射频模拟电路

1、2003年9月绪论第1章 选频放大器第2章 线性功率放大器第3章 波形发生与变换电路第4章 频谱搬移电路第5章 频谱的非线性变换第6章 射频电子系统第7章 射频电路集成芯片 角度调制与解调绪绪 论论 与“模拟电路基础”的不同： 大部分属非线性电子电路。 “高频” 在一个系统中是相对的概念。杂散参数，如引线电感、分布电容对电路影响严重，甚至会引起电路的不稳定。有源器件要看成双向器件，单向化模型在这里只能作近似分析。1.分析方法不同，“非线性电路”的分析方法。与“模拟电路基础”的共性 高频电路馈电及偏置电路的基本原理与方法和低频模拟电路相同，但必须更仔细地考虑高频电路的馈电电路的去耦及接地。为了防

2、止分布电容形成寄生耦合及电感的电磁辐射产生的寄生耦合，高频电路还必须考虑良好、合理的屏蔽。电路的基本形式、基本工作原理、偏置方法、反馈、电路的稳定性、信号源的属性、放大电路的基本特性等都是相同的。 0.1 射频模拟电路在通信系统中的地位 射频模拟电路几乎包括了无线通信电路中的所有单元电路。图01为无线电发射机与无线电接收机的原理框图。从图中可见，射频电路几乎是无线电发射机和接收机的全部。石英晶体振荡器、缓冲放大、倍频、调制、功率放大、低噪声高频放大、混频、振荡、中频放大、检波等都是射频电路要讲述的内容。 1、语言与文字 （最基本的传输手段）2、光通信（远距离通信，迅速准确）3、电通信（无线通信

3、、有线通信）Maxwell 发现电磁场基本理论Hertz 实验证明了电磁场理论Morse 有线电报Bell 有线电话通信：准确而迅速地传递信息。马克尼 无线通信调制：装载信息的过程，让载波的某个特征量（振幅、频率和相位）按信息的变化规律而变化。调制的目的：从切实可行的天线出发区别不同的音频信号可实现的回路带宽调制的方法：连续波调制、脉冲波调制连续波调制包括：调幅、调频、调相0.2 非线性电路的基本特点 严格来讲，任何器件，如晶体二极管、双结晶体管、场效应管，都是非线性的。这种非线性是指器件特性的非线性，不考虑时间的非线性。这种器件被称为时不变非线性器件。时不变非线性器件的特点： 非线性定义 点

4、的直流电导 点切线的斜率定义为 点的交流电导（微分电导）：非线性器件的 与 是不相等的。 与 不相等的不一定是非线性器件。( )if vQVv QIi QQVIg/0QQIivig0gQQg0gg在 上叠加一个交变电压电流波形与电压波形之间发生了严重的畸变，这就是非线性的结果。电流波形是周期的，可分解为无穷多个余弦信号之和： tItIIimm2coscos210QVtVVvmQcos不满足叠加原理 111( )cosmv tVt222( )cosmv tVt1122( )coscosmmv tVtVt0011122232112231122( )(coscos)(coscos)(coscos)m

5、mmmmmv taa VtVta VtVta VtVt 0.3 课程特点工程性，着重培养学生的电子电路工程设计能力。分析方法，如折线法、幂级数法、开关函数法、线性时变参数法等。实践性，培养分析电路的能力。第1章 选频放大器选频电路：选出有用信号，抑制其他无用信号、干扰 与噪声，提高系统的信号质量和抗干扰能力。谐振放大器：负载为谐振回路。谐振放大器包括：小信号调谐放大器 谐振功率放大器之分 1.1 谐振电路的基本特性 作用：选频、滤波、作负载、移相网络、 相频转换网络1.1.1简单串并联谐振电路的基本特性1.串联谐振电路的基本特性 电感L与电容C串联构成了串联谐振电路。r代表电感L的损耗电阻。阻

6、抗电抗1()ZrjLrjXC1XLC (初相角为零)， 。回路电流 (复数) ：tVvSscossSvV SSVV11()()jSSsVVvII eZrjLrjLCC221()SVIrLC模相角Xarctgr 00100CLLC10X0 串联谐振电路的谐振频率 回路呈容性01LC0串联谐振时的电流：00()SSSVII VVr谐振时回路电流最大，且与外加电压同相。谐振时回路电抗X0阻抗Z=r最小 为纯阻在其他频率上，回路电抗X0。回路呈感性 rL 0001LQr00QVjVSL00|QVVSL0Q00000SLSVLVjLIjLjVrr射频电路的工程实际中，总是满足定义品质因数电感线圈上的电压

7、在谐振时为信号源电压的 倍。线圈L上的电压：电容C上的电压：000002011CsSVIjVjCCrjVCr LC120SSCVjQVrLjV000电容上的电压同样为信号源电压的 倍，仅相位与电感上的电压相反，因此串联谐振称为电压谐振。0Q归一化抑制比 (复数) :串联谐振电路任意频率下的电流表达式与谐振时电流表达式之比 ：广义失谐:)(000 Qj11211|0000200000001()1()1111()1()11()SSVrjLIrCIVrrjLCLjjQrLCLCjQ 2并联谐振回路的基本特性 电感L与电容C并联构成并联谐振回路(如图14所示),r是电感中的损耗电阻。在工程中总是满足

8、rL LCB1 111()()LCZCrrjLjCCLL11()PCrYjCGjBZLLPCrGL1()1()rj Lj CZrjLC并联谐振回路的谐振电阻 CrLGRPP1P10BCL并联谐振回路的谐振频率LCP1谐振时，回路阻抗 PPRCrLZ纯阻性，损耗r愈小， 愈大， , 。 PR0rPR11()()jsssPIIIVV eCrYGjCjCLLL221()sPIVGCLPBarctgG 谐振时的端电压 CrLIGIVSPSP最大并联振荡回路的阻抗只在谐振时才是纯电阻，并达到最大值。PP失诣时，并联振荡回路的等效阻抗Z包括电阻和电抗。回路等效阻抗中的电抗是容性回路等效阻抗中的电抗是感性这

9、是由于，并联回路的合成总阻抗的性质总是由两个支路个阻抗较小的那个支路的阻抗性质决定的。 流过电容的电流 1/SCPPPPPPPPPSSSPIIVjCVjCjCGLLjC Ij Ij I QCrr并联谐振回路的品质因数 rLQPP流过电感线圈的电流rLP21PPPPPPPPPPPPCRCCRRLCQCRGL11PPCPsPPPPsssPPVVIj ICrrjLjLLLLj Ij Ij I QCrr 谐振时流经电感与电容的电流是信号源电流的Q倍，二者之间大小相等，方向相差 。似乎有一回路电流在电容与电感中流过，该电流常被称为回路电流( )。因此，并联谐振又称为电流谐振。KI广义失谐 1111()1

10、()PPPPPPVGjVGjCjQL)(ppPQ 21|1|jearctg 串联谐振回路与并联谐振回路具有相同的归一化表达式。 归一化|0归一化后， 的值在 (谐振点)时取最大值1。回路的品质因数愈高，曲线愈尖锐，对外加电压的选频作用愈显著，回路的选择性就愈好。回路Q的大小可说明回路选择性的好坏。3. 信号源内阻与负载电阻对谐振回路品质因数的影响串联型谐振回路有载品质因数 rRRLQLSL0并联型谐振回路有载品质因数 )(1LSPPLGGGLQ实际系统中考虑了信号源内阻及负载电阻影响后的有载品质因数 0QQL4品质因数的物理意义 品质因数实际上描绘的是系统储能与耗能之间的关系。 特性阻抗 CL

11、0111PLLQLrrrCLC电容上的瞬时电压： tIim0sinLC10idtCvC10t0CVtVtICvCmC000coscos1CIVmC0电容中储能（谐振时） tCVCvWCCC0222cos2121电感中储能（谐振时） tLILiWmL0222sin2121222022212121mmCLICICCV谐振时，电容上的储能和电感中的储能的最大值相等，仅在相位上相差 。 2任何时刻，总的储能为常数。 20202221)cos(sin21mmCLLIttLIWWW电阻上消耗的功率： 221()22mRmIPrrI一个周期中的耗能： 谐振回路的品质因数是系统中的总储能与一个周期中的耗能之比

12、乘以 。 222011122RRmmWPTrI TrIf202012112mLCRmLIWWf LWrrIf0022LCRWWf LLQWrr2Q回路储能每周耗能5串并联谐振回路的通频带与选择性三分贝通频带(半功率点通频带) ：即 下降到0.707或 时的通频带。|21在射频模拟电路的范畴内， (谐振回路一般用于窄带系统)。 120707. 0ff绝对频移：0rLQ0000000022)()(ffQQQQLLLL00fff202)2(1111|ffQL令 21)2(11|20707. 0ffQLLQff0707. 02谐振回路的通频带与 成反比， 愈大，通频带愈窄。 LQLQ矩形系数： 降到0

13、.1时的通频带与降到0.707时的通频带之比。 |707. 01 . 01 . 022ffKr 总是大于1，理想矩形的 。 1 . 0rK0.11rK 愈接近1，选择性愈好。 1 . 0rK通频带简单串并联回路的选择性很不好，它的矩形系数远大1。20.101|0.121()LfQf200.12101LffQ200.101019.95LrLfQKfQ6谐振回路的相频特性群延时特性 单音调幅波 ttmIiPamScos)cos1 (载波角频率PamtmItmItIiPamPamPmS)cos(21)cos(21cos上边频)(P)(P频带宽度2调幅指数下边频调制信号频率边频 ， 通过谐振回路后产生

14、的相移为 。01( )coscos()21cos()21cos()cos1cos()cosmPPmPaPPmaPmPaPmPaPv tI RtI R mtR I mtI RmttI Rmtt PP单音调制调幅波通过谐振回路后仍然是调幅波，但是调幅指数下降为PPaRRmPR是谐振回路对 呈现的阻抗的模P包络产生延时定义群延时 dd)(arctag 2LPQ22222/()4 ()1LLPPLPdQQarctagdQ 0谐振时 PLPQ2)( 即是归一化相频特性通过点 的斜率，令 )(PPPLQ2)(2pPLarctagQarctag结论：回路品质因数 愈高，相频特性愈陡峭， 变大。如果 ，即 ，

15、则各频率分量通过系统的延时都为 ，合成的信号包络也仅延时 ，波形包络的形状不变，不会产生相位失真。PLQ|0t0tdd0t0t6|)(p1.1.2串并联阻抗等效互换22222221XRXRX222222112222222222111R XR XRjXjRXRXRjX22212222R XRRX串联形式的有载品质因数： LQXRRX221111RX22XR并联形式的有载品质因数： 串并联互换前后的品质因数不会发生变化。 221222211()LRRRRQX221222211()1LXXXXRQ221(1)LRQR2121(1)LXXQ1LQ122RQRL12XX这个结果表明：串联电路转换成等效并

16、联电路后，电抗X2的性质与X1相同，在QL较高的情况下，其电抗X基本不变，而并联电路的电阻R2比串联电路的电阻R1大 倍。 2LQ串联形式电路中的电阻愈大，则损耗愈大；并联形式电路中的电阻愈小，则分流愈大，损耗也愈大，反之亦然，所以二种电路是完全等效的。LCRPISLCrIS222221()pPPLLLLLLCRQ rrrrrCr2回路抽头时阻抗的变比关系采用部分接人的办法，可降低信号源内阻及负载电阻对谐振回路的影响，提高回路的有载品质因数，阻抗匹配。1P2P接入系数abZdbZ0PdbRZ |ab端看进去的阻抗db端看进去的阻抗（谐振时）1.电感抽头改变阻抗变比关系接入系数NNLLP111N

17、2N1L2L21NNN01)(0210CLL电感线圈 的匝数电感线圈 的匝数电感线圈的总电感 (忽略回路互感的影响) 并联电容为C21LLL010201()0LLC1020011CLC令变换前后的谐振频率不变 LCCL11110串并互换，设 rL 10022212011222211()abPdbLLLCZQ rrrrLLp Rp ZLCrP|abZ1P abdbZZ由低抽头向高抽头转换时，等效阻抗提高 倍。反之，由高抽头向低抽头转换时，等效阻抗降低至 倍。 21p2p部分接入可以完成阻抗变换改变改变aCRPPbLaCRPbLRSR S/SPLPRRQL1P 21SSRRP1SRK100PRK0

18、.1P 未采用部分接入/1SPRRK21100SSRRKP /50SPRRK采用部分接入 /SPLPRRQL增大N2N1abZaCRPLb112NPNNN2N1CRPL21NPNC2C1abZaRPLbC2C1abZaLbdrC2C1abZaLbC2abZaLbC2abZaLb2.电容分压阻抗变比关系00102110LCC0020111LCC感性222202022222211()()abPdbLCZrC rC rC rCLp Rp ZCCr112CpCC3.电流源、电压源的变比折合aCRPPbISLaCRPbLIS，SSPII aCRPPbLaCRPbLVS，vsSSVPV1能量守恒1.2高频

19、小信号调谐放大器高频小信号调谐放大器1.2.1 高频小信号放大器的基本要求高频小信号放大器是放大器最基本的一大类。频率范围：几百千赫到几千兆赫(凡是用集总参数分析的电路都包括在内)。小信号：相对而言，信号电平处在放大器的“线性”范围内部可认为是“小”信号。“线性”：指非线性项在这里起的作用很小，可以忽略。高频小信号放大器的分类：所用器件不同：晶体管、场效应管、集成电路放大器。通过频谱的宽窄：窄带、宽带放大器。电路形式：单级、级联放大器。负载性质：谐振、非谐振放大器。 谐振放大器用串联或并联谐振回路或耦合谐振回路作为放大器的负载。谐振回路的谐振频率(考虑晶体管影响后)位于输入信号的中心频率。信号

20、带宽与谐振回路的通频带基本一致。放大器对信号有极大的增益，信号带宽外，增益迅速减小。谐振放大器具有很好的选频能力。高频小信号放大器工作于放大器的线性区，放大器可用线性四端网络来等效，对线性网络的分析方法都适用于高频小信号放大器。 性能指标性能指标 ：电压增益 ：放大器的输出信号电压(负载上的电压) 与输入信号电压之比 。 功率增益 ：负载上输出信号功率与输入信号功率之 比 。VA)(lg20dBAVPA)(lg10dBAP1增益2通频带与选择性通频带：与谐振回路相同，决定于回路的形式和回路的等效品质因数QL。放大器的总通频带，随着级数的增加而变窄。并且，通频带愈宽，放大器的增益愈小。0.707

21、2 f三分贝带宽来定义选择性：放大器从含有各种不同频率的信号总和(有用的和有害的)中选出有用信号排除有害(干扰)信号的能力，称为放大器的选择性。707. 01 . 01 . 02/2ffKr0.010.010.7072/2rKff 选择性用矩形系数 或 ， 来定义：1 . 0rK001. 0rK01. 0rK显然，矩形系数 愈接近1，则实际曲线愈接近理想矩形，邻近波道选择性愈好，滤除邻近波道干扰信号的能力愈强。通常谐振放大器的矩形系数 ，约在25的范围内。1 . 0rK1 . 0rK 3噪声系数：定义为放大器输入信噪比与输出信噪比之比。在放大器中，总是希望它本身产生的噪声愈小愈好。4工作稳定：

22、工作稳定性是指放大器的工作状态(直流院置)、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定程度。一般的不稳定象是增益变化、中心频率偏移、通频带变化、谐振曲线变形等。不稳定状态的极端情况是放大器自激以致使放大思完全不能工作。 1.2.2 高频晶体管小信号等效电路模型与参数高频晶体管小信号等效电路模型与参数 1.高频晶体管网络参数模型网络参数模型实质上是将晶体管看成是四端网络，用网络参数等效晶体管特性，晶体管的内部物理过程不予考虑。 112212ierefeoeIy Vy VIy Vy V1122ierefeoeyyIVyyIV输出短路时的输入导纳 0112VieVIy0211

23、VreVIy0122VfeVIy0221VoeVIy输入短路时的反向传输导纳 输出短路时的正向传输导纳 输入短路时的输出导纳 短路导纳参数仅表示晶体管在输入端或输出端短路时的参数。它们是晶体管本身的参数只与晶体管的特性有关而与外电路无关所以又称内参数。晶体管构成放大器后，由于输入端、输出端都接有外电路晶体管和有关外电路被看成一个整体，于是得到相应的放大器y参数它们不仅与晶体管有关而且与外电路有关，故又称外参数。2. .高频晶体管的物理模型高频晶体管的物理模型混合混合 型等效电路型等效电路 3晶体管混合 型电路参数与网络参数之间的转换 1.2.3 晶体管的高频参数 ffj10f20)/(1/|f

24、f|2/0共射组态时 ，电流放大倍数晶体管共射组态的截止频率,是 下降到 时对应的频率。 特性频率 ： 下降到l所对应的频率。 Tf| 1)(1|20ff120ffT10ffT0 )(21cbebebCCrf)(21cbebeTCCrf026()b eeeerr rIff工作2/|1()Tffff工作工作ffffffTT/|当晶体管共射组态时，工作于远大于 的工作频率时，电流放大倍数的模值可由上式计算。f例:MRF571， ， ，计算 时的 。=8000 MHzTf0=1001000 MHzf工作0/80 MHzTff|最高振荡频率 :晶体管功率增益 时的工 作频率 maxf1PA cbebb

25、bmCCrgfmax421maxTfff|/8Tff工作maxf表示一个晶体管所能适用的最高极限频率。实际工作频率应等于最高振荡频串的1/31/4。ff工作 1.2.4 晶体管高频小信号单调谐回路谐振放大器晶体管高频小信号单调谐回路谐振放大器1. 放大器的输入导纳集电级C向右看进去的回路总导纳 creiiebVyVyIcoeifecVyVyILccyVILy iLoefecVyyyV)(iLoefereiiebVyyyyVyIcLioecfeV yyVy V放大器的输入导纳： LoefereieibiyyyyyVIY放大器的输入导纳不但与 有关，还与输出参数及 、 、 有关。当 时， ，此时晶

26、体管成为单向器件。ieyfeyoeyLy0rey ieiyY 2电压增益 VAiVVVA/00QPRPG abVPV20CabVPV11CVPPV120并联谐振回路的空载品质因数谐振电阻谐振电导谐振回路两端向右看进去的总导纳 2221LPieyGj Cp yj L2222111()LPieyGj Cp ypj L102fecioeLyPVVVyyP令ieieieCjgyoeoeoeCjgy 2120211( )( )fefeVoeLoeLip yp p yVAp yypyyV12221221feVPoeiep p yAGj Cp yp yj L 1222221221221()feVPoeieo

27、eiep p yAGp gp gjCp Cp Cj L放大器的调谐回路的谐振频率工作频率对 的失谐回路的有载品质因数LCf2100fff0fgCQL0广义失谐02ffQL22122PoeiegGp gp g22122oeieCCp Cp C12120121fefeVLp p yp p yAQfgj Cgjj Lf1221feVp p yAgj0f00VVAA120feVPP yAg(谐振)说明，高频小信号单调谐谐振放大器的归一化抑制比的表达式与简单谐振回路表达式完全一样，因此它们的3dB带宽和矩形系数完全一样。 归一化 jAAVV110放大器的电压增益大小与哪些因素有关 12(,)VfePoe

28、ieAf p pyGyy2201222212200221221111LPoeieoeiePPPoeiePPQL Gp gp gp gp gLGGGQp gp gGG（）（）20221(1)PieLoeQGp gQpg令 ，求得极值点02|0vAp2optp放大器的最大电压增益仅决定于晶体管参数 ， ， 以及谐振回路的性质 ，即 的比值。 越大越好，也就是说谐振回路的空载品质因数越高， 越大。feyoeg2ieg)1 (0QQL0/QQL0Qmax0VA01(1)2PLoptoeQGQpg02(1)2PLoptieQGQpg0max02(12feLvoeieyQAQg g） 3功率增益PAiPP

29、PA0输入功率12ieiigVp iV输入电压的有效值输出功率222002221222221122221|()|()|ieabiefeiieoeLfeiieoeLPV gV p gpyVp gp yyp pyVgp yy1222211|()|feiePoeLiep pygAp yyg谐振时212222002212211|()feieievPoePieieiep pyggAAp gGp ggg222122221222222122122222221122|(1)|4()14()1feiePiefeoeieoeieoeieoeiep pygAggyp g p gp gp gg gp gp gg令22

30、221ieoePgPgPP PieoeGggPgP2222122221222210|41()4(1)1|41(1)4(1)1fePPPoeiePfePLoeiePyPgGAg gPgyPQg gPQ结论：(1)谐振时，022122oeieP gP g1PP 24(1)0PPPPPP1PP2)1 (4PPPP220210|4(1)4(1)fePLPoeiePyPQAg gPQ(2)失配损耗 ，表征的是负载与晶体管的失配程度，它的最大值为1。 时， 均小于1。匹配情况2)1 (4PPPP22010|(1)4feLPoeieyQAg gQ(3)插入损耗 ，它表征回路固有损耗使功率增益 降低的比例。回

31、路本身损耗为零， , ，表明回路对功率增益 无影响。一般情况下， 。20)1 (QQL0QPA20(1)1LQQ1PP 241(1)PPPP12max04ieoefePggyA21120(1)1LQQPA(4)20(1)1LQQ谐振状态时的最大增益仅与晶体管本身的参数有关(5) 表明失谐状态的程度对功率增益的影响。4小信号单调谐回路谐振放大器的通频带与选择性小信号单调谐回路谐振放大器的通频带与选择性2113dB通频带与简单谐振回路相同 LQffB0707. 07 . 02 001LCQLgg000.70700.7072222LCf CgCffQf121200.70722fefevp p yp

32、p yAgCf当晶体管选定，电路完全确定以后，放大器的带宽增益乘积 是一个常数，带宽愈窄，增益愈高，反之亦然。带宽增益乘积与 成反比， 愈小，带宽增益积愈大。C22221ieoeCPCPCC22221ieoeCPCP1200.70722fevp p yAfC 00.7072vAf C谐振回路电容取决于oeC2ieC不稳定 必须外接定值的电容 矩形系数 95. 9110222707. 01 . 01 . 0ffKr 1.2.5 高频小信号单调谐回路谐振放大器级联高频小信号单调谐回路谐振放大器级联 1.级联放大器的电压增益12VVVVnAAAA12VVVnAAA1nVVAA2级联放大器的通频带与选

33、择性通频带nn)11(2如每级放大器完全相同 为级联放大器3dB带宽的缩小因子LnQff01707. 0122121n21)2(1120707. 0nLnffQ等于各单级谐振曲线的乘积，级数越多，谐振曲线愈尖锐，选择性虽很好，通频带却变窄了。若总的通频带保持为单级原放大器通带 ，则级联后每级放大器的通带要增大 倍。1211nLQf0选择性令101n1211011707. 01 . 01 . 0nnrffKn增加时， 迅速减小，选择性得到改善。但n增加使 减小是有限的，即使 ， 也只能到2.56，这与理想情况的1还有极大的距离。 1 . 0rKn1 . 0rK1 . 0rK 1.2.7 高频小信号调谐放大器的稳定性高频小信号调谐放大器的稳定性 1放大器稳定性分析晶体管是双向器件， 是反应内反馈大小的参量。放大器的输入导纳为：reyLoefereieiyyyyyYFieiyyYLoefereFyyyyy sssCjgyieieieCjgyFFFjbgyFg反馈到输入端回路的电导的负值恰好抵销了回路原有的电导 的正值;Fgiesgg 某些频率上为 负值负电导回路的总电导减小，QL增加，通频带减小，增益因损耗的减小而增加。相当于负电导 供给回路能量。QL趋向无穷大，放大器失去放大性能