高频电子线路高频电路基础学习教案

会计学1高频电子线路高频电路基础本章作业3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、3.18第2页/共94页

2.1高频电路中的元件、器件和组件

无源器件：电阻、电容、电感有源器件：二极管、晶体三极管、场效应管、集成电路选频回路阻抗变换网络

第3页/共94页 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,第4页/共94页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的高频等效电路如下图所示,其中,CR为分布电容,LR为引线电感,R为电阻。

电阻的高频等效电路第5页/共94页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（a）所示。理想电容器的阻抗1/(jωC),如图（b）虚线所示,其中,f为工作频率,ω=2πf。

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

第6页/共94页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jωL,其中,ω为工作角频率。高频电感器也具有自身谐振频率SRF。在SRF上,高频电感的阻抗的幅值最大,而相角为零,如下图所示。

高频电感器的自身谐振频率SRF

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2．高频电路中的有源器件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。点接触式，表面势垒，变容，PIN2）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第8页/共94页

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。

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。

第9页/共94页第10页/共94页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。第11页/共94页2.2选频网络谐振特性、选频特性谐振特性、选频特性串并联互换公式谐振频率、谐振阻抗、回路Q值第12页/共94页

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。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。高频振荡回路主要有：串联谐振回路、并联谐振回路、耦合谐振回路。

第13页/共94页谐振特性谐振定义、谐振频率、谐振阻抗、输出电流、支路电流、特性阻抗ρ、品质因数Q、选频特性频率响应、幅频特性、带宽、阻抗特性、电抗特性、阻抗的相频特性第14页/共94页1、谐振及谐振条件当外加电压振荡频率等于串联回路自然谐振频率时，电路发生谐振。此时，回路电流最大，回路阻抗呈纯阻性。谐振频率第15页/共94页

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

称为谐振电路的特性阻抗第16页/共94页2、谐振特性

串联谐振回路电抗特性第17页/共94页串联谐振又称为电压谐振，Q称为品质因数第18页/共94页3、能量关系回路谐振时，电感线圈中的磁能与电容器中的电能周期性的转换。电抗元件不消耗外加电动势。外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持等幅振荡，所以谐振时回路中电流最大。品质因数第19页/共94页4、谐振曲线和通频带在任意频率下的回路电流与谐振电流之比为其模为：其中,归一化谐振电流归一化谐振电流振幅第20页/共94页

串联谐振回路的谐振曲线Q为回路的品质因数,它是振荡回路的另一个重要参数。根据上式画出相应的曲线如下图所示,该曲线称为谐振曲线。第21页/共94页

在实际应用中,外加信号的频率ω与回路谐振频率ω0之差Δω=ω-ω0表示频率偏离谐振的程度,称为失谐。当ω与ω0很接近时,

为广义失谐,则归一化谐振电流振幅表达式可写成第22页/共94页当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时,将回路电流值下降为谐振值的时对应的频率范围称为回路的通频带,也称回路带宽,通常用B来表示。令归一化电流振幅表达式等于,则可推得ξ=±1,从而可得带宽。

这种带宽计算方式仅适用于窄带情况，即的情况。

或者说的情况。第23页/共94页串联谐振回路的通频带第24页/共94页5.相频特性曲线Q值越大，电流相频特性曲线在谐振频率附近的变化越陡峭。第25页/共94页第26页/共94页6、信号源内阻及负载对串联谐振回路的影响定义有载品质因数与此相对应的定义为空载品质因数第27页/共94页显然，,这使得串联回路通频带变宽，选择性变差。串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻（如恒压源）的情况或低负载阻抗的电路（如微波电路）。第28页/共94页谐振特性谐振定义、谐振频率、谐振阻抗、输出电流、支路电流、特性阻抗ρ、品质因数Q、选频特性频率响应、幅频特性、带宽、阻抗特性、电抗特性、阻抗的相频特性并联谐振回路的等效电路信号源内阻与负载对回路的影响第29页/共94页1、谐振特性

并联谐振回路及其等效电路、阻抗特性和辐角特性(a)并联谐振回路（b）等效电路（c）谐振特性曲线（d）电抗特性第30页/共94页

定义使感抗与容抗相等的频率为并联谐振频率ω0,令Zp的虚部为零,求解方程的根就是ω0,可得

式中,Q为回路的品质因数,有当时,。回路在谐振时的阻抗最大,为一电阻R0并联谐振回路的并联阻抗为第31页/共94页并联回路通常用于窄带系统,此时ω与ω0相差不大,式（2—13）可进一步简化为式中,Δω=ω-ω0。对应的阻抗模值与幅角分别为?第32页/共94页上图表示了并联振荡回路中谐振时的电流、电压关系。并联回路谐振时，表现为电流谐振。第33页/共94页2、选频特性在任意频率下的回路电压与谐振电压之比为由此可得如右图所示的并联谐振回路选频特性曲线第34页/共94页与串联谐振回路类似，我们可以得到并联谐振回路的带宽为如右下图所示第35页/共94页并联谐振回路的相频特性曲线如下图所示：感性容性第36页/共94页3、并联谐振回路的等效回路实际电路等效电路第37页/共94页串并联等效互换其中第38页/共94页4、信号源内阻与负载

对回路的影响有载Q值其中第39页/共94页信号源内阻和负载电阻的引入，使得回路等效品质因数下降，通频带增宽，选择性变差信号源内阻和负载电阻越小，有载品质因数下降越多，影响越严重第40页/共94页

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?

解

(1)计算L值。由可得：第41页/共94页将f0以兆赫兹(MHz)为单位,Ｃ以皮法(pF)为单位,L以微亨（μH）为单位，上式可变为一实用计算公式:

将f0=fs=10MHz代入,得(2)回路谐振电阻和带宽。第42页/共94页回路带宽为(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7.97kΩ的电阻。第43页/共94页耦合振荡回路不做要求，请有兴趣的同学自学！第44页/共94页

第45页/共94页耦合谐振回路谐振特性1部分谐振调整初级回路参数，保持互感M和次级回路参数不变，使初级回路满足串联谐振的条件；同理也存在次级回路部分谐振。2复谐振在部分谐振的条件下，调整互感M使初级回路或次级回路满足最大功率传输条件，即反射电阻等于回路自电阻。3全谐振与最佳全谐振初次级回路同时调谐到信号源频率上，使初次级回路同时发生谐振，此时称为全谐振。在此条件下，如果调整互感M使得初次级回路满足匹配条件，称为最佳全谐振，此时的耦合状态称为临界耦合状态。4最佳全谐振状态下的互感M，耦合系数K和通频带B。第46页/共94页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。 它的主要特征有压电效应，固有谐振频率，温度系数，拐点温度，基音谐振器与泛音谐振器。2)等效电路及阻抗特性fq和并联谐振频率f0分别为第47页/共94页第48页/共94页第49页/共94页(a)包括泛音在内的等效电路;(b)谐振频率附近的等效电路第50页/共94页在忽略rq后,上式可化简为第51页/共94页第52页/共94页 我们通过一组晶体谐振器的参数来了解一下晶体谐振器的几个重要特点：某晶体的参数如下：Lq=4.00HCq=0.0063pFRq=100~200ΩC0=2~3pF1品质因数非常大。Lq很大，Cq=0.0063pF2f0与fq相差不大。C0>>Cq3等效电路接入系数P很小，与外电路的耦合很弱。C0>>Cq，在应用中常常在晶体两端并联一个电容CL称其为负载电容。4晶体在工作频率附近的阻抗变化率很大，并联谐振阻抗很大。5石英晶体两个谐振频率之间的宽度决定了石英晶体滤波器的通带宽度。第53页/共94页（a）滤波器电路;（b）衰减特性第54页/共94页

集中选频滤波器

1)陶瓷滤波器

第55页/共94页第56页/共94页2)声表面波滤波器图2—26(a)中的声表面波滤波器的传输函数为

第57页/共94页第58页/共94页2.3阻抗变换Π型和T型变换网络

窄带阻抗变换网络第59页/共94页部分接入与全接入自耦变压器耦合双电容耦合变压器耦合抽头系数与电压源之间的变比关系抽头系数与电流源之间的变比关系第60页/共94页

几种常见抽头振荡回路

第61页/共94页1、部分接入与全接入抽头接入系数定义为与外电路相接的电抗与谐振回路中与该电抗同性质的总电抗的比值。第62页/共94页12R负载R要如何连接至选频回路才能获得全接入呢？第63页/共94页2、自耦变压器耦合接入系数全接入电阻线圈匝数由功率等效推导而来abc第64页/共94页3、双电容耦合接入系数全接入电阻第65页/共94页4、变压器耦合接入系数全接入电阻初级线圈匝数次级线圈匝数第66页/共94页5、电压源的折合接入系数全接入电压源线圈匝数第67页/共94页6、电流源的折合接入系数全接入电流源第68页/共94页7、小结接入系数p是在的条件下得出的,若不能满足这个条件，则只能用串并联阻抗变换的方法进行计算。由低抽头到高抽头折合时，等效电阻提高，这使得回路品质因数提高。第69页/共94页

例1u(t)的表示式及回路带宽。

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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谐振谐振电阻第71页/共94页

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第72页/共94页L型阻抗变换网络是一种无源窄带变换网络。它由两个不同性质的电抗元件组成。它即能完成阻抗变换功能也能完成滤波功能。第73页/共94页L型网络的两种形式变换网络变换网络信号源内阻为，负载电阻为，电路工作频率为，选用合适的L型网络，将变换为，并求出匹配网络中L和C的值。第74页/共94页L型匹配网络设计（1）

——问题描述已知：信号源内阻和负载电阻，工作频率求：L型匹配网络的电路结构和元件参数第75页/共94页L型匹配网络设计（2）

——确定结构此时，应当由并联形式向串联形式变换，或者把由串联形式向并联形式变换。并串变换以为例第76页/共94页L型匹配网络设计（3）

——确定滤波器性质选用低通滤波器，为电感，为电容第77页/共94页L型匹配网络设计（4）

——计算参数由此，可求得L和C阻抗匹配谐振条件第78页/共94页L型匹配网络设计（5）

——小结L型网络仅在工作频率处发生谐振，电抗抵消，完成了两电阻间的阻抗变换，因此它是一个窄带阻抗变换网络。与部分接入阻抗变换相比，L型匹配网络不需要满足Q值很大的条件。L型匹配网络的回路Q值为可见，因此其Q值是不能选择的。L型网络不能同时满足变换前后阻值相差不大，且Q值较高的条件。此时应使用T型或π网络。第79页/共94页Π型和T型网络可以解决L型网络解决不了的阻抗变换比例和滤波性能之间的矛盾。Π型和T型网络均可以看做是两个L型网络的组合。Π型网络阻抗变换的特点是高—低—高。T型网络阻抗变换的特点是低—高—低。第80页/共94页Π型网络的计算（1）

——问题描述已知：信号源内阻和负载电阻，工作频率信号源端或者负载端的Q值求：Π型匹配网络的电路结构和元件参数第81页/共94页Π型网络的计算（2）

——求解思路可以将一个Π型网络分解为两个L型网络，它们的Q值分别为Q1和Q2，这样和进行并串转换后得到的等效电阻应当是相等的，该电阻记为。并且，和中较大的那一个所在的支路应当具有较大的Q值。第82页/共94页Π型网络的计算（3）

——计算过程信号源侧负载侧假定Q1已知，可得到如下结论：第83页/共94页Π型网络的计算（4）

——计算过程应用条件：第84页/共