第2章--高频电路基础.ppt

1、第2章高频电路基础，2.1高频电路中的元件、器件和元件2.2电子噪声，2.1高频电路中的元件、器件和元件2.1.1高频电路中的元件所有种类的高频电路基本上都由有源器件、无源元件和无源网络组成。高频电路中使用的元件与低频电路中使用的元件基本相同，但在高频使用时应注意其高频特性。高频电路中的元件主要是电阻、电容和电感，它们是无源线性元件。1高频电路中的元件1)电阻实际的电阻，其主要特征在于低频时的电阻，但在高频时不仅显示电阻，还显示电抗。电阻的电抗特性反映了其高频特性。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电阻器的高频等效电路；2)电容由两个

2、被电介质隔开的导体形成。电容的等效电路如图2 2(a)所示。理想电容的阻抗为1/(jC)，如图2 2(b)中的虚线所示，其中f为工作频率，=2f。图2-2电容器的高频等效电路(一)电容器的等效电路；电容器的阻抗特性；(3)电感高频电感与普通电感相同，电感是其主要参数。电感l产生的电感为jL，其中为工作角频率。高频电感也有自己的谐振频率SRF。在SRF上，高频电感的阻抗具有最大幅度，相位角为零，如图2 3所示。图2 3自谐振频率SRF，2高频电感2高频电路中的有源器件低频或其他电子电路中使用的器件没有本质上的不同。1)二极管半导体二极管主要用于高频检测、调制、解调、混频等非线性转换电路，工作在低

3、电平。2)高频使用的晶体管和场效应晶体管仍然是双极晶体管和各种场效应晶体管，它们比低频使用的晶体管性能更好，并且在外观和结构上不同。高频晶体管有两种类型：一种是用于小信号放大的高频低功率晶体管。对它们的主要要求是高增益和低噪声；另一种类型是高频功率放大器，除了增益之外，它在高频时还需要更高的输出功率。3)用于高频的集成电路的类型和种类远远少于用于低频的集成电路，后者主要分为一般型和特殊型。2.1.2高频电路中的元件高频电路中的无源元件或无源网络主要包括高频振荡(谐振)电路、高频变压器、谐振器和滤波器等。其执行诸如信号传输、频率选择和阻抗变换的功能。1.高频振荡电路高频振荡电路是高频电路中应用最

4、广泛的无源网络，也是高频放大器、振荡器和各种滤波器的主要组成部分。它完成电路中的阻抗变换和信号选择任务，可直接用作负载。1)简单振荡电路振荡电路是由串联或并联的电感和电容组成的电路。只有一个电路的振荡电路称为简单振荡电路或单一振荡电路。(1)串联谐振电路。图2 4(a)是最简单的串联振荡电路。图2-4串联振荡电路及其特性。如果将恒定电压信号施加到串联振荡电路的两端，则当发生串联谐振时，由于阻抗最小，流经电路的电流最大，这被称为谐振电流，其值为(2 1)、(2 2)、(2 3)。任意频率下回路电流与谐振电流的比值为(2 4)，其模式为，其中，(2)根据公式(2 6)，画出相应的曲线，如图2 5所

5、示，称为谐振曲线。图2 5示出了串联谐振电路的谐振曲线，图2 6示出了谐振期间串联谐振电路的电流和电压关系。在实际应用中，外部信号频率和谐振频率之间的差值当(2 7)、(2 8)和是广义失谐时，公式(2 5)可以写成(2 9)。当所施加信号的幅度保持不变并且其频率改变时，当环路电流值减小到谐振值时的相应频率范围被称为环路的通带，也称为环路带宽，其通常由b表示。如果等式(2-9)等于，则它可以被推至=1，使得带宽为的并联谐振电路。可以获得(210)和(2)。串联谐振回路适用于低内阻电源(如恒压源)或低阻抗电路(如微波电路)。图2-7并联谐振电路及其等效电路、阻抗特性和幅值特性(一)并联谐振电路；

6、等效电路；阻抗特性；(d)振幅特性，并联谐振电路的并联阻抗为(211)，使感抗等于容抗的频率定义为并联谐振频率0，因此Zp的虚部为零，解方程的根为0，可以得到，其中q是电路的品质因数。谐振时环路的最大阻抗是电阻r0、(212)、(2 13)和(214)。窄带系统通常使用并行环路，此时与0没有太大区别。等式(213)可以进一步简化为=-0。相应的阻抗模量和振幅分别为(215)、(216)和(217)。图2 8显示了并联振荡电路谐振期间电流和电压之间的关系。在示例1中，放大器设置有简单的并联振荡电路作为负载，信号中心频率fs=10兆赫兹，电路电容C=50pf。(1)尝试计算所需的线圈电感。(2)如

7、果线圈的品质因数为100，试着计算回路的谐振电阻和带宽。(3)如果放大器所需的带宽为B=0.5兆赫，环路中应并联多少个电阻以满足放大器所需的带宽？解决方案(1)计算L值。根据公式(2-2)，如果f0以兆赫(MHz)为单位，pF以单位，l以微亨利(h)为单位，则上述公式可以转化为实用的计算公式：并且如果f0=fs=10 MHz被替换，(2)可以获得环路的谐振电阻和带宽。根据公式(2-12)，环路带宽为，(3)，找到满足0.5 MHz带宽的并联电阻。假设回路上的并联电阻为R1，并联后的总电阻为R1R0，回路的总有载品质因数为QL。根据带宽公式，此时需要的带宽B=0.5 MHz，因此，环路的总电阻为

8、：2)抽头与振荡环路并联，需要7.97 k的电阻与环路并联。(2 18)，(2 19)，图2 9几个常见的抽头振荡电路，(2 20)，对于图2 9(b)的电路，其接入系数p可以直接用电容比表示为(2 21)，(2 22)，并且谐振时的回路电流il和IC与I之比较小，而不是q倍。根据图2-10中的电流源转换，以及图2-11中所示的示例2，抽头环路由电流源激励，忽略环路本身的固有损耗，试图找到环路两端的电压u(t)和环路带宽的表达式。可以看出，图2中11的例子2中的抽头环路的解可以被认为是Q，因为它忽略了环路本身的固有损耗。从图中可以看出，环路电容为，谐振角频率为，电阻R1的接入系数为，等效于环路

9、两端的电阻为，环路两端的电压u(t)和i(t)同相，电压幅值U=IR=2 V，因此输出电压为，环路具有负载品质因数和环路带宽；3)在高频电路中，有时使用两个耦合振荡电路。与激励信号源相连的电路称为初级电路，与负载相连的电路称为次级电路或负载电路。图2 12显示了两个常见的耦合电路。图2 12(a)是互感耦合电路，图2 12(b)是电容耦合回路。图2 12两个公共耦合回路及其等效电路(2 24)。对于图2 12(b)中的电路，耦合系数是(2 25)、(2 26)、(2 27)、(2 28)。耦合因子和初级串联阻抗可分别表示为，耦合阻抗为，等效于图2 12(c)中的电路。考虑到次级的反射阻抗，将上

10、述两个方程代入方程(2 29)，然后考虑其他关系，简化后得到(2 30)。根据相同的方法，电容耦合回路的转移阻抗特性可以获得为(2 32)、(2 31)、(2 33)、(2 34)，并且耦合回路的频率特性在图2 13、(2 35) (1)中。为了减少损耗，高频变压器通常使用具有高磁导率和低高频损耗的软磁材料作为磁芯。(2)高频变压器一般用于小信号情况，体积小，线圈匝数少。(2 36)，图2 14高频变压器磁芯结构(一)环形磁芯；(b)罐芯；双孔磁芯，图2.15高频变压器及其等效电路的电路符号(一)；等效电路，图2 16(a)是中心抽头变压器的示意图。在初级阶段，两个等匝数的线圈以相同的极性串联

11、，初级阶段的匝数比为n=N1/N2。作为理想的变压器，线圈之间的电压和电流关系分别为(238)和(237)。图2-16中心抽头变压器电路(a)中心抽头变压器电路；(2)传输线变压器是由缠绕在磁环上的传输线组成的高频变压器。图2 17显示了其典型结构和电路图。图2-17输电线路变压器典型结构及电路原理图(一)；(2)电路，(2 39)，(2 40)，图2 18输电线路变压器的运行模式(a)输电线路模式；变压器模式，图2.19传输线变压器的应用示例(一)高频逆变器；不平衡转换器；(c) 14阻抗转换器；3分贝耦合器，3。石英晶体谐振器1)物理特性石英晶体谐振器由天然或人造应时晶体片制成。2)等效电

12、路和阻抗特性图2 22是石英晶体谐振器的等效电路。从图2 22(b)可以看出，晶体谐振器是一系列并联振荡电路，其串联谐振频率fq和并联谐振频率f0分别为(2 41)。图2 22 (a)中晶体谐振器的等效电路包括包含泛音的等效电路；(b)谐振频率附近的等效电路，(2 42)，(2 43)，(2 44)，图2 22(b)所示等效电路阻抗的一般表达式是，忽略rq后，上述公式可简化为(2 45)，图2 23晶体谐振器电抗曲线，(2 46)，图2 24晶体滤波器电路。衰减特性，4。集中式滤波器1)陶瓷滤波器，图2-25陶瓷滤波器电路，2)声表面波滤波器图2-26 (a)中声表面波滤波器的传输函数是，(2

13、-47)，(2-48)，5。衰减器和匹配器1)高频衰减器，图2-28 T求和网络，图2-29 T电阻网络匹配器2.2电噪声，2.2.1概述所谓的干扰(或噪声)是除有用信号以外的所有不必要信号和各种电磁干扰的总称。2.2.2电子噪声的来源和特征1。电阻热噪声1)热噪声的电压和功率谱密度，(2 49)，(2 50)，图2 31电阻热噪声的等效电路，(2 51)，(2 52)，2)线性电路中的热噪声，(2 53)，(2 54)，图2 32热噪声(2 54)，并联回路可等效为Re jXe(图2 33(c)。现在看看上述输出噪声频谱密度与re和Xe之间的关系。与等式(2 55)相比，我们可以得到(2 5

14、5)和(2 56)。根据等式(255)和等式(256)，我们可以得到输出端的均方噪声电压。3)噪声带宽图2 32是一个线性系统，其电压传递函数为H(j)。如果输入电阻热噪声，均方电压频谱为SUi=4kTR，输出均方电压频谱为SUo，则输出均方电压为E2n2如果|H(j)|的最大值是H0，则可以定义等效噪声带宽Bn，即(2 57)，那么等效噪声带宽Bn为(2 58)。例如，图2 33中的单振荡电路。假设环路是一个高品质电路，谐振频率为f0。根据前面的分析并考虑高Q条件，该环路的|H(j)| 2可以近似为，其中f是相对于f0的频率偏移，因此等效噪声带宽可以如下获得：2。晶体管噪声1)散粒噪声，已知

15、并联环路的3 dB带宽为B0.7=F0/q。2)分布噪声3)闪烁噪声3)场效应晶体管噪声2.2.3噪声系数2 35是一个线性四端网络，其噪声系数定义为输入端的信噪比(信噪比)I与输出端的信噪比(信噪比)o之比，即噪声系数2 35的定义，其中KP考虑到KP=0/硅，等式(2-60)可以表示为(2-60)、(2-61)、(2-62)，并且噪声系数通常以分贝表示，即，(263)、(264)、(265)。根据公式(2 62)，等效于输入端的附加噪声为钠/钾，因此增加的温度为温度，即噪声温度，可通过公式(2 66)获得。因此，公式(2 62)可改写为(2 67)、(2 68)、2.2.4噪声系数的计算1用额定功率法计算额定功率，也称为资源功率或它是衡量信号源容量的参数和信号源的属性。它只取决于信号源本身的内阻和电动势，与输入电阻和负载无关，如图2-36所示。(2 69)，(2 70)，图2 36信号源的额定功率(a)电压源；(b)