高频电子线路(第二章)

第二章高频电路基础刘桂云2009.02.18/2011.02.18§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电子噪声及其特性§2.4噪声系数和噪声温度§2.1高频电路中的元器件高频电路基本组成:有源器件、无源元件和无源网络。高频电路中使用的元器件与在低频电路中的基本相同,不同在于它们在高频使用时的高频特性。高频电路中的元件主要有电阻(器)、电容(器)和电感(器)，都属于无源的线性元件。2.2.1高频电路中的元件1.高频电阻电阻器：低频时，电阻特性；高频时，电阻特性,电抗特性（高频特性）。LRCRR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。图2.1电阻的高频等效电路一般，电阻的高频特性：金属膜电阻碳膜电阻绕线电阻；表面贴装电阻引线电阻；小尺寸电阻大尺寸电阻。频率越高，电阻器的高频特性越明显。使用时，尽量减小高频特性的影响，使之表现为纯电阻。金属膜电阻碳膜电阻线绕电阻一个高频电容器的等效电路如图2.2（a）所示，其中Rc为极间绝缘电阻，Lc为等效电感。理想电容器的阻抗为1/(jωC),如图2.2（b）虚线所示，实际特性如实线所示，存在自身谐振频率SRF。LCRCC(a)阻抗频率f(b)0图2.2(a)电容器的等效电路;（b）电容器的阻抗特性2.高频电容高频电感主要用作谐振元件、滤波元件和阻隔元件，一般由导线绕制而成。在高频电路中，高频电感的损耗电阻主要是交流电阻，频率越高，高频电感的损耗越大。一般由品质因数Q来表征其损耗性能。Q值越高，电感的储能作用越强，损耗越小。一般，在中短波段和米波波段，高频电感可等效为电感和电阻串联或并联；工作频率更高时，等效电路还应考虑分布电容的存在，与电感并联。3.高频电感理想电感器L的感抗为jωL。实际高频电感器存在分布电容、损耗电阻，因此也有自身谐振频率SRF。实际高频电感器特性如图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SRF2.2.2高频电路中的有源器件主要有二极管、晶体管和集成电路,完成信号的放大、非线性变换等功能。1.二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。主要有点触式二极管和表面势垒二极管，其极间电容小，工作频率高。变容二极管：PN结反偏时，势垒电容随反偏电压变化而变化。用于振荡回路、电调谐器等。PIN二极管：高频等效电阻受正向电流控制。用作电可控开关，限幅器等。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。2.晶体管与场效应管（FET）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,对其主要要求是高增益和低噪声;另一类为高频功率放大管,除了增益外,要求其在高频时有较大的输出功率。§2.2高频电路中的基本电路基本电路有高频振荡回路、高频变压器、谐振器与滤波器等，主要完成信号的传输、频率选择以及阻抗变换等功能。2.2.1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,主要完成阻抗变换、信号选择等任务,并可直接作为负载使用。振荡回路就是由L和C串联或并联形成的回路。（1）并联谐振回路并联谐振回路由于阻抗较大，且有阻抗变换功能，在电路中除用作选频和滤波网络外，常直接作为放大器的负载使用。1.简单振荡回路谐振特性：简单振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有阻抗最大和最小值的特性。特定频率为谐振频率。LrCCIC.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电路如图2.4（a）所示，其并联阻抗为：CjLjrCjLjrZP11)(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CrrLQQLC00201111当时,1QLC10CQLQCrLR000回路在谐振时的阻抗最大,为一纯电阻R0称为回路的中心频率。jRjQRZjQCrLZPP121)(10000并联回路通常用于窄带系统,此时ω与ω0相差不大,上式可进一步简化为：式中,Δω=ω-ω0，为失谐;ξ=2Q△ω/ω0为广义失谐。对应的阻抗模值与幅角分别为202001)2(1RQRZP高Q条件下，并联回路在谐振频率附近的阻抗可表示为：arctan)2arctan(0QZ3dB通频带：阻抗振幅特性下降为谐振值的时对应的频率范围，通常用dB来表示。令式Zp/R0等于,则可推得ξ=±1,从而可得带宽为2121QffB07.02QfB021.011.0196.91.0K通频带和矩形系数：矩阵系数：Kr0.1=B0.1/B0.707对于并联谐振回路，QIIICLIL.IC.0I.U.图2.5并联振荡回路中谐振时的电流、电压关系并联谐振时，电流、电压关系：例2-1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:CfCL20220)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07.5L(2)回路谐振电阻和带宽。由公式得kLQR8.311018.31007.510210046700(1)计算L值。由公式可得回路带宽为：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,故回路总电阻为kRRRkLQRRRR97.737.637.637.61007.5102200016701010(2)串联谐振回路。图2.6（a）是最简单的串联振荡回路。LrCX00容性感性(a)(b)|ZS|r00(c)0－/20(d)/2图2.6串联振荡回路及其特性II0Q1＞Q2Q1Q20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UrUI0在任意频率下的回路电流与谐振电流之比为I串联谐振回路阻抗为：回路中心频率为：)(11)(11111000000jQrLjrCLjZrrUZUIISSCrrLQQII00200201)(11其模为其中,UL.UC.0U.I0.图为串联回路在谐振时的电流、电压关系串联回路谐振时电流、电压关系：UL=UC=QULCR0UUT(a)LC2R0UUTC1(b)LR1UC2C1(c)LR1UTC1C2(e)U1R1UT(d)U1LCUTIIL图2—7几种常见抽头振荡回路负载或信号源与回路电感或电容部分相接。2.抽头并联振荡回路TUUp采用抽头回路，可以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进行阻抗变换。在这种部分接入方式电路中，有一个回路与外电路之间的调节因子——抽头系数p。p定义：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。表达式：0202202)(22RpRUURRURUTT电路分析对于图2.7（a）、（b）电路，回路窄带高Q，电路谐振，ILI。当谐振时，输入端呈现的电阻设为R，由功率相等，有对于（a）电路，p=（L1+M）/L或p=N1/N对于（b）电路，p=C1/(C1+C2)——电阻折合式。002221QjRpZpZT电路失谐不大，p又不是很小的情况下，输入端阻抗也有类似关系:信号源折合关系：对于电压源，U=pUT对于电流源（如图2-8），IT=pIRiLCRLRiTLCRLIIT图2-8电流源的折合RUIRQULUITTL0谐振时的回路电流IL和IC与I的比值要小些,而不再是Q倍。由pQIIQRRUUIILTL0P越小，IL与I比值越小，将不满足假设条件ILI。3.耦合振荡回路主要功能：1.阻抗变换；2.较好的频率特性。图2-10是两种常见的耦合回路。（a）是互感耦合电路,(b)是电容耦合回路。在高频电路中,有时用到两个互相耦合的振荡回路,也称为双调谐回路。接有激励信号源的回路称为初级回路,与负载相接的回路称为次级回路或负载回路。L2C2R2L1C1MR1I.U1.U2.R1L1C1C2L2R2I.U1.CCU2.L2r2L1C1Mr1I2.I1.E.＝jC1I.＋－r2＋－L1L2C1C2′′Cmr1(a)(b)(c)(d)C2E＝jL1I.图2—10两种常见的耦合回路及其等效电路21212LLMLLMk对于（b）电路,耦合系数为))((21CCCCCCCCk22222ZMZZZmf耦合系数k——反映两回路的相对耦合程度。反映阻抗：对于（a）电路，耦合因子：A=kQjAACQjZ2122021jAALjQZ2122021同样方法可得电容耦合回路的转移阻抗特性为：电感耦合回路转移阻抗为：2222max21214)1(2AAZZ4max21214111ZZ归一化转移阻抗：转移阻抗：临界耦合时，A=1，k0=1/QQfB07.021.37.01.01.0BBK通频带：矩形系数：|Z21|max|Z21|10.707k＝k0k＞k0k＜k0ff1faf0fbf20图2-11耦合回路的频率特性2.2.2高频变压器和传输线变压器高频变压器与低频不同：(1)为了减少损耗,高频变压器常用导磁率μ高、高频损耗小的软磁材料作磁芯。(2)高频变压器一般用于小信号场合,尺寸小,线圈的匝数较少。故磁芯的结构形状与低频时不同，主要采用环形结构和罐形结构，如图2—12（a）（b），还有双孔结构，如2—12（c）。1.高频变压器高频变压器常用于几十兆赫兹以下的高频电路中，进行信号传输，阻抗变换，隔绝直流。N1N2(a)LSCSLN1N2(b)(a)(b)(c)图2-12（a）环形磁芯;(b)罐形磁芯;(c)双孔磁芯图2-13(a)电路符号;(b)等效电路高频变压器近似等效电路如下图：)(213321IInInUUUN1N1U1.U2.＋－＋－I1.I2.N2＋－I3.(a)(b)Z1Z2Z4Z3n:1U3.设初次级匝比n=N1/N2。作为理想变压器看待,线圈间的电压和电流关系分别为中心抽头变压器：可用作功率分配器、功率合成器、平衡桥电路，也可与有源器件组合构成非线性变换电路。电路如图2-14。图2-14（a）中心抽头变压器电路;（b）作四端口器件应用磁环42132143(a)(b)图2-15(a)结构示意图;（b）电路利用绕制在磁环上的传输线而构成的高频变压器。用于频率较高的电路中，工作频带宽。图2-15为其典型的结构和电路图。2.传输线变压器＋－RSES1324U1.RL＋－U2.ZCI.＋－RSES1234U1.RL＋－UL(a)(b)I.图2-16(a)传输线方式;(b)变压器方式传输线变压器有两种工作方式：传输线方式和变压器方式，如图2-16所示。rrfvcv0传输线主要