泄漏,没有完全抵消,为了减少泄漏, 保证电路对称,采用方法如下: (1)选用特性相

45、同的二极管,并用小电阻与二 极管串联,使二极管等效正反向电阻接近, (2)变压器中心抽头要准确对称, (3)二极管受u2控制工作在理想开关状态。 (1) u2、u1均为小信号 (2)忽略u0反作用 uD1= u2+ u1 uD2= u2- u1 iD= a0+ a1uD+ a2uD2 i1= a0+ a1(u2+ u1 )+ a2(u2+ u1 ) 2 i2= a0+ a1(u2- u1 )+ a2(u2- u1 ) 2 iL= i1-i2= 2a1u1 + 4a2u2u1 iL1、2 1， 三. 二极管环形电路 (原理图) 线性时变电路分析法 (1) U2 U1 (2)忽略u0反作用 工作原

46、理: u20 VD1 VD2导通,构成平衡电路, VD3 VD4截止, u20 VD3 VD4导通,构成另一平衡电路, VD1 VD2截止, uD1= u2+ u1 uD2= u2- u1 uD3= -u2- u1 uD4= -u2+ u1 iL1= i1-i2= gDk(2t)(uD1- uD2) = 2gDk(2t)u1 iL2= i3-i4= gDk(2t-)(uD3- uD4) = -2 gDk(2t-)u1 iL= iL1+ iL2= 2 gDu1k(2t)-k(2t-) = 2 gDu1k(2t) （k(2t-)、k(2t)图） k(2t-)=1-k(2t) = - cos2t +

47、 cos32t - cos52t + k(2t)= cos2t- cos32t + cos52t + iL= 2gDu1k(2t) = 2gD( cos2t- cos32t + cos52t +)U1cos1t iL (2n+1)2 1 与二极管平衡电路比较,又少了1分量, 而其它分量的幅度是前面的两倍, 结论:二极管平衡电路抵消2 、2n2分量, 而双平衡电路又抵消了1分量,这时, 输出用带通滤波器就可滤除2 1之 外的频率分量,从而实现频谱线性搬移, 频谱搬移电路的关键器件是乘法器。 除二极管外，差分对管，晶体管三极管， 场效应管组成的电路也可以进行频谱线性 搬移。 二极管电路的优点：电路

48、简单，噪声低， 组合频率分量少，工作频带宽， 缺点：无增益。第六章 振幅调制 从通信系统看到频率变换电路在其中的作用。 信道：有线：电缆、光缆， 无线：移动、卫星、微波， 调制的定义:用调制信号去控制载波的某个 参数的过程。(装载信息的过程) 信源调制器信道解调器信舍 调制信号:低频信号,用u表示 (原始信息) 载波:高频振荡信号,用uc表示 (载体) 已调波:受调制后的信号, 调制的分类:调幅(AM):Uc= Uc(t) 调频(FM):C=C(t) 调相(PM): = (t) 解调:将调制信号从已调波中分离的过程, 是调制的逆过程。 调制的目的:(1)有效发射; (2)频分复用信道。 6.1

49、 振幅调制 调幅(AM):用调制信号去控制载波的振幅, 使载波的振幅按调制信号的规律变化。 即载波振幅与调制信号成线性关系， 载波其它参数不变。 分方式 普通调幅得AM波 双边带调制得DSB信号 单边带调制得SSB信号 1. AM波的分析 (1)表示式及波形 设 u= Ucost uc = UccosCt C Uc(t)= Uc+ kau ka调制灵敏度 = Uc+ kaUcost = Uc(1+macost) ma调幅度 单音调制 uAM(t)= Uc(t)cosCt = Uc(1+macost)cosCt (波形图) ma= kaU/Uc= Uc/Uc =(Umax-Uc)/Uc=(Uc-

50、 Umin)/Uc = 一般 ma1,在0.30.5左右, ma1,称过调制,将产生严重失真, 多音调制: u =Uncosnt uc = UccosCt uAM(t)= Uc(1+mancosnt)cosCt (图示说明) 单一频率信号AM波产生模拟:+uuc uAM+u常数uc uAM (2) AM波的频谱和带宽 uAM(t)= Uc(1+macost)cosCt = Uc cosCt + cos(C+)t + cos(C-)t 频谱图:CC- C C+ B 调制信号的幅度和频率信息只含在边频 分量中, ma越小,边频幅度越低, B = 2F =/ 多音信号频谱: (频谱图) B = 2F

51、max= 6800 Hz 所以中波带宽为 9 kHz, 调频带宽为200 kHz, 电视带度为8 MHz, (3)AM波的功率 载波功率 pc= Uc2/2R 边频功率 p = ma2Uc2/4R = pc 平均功率 pav= pc+ p=(1 + ma2/2)pc 当多音信号时ma2 = ma12 + ma22+ (ma1+ma2+)2 最大功率 pmax=(1 + ma)2 pc 最小功率 pmin=(1 - ma)2 pc 当ma=1时, p = pc pav = pc pmax= 4 pc p/pav=1/3 = 33.3%, p/pmax=1/8=12.5% 当ma时,p/pav=4

52、.3% p/pmax=2.7% 可见,在ma正常的范围里,有用信号能量只占 总能量很小的比例, 优点:调制与解调设备简单,便于接收,在中波 广播中继续广泛使用,与FM、PM比 频带窄, 缺点:功率浪费大,效率低。DSB信号 在AM波中抑制掉载波就成为DSB信号。 uDSB(t)= kauUccosCt = kaUUccostcosCt = g(t)cosCt (波形图,频谱图,模拟电路) g(t)与Uc(t)比较,可正可负, DSB信号与AM波比较: (1)包络不同, AM波包络 u, DSB信号包络 | u |, (2) DSB信号包络在幅度零点处,相位突变 180,严格讲, DSB信号既调

53、幅又调相, (3)频带宽度相同, DSB的频谱图中由于去掉了载波频率, pav= p ,功率利用率大大提高。SSB信号 在DSB信号中,两边带所含信息完全相同、 对称,所以可以经滤波器抑制掉一个边带， uSSB(t) = cos(C+)t = U cos(C+)t （波形图，频谱图,模拟电路） SSB信号波形为等幅波,它的振幅U与U成 正比,它的频率随不同而不同,所以它携 带了调制信号。 单边带信号的包络与单音调制信号包络相 同,为一常数,与DSB信号比较,效率进一步 提高,频带宽度减小一半。 分 高电平调制电路:完成调制和功放的 功能,主要用于产生AM波。 低电平调制电路:只进行调制,没有放

54、 大功能,用于产生AM波、DSB、 SSB信号。 1. AM调制电路 (1)高电平调制: AM波更适合用此方法产生 工作原理: UBB或Ucc Ic1 Uc (集电极调制原理图) u Ucc Ic1 载波信号uc通过Tr1加到功放基极,基极成 串联馈电线路,调制信号u通过Tr2加到集 电极回路, Ucc(t)= Ucc0+ u,集电极也构 成串联馈电方式。 当功放工作在过压状态时, Ucc(t)与Ic1成 线性关系,在Lc并联回路两端得振幅与u 成线性的高频信号,经Tr3输出AM波。 (集电极调幅波形图) 优点:工作在过压区,集电极调幅效率高,适 合大功率的AM波发射机。 (基极调制原理图)

55、u UBB Ic1 LB1高频扼流圈,对直流短路,对C开路, LB低频扼流圈,对直流短路,对开路, c1、 c3、 c5低频旁路电容,值大,对直流 断路,对短路, c2、 c4、 c6高频旁路电容,值小,对直流 断路,对C短路, 载波信号uc通过Tr1加到基极,调制信号u加 到LB两端, UBB(t)= UBB0+ u,基极、集电极 均为串联馈电形式, 当功放工作在欠压状态时, UBB(t)与Ic1成 线性关系。 (基极调幅波形图) 优点:所需调制信号功率小,但其工作在 欠压状态,调幅效率低,用于功率小 的发射机中。 (2)低电平调制电路 单二极管调制电路 CiD+-u+-uciRLVD+-u

56、0 设 Uc U uD = uc+u iD = gDk(Ct)uD =gD( + cosct- cos3ct +)(Uccosct+Ucost) iD直流、c、2nc、(2n+1)c 通过滤波器在RL得uAM波。 0 c-cc+ 2c 3c- 3c+ (AM波调制电路波形图) 平衡二极管调制电路 设 Uc U uD1 = uc+u uD2 = -uc+u iD1 =gDk(Ct)uD1 iD2 =gDk(Ct-)uD2 CRLi+-uc+-uciD1iD2+-u+-uAMVD1VD2 i = iD1-iD2 = gDuc + gDk(Ct)u = gDUccosct + gD cos2t- c

57、os32t + Ucost i c、(2n+1)c , (调制电路波形图) 集成模拟乘法器调制电路 c-cc+3c- 3c+ucu常数uAM(t) 实际电路p201 uo(t) = k(c+ u)uc = k(c+Ucost)Uccosct =kcUccosct + cos(c )t uo c、c 2.DSB调制电路 都用低电平调制电路实现 (1)二极管平衡调制电路 单二极管调制只能产生AM波,不能产生 DSB信号, 二极管平衡调制电路产生DSB信号和AM波 的区别只在uc 、u信号的加入上。 对于平衡电路谁同相加到两二极管两端, 抑制掉谁。 +-u+-u+-uciD1iD2VD1VD2iRL

58、+-uDSBC 设 Uc U uD1 = uc+u uD2 = uc-u iD1 = gDk(Ct)uD1 iD2 = gDk(Ct)uD2 i = iD1-iD2 = 2gDk(Ct)u = 2gD( + cosct- cos3ct +)Ucost i、(2n+1)c c- c+3c- 3c+ (DSB调制电路波形图) 对调制电路要求:调制线性要好,载漏要小, 调制效率要高,阻抗要匹配。 如一实际电路:p203 (图) u为单端输入, uo为单端输出,省去两 变压器, VD2反接,所以uc、 u输入互换, 保证uD1 = uc+u uD2 = uc-u i = iD1-iD2 R2、 R3分

59、别是VD1、VD2的串联电阻, R1是调平衡的， c2、 c3是VD1、VD2的反向平衡电容 c1是高频旁路电容，对c短路，对直流 及开路。 (2)二极管环形调制电路+-u+-u+-uVD1VD2VD3VD4i+-uc+-RLuOC uD1= uc+ u uD2= uc- u iD1= gDuD1k(Ct) iD2= gDuD2k(Ct) i L1= iD1-iD2= 2gDk(Ct)u uD3= -uc- u uD4= -uc+ u iD3 = gDuD3k(Ct-) iD4 = gDuD4k(Ct-) i L2= iD3-iD4= -2gDk(Ct-)u i= i L1+ i L2= 2g

60、Dk(Ct)u =2gD( cos2t- cos32t +) Ucost i(2n+1)c 从平衡调制电路得双平衡调制电路波形图 (图) (3)集成模拟乘法器调制电路 uo(t)= kuuc= kUcostUccosct = cos(c )t c- c+3c- 3c+uucuo 3. SSB调制电路 在DSB调制电路基础上滤除一边带,就得 SSB信号。 方法有滤波法,移相法 (1)滤波法 滤波法对滤波器要求很高,即有陡峭的过 渡衰减特性,如抑制度为40dB,要在600Hz 幅度衰减40dB,调制电路上边带滤波器uucuSSB (fc+F) SSB信号的带宽是DSB信号的一半,电路 Q值又受到限