高频电子线路课件第2章高频电路基础.ppt

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1、第2章 高频电路基础下页第第2章章 高频电路基础高频电路基础 2.1 高频电路中的元件、高频电路中的元件、器件和组件器件和组件 2.2 电子噪声电子噪声 第2章 高频电路基础下页 2.1 高频电路中的元件、高频电路中的元件、器件和组件器件和组件 2.1.1高频电路中的元器件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。1 高频电路中的元件高频电路中的元件 1）电阻 一个实际的电阻器,在低

2、频时主要表现为电阻特性,第2章 高频电路基础下页 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。其高频特性与电阻的材料、封装形式、尺寸大小，以及使用的频率等有关。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。LRCRR 图 2 1 电阻的高频等效电路 第2章 高频电路基础下页 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。图2 2 电容器的高频等效电路 (a)电容器的等效电路

3、;（b）电容器的阻抗特性 LCRCC(a)阻抗频率 f(b)0第2章 高频电路基础下页 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jL,其中,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 第2章 高频电路基础下页 2 高频电路中的有源器件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。2）晶体管与

4、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。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和低噪声;另一类为高频功第2章 高频电路基础下页 率放大管,除了高增益外,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。2.1.2高频电路中的组件高频电路中的组件 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、滤波及阻抗变换等功能。第2章 高频电路基础下页

5、1.高频振荡回路高频振荡回路 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、滤波等任务,并可直接作为负载使用。1)简单振荡回路简单振荡回路 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）串联谐振回路。串联谐振回路。图2 4（a）是最简单的串联振荡回路。第2章 高频电路基础下页LrCX 00容性感性(a)(b)|ZS|r00(c)0/20(d)/2 图2 4 串联震荡回路及其特性 第2章 高频电路基础下页 若在串联振荡回路两端加一恒压信号 ,则发生串联谐振时

6、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（2 1）LC10（2 2）UrUI0（2 3）任意频率下的回路参数X与谐振时回路参数X0之比称为单位谐振函数，用（）表示。（）曲线称为单位谐振曲线。第2章 高频电路基础下页)(11)(11111000000jQrLjrCLjZrrUZUIISS(2 4)CrrLQQII00200201)(11 其模为 其中,（2 5）（2 6）在任意频率下的回路电流 与谐振电流之比为I第2章 高频电路基础下页 称为回路的品质因数,它是振荡回路的另一个重要参数。根据式（2 5）画出相应的曲线如图2 5所示,称为谐振曲线。UL.U

7、C.0U.I0.II0Q1 Q2Q1Q20 图 2 5 串联谐振回路的谐振曲线图2 6 串联回路在谐振时的电流、电压关系 第2章 高频电路基础下页 在实际应用中,外加信号的频率与回路谐振频率0之差=-0表示频率偏离谐振的程度,称为失谐。当与0很接近时,000000202002)(2)(ff（2 7）（2 8）令 为广义失谐,则式（2 5）可写成2011II(2 9)02ffQ第2章 高频电路基础下页 由以上分析结果，并结合串联回路的频率特性可以得出如下几点结论：回路谐振(）时，,回路阻抗最小为纯电阻r00)(0 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

8、围称为回路的通频带,也称回路带宽,通常用B来表示。它是用来衡量回路对于不同频率信号的通过能力。令式（2 9）等于 ,则可推得=1,从而可得带宽为.2121QffB02(2 10)第2章 高频电路基础下页 (2）并联谐振回路并联谐振回路。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）。当频率不高时，常采用并联谐振回路。0 回路失谐（）时，串联回路阻抗增加，0()0 时，1）当,串联回路阻抗呈容性；0()0 时，2）当,串联回路阻抗呈感性；第2章 高频电路基础下页LrCCIC.IR.R0IL.L0B11/2Q1 Q2Q1Q20/2/2感性Q2Q1Q1 Q2容性Z(

9、a)(b)(c)(d)U.0|zp|/R0I.图2 7 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）阻抗特性;（d）辐角特性 并联谐振回路的并联阻抗为 CjLjrCjLjrZp11)(2 11)转换 第2章 高频电路基础下页 定义使感抗与容抗相等的频率为并联谐振频率0,令Zp的虚部为零,求解方程的根就是0,可得CrrLQQLC00201111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R01QLC10CQLQCrLR000（2 12）注：注：品质因素是指回路储存能量与消耗能量之比第2章 高频电路基础下页jRjQRZjQCr

10、LZpp121)(100000（2 13）（214）并联回路通常用于窄带系统,此时与0相差不大,式（2 13）可进一步简化为式中,=-0称为失谐，称为广义失谐 202001)2(1RQRZp（2 15）0202ffQQ对应的阻抗模值与幅角分别为第2章 高频电路基础下页arctan)2arctan(0QZ（2 16）QIIICL（2 17）IL.IC.0I.U.图2 8表示了并联振荡回路中谐振时的电流、电压关系。第2章 高频电路基础下页0 回路失谐（）时，并联回路阻抗下降，由以上分析结果，并结合图2-7可以得出如下几点结论：0()0 时，1）当,并联回路阻抗呈感性；0()0 时，2）当,并联回路

11、阻抗呈容性；回路谐振(）时，回路阻抗最大为纯电阻R000)(0第2章 高频电路基础下页 例例 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?解：解：(1)计算L值。由式(2 2),可得第2章 高频电路基础下页CfL20220)2(11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:CfCfL20620225

12、330101)21(将f0=fs=10 MHz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 高频电路基础下页回路带宽为 kHzQfB1000 (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200LLQBfQ此时要求的带宽B=0.5 MHz,故回路总电阻为0R第2章 高频电路基础下页 2)抽头并联振荡回路抽头并联振荡回路 kRRRkLQRRRRL97.737.637.637.61007.5102200016701010

13、需要在回路上并联7.97 k的电阻。0202202)(22RpRUURRURUUUpTTT（2 18）（2 19）等效原则：等效原则：等效电路与原电路功率相等。第2章 高频电路基础下页LCR0UUT(a)LC2R0UUTC1(b)LR1UC2C1(c)LR1UTC1C2(e)U1R1UT(d)U1LCUTIIL图2 9 几种常见抽头振荡回路 第2章 高频电路基础下页002221QjRpZpZT（2 20）对于图2 9（b）的电路,其接入系数p可以直接用电容比值表示为 2112121211CCCCCCCCUUpT（2 21）pIIT（2 22）第2章 高频电路基础下页 谐振时的回路电流IL和IC

14、与I的比值要小些,而不再是Q倍。由RiLCRLRiTLCRLIIT图 2 10 电流源的折合 iTTLRUIRQULUI0及 第2章 高频电路基础下页 例例 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。2ppQIIQRRUUIILiTL0（2 23）可得 C2C12000 pF500R12000 pF10 HLi Icos 107tI1 mAu1(t)图 2 11 例2的抽头回路 p1第2章 高频电路基础下页 解：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pFCCCCC10002121 谐振角频率为 s

15、radLC/10170电阻R1的接入系数200015.012211RpRCCCp等效到回路两端的电阻为 此目的何在？第2章 高频电路基础下页 回路两端电压u(t)与i(t)同相,电压振幅U=UR=2 V,故 HzQfBLRQtVtpututVRtituLL500717108.020100200010cos)()(10cos2)()(输出电压为 回路有载品质因数 回路带宽 第2章 高频电路基础下页 3)耦合振荡回路 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。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。图 2 12 是两种常见的耦合回路。图

16、2 12（a）是互感耦合电路,图 2 12(b)是电容耦合回路。第2章 高频电路基础下页L2C2R2L1C1MR1I.U1.U2.R1L1C1C2L2R2I.U1.CCU2.L2r2L1C1Mr1I2.I1.E.jC1I.r2L1L2C1C2Cmr1(a)(b)(c)(d)C2E jL1I.图 2 12 两种常见的耦合回路及其等效电路 第2章 高频电路基础下页21212LLMLLMk（2 24）对于图 2 12（b）电路,耦合系数为)(21CCCCCCCCk（2 25）22222ZMZZZmf （2 26）第2章 高频电路基础下页kQAQrL00002)(（2 27）（2 28）耦合因子 初次级串联阻抗可分别表示为 MjZjrZjrZm)1()1(2211 耦合阻抗为 第2章 高频电路基础下页由图2 12（c）等效电路,转移阻抗为 EICCECjICjIUZ221212222111(2 29)由次级感应电势 产生,有2ImZI1212ZZIIm考虑次级的反映阻抗,则)()(22111ZZZIZZIEmf 将上两式代入式(2 29),再考虑其它关系,经简化得 第2章 高频电路基础下页jA