高频电子线路第2章 高频电路基础

第2章高频电路基础《高频电子线路》1第2章高频电路基础2.1高频电路中的元器件2.2高频电路中的基本电路2.3电子噪声2.4噪声系数和噪声温度第2章高频电路基础《高频电子线路》概述•基本元器件（无源元件、有源器件）•基本电路（谐振回路、石英晶体振荡器、变压器等）•基本问题（选频滤波、阻抗变换）•基本方法（线性、非线性）•基本指标（小信号时的噪声系数、大信号时的非线性失真）第2章高频电路基础《高频电子线路》32.1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、高频电路中的无源元件1、电阻一个实际的电阻器,在低频时主要表现为电阻特性,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第2章高频电路基础《高频电子线路》4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2-1所示,其中,CR为分布电容,LR为引线电感,R为电阻。通常，表面贴装电阻的高频特性好于金膜电阻，金膜电阻好于炭膜电阻，线绕电阻的高频特性最差。LRCRR图2-1电阻的高频等效电路第2章高频电路基础《高频电子线路》52、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如图2-2（a）所示。理想电容器的阻抗1/(jωC),如图2-2（b）虚线所示,其中,f为工作频率,ω=2πf。高频电路中常常使用片状电容和表面贴装电容，因为其高频特性较好。图2-2(a)电容器的等效电路;（b）电容器的阻抗特性LCRCC(a)阻抗频率f(b)0自身谐振频率容性区感性区绝缘电阻引线电感第2章高频电路基础《高频电子线路》63、电感电感的作用：谐振元件、滤波元件、阻隔元件－扼流圈。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电阻——交流电阻。品质因素：定义为电路中无功功率与有功功率之比，是专门用来描述电路的能量耗损的。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。第2章高频电路基础《高频电子线路》7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所示。阻抗与相角阻抗相角频率fSRF0图2-3高频电感器的自身谐振频率SRF感性区容性区第2章高频电路基础《高频电子线路》8二、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：其最高工作频率约100～200MHz(2)表面势垒二极管：其最高工作频率约200～300MHz(3)变容二极管：其电容随偏置电压变化而变化。第2章高频电路基础《高频电子线路》92、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。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。高频场效应管与晶体管类似，其高频性能（小信号时的噪声、大信号时的非线性）比晶体管更好一些。第2章高频电路基础《高频电子线路》103、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50～60dB甚至更高，其工作频率可达100～200MHz甚至更高。第2章高频电路基础《高频电子线路》11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等功能。2.2高频电路中的基本电路第2章高频电路基础《高频电子线路》12一、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。1、简单振荡回路(只有一个回路)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。(1)、并联谐振回路1）电路结构第2章高频电路基础《高频电子线路》13LrCCIC.IR.R0IL.L0B11/2Q1＞Q2Q1Q20－/2/2感性Q2Q1Q1＞Q2容性Z(a)(b)(c)(d)＋－U.0|zp|/R0I.图2-4并联谐振回路及其等效电路、(a)并联谐振回路;（b）等效电路;（c）阻抗特性;（d）辐角特性并联谐振回路的并联阻抗为：1()1prjLjCZrjLjC(2-1)感性区容性区第2章高频电路基础《高频电子线路》142）谐振频率：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02111QLC式中,Q为回路的品质因数,有：001LQrCr1QLC10（2-4）（2-2）（2-3）第2章高频电路基础《高频电子线路》154）谐振电阻：回路在谐振时的阻抗最大,为一纯电阻R0：CQLQCrLR000（2-5）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。3）特征阻抗：定义为QrCL（2-6）第2章高频电路基础《高频电子线路》16001()pLCrZjQ（2-7）（2-8）并联回路通常用于窄带系统,即此时ω在ω0附近，有：式中,Δω=ω-ω0。5）阻抗特性高Q时，由式(2-1)可得：000000202002)(2))((ff第2章高频电路基础《高频电子线路》17（2-9）此时（窄带系统），回路阻抗可以进一步简化为式中,称为广义失谐。对应的阻抗模值与相角分别为202001)2(1RQRZp00211pRRZjjQ0022fQQf第2章高频电路基础《高频电子线路》18arctan)2arctan(0QZ（2-12）QIIICL（2-14）IL.IC.0I.U.图2-5表示了并联振荡回路中谐振时的电流、电压关系。第2章高频电路基础《高频电子线路》196）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。令式（2-15）等于,则可推得ξ=±1,从而可得带宽为：2120RQffB02(2-10)此外，对于并联谐振回路，还有以下参数：第2章高频电路基础《高频电子线路》207）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：707.01.01.0BBKr20.11019.96rK(2-11)第2章高频电路基础《高频电子线路》21需要说明的几点：通过前面分析可知(1)回路的品质因素越高，谐振曲线越尖锐，回路的通频带越狭窄，但矩形系数不变。因此，对于简单（单级）并联谐振回路，通频带与选择性是不能兼顾的。(2)前面的结论均是在“高Q”情况下，如果Q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。(3)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。其中的r为考虑负载后总的耗损电阻。第2章高频电路基础《高频电子线路》22例3-1：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。由式(2-4),可得第2章高频电路基础《高频电子线路》23CfCL20220)2(11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:CfCfL20620225330101)21(将f0=fs=10MHz代入,得uL07.5(2)回路谐振电阻和带宽。由式(2-12)kLQR8.311018.31007.510210046700第2章高频电路基础《高频电子线路》24回路带宽为kHzQfB1000(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200LLQBfQ此时要求的带宽B=0.5MHz,故根据可得，回路总电阻为：RQL第2章高频电路基础《高频电子线路》25kRRRkLQRRRR97.737.637.637.61007.5102200016701010需要在回路上并联7.97kΩ的电阻。（2）串联谐振回路串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻（如恒压源）的情况或低阻抗的电路（如微波电路）。图2-4（a）是最简单的串联振荡回路。第2章高频电路基础《高频电子线路》26LrCX00容性感性(a)(b)|ZS|r00(c)0－/20(d)/2图2-6串联谐振回路及其特性第2章高频电路基础《高频电子线路》27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)1(1CLjrCjLjrZSLC10（2-15）UrUI0在任意频率下的回路电流与谐振电流之比为I回路阻抗：谐振频率：第2章高频电路基础《高频电子线路》31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、相频特性与并联谐振回路成对偶关系。(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）。第2章高频电路基础《高频电子线路》322、抽头并联振荡回路在实际应用中，常用到激励源或负载与回路电感或电容部分连接联结的并联振荡回路，称为抽头并联振荡回路。如图2-7所示。(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。对于图(2-7)(a)，若忽略两部分之间的互感，则抽头系数可直接用电感之比，也可近似用匝数之比。对于图(2-7)(b)，可得TUpU(2-16)112TCUpUCC第2章高频电路基础《高频电子线路》33LCR0UUT(a)LC2R0UUTC1(b)LR1UC2C1(c)LR1UTC1C2(e)U1R1UT(d)U1LCUTIIL图2-7几种常见抽头振荡回路第2章高频电路基础《高频电子线路》34下面以图2-7(a)、(b)为例分析抽头并联振荡回路的特性。(2)阻抗变换特性对于图(2-7)(a)，考虑是窄带高Q的实际情况，当谐振时，输入端呈现的电阻设为R，从功率相等的关系，有：2200()TURRpRU（2-17）（2-18）22022TUURR当未谐振时，输入端呈现的阻抗为：002221QjRpZpZT（2-19）第2章高频电路基础《高频电子线路》35（2-21）pIIT（2-22(3)电流、电压变换特性由式(