第二章高频电路基础4

* * 1高频电子线路高频电子线路第二章 高 频电 路基 础第一节 高频电路中的元件第二节 高频电路中的基本电路第三节 电子噪声及其特性第四节 噪声系数和噪声温度* * 2高频电子线路高频电子线路第一节 高频电路中的元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，但是注意它们在高频使用时的高频特性。 高频电子电路中的元件主要是电阻、电容和电感 , 它们都属于无源的线性元件。在高频电路中完成信号的放大和非线性变换等功能的有源器件主要是二极管，晶体管和集成电路。* * 3高频电子线路高频电子线路一个实际的电阻器，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。图 2-1 电阻的高频等效电路CRRLR1.高频电阻一、高频电路中的原件* * 4高频电子线路高频电子线路2.高频电容一个实际的电容器除表现电容特性外，也具有损耗电阻和分布电感。 电容器的等效电路如下图所示。电容器的高频等效电路CRCLCf0 fZ电容器的阻抗特性实际理想的 ZC=1/jwC* * 5高频电子线路高频电子线路在分析一般米波以下频段的谐振回路时，常常只考虑电容和损耗。 电容器的等效电路也有两种形式，如图所示。2.高频电容电容器的串、并联等效电路r CRCp* * 6高频电子线路高频电子线路电容器损耗电阻的大小主要由介质材料决定。 Q值可达几千到几万的数量级，与电感线圈相比 , 电容器的损耗常常忽略不计。在无线电技术中通常不是直接用等效电阻 r，而是引入线圈的 品质因数 这一参数来表示线圈的损耗性能。 CrQC w1=2.高频电容* * 7高频电子线路高频电子线路3.高频电感电感线圈在高频频段除表现出电感 L的特性外，还具有一定的 损耗电阻 R和 分布电容 。在分析一般长、中、短波频段电路时，通常忽略分布电容的影响。因而，电感线圈的等效电路可以表示为电感 L和电阻 r串联，如图所示。电感线圈的串联等效电路RL* * 8高频电子线路高频电子线路电阻 R随频率增高而增加，这主要是 趋肤效应 的影响。所谓趋肤效应是指随着工作频率的增高，流过导线的交流电流向导线表面集中这一现象，当频率很高时，导线中心部位几乎完全没有电流流过，这相当于把导线的横截面积减小为导线的圆环面积，导电的有效面积较直流时大为减小，电阻 R增大。工作频率越高，圆环的面积越小，导线电阻就越大。3.高频电感直流 高频* * 9高频电子线路高频电子线路RLQLw=电感的品质因数3.高频电感一般情况下 , 线圈的 Q值通常在几十到一二百左右。当工作频率非常高时，电感内部线圈匝与匝之间和各匝与地之间的分布电容的作用就十分明显，等效电路应考虑电感两端的分布电容。电感线圈的串联等效电路RLCL* * 10高频电子线路高频电子线路二、高频电路中的有源器件从原理上看，用于高频电路的各种有源器件，与用于低频或其他电子线路的器件没有根本不同。只是由于工作在高频范围，对器件的某些性能要求更高。 随着半导体和集成电路技术的高速发展，能满足高频应用要求的器件越来越多，也出现了一些专门用途的高频半导体器件。* * 11高频电子线路高频电子线路二、高频电路中的有源器件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。因此主要用点接触式二极管和表面势垒二极管 (又称肖特基二极管 )。两者都利用多数载流子导电机理，它们的极间电容小，工作频率高。变容二极管的电容 Cj与外加反偏电压 U之间呈非线性关系。变容二极管在工作时处于反偏截止状态，基本上不消耗能量，噪声小，功率高。 将它用于振荡回路中，可以做成电调谐器，也可以构成自动调谐电路等。1. 二极管* * 12高频电子线路高频电子线路变容管若用于振荡器中，可以通过改变电压来改变振荡信号的频率。这种振荡器称为压控振荡器 (VCO)，压控振荡器是锁相环路的一个重要部件。电调谐器和压控振荡器也广泛用于电视接收机的高频头中。具有变容效应的某些微波二极管 (微波变容器 )还可以进行非线性电容混频、倍频。1. 二极管* * 13高频电子线路高频电子线路1. 二极管还有一种以 P型， N型和本征 (I)型三种半导体构成的 PIN二极管，它具有较强的正向电荷储存能力。它的高频等效电阻受正向直流电流的控制，是一种可调电阻。它在高频及微波电路中可以用做电可控开关、限幅器、电调衰减器或电调移相器。本征 (I)型半导体 ： 一种热平衡下，导电电子和可动空穴密度几乎相等的高纯半导体，或完全相等的理想半导体。 * * 14高频电子线路高频电子线路2. 晶体三极管与场效应管在高频中应用的晶体管仍然是双极晶体管和多种场效应管，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： 一类是做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；另一类为高频功率放大管，除了增益外，要求其在高频有较大的输出功率。 * * 15高频电子线路高频电子线路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类型。目前通用型的宽带集成放大器，工作频率可达一、二百兆赫兹，增益可达五、六十分贝，甚至更高。 用于高频的晶体管模拟乘法器，工作频率也可达一百兆赫兹以上。* * 16高频电子线路高频电子线路第二节 高频电路中的基本电路一、高频振荡回路二、高频带变压器和传输线变压器三、石英晶体谐振器四、集中滤波器五、衰减器与匹配器* * 17高频电子线路高频电子线路一、高频振荡回路LC谐振回路是高频电路里最常用的无源网络，包括并联回路和串联回路两种结构类型。用途：1.利用它的选频特性构成各种谐振放大器；2.在自激振荡器中充当谐振回路；3.在调制、变频、解调回路中充当选频网络。1、简单振荡回路* * 18高频电子线路高频电子线路并联网路在实际电路中用途更广，且二者之间具有一定的对偶关系，所以只要理解并联谐振回路，则串联谐振回路的特性用对偶方法就可以得到。串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻的情况或低阻抗电路。当频率不是非常高时，并联谐振回路应用最广。一、高频振荡回路1、简单振荡回路* * 19高频电子线路高频电子线路（ 1）并联谐振回路CLr图 2-4(a)是电感 L、电容 C和外加信号源组成的并联谐振回路。 r是电感 L的损耗电阻，电容的损耗一般可以忽略。CjLjrCjLjrZPwwww11)(+= （ 2-1）LrLCjLrrCjLjry +-+=+= 1 222222 wwwwww=g+ jb （ 2-A）* * 20高频电子线路高频电子线路令 Y的虚部为 0，可求出谐振角频率0220200 =+- LrLCwww220200 LrLCwww+= 2202 LrCL +=2120 11 -=LCrLC2111QLCO -=w即： （ 2-2）Q= CrrL 100 =ww（ 2-3）* * 21高频电子线路高频电子线路在高频电路中， Q远远大于 1，则谐振频率可简化为10 LCw （ 2-4）可见， 谐振时，回路的感抗和容抗近似相等。通常将这时感抗和容抗的数值称为回路的 特性阻抗，用字母 表示。即：1 00 CLLC = wwrCLrCrrLrQ1100 = =ww r （ 2-5）Q与 的关系为：* * 22高频电子线路高频电子线路此时式（ 2-A）的实部（电导）( ) 202 LCrLrrg += w其谐振阻抗为：LrLCjLrrCjLjry +-+=+= 1 222222 wwwwww=g+ jb （ 2-A）CQLQCrLR00 ww =01g= （ 2-6）* * 23高频电子线路高频电子线路为了分析问题方便，往往将并联谐振电路由左图变向右图。CLr CLR000* * 24高频电子线路高频电子线路由式CjLjrCjLjrZPwwww11)(+= （ 2-1）和CLrCrrLrQ1100 = =ww r （ 2-5）考虑实际高 Q情况可得：)(1 wwww OOPjQCrLZ-+= （ 2-7）* * 25高频电子线路高频电子线路在窄 带 系 统 中 ，即微失 谐 情况下Oww OO wwww -OOOwwwwww -+= )(OOwwww -= 22代入 2-6得其中令 为 广义失谐 。OO ffQQ D=D= 22wwx 2wwOwwDOwwD2=xww jRjQRZOP +=D+= 12100 （ 2-9）（ 2-8）式中 Owww -=D 为相对于 w0的 绝对角频率偏移* * 26高频电子线路高频电子线路xww jRjQRZOP +=D+= 12100 （ 2-9）由上式可画出归一化的并联谐振阻抗特性和辐角特性Q2Q1Q1Q20 ZpR01/ 2 / 20Q1Q2Q1Q2感性 容性* * 27高频电子线路高频电子线路xww jRjQRZOP +=D+= 12100 （ 2-9）Q2Q1Q1Q20 ZpR01/ 2 / 20Q1Q2Q1Q2感性 容性可见并联谐振回路两端的阻抗只有在谐振（即 ）时才是纯电阻并达到最大值。0=x* * 28高频电子线路高频电子线路xww jRjQRZOP +=D+= 12100 （ 2-9）Q2Q1Q1Q20 ZpR01/ 2 / 20Q1Q2Q1Q2感性 容性失谐时并联振荡回路的等效阻抗 Z包括电阻和电抗。当 w w0时，回路等效阻抗中的电抗是容性的；当 w w0时，回路等效阻抗中的电抗是感性的。* * 29高频电子线路高频电子线路3dB通频带 B3dB（或 B0.707）0 ZpR011/ 2则： x =120p 1RZx+=令 02R=B0.7 由OO ffQQ D=D= 22wwx1 2120011 -=-=wwwx Q120022 =-=wwwx QQ07.