第2章--高频电路基础--高等教育出版社

1、1,第二章 高频电路基础,2.1 高频电路中的基本元器件 2.2 高频电路中的基本电路 2.3 电子噪声及其特性 2.4 噪声系数温度,第一节 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。 一、高频电路中的元件 1、高频电阻 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

2、频特性。,2, 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。 电阻器的高频特性与制作电阻的材料、电阻的封闭形式和尺寸大小有密切关系。 通常金膜电阻好于炭膜电阻，而碳膜电阻比线绕电阻的高频特性好；表面贴装电阻比引线电阻的高频特性好；小尺寸的电阻比大尺寸的电阻特性好。,图 2-1 电阻的高频等效电路,3,2、高频电容 由介质隔开的两导体即构成电容。 一个高频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/(jC), 如图2-2（b）虚线所示, 其中, f为工作频率, =2f。 高频电路中常常使用片状电容和表面贴装电容，因为其高频特性

3、较好。,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,自身谐振频率,容性区,感性区,4,3、高频电感 电感的作用：谐振元件、滤波元件、阻隔元件。 电感的耗损：电感一般都是由导线绕制的，一般都有一定直流电阻，同时由于存在涡流、磁滞和电磁辐射等损失，所以电感就存在耗损。 品质因素：定义为高频电感的感抗与其串联损耗电阻之比。-表示高频电感的损耗性能。 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jL, 其中, 为工作角频率。,5,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, 如图2-3

4、所示。,图 2-3 高频电感器的自身谐振频率SRF,感性区,容性区,6,二、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 二极管的作用：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。 常用高频二极管的类型： (1) 点触式二极管：其工作频率可到100200MHz (2) 表面势垒二极管：其最高工作频率可至微波范围。 (3) 变容二极管：其电容随偏置电压变化而变化。,7,2、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，通常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

5、。 高频晶体管有两大类型: (1) 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; (2) 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。,8,3、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。 目前通用型的宽带集成放大器，其增益可达5060dB甚至更高，其工作频率可达100200MHz甚至更高。,9,本节将介绍高频电路中常用的基本（无源）电路，也称无源组件或无源网络，这些无源组件或无源网络主要包括：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

6、等功能。,第二节 高频电路中的基本电路,10,11,典型的高频小信号谐振放大器,12,电容反馈式振荡电路,13,图612 集电极调幅电路 (过压区),14,混频电路 晶体三极管混频器,图656 晶体三极管混频器原理电路,15,图720 晶体振荡器直接调频电路 （a）实际电路;（b）交流等效电路,一、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。 下面分简单振荡回路、抽头并联振荡回路和耦合振荡回路三部分来讨论。 1、简单振荡回路(只有一个回路) 振荡回路就是由电感

7、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。 简单振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最大或最小值的特性称为谐振特性，这个特定频率称为谐振频率。,16,(1)、并联谐振回路 1）电路结构,L 的等效损耗电阻,r L,时，回路并联谐振,17,2）谐振频率,3）谐振电阻：回路在谐振时的阻抗最大, 为一纯电阻R0：,18,4）特性阻抗,通常将谐振时感抗和容抗的数值称为回路的特性阻抗，用表示。,5）品质因数,由前面分析可知：若电感的耗损电阻越小，回路的Q值越高，其谐振电阻R0越大。,它反映谐振回路损耗的大小,19,6）阻抗特性,式中, =-0。 称为广义失谐。,通常

8、，谐振回路研究0附近的频率特性,则可得,20,对应的阻抗模值与相角分别为,（c)阻抗特性; （d）辐角特性,21,（c)阻抗特性; （d）辐角特性,这对曲线说明了并 联谐振回路具有怎 样的频率特性？,22,（c)阻抗特性; （d）辐角特性,谐振时，回路相移为零，回路阻抗最大且为纯电阻。,失谐时，回路有相移，且回路阻抗下降。,0 时, 回路呈容性，相移为负； 0 时, 回路呈感性，相移为正；,Q 值增大，曲线变陡,-90 90,23,7）通频带（半功率点频带） 当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时, 将回路电压值下降为谐振值的 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B0.7

9、07来表示。 令等于 , 则可推得=1, 从而可得带宽为：,频率的变化导致了输出电压的变化，非谐振时的电压下降到谐振时电压的 时的频率范围，为谐振回路的带宽。,24,8）矩形系数：定义为阻抗的幅频特性下降为谐振值的0.1时的频带宽度与阻抗的幅频特性下降为谐振值的0.707时的频带宽度之比。即 其中：B0.1谐振曲线下降为谐振值的 0.1时的频带宽度 B0.707谐振曲线下降3dB的频带宽度 矩形系数是大于1的（理想时为1），矩形系数越小，回路的选择性越好。 对于单级简单并联谐振回路，可以计算出其矩形系数为：,25,需要说明的几点：通过前面分析可知 (1) 前面的结论均是在“高Q”情况下，如果Q

10、值较低，并联谐振回路的谐振频率将低于高Q时的谐振频率，并使谐振曲线和相位特性随着Q值而偏离。 (2) 以上所知品质因素均是指回路没有外加负载时的值，称为空载Q值或Q0。当回路有外加负载时，品质因素要用有载Q值或QL表示。,26,并联谐振回路的等效电路,证明,当r L时,27,信号源及负载对谐振回路的影响,= RL / RS /RP,有载品质因数：,空载品质因数：,RT Rp,信号源及负载使回路品质因数下降, 通频带变宽，选择性变差,28,29,1，并联阻抗,2，谐振频率,3，谐振时的阻抗,4，品质因数,5，失谐量 =-0。,7，阻抗模值,8，阻抗幅角,回路参数一览：,30,10，回路的特性阻抗

11、：感抗和容抗的数值,回路的特性阻抗与回路电阻r之比称为回路的品质因数。,12，谐振电流,11，矩形系数,阻抗3Q频率2Q电流1Q,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=50 pF,(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=0.5 MHz, 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?,31,解:,(1) 计算L值。 由式(2 2), 可得,将f0以兆赫兹(MHz)为单位, 以皮法(pF)为单位, L以微亨（H）为单位， 上式可变为一实用计算公式

12、:,将f0=fs=10 MHz代入, 得,(2) 回路谐振电阻和带宽。由式(2 -12),回路带宽为,C,32,(3) 求满足0.5 MHz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R1R0, 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=0.5 MHz, 故,回路总电阻为,需要在回路上并联7.97 k的电阻。,L,33,（2） 串联谐振回路 *,图2-6 串联谐振回路及其特性,34,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,回路阻抗：,谐振频

13、率：,35,其模为,其中：,2 -5,36,根据式（2 -5）画出相应的曲线如图2 6所示, 称为谐振曲线。,图2-6 串联谐振回路的 谐振曲线,图2-7 串联回路在谐振时的 电流、 电压关系,37,当保持外加信号(电压)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B0.707来表示。 令式（2 - 9）等于 , 则可推得=1, 从而可得带宽为.,频率的变化导致了电流的变化，非谐振时的电流下降到谐振时电流的 时的频率范围，为谐振回路的带宽。,（2 - 9）,38,串联谐振回路总结： (1) 在串联谐振回路的阻抗特性、幅频特性

14、、相频特性与并联谐振回路成对偶关系。如图2-6所示。 (2) 谐振频率、品质因素、通频带、矩形系数等与并联谐振回路相同（高Q时）。 (3)串联谐振回路适用于电源内阻小（如恒压源）的情况或低阻抗的电路。,39,2、 抽头并联振荡回路,在实际应用中常常有激励源或负载与回路电感或电容部分连接的并联振荡回路抽头并联振荡回路。如图2-9,图2 9 几种常见抽头振荡回路,抽头回路的作用：通过改变抽头位置或电容分压比来实现回路与信号源的阻抗匹配，或者进行阻抗变换。,40, (1) 接入系数p：定义为与外电路相连的那部分电抗与本回路参与分压的同性质总电抗之比。也可定义为电压之比。,计算p时，若抽头部分为电感,

15、忽略互感时,不忽略互感时,若抽头部分为电容,对于紧耦合的线圈电感或带抽头的高频变压器,UTU, p1,41,负载部分接入,由功率相等：,(2) 部分接入折合关系,对于负载部分接入,对于信号源部分接入,信号源部分接入,由功率相等：,电阻、电导的折合,42,电流源、电压源的折合,对于图(2-8)所示得电流源，利用能量守恒关系，容易得到其折合关系为：,图 2-8 电流源的折合,电容的折合,实际应用中，除了阻抗需要折合外，电流源和电压源也需要折合,43,（3）对于抽头并联振荡回路，对阻抗变换的变比为p2，而对信号源（电流、电压）的变比为p。,总结： （1）抽头改变，接入系数P改变； （2） 由低抽头折

16、合到回路高端时，等效电阻提高了 倍，Q值提高许多。,44,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,45,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,46,回路两端电压u(t)与i(t)同相, 电压振幅 U=IR=2 V, 故,输出电压为,回路有载品质因数,回路带宽,47,例3 下图中，线圈匝数 N12 = 10 匝， N13 = 50 匝， N45 = 5 匝，L13= 8.4 H, C = 5

17、1 PF, Q0 =100, Is = 1 mA , RS =10 k, RL= 2.5 k, 求有载品质因数QL、通频带BW0.7、谐振输出电压Uo。,= 250 k,= 250 k,解：将Is 、RS 、 RL均折算到并联谐振回路1-3两端,= 40.6 k,48,RT = Rs / R0 /RL,= 30.6 k,BW0.7 = f 0 / QT =103 kHz,49,3、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： 选频特性不够理想 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。,50,耦合振荡回路, 也称为双

18、调谐回路。它是由两个单振荡回路通过不同的耦合方式组成。 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。 在高频电路中，耦合振荡回路主要完成以下两方面的功能：A、阻抗变换 B、提供比简单谐振回路更好的频率特性。,51,图 2-10 两种常见的耦合回路及其等效电路,52,对于图 2-10（b）电路, 耦合系数为,1）耦合系数k：表示耦合回路中两个回路耦合程度强弱的量。 是指耦合电路中的耦合电抗Zm与初次级中与Zm同性质两电抗的几何平均值之比。 对于图 2-10（a）电路, 耦合系数为,耦合阻抗为：,53,2）反映（射）阻抗Zf ：,I2要在一次侧产生反电动势，此作

19、用可以用在一次回路中引入一反映（射）阻抗来等效。,54,次级回路对初级回路的反射阻抗Zf1,55,3)耦合回路的调谐,部分谐振 改变初级（或次级）的电抗参数，而互感M和其它参数不变，使初级（或次级）发生谐振，叫部分谐振 。 例如初级发生部分谐振时，有,复谐振 在部分谐振条件下，再改变互感量，使反射电阻Rf1等于回路本身电阻r1，即满足最大功率传输条件，使次级回路I2达到可能达到的最大值，称为复谐振。,56,全谐振与最佳全谐振 当初级和次级谐振同一频率叫全谐振，如果再达到共轭匹配，叫最佳全谐振,可见，最佳全谐振是复谐振的一个特例，但需要的互感要比复谐振要小，此时互感耦合叫临界耦合，且耦合系数为,

20、57,注意：这里的品质因数Q1和Q2是没有互感时初级和次级回路的品质因数。 当两回路参数完全相同时,58,耦合因子定义为：,4）耦合因子,表示耦合回路耦合相对强弱的一个重要参量。,4）耦合回路的频率特性,A=1时, 为临界耦合 A1时，叫强耦合,59,图 2-11 耦合回路的频率特性,A1时，曲线较尖，带宽窄，其最大值也较小。 A=1，曲线顶部较平缓,60,在临界耦合时，其矩形系数为3.15，显然比简单谐振回路小的多。,矩形系数,类似单谐振回路，可以求出回路带宽（当 时）：,通频带：,61,62,2. 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

21、行耦合的。 (2) 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。 (3) 高频变压器一般用于小信号场合, 尺寸小, 线圈的匝数较少。 (4) 作用是传输信号、阻抗变换,63,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,64,2) 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 传输线变压器的典型结构和电路 (a) 结构示意图; （b） 电路,65,（2 39）,（2 40）,图 2 18 传输线变压器的

22、工作方式 (a) 传输线方式; (b) 变压器方式 在传输线的任一点上，两导线上流过的电流大小相等、方向相反。,66,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） 14 阻抗变换器; (d) 3 分贝耦合器,67,3. 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。,（2 41）,68,69,70,2) 等效电路及阻抗特性 图 2 22 是石英晶体谐振器的等效电路。 由图 2 22(b)可看出, 晶体谐振器是一串并联的振荡回路, 其串联谐振频率fq和并联谐振频率f0分别为,71,图 2 22 晶体谐振器的等效电路 (a) 包括泛音在