《高频电路原理与分析》（第四版） PPT电子课件教案-第2章 高频电路基础.ppt

第2章 通信电路基础,2.1 高频电路中的元器件及组件 2.2 调谐回路与谐振滤波器 2.3 阻抗转换与阻抗匹配 2.电子噪声,2-1 高频电路中的元件、器件和组件,2-1-1 导线,裸铜线、镀银（金）线、漆包线、塑包线(单多)、纱包线(单多股)、导线组。 馈线：(已属传输线范畴) 50、75同轴电缆 300扁平电缆,一、导线的高频趋肤效应 导线电阻的大小与导线的横截面积成正比。 导线趋肤效应示意图,例：直径=0.644mm的铜导线 由导线表： 直流电阻 =60.97/km 横截面积 =0.3257mm2,设：f =10mhz时：铜导线的趋肤深度为0.0216mm。 等效环截面积 =0.0422mm2 则： 即 =0.45/m 设：f =200mhz时： =2208/km 即 =2.2/m 改进： 镀银线，空心导线，波导管(内外壁镀银),二、直导线的电感 例：直径0.644mm 长10cm ，电感量=0.106h ,低频时可忽略； xl=2fl，高频时，f 和等效l同时变大，不可忽略。,2-1-2 电感,电感线圈的分布电容和阻抗 特性曲线,重要：电感线圈的品质因数 ql=(l)/r 在一定范围内，r 也，品质因数ql近似常数。易于测量及电路分析计算。 l或r, 可提高ql值 例：中波接收天线：采用多股纱包线 短波接收天线：采用镀银线,2-1-3 电容 实际电容阻抗特性.,2-1-4 电阻 电阻的高频等效电路,金属膜电阻的频率特性,2-1-5 传输线（高频范畴） 1.传输线 长线：l 传输线分布参数电路,双线、同轴线特性阻抗,2.特性阻抗 zc 双线传输线:,3.终端开路、终端短路传输线(高频电路的分布元件),例：/4传输线的特性和应用。,如发射、接收天线,4.宽带传输线变压器 结构示意图,平衡、不平衡转换,4：1传输线变压器,9：1传输线变压器,2-2 调谐回路与谐振滤波器,2-2-1调谐回路 1.串联谐振回路（电流谐振）,串联谐振回路的幅频特性,2.并联谐振回路（电压谐振）,并联谐振回路的幅频特性,例2-1 放大器以并联谐振回路为负载，信号中心频率 ，回路电容cpf，（）计算所需的线圈电感值；（）若线圈的品质因数为q=100，试计算回路谐振电阻及回路带宽；（）若放大器所需带宽为 ，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？,对于单调谐回路 （串联、并联） 带宽：,选择性：,解）由,得,）回路谐振电阻 回路带宽,）要求带宽变宽，即回路电阻变小（并联电阻）,3、部分接入的并联振荡回路,目的：实现阻抗匹配；减小负载对谐振回路的影响,设接入系数为：n=u2/u1， 则：rl=n2rl,a、自耦变压器部分接入电路,接入系数：,部分到全部增大,全部到部分减小,信号源的匹配: rs=r0,紧耦合：,接入系数:,b、电容抽头部分接入电路,负载部分接入电路实现阻抗变换,接入系数：,接入系数：,例：图示电路是一电容抽头的并联振荡回路，信号角频率=10106rad/s。试计算谐振时回路电感l和有载ql值（设线圈qo值为100）；并计算输出电压与回路电压的相位差。,解：由题意知,1、单调谐回路中通频带和选择性问题,单调谐回路中q值越高，谐振曲线越尖锐，通频带越窄，选择有用信号的能力越强即选择性越好。但在需要保证一定通频带的条件下，又要选择性好，对于 单调谐回路来说是难以胜任的。采用耦合振荡回路就可以解决单调谐回路中通频带和选择性的矛盾。,2-2-2 双调谐回路,三种形式的双调谐回路,双调谐回路的谐振特性,初、次回路参数相异时,对于双调谐回路（双峰、谷点为0.707时） 带宽,选择性：,2、耦合谐振回路及特性分析,a、两个概念,耦合因数表示耦合与q共同对回路特性造成的影响。,b、频率特性分析,设：初级回路总阻抗为z1，次级回路总阻抗为z2，两回路之间的耦合阻抗为zm，则两回路方程为：,整理上式，得右式 为了简化分析，只讨论等振、等q电路。 等振：指初、次级回路谐振频率相等； 等q：指初、次级回路q相等。,得到归一化幅频特性：,不同值时的频率特性曲线：, =1，称为临界耦合， 曲线为单峰。, 1，称为欠耦合, 1，称为过耦合， 曲线为双峰。 =2.41时,2-2-3 石英晶体振荡器,等效电路及符号,石英晶体的电抗特性,2-2-4 陶瓷滤波器,符号、等效电路及特性,2-2-5 声表面波滤波器,结构示意,(a) 外形 (b) 符号,选频特性：当叉指换能器的几何参数以及发端换能器的距离一定时，它就具有选择某一频率信号输出的能力。 特点：可满足多种频率特性、性能稳定、工作频率高、体积小、可靠性高等。,彩电中放用声表面波滤波器的幅频特性,总结,2-3 阻抗转换与阻抗匹配,2-3-1 振荡回路的阻抗变换,实现阻抗变换，减小负载对回路的影响 具体方法：部分接入谐振回路 变压器耦合,阻抗转换的作用 ：现阻抗匹配，负载获得最大输出功率 阻抗匹配（复共轭匹配）：电阻匹配、电抗匹配 要求：无损耗或损耗最小,2-3-2 lc网络阻抗变换,分类：l型、t型、ii型 1）串-并联阻抗变换,2） l型网络阻抗变换（异性质阻抗变换网络）,l-i型网络：负载电阻与xp并联,适合：rlre的情形,对输入阻抗：,显然要求：rlre,l-ii型网络：负载电阻与xs串联,适合：rlre的情形,具体的 lc网络阻抗变换,三 种 匹 配 网 络,） t型和ii型网络阻抗变换,a） ii型网络阻抗变换,分为两部分考虑：左右分别为q1,q2；分别对re，rl匹配，而左右两部分合在一起时，又是谐振的，且左右的阻抗相等,b）t型网络阻抗变换,2-3-3 变压器阻抗变换,2-4 电子噪声,2-4-1 概述,噪声（干扰）分类： 外部干扰 ： 天电干扰 （宇宙射线、大气./脉冲型干扰） 工业干扰 （电火花、开关./脉冲型干扰） 无线电波 （正弦型干扰） 内部噪声与干扰： 电源干扰(本身、外部干扰的通路) 调制的量化噪声(模/数变换时产生) 电阻、晶体管的热噪声(起伏噪声、随机噪声、白噪声) 克服方法： 屏蔽、电路系统的良好设计、及元器件的性能。,噪声对信号的干扰,2-4-2 起伏噪声,起伏噪声：随机噪声（长时间统计满足正态分布），故又称白色噪声(类似白光的频谱) 起因：由导体内自由电子等的无规则热运动造成。实质为 s持续时间的脉冲电流。 现象：极短时间内：为正、负值的无规则起伏电流。 长时间统计（实际工作情况）：各方向运动的概率相同，电流均值为零，但均方值(功率)不为零。因此，可通过噪声电流、噪声电压或噪声电动势的均方值（功率）来衡量噪声的大小。 实验表明：起伏噪声的功率谱密度在0107mhz频谱范围内均匀分布，且近似为常数n0。可用 n0来衡量起伏噪声的大小。,一、 电阻及阻抗的热噪声 1电阻的热噪声,噪声电压均方值=4ktrf 噪声电流均方值=4ktgf 功率谱密度no： wr（f）=4ktr 式中： k为波尔兹曼常数，1.3810-23j/k t为电阻的绝对温度 f为电路带宽或等效噪声带宽 2阻抗的热噪声 纯电抗（无损耗电抗）不会产生热噪声。,噪声电压方差:,噪声功率与噪声功率谱密度,电阻热噪声功率谱密度: sn(f)=4ktr,所以,电阻的噪声电压方差:,噪声通过线性网络的传输:,二、阻抗回路的热噪声,输入噪声功率谱密度,输出噪声功率谱密度,1）等效电阻与输出噪声功率谱密度计算,2）输出噪声电压方差计算,3）通过线性系统噪声带宽计算,设|h(j)|的最大值为h0, 则可定义一等效噪声带宽bn 令：,线性系统 其电压传输函数为h(j)。 设输入一电阻热噪声,均方电压谱为sui=4ktr, 输出均方电压谱为suo, 则输出均方电压u2n2为,则等效噪声带宽bn为：,如1）lrc回路噪声传递,等效噪声噪声带宽 bn=fn =1.57 b0.7,2）rc回路的热噪声,(请自行推导),2-4-3 晶体管与场效应的噪声,一、晶体管噪声 1.热噪声 由接线电阻和rbe、rbb等产生，rbb较大，影响最大。故低噪声晶体管要求rbb较小。 2.散粒（散弹）噪声 因为载流子是随机地通过pn结，则到达集电极的载流子数目（ic) 在平均值上下起伏，其分布类似热噪声。 散粒噪声大小ic工作 低噪声放大器的前级应小 电流工作（几十a级)，以减小散粒噪声。,3.分配噪声: 非白噪声，随f工作而，称为有色噪声。 即：随着工作f，射级注入基区的少数载流子，在基区的停留时间(渡越时间),分配噪声,ic的变化加大。 分配噪声显著增加的频率为： 工作 后，分配噪声以 6db/10倍频程的速度增长。 4. 1/f 噪声(闪烁噪声） 低频段：101000hz，随着工作f，1/f 噪声，为-3db/10 倍频程的速度。,二、场效应的噪声 1. 沟道热噪声 与正向转移跨导gm成正比。 2. 栅极感应噪声 与f工作、cgs成正比; 与gm成反比。 3. 栅极散粒噪声 结型场效应管栅级漏电流。 mos效应管可忽略。 4. 1/f 噪声(闪烁噪声） 双极晶体管：101000hz 结型场效应管：1001000hz mos效应管：100k1mhz 试验表明：效应管的噪声系数nf1+1/(rsgm), 即:(1) 适用于rs大的高阻信号源(恒压源)； (2) gm可以很大。 例：东芝2sk147 效应管gm=50ms(id=8ma)时， 若 rs=49(不是很大）nf=1.4(1.46db)（较好）,2-4-4 噪声系数,一、信号噪声比（信噪比）,例：甲网络输出信噪比,乙网络输出信噪比,显然: 甲网络输出信噪比，优于乙网络的输出信噪比 ，但不能断定甲网络系统的噪声性能一定优于乙网络。系统的噪声性能需由噪声系数度量。,二、噪声系数 1噪声系数的基本定义,2含网络功率增益kp的nf 表示式,设：网络本身产生的噪声，在输出端等效为pnn 则：pno= pnikp + pnn,对于理想网络：pnn=0 ，nf=1 对于实际网络：pnn0 ，nf1,放大电路输入端的信噪比与输出端的信噪比与放大电路的输入电阻ri和放大电路的输出电阻ro的大小无关, 为了计算和测量方便,噪声系数可在合适的条件下进行,方法如下: 1）匹配法: 假设放大电路的输入和输出都匹配; 2）负载开路法; 如图，不考虑rl的噪声，求电阻线性网络的噪声系数nf。,噪声系数的计算方法,负载开路法,解：应用负载开路法,设rl开路,则 pno=4ktrs pno=4ktr nf=1+pno/pno =1+4ktr/4ktrs,负载短路法,如图，不考虑rl的噪声，求电阻线性网络的噪声系数nf。 解：应用负载短路法,设rl短路,则 pno=4ktgs pno=4ktg nf=1+pno/pno =1+4ktg/4ktgs =1+ rs/r,三、 噪声温度te 噪声温度是用来表征放大电路内部噪声的一种形式。噪声温度的概念是,把放大电路的内部噪声看作是由信号源内阻rs在温度为ti时所产生的噪声。 te=t(nf-1)=290k(nf-1) 对于理想网络：te=0 ，nf=1 对于实际网络：te0 ，nf1 例：令 t=290k(17摄氏度） nf=0.5db, 即：nf=1.12 ,te=35k nf=0.8db, 即：nf=1.21 ,te=61k nf= 3 db, 即：nf=2 ,te=290k nf= 7 db, 即：nf=5 ,te=1160k,四、 多级放大器的噪声系数,或：,可见：因为ap的乘积很大，所以多级放大器的噪声主要取决于系统 的第一、二级。,五、 接收机的灵敏度,在规定的输出信噪比时，接收机所需的最小输入信号电压，定义为接收机的灵敏度。,2-4-5放大器的噪声系数 晶体管共发射极放大器的噪声系数 晶体管噪声等效电路,令：信号源内阻srbb ,fft,最佳