高频电子线路课件：第一章

1、高频电路 通信电子线路 手机WiFi Bluetooth Radio TV（CMMB） GPS RFID 电视机 收音机单兵 电台 电视信号发 射机 移动应急车 无线发射机基本框图 无线接收机基本框图 高频电子线路 高频电路 高频小信号放大器 高频功率放大器 正弦波振荡器 振幅调制与解调 角度调制及解调 波段名称波长范围频率范围频段名称主要用途 长波103104m30300kHz低频(LF)电力通信、导航 中波102103m300kHz3MHz中频(MF)调幅广播、导航 短波10102m330MHz高频(HF)调幅广播 超短波110m30300MHz甚高频(VHF)调频广播、电视、移动通信 分

2、米波10102cm300MHz3GHz特高频(UHF)电视、移动通信、雷达 厘米波110cm330GHz超高频(SHF)微波通信、卫星通信 毫米波110mm30300GHz极高频(EHF)微波通信 无线电通信波段 L波 段 S波段C波 段 X波段Ku波段K波段Ka波段U波段V波段E波段W波段F波段 12G Hz 24G Hz 48G Hz 812G Hz 1218G Hz 1826G Hz 2640G Hz 4060G Hz 5075G Hz 6090G Hz 75110G Hz 90140G Hz 手机 GSM：上行890MHz-915MHz CDMA：上行825MHz-835MHz CDM

3、A2000：上行1920MHz-1980MHz 下行2110MHz-2170MHz WCDMA与CDMA2000一样 TD-SCDMA：1880MHz-1920MHz 2010MHz-2025MHz 下行936MHz-960MHz 上行1710MHz-1785MHz 下行1805MHz-1880MHz 下行870MHz-880MHz GPS：L1载波1575.42MHz L2载波1227.60MHz WiFi：2400MHz-2484MHz,5GHz Bluetooth：2400MHz-2484MHz Radio：AM:中波530kHz-1610kHz 短波5.9MHz-26.1MHz FM：

4、88MHz-108MHz TV：48.6MHz-72.5MHz ，76MHz-92MHz 167MHz-223MHz ，470MHz-566MHz 606MHz-958MHz 中高频13.56MHz、27.12MHz 超高频433MHz，902MHz-928MHz 2.45GHz，5.8GHz 遥控玩具：26.975MHz-27.255MHz 40.61MHz-40.85MHz 72.13MHz-72.87MHz RFID：低频125kHz、133kHz 业余无线电：1.8MHz-2.0MHz，3.5MHz-3.9MHz， 7MHz-7.1MHz，14MHz-14.35MHz，21MHz- 2

5、1.45MHz，28MHz-29.7MHz，50MHz-54MHz， 144MHz-148MHz，430MHz-440MHz， 1260MHz-1300MHz 参考书籍 1、高频电子线路（第五版），张肃文，高教出版社， 2009年。 2、高频电路原理与分析（第四版），曾兴雯等编著， 西安电子科技大学出版社，2006年。 3、射频电路设计（第三版），美Joseph等著，电 子工业出版社，2001年。 4、高频电子线路，杨绍城等编著，电子科技大学出 版社，1993年。 第一章 高频小信号放大器 一、概述 高频宽带放大器 高频窄带放大器 从所接收的众多电信号中，选出有用信 号并加以放大（或对已调制信

6、号放大），而 对其它无用信号、干扰与噪声进行抑制，以 提高信号的质量和抗干扰能力。 高频窄带放大器作用： 应用：广播、电视、 通信、雷达、测量等 设备中。 主要性能指标： 增益（电压增益、功率增益） 通频带 选择性 稳定性 噪声 7 . 0 BW 1 . 0 BW in out u V V A 增益： 电压增益： 功率增益： in out p P P A )(log(20dB V V A in out u )(log(10dB P P A in out p 通频带： 一般指3dB带宽，即放大器的增益比谐振增益下降 3dB时，所对应的频率范围。 7 . 0 BW 7 . 0 1 . 0 1 .

7、0 BW BW K 1 1 . 0 K 选择性： 指放大器从含有各种不同频率信号总和中，选出 有用信号排除干扰信号的能力。用矩形系数表示。 矩形系数： 晶体管 谐振负载 谐振放大器 = + 二、谐振回路 串联谐振回路 并联谐振回路 耦合谐振回路 高频电路中的 基本单元电路 可用于: 谐振放大器 正弦振荡器 调制与解调电路 1、串联谐振回路 L R C - - + + I g V C V L V + - R表示L和C的总损耗电阻 L和C为理想元件 I LC 1 0 C LjR Vg 1 m I Cj LjR V I g 1 0 1 C L g V R V I g 电流 谐振时，有： 幅度达到最大

8、，且与 同相 即： 谐振角频率 此时， 定义： L 0 R C L 1 CR 0 1 0 0 0 Q 回路耗能 回路储能 0 Q C L R 1 R L 0 0 00 0 1 RCR L C 0 1 RCR L 1 R 0 2 0 2 0 Q 特性阻抗： 空载品质因数： 广义失谐： 0 0 0 )(2 Q 0 0 0 2 Q 0 00 0 )( Q 0 2 0 2 0 Q广义失谐： 窄带近似条件： 所以： 0 0 2 f f Q j I I m 1 LC f 2 1 0 谐振频率 回路电流可表示为： arctan Vg arctan 2 1 m I I 2 1 1 )( m I I N 0 V

9、g 回路电流幅度： 回路电流相位： 若则回路电流相位： 归一化谐振曲线： 注意：广义失谐是一个变量。 相对于谐振频率的变化量 电路参数： 0 7 . 0 07 . 0 2 f f Q 7 . 0 1 1 2 1 )( 7 . 0 N 0 0 7 . 07 . 0 Q f BW 1 7 . 0 0 0 7 . 0 Q f BW 7 . 07 . 0 2BWf 7 . 0 1 . 0 1 . 0 BW BW K 通频带： 7 . 0 BW 1 . 0 BW 矩形系数： 7 . 0 1 . 0 2 1 . 0 1 1 10 1 )( 1 . 0 N 10 1 . 0 10 1 . 0 K 2 1 1

10、 )( Narctan 幅频特性 相频特性 Q变化导致通带变化，但不会改变矩形系数！ 通常情况下，要求Q越高越好！ 2 2 0 QVj g RC Vj g 0 1 Cj IV mC 0 1 R L Vj g 0 0 QVj g LjIV mL0 g VQ 0 CL VV 讨论： 谐振时， 电感两端的电压 电容两端的电压 电容、电感要注意耐压问题！ 2、并联谐振回路 g I 0 V . R为L的损耗电阻 L和C为理想元件。 ，忽略电容损耗。 Cj LjR Cj LjR Z 1 1 )( 电压： LC回路阻抗： ZIV g 0 LC RC j R L j LC R 2 2 1 1 1 1 RCjL

11、C LjR Z 2 1 0 V g I 谐振时，有： 幅度达到最大，且与 同相 此时： R 2 2 0 1 L R LC LC RC R L 2 0 00 1 L 0 LC 1 0 LC L R1 2 2 谐振角频率 由于很小，通常情况下 因此有： 特性阻抗： C 0 1 CR 0 1 R C L R 1 C L R L 0 回路耗能 回路储能 0 Q空载品质因数： 0 Q C L C L R 1 R C L j RC L Z 1 1 1 RC L LC R Rp 2 0 1 LR j Rp 1 Cj LjR Cj LjR Z 1 1 )( p R Q 0 谐振时的阻抗为： 所以： LC回路阻

12、抗为： 由于 因此： j RI pg 1 arctan g I j V V m 1 0 0 2 1 1 ZIV g 0 2 0 0 1 m V V pgm RIV 0 m V V N 0 0 )( 谐振时： 输出电压幅度： 输出电压相位： arctan0 Ig 若则输出电压相位： 归一化谐振曲线： 电路参数： 0 0 7 . 0 Q f BW 通频带： 矩形系数：10 1 . 0 K 与串联谐振回路完全一样！ 2 1 1 )( Narctan 幅频特性 相频特性 2 2 为了计算和分析方便，通常将并 联谐振回路画为其等效谐振电路。 g I 0 V + - RC L Rp pg RIV 0 p

13、R Q 0 LC f 2 1 0 3、信号源内阻和负载对LC回路的 影响 g V g I 0 V + - LS RRRR RR LSp RRRR/ p RR R QL R 0 Q R QL p R 0 Q 有载品质因数： 有载品质因数： 回路实际通频带： L Q f BW 0 7 . 0 7 . 0 BW L Q!可能不满足应用要求 为了减小信号源内阻和负载对回路 参数的影响，需要在信号源与回路，负 载与回路之间加入阻抗变换电路。 4、常用的阻抗变换电路 互感耦合变压器阻抗变换 1 2 N N n 2 n R R L L 1k 接入系数 要求耦合系数 自耦变压器阻抗变换 1 2 N N n 2

14、 n R R L L 1k要求耦合系数 电感分压阻抗变换 21 2 LL L n 2 n R R L L 0k要求耦合系数 电容分压阻抗变换 21 1 CC C n 2 n R R L L n V V LL YnY 2 InI 2 n Z Z L L 讨论： 变换关系的阻抗与导纳表达 变换对信号源的影响 )( 21mm m CCCC C k )( 21 MLML M k 5、耦合谐振回路 （双调谐回路） 互感耦合谐振电容耦合谐振 耦合系数： 耦合系数： Cm为耦合电容 g I mpg CjVV Lj CjgVI )() 1 ( 211 C C k m ) 1 ()( 221 Lj CjgVCj

15、VV pm p p R g 1 CCm LLL 21 CCC 21 ppp RRR 21 为了简化分析和计算，假设初次级 回路完全一样，即： 2 2 ) 1 ( ) 1 ( )( 1 VCj Lj g VCj Lj g Cj CCj Lj g I p p m mp g 21 1 1V Cj Lj Cjg V m p ) 1 ()2( 1 2 Cj Lj gCCj Lj g ICj V pmp gm LC f 2 1 0 0 2 f f Q kQ p m g C 22 2 )1 ( jg Ij V p g p g L C 1 CCm mmpmmp gm CjCCj Lj gCjCCj Lj g

16、ICj V )( 1 )( 1 2 由于 这里 耦合因数 22 1 2 arctan 2 g I 2222 2 4)1 ( p g g I V 输出幅频特性： 输出相频特性： 上式虽然是由电容耦合回路推导出 来，但同样适用于电感耦合回路。 归一化幅频特性： 1 2 0 2222 4)1 ( 2 )( N p g g I V 2 max 2 max 2 2 )( V V N 所以： 上式有三个极点： 极点的分布与有关。 Q f BW 0 7 . 0 2 4 4 2 )( N 1 15. 3 1 . 0 K （临界耦合） 此时： 三个极点合并为一个，且为极大点。 通频带： 矩形系数： 1 （弱耦合

17、） 只有一个极点，且为极大点。 此时： 7 . 4 1 . 0 K Q f BW 0 7 . 0 64. 0 1 222 4)1 ( 2 )( N 极弱耦合时，有： 通频带： 矩形系数： 1)( max N 1（强耦合） 三个极点： 1 2 1 2 1 2 )0( N 形成两个通带 0 )0(N Q f BWPP 0 2 1 极小值 极大值 峰间距： 35. 2 1 . 0 K Q f BW 0 7 . 0 1 . 3 41. 2最大有效通频带：当 时 通频带： 矩形系数： cb r eb r fe Y re Y cb C bb r ce r ie Y m g eb C 三、晶体管等效模型 b

18、b r eb r cb r ce r eb C cb C ebmV g eb V be V ce V be I ce I b e e c b + + + - - - ie Y cere VY befe VY oe Y be V ce V be I ce I + + - - b c e e cb T m C f g 2 0 be V ce ce V I 0 ce V be be V I 0 ce V be ce V I 0 be V ce be V I oe Y 混合参数模型 共射Y参数模型 基区体电阻 发射结结电阻 发射结结电容 集电结结电阻 集电结结电容 集电极输出电阻 跨导 E CE I

19、V )( 26 mAIE 26 )(mAIE 54 1010 10 1010 pFpF 10 1010 输入导纳： 输出导纳： 正向传输导纳： 反向传输导纳： cb ebebbbebebce Cj CjggVVV 1 )( bbbeebbe rIVV )( )( cbebebbb cbebebbb CCjgg CCjgg cb r )( cbebebbb bbcb CCjgg gCj )( cbebebebbe CCjgVI 0 ce V be be ie V I Y )( )( cbebebbb cbmbb CCjgg Cjgg 0 ce V be ce fe V I Y cbebebmce

20、 CjVVgI bb r eb r ce r eb C cb C ebmV g be V ce V be I ce I eb V b c e e + + + - - - ie Y cere VY befe VY oe Y be V ce V be I ce I + + - - b c e e 忽略 )( ebebbbebebmcecece CjggVVgrVI 0 be V ce be re V I Y bbebbe gVI 0 be V ce ce oe V I Y )( )( cbebebbb cbebmebbb ce CCjgg CjCjggg g ebeb rg 1 bbbb rg 1

21、 cece rg1 由于 ebie CC 0 b b r cb Cj ebie gg b b g 0 mfe gY ebcb CC ieieie CjgY ceoe gg ebeb Cjg fe j fefe eYY 0 fe cbm Cjg oeoeoe CjgY cboe CC m g re j rere eYY 因此 cbre CY cbce Cjg 0 c b Cj 而 可以认为： 2 re 0 ie Y oe Y befeV Y be V ce V be I ce I b c e e - + + - 简化共射Y参数模型 注： 共射、共基以 及共集Y参数可以 相互转换。 i V o V

22、 + + - - 四、单调谐放大器 集电极回路耦合 变压器作用： 为LC回路提供电感 阻抗变换 隔离 Cb、Ce为高频旁路电容 分析方法：直流等效，计算工作点； 交流等效； 代入简化Y参数等效模型，计算电路参数。 13 23 1 N N n pieoe ggngng 2 2 21 2 1 13 45 2 N N n CCnCnC ieoe 2 2 21 2 1 i V o V + + - - i V o V ie Y ifeV Y oe Y - + + - ifeV Yn 1 oe Yn2 1 L Yn2 2 2 n Vo + - 交流等效代入Y参数模型 阻抗变换 ifeV Yn 1 1 2

23、1oe gn 1 2 1oe Cn 2 2 2ie gn 2 2 2ie Cn 2 n Vo + - p 电阻、电容代替导纳 A.假设负载是与本级 相同的放大器； B.注意LC回路的等效 谐振电阻Rp。 ifeV Yn 1 g C 2 n Vo + - 化简 i o V V A 0 )( A A N 2 21 1 g Ynn fe Lj Cjg Ynn fe 1 21 L Q f BW 0 7 . 0 AA Lj Cjg n V VYn ife 1 2 0 1 2 1 1 )1 ( 21 jg Ynn fe g Ynn A fe21 0 10 1 . 0 K max A ifeV Yn 1 g

24、 C 2 n Vo + - 复增益 增益幅频特性： 谐振时增益： 归一化增益特性： 通频带： 矩形系数： g QL 1 LC f 2 1 0 L 0 2 2 1 2 iei ieo gV gV 2 A i o P P P A 2 2 i o V V )1 ( 4 4 22 2 2 21 2 1 21 2 g gngn gg Y ieoe ieoe fe 21ieie gg )1 ( 22 2 2 2 2 1 g Ynn fe 11 1 pieoe gggngn 2 2 21 2 1 2 2 2 1 2 1 ie oe gn gn P 功率增益： （假设负载是与本级一样的放大器） 22 2 2

25、2 21 2 1 2 2 2 21 2 1 2 2 21 2 1 21 2 1 1)( )( 4 4 g gngn gngn gngn gg Y ieoe ieoe ieoe ieoe fe 令：注意： 最大功率增益 2 2 0 2 21 2 1 1 1 )1 ( 4 4 Q Q P P gg Y A L ieoe fe 失配损耗插入损耗失谐损耗 gQL1 p gQ1 0 增益带宽积： gf g Ynn fe 0 21 C gnn m 2 21 7 . 00 BWA L fe Q f g Ynn 0 21 常数 7 . 00 BWA Cgnn m , 21 g 0 A g 若电路结构确定，则：

26、为确定值。 L Q 7 . 0 BW 常数 7 . 00 BWA 因此： g 在同一电路中，高增益与宽带宽是矛盾的！ 五、单调谐放大器的级联 目的：为了获得高增益！ 同步调谐 参差调谐 各级放大器谐振于同一频点。 各级放大器谐振于不同频点。 i V o V C C L L 0 f 0 f + + - - 为了讨论方便，假设所有级联 的放大器参数完全一样！ L Q f0 n fe g Ynn 2 21 1 56. 2lim 1 . 0 K n n N 2 1 1 )( n A )( 1 12 1100 1 . 0 n n K n AAAA 21 L n Q f BW 0 7 . 0 12 1、同

27、步调谐 增益： 归一化幅度特性： 通频带： 矩形系数： 级联后的通带小于单级放大器的通带！ 矩形系数有所改善。 n i V o V C C L L 01 f 02 f + + - - 0201 ff 0201 ff 2、参差调谐 双参差 三参差 双参差 假设：由于是窄带放大器，有 考虑到频率只有细微差别，因此仍有： 两级放大器的电路参数完全一样！ )( 2 1 02010 fff 0 0 )(2 f fff Q d L 2 2 21 2 1 21 11 g Ynn g Ynn fefe 010 ff 01 01 1 )(2 f ff QL 2222 2 21 4)1 ( 1 g Ynn fe

28、21 AAA 002 fffd 0 0) (2 f ff QL 22 2 21 )(1)(1 1 g Ynn A fe 02 02 2 )(2 f ff QL 0 2 f f Q d L 0 0 )(2 f fff Q d L 增益： 令： 而： 广义调偏量 所以： 2222 4)1 ( 2 )( N 归一化幅度特性： 与双调谐回路特性相似。 三参差 i V o V 1ie Y 2ie Y 1oe Y ifeV Y 1 C 2 C 1 L 2 L + + - - i V o V 1 C 2 C 1 L 2 L 1b R 2b R 3b R 4b R 1e R 2e R 1e C 2e C 1b

29、 C 2b C + + - - i V o V 1 C 2 C 1 L 2 L + + - - 六、双调谐放大器 假设： 初、次级回 路完全一样。 Q1和Q2完全 一样。 交流等效代入Y参数模型 11 2 11poe ggng LLL 21 2222 1 24)1 ( g VYn n Vife o 11 2 11 CCnC oe ggg 21 22 2 22pie ggng 22 2 22 CCnC ie CCC 21 ifeV Yn 1 1 2 1oe Yn 1 C 1p g 1 L 2 L 2 2 2ie Yn 2 C 2p g 2 n Vo + - 阻抗变换 ifeV Yn 1 1 g

30、1 C 1 L 2 g 2 C 2 L 2 n Vo + - 电路化简 要求： 根据耦合谐振回路特性，有： 2222 4)1 ( 2 )( N 2222 21 4)1 ( g Ynn fe i o V V A 增益： 归一化幅度特性： 通频带、矩形系数完全由耦合谐振回 路决定。 0 V is go YY IV 1 Loe fere iei YY YY YY be ce reie V V YY Loe befece YY VYV 1 be be i V I Y 0 is YY 七、谐振放大器稳定性分析 be V ce V ie Y oe Y cereV Y befeV Y L Y + + - -

31、 i Y be I g I s Y i Y o V + - 考虑信号源 简化放大器模型 如果 则： 放大器不稳定！ Lj CjCjggYY ieiesies 1 0 Loe fere ies YY YY YY 1 )( fere Loeies YY YYYY ggggg Loeies Lj CjCjggYY oeLoeLoe 1 21 )1)( 2 jgg Loe )1)( 1 jgg ies 0 is YY由有： 即 考虑到本级放大器是中间级放大器， 前后均有谐振回路。 则： 假设输入回路与输出回路相同，即 fere arctan2 1 )1 ( 22 fere YY g 1S 1S 1 )

32、1 ( )( arctan222 fere j fere j eYY eg g Y A fe 0 2 tan fere 2 re fere YY g S )1 ( 22 0 fe 1 re fe YS Y A 2 0 所以： 写成幅度和相位条件： 由于 低于谐振频率可能 产生自激振荡！ 若不考虑接入系数， 定义稳定系数： 自激振荡 稳定 cb m S C g A 0 0 5 . 2 0 AS re fe YS Y A 2 0 mfe gY 105S cbre CjY 由于 一般要求 稳定 所以有最大稳定增益： 由可知 增益越高，放大 器越不稳定！ 通常需要牺牲增益来获得放大器的稳定！ cb C N C 12 N 23 N f I N I 23 V 12 V + + - - cbN C N N C 23 12 Nf II Ncb CjVCjV 2312 提高放大器稳定的方法： 核心就是减小内部反馈！ 中和法 选择中和 电容CN 只能中和 特定条件 下的反馈 电流。 失配法 Loe fere iei YY YY YY ib Y A iei YY 0 L Z L Y若则：器件单向化！ 此时， 负载失配！ 牺牲增益获得稳定，适用于各种条件下。 ib Y 共射共基组合电路 很大，可以认