第2章高频电路基础16691ppt课件

1、第2章 高频电路基础 第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础 2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件 2.2 高频电路中的基本电路高频电路中的基本电路 2.3 电子噪声及其特性电子噪声及其特性*2.4 噪声系数和噪声温度噪声系数和噪声温度*第2章 高频电路基础 2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件 注意高频特性。注意高频特性。元件主要是元件主要是:电阻器电阻器 电容器电容器 无源的线性元件。无源的线性元件。 电感器电感器 有源器件有源器件: 二极管二极管 完成信号的放大完成信号的放大 晶体管晶体管 非线性变换等功能非线性变换等功能 集成电路集成电路 各种高频电路基本上是由有源器

2、件、各种高频电路基本上是由有源器件、 无源无源元件和无源网络组成的。元件和无源网络组成的。高频电路中：高频电路中：第2章 高频电路基础 2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件 一、高频电路中的元件一、高频电路中的元件1、高频电阻、高频电阻高频等效电路：高频等效电路：CR为分布电容，为分布电容，LR为引线电感，为引线电感，R为电阻。为电阻。分布电容和引线电感越小，表明电阻的高频特性越好。分布电容和引线电感越小，表明电阻的高频特性越好。第2章 高频电路基础 2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件 频率越高，电阻器的高频特性表现越明显。频率越高，电阻器的高频特性表现越明显。 电阻器的高频

3、特性与制作电阻的材料、电阻的电阻器的高频特性与制作电阻的材料、电阻的封装形式和尺寸大小有密切关系。封装形式和尺寸大小有密切关系。1、高频电阻、高频电阻第2章 高频电路基础 2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件 2、高频电容、高频电容高频电路中常常使用片状电容和表面贴装电容。高频电路中常常使用片状电容和表面贴装电容。 高频等效电路：高频等效电路： 电阻电阻RC为极间绝缘电阻，它是由于两导体间的介质的非为极间绝缘电阻，它是由于两导体间的介质的非理想理想(非完全绝缘非完全绝缘)所致所致; 电感电感LC为分布电感或为分布电感或(和和)极间电感。极间电感。 在高频电路中，电容的损耗可以忽略不计，

4、但在高频电路中，电容的损耗可以忽略不计，但如果到了微波波段，电容中的损耗就必须加以考虑。如果到了微波波段，电容中的损耗就必须加以考虑。第2章 高频电路基础 2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件 2、高频电容、高频电容 f 频率频率阻抗阻抗电容器阻抗特性电容器阻抗特性 每个电容器都有一个自身谐振频率。每个电容器都有一个自身谐振频率。：电容器呈正常的电容特性，：电容器呈正常的电容特性，：电容器等效为一个电感。：电容器等效为一个电感。ff工作谐振ff工作谐振复习先修知识复习先修知识第2章 高频电路基础 2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件 3、高频电感、高频电感 主要用作谐振元件、滤

5、波元件和阻隔元件称主要用作谐振元件、滤波元件和阻隔元件称为射频扼流圈为射频扼流圈 RFC）。）。电感线圈的损耗：在高频电路中是不能忽略的。电感线圈的损耗：在高频电路中是不能忽略的。分布电容的影响：在分析一般的长、中、短波频段分布电容的影响：在分析一般的长、中、短波频段电路时，通常可以忽略。电路时，通常可以忽略。高频等效电路：高频等效电路：第2章 高频电路基础 2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件 3、高频电感、高频电感 高频电感器与普通电高频电感器与普通电感器一样。感器一样。 电感量电感量L产产生的感抗为生的感抗为jL, 其中其中, 为工作角频率。为工作角频率。 高频电感器也具有高频电

6、感器也具有自身谐振频率自身谐振频率SRF。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 Q Q 值越高，表明该电感器的储能作用越强，损耗越小。值越高，表明该电感器的储能作用越强，损耗越小。 Q 定义：高频电感器的感抗与其串联损耗电阻之比。定义：高频电感器的感抗与其串联损耗电阻之比。2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件 3、高频电感、高频电感如何表示高频电感的损耗性能？如何表示高频电感的损耗性能？品质因数品质因数 Q高频等效电路：高频等效电路：0LQr第2章 高频电路基础 2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件 二、高频电路中的有源器件二、高频电路中的有源器件主要

7、是：主要是：二极管二极管晶体管晶体管集成电路集成电路完成信号的放大、非线性变换等功能。完成信号的放大、非线性变换等功能。第2章 高频电路基础 1、晶体二极管、晶体二极管 主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中，工作在低电平。换电路中，工作在低电平。 变容二极管变容二极管点接触式二极管、表面势垒二极管点接触式二极管、表面势垒二极管(又称肖特基二极又称肖特基二极管管)。2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件 高频中常用二极管：高频中常用二极管：特点：它们的极间电容小、工作频率高。特点：它们的极间电容小、工作频率高。特点：电容随偏置电压变化。特

8、点：电容随偏置电压变化。第2章 高频电路基础 2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件 2、晶体三极管与场效应管、晶体三极管与场效应管FET)高频功率放大管高频功率放大管 要求除了增益外，要有较大的输出功率。要求除了增益外，要有较大的输出功率。 高频晶体管有两大类型高频晶体管有两大类型:小信号放大的高频小功率管小信号放大的高频小功率管 要求：增益高和噪声低要求：增益高和噪声低; 小信号的场效应管也能工作在同样高的频率，且噪声更小信号的场效应管也能工作在同样高的频率，且噪声更低。低。 目前双极型小信号放大管，工作频率可达几千兆赫兹，目前双极型小信号放大管，工作频率可达几千兆赫兹，噪声系数为几

9、分贝。噪声系数为几分贝。第2章 高频电路基础 2.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件 3、集成电路、集成电路IC)（1目前通用型的宽带集成放大器，工作频率可达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，一二百兆赫兹，增益可达五六十分贝， 甚至更高。甚至更高。 用于高频的晶体管模拟相乘器，工作频率也可达一用于高频的晶体管模拟相乘器，工作频率也可达一百兆赫兹以上。百兆赫兹以上。主要分为通用型和专用型两种。主要分为通用型和专用型两种。（2专用集成电路专用集成电路(ASIC): 集成锁相环、集成调频集成锁相环、集成调频信号解调器、单片集成接收机以及电视机中的专用信号

10、解调器、单片集成接收机以及电视机中的专用集成电路等。集成电路等。第2章 高频电路基础 2.2 高频电路中的基本电路高频电路中的基本电路 信号的传输、频率选择及阻抗变换等功能。信号的传输、频率选择及阻抗变换等功能。 高频电路中的基本电路主要有：高频电路中的基本电路主要有：高频振荡高频振荡(谐振谐振)回路回路高频变压器高频变压器谐振器与各种滤波器谐振器与各种滤波器完成功能：完成功能：第2章 高频电路基础 2.2 高频电路中的基本电路高频电路中的基本电路 一、高频振荡回路一、高频振荡回路本节主要内容：本节主要内容：1、简单振荡回路、简单振荡回路2、抽头并联振荡回路、抽头并联振荡回路3、耦合振荡回路、

11、耦合振荡回路二、高频变压器和传输线变压器二、高频变压器和传输线变压器*三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器*四、集中滤波器四、集中滤波器*第2章 高频电路基础 2.2 高频电路中的基本电路高频电路中的基本电路 一、高频振荡回路一、高频振荡回路 是高频电路中应用最广的无源网络，它是构成高频是高频电路中应用最广的无源网络，它是构成高频放大器、振荡器以及各种滤波器的主要部件。放大器、振荡器以及各种滤波器的主要部件。 下面分简单振荡回路、抽头并联振荡回路和耦合振荡下面分简单振荡回路、抽头并联振荡回路和耦合振荡回路三部分来讨论。回路三部分来讨论。 阻抗变换、信号选择与滤波、相频转换和移相阻抗变换、信号选

12、择与滤波、相频转换和移相等功能，并可直接作为负载使用。等功能，并可直接作为负载使用。完成功能：完成功能：第2章 高频电路基础 2.2 高频电路中的基本电路高频电路中的基本电路 1、简单振荡回路、简单振荡回路（1并联谐振回路并联谐振回路（2串联谐振回路串联谐振回路第2章 高频电路基础 （1并联谐振回路并联谐振回路 振荡回路的阻抗在某一特定频率上具振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最大或最小值的特性称为谐振特性。有最大或最小值的特性称为谐振特性。谐振特性：谐振特性： 并联阻抗：并联阻抗： CjLjrCjLjrZp11)()1(CLjrCLL r（ 当时）谐振条件：谐振条件：当当回回路路总总电电抗抗

13、 X=0 时时，回回路路呈呈谐谐振振状状态态第2章 高频电路基础 （1并联谐振回路并联谐振回路(a)谐振频率谐振频率并联阻抗：并联阻抗： (b)特性阻抗特性阻抗CLC1L00)1(CLjrCLPZ谐振时电容或电感的谐振时电容或电感的阻抗阻抗第2章 高频电路基础 (a)谐振频率谐振频率并联阻抗：并联阻抗： (b)特性阻抗特性阻抗)1(CLjrCLPZCLC1L00(c)品质因数品质因数irLriLiQ0202Cr1riCiQ0202/rCr1rLQ00(d)谐振阻抗谐振阻抗0pRCrLZ谐振条件下，回路储存能量与消耗能量之比。谐振条件下，回路储存能量与消耗能量之比。并联谐振回路的等效电路？并联谐

14、振回路的等效电路？第2章 高频电路基础 并联谐振回路的等效电路并联谐振回路的等效电路等效电路等效电路谐振阻抗：谐振阻抗：0pRCrLZ并联阻抗：并联阻抗： )1(CLjrCLPZ第2章 高频电路基础 (a)谐振频率谐振频率(b)特性阻抗特性阻抗CLC1L00(c)品质因数品质因数rCr1rLQ00(d)谐振阻抗谐振阻抗CQLQrCrLR0020/CRLRQ0000用用 r 表示表示用用 R0表示表示继续？继续？第2章 高频电路基础 并联回路谐振时的电流、电压关系并联回路谐振时的电流、电压关系流过流过 L 的电流是感性电流，它落后于回路两端电压的电流是感性电流，它落后于回路两端电压90。流过流过

15、 C 的电流是容性电流，超前于回路两端电的电流是容性电流，超前于回路两端电压压90。流过流过R0的电流与回路电压同相。的电流与回路电压同相。第2章 高频电路基础 并联回路谐振时的电流、电压关系并联回路谐振时的电流、电压关系谐振谐振=0时时IL、IC与与 I 的值关系：的值关系：QIIICL结论：通过电感线圈的电流结论：通过电感线圈的电流 IL 或电容器的电流或电容器的电流 IC 比外部电流比外部电流 I 大得多。大得多。图图第2章 高频电路基础 带入上式带入上式（1并联谐振回路并联谐振回路 分析并联回路在谐振频率附近的阻抗特性非谐振）分析并联回路在谐振频率附近的阻抗特性非谐振）)1(CLjrC

16、LPZ)(1oo0QjRCQLQrCrLR0020/因为因为定义广义失谐量定义广义失谐量: 00ff2Q2Q=-0与与0近似近似第2章 高频电路基础 )(000Qj1RPZ0R1j广义失谐量广义失谐量: 02Q分析：分析：当当= 0 时，时，ZP 达最大值：达最大值：R020P1RZarctanZ阻抗模值：阻抗模值：阻抗相角：阻抗相角：并联阻抗：并联阻抗：第2章 高频电路基础 20P1RZarctanZ阻抗模值：阻抗模值：阻抗相角：阻抗相角：阻抗特性：阻抗特性：相位特性：相位特性：第2章 高频电路基础 arctanZ画出幅频特性曲线：画出幅频特性曲线：分析相频特性：分析相频特性： 当当 0 时

17、，即时，即U, p1时，称为过耦合，时，称为过耦合， kk0当当A1时，称为欠耦合，时，称为欠耦合，kk0取转移阻抗特性曲线的模并进行归一化得到：取转移阻抗特性曲线的模并进行归一化得到：图图 2 13 耦合回路的频率特性耦合回路的频率特性 临界耦合时将临界耦合时将A1代入式代入式2 33得得 （2 33） （2 34） 第2章 高频电路基础 与单回路的阻抗特性相比，耦合回路顶部平缓，带宽要与单回路的阻抗特性相比，耦合回路顶部平缓，带宽要大，而且在频带之外，曲线下降也更陡峭。从回路对无用信大，而且在频带之外，曲线下降也更陡峭。从回路对无用信号频率的抑制来看性能也更好。号频率的抑制来看性能也更好。

18、21max2121ZZ令令得得 耦合振荡回路的带宽为耦合振荡回路的带宽为为表示曲线边缘的陡峭程度，通常为表示曲线边缘的陡峭程度，通常用接近理想矩形的程度来度量，定用接近理想矩形的程度来度量，定义矩形系数：义矩形系数：理想矩形系理想矩形系数为数为11 . 0max2121ZZ令令得得QfB01 . 05 . 4（2 36） (2 35)临界耦合时的矩形系数为临界耦合时的矩形系数为单回路的为单回路的为9.9615. 3707. 01 . 01 . 0BBK707. 01 . 01 . 0BBK第2章 高频电路基础 二、高频变压器和传输线变压器二、高频变压器和传输线变压器1.高频变压器高频变压器作用

19、：信号传输和阻抗变换，但也可用来隔绝直流。作用：信号传输和阻抗变换，但也可用来隔绝直流。工作频率：工作频率： 在几十兆赫兹以下的高频电路中。在几十兆赫兹以下的高频电路中。（1与低频变压器不同与低频变压器不同 为了减少损耗，高频变压器常用导磁率为了减少损耗，高频变压器常用导磁率高、高频损耗小的软磁材料作磁芯。高、高频损耗小的软磁材料作磁芯。材料不同材料不同:磁芯结构不同磁芯结构不同: 高频变压器一般用于小信号场合，尺寸小，高频变压器一般用于小信号场合，尺寸小，线圈的匝数较少。因而，其磁芯的结构形状与线圈的匝数较少。因而，其磁芯的结构形状与低频时不同。低频时不同。第2章 高频电路基础 二、高频变压

20、器和传输线变压器二、高频变压器和传输线变压器1.高频变压器高频变压器（1与低频变压器不同与低频变压器不同磁芯结构不同磁芯结构不同(a) 环形磁芯环形磁芯 (b) 罐形磁芯罐形磁芯(a) 环形磁芯环形磁芯:初次级线圈直接穿绕在环形结构的磁环上初次级线圈直接穿绕在环形结构的磁环上(b) 罐形磁芯罐形磁芯: 绕制在骨架上，放于两罐之间。绕制在骨架上，放于两罐之间。 第2章 高频电路基础 第2章 高频电路基础 二、高频变压器和传输线变压器二、高频变压器和传输线变压器1.高频变压器高频变压器 虚线内为理想变压器，虚线内为理想变压器，L为初级励磁电感，为初级励磁电感，LS为漏感，为漏感，CS为变压器的分布

21、电容。为变压器的分布电容。(a) 电路符号电路符号 (b) 等效电路等效电路第2章 高频电路基础 三绕组高频变压器，称为三绕组高频变压器，称为中心抽头变压器中心抽头变压器.二、高频变压器和传输线变压器二、高频变压器和传输线变压器1.高频变压器高频变压器当作理想变压器看，那么当作理想变压器看，那么U1 = U2 = nU3 I3 = n ( I1 + I2 )（其中：（其中： ）12nNN二极管平衡电路二极管平衡电路第2章 高频电路基础 二、高频变压器和传输线变压器二、高频变压器和传输线变压器2. 传输线变压器传输线变压器第2章 高频电路基础 （a高频反相器高频反相器1U2ULU第2章 高频电路

22、基础 （b平衡与不平衡变换平衡与不平衡变换匹配条件匹配条件CLZR第2章 高频电路基础 构造：一对传输线变压器一根短路线构造：一对传输线变压器一根短路线（c阻抗变换器阻抗变换器第2章 高频电路基础 （d3dB耦合器耦合器ABbRLR第2章 高频电路基础 三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器 应用：广泛应用于高频率稳定性的振荡器中，也用应用：广泛应用于高频率稳定性的振荡器中，也用做高性能的窄带滤波器。做高性能的窄带滤波器。1、物理特性、物理特性石英晶体的形状：石英晶体的形状：SiO2的结晶体的结晶体电路符号：电路符号：第2章 高频电路基础 三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器 1、物理特性、物理

23、特性内部结构及外形内部结构及外形:正、反压电效应正、反压电效应: 当晶体受外力作用而变形当晶体受外力作用而变形( (如伸缩、切变、扭如伸缩、切变、扭曲等曲等) )时，就在它对应的表面上产生正、负电荷时，就在它对应的表面上产生正、负电荷, , 呈现出电压，这称为正压电效应。呈现出电压，这称为正压电效应。 电能和机械能的转换。电能和机械能的转换。 当在晶体两面加电压时，晶体又会发生机械当在晶体两面加电压时，晶体又会发生机械形变，这称为反压电效应。形变，这称为反压电效应。第2章 高频电路基础 三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器 1、物理特性、物理特性谐振频率：谐振频率： 晶片有一个固有的机械谐振频

24、率，当外加电信号的频晶片有一个固有的机械谐振频率，当外加电信号的频率与次自然谐振频率一致或者相近时，就会产生谐振共率与次自然谐振频率一致或者相近时，就会产生谐振共振）。振）。基音、泛音：基音、泛音： 对于一定形状和尺寸的某一晶体，它既可以在基频上对于一定形状和尺寸的某一晶体，它既可以在基频上谐振，也可以在高次谐波通常奇次谐波，又称泛音上谐振，也可以在高次谐波通常奇次谐波，又称泛音上谐振。谐振。基音谐振器基音谐振器kHz ）:最高达最高达25MHz、泛音谐振器泛音谐振器(MHz)：可达：可达250MHz以上以上第2章 高频电路基础 三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器 1、物理特性、物理特性稳定

25、的谐振频率：稳定的谐振频率： 晶片的谐振频率与它的材料、几何形状、尺寸及振动晶片的谐振频率与它的材料、几何形状、尺寸及振动方式方式(取决于切片方式取决于切片方式)有关，且十分稳定；其温度系数均有关，且十分稳定；其温度系数均在在 106或更高数量级上。或更高数量级上。 用于高频的晶体切片，其谐振时的电波长常与晶片厚用于高频的晶体切片，其谐振时的电波长常与晶片厚度成正比，谐振频率与厚度成反比。度成正比，谐振频率与厚度成反比。谐振频率与晶片厚度的关系：谐振频率与晶片厚度的关系：第2章 高频电路基础 三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器 2、等效电路及电抗特性、等效电路及电抗特性(a) 包括泛音在内的

26、等效电路包括泛音在内的等效电路 (b) 谐振频率附近的等效电路谐振频率附近的等效电路C0：晶体作为电介质的静电容，一般为几个皮法至几十皮法。：晶体作为电介质的静电容，一般为几个皮法至几十皮法。Lq、Cq、rq：机械共振经压电转换而呈现的电参数。：机械共振经压电转换而呈现的电参数。其中其中rq：机械摩擦和空气阻尼引起的损耗。：机械摩擦和空气阻尼引起的损耗。第2章 高频电路基础 三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器 2、等效电路及电抗特性、等效电路及电抗特性（1分析谐振频率分析谐振频率串联谐振频率：串联谐振频率：qqq21CLf 0qq0qqqq0q0q0112121CCfCCCLCCCCLf并联

27、谐振频率：并联谐振频率：第2章 高频电路基础 三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器 2、等效电路及电抗特性、等效电路及电抗特性 国产国产B45型型1 MHz中等精度晶体中等精度晶体: Lq=4.00 H Cq=0.0063 pF rq=100200 C0=23 pF由此可见，由此可见，Lq很大，很大，Cq很小。很小。 晶体谐振器的品质因数非常大，一般为几晶体谐振器的品质因数非常大，一般为几万甚至几百万，这是普通万甚至几百万，这是普通LC电路无法比拟的。电路无法比拟的。品质因数品质因数:)000 250000 125(qqqqrLQ举例：举例：第2章 高频电路基础 三、石英晶体谐振器三、石英晶体

28、谐振器 2、等效电路及电抗特性、等效电路及电抗特性阻抗特性：阻抗特性：0qqqqqq0e1j1j1j1jCCLrCLrCZ忽略rq后，上式简为：22qee22001/1jj1/ZXC （2当当在在q和和0之间，晶体谐振器等效为一之间，晶体谐振器等效为一电感，而且为一数值巨大的非线性电感。电感，而且为一数值巨大的非线性电感。（1当当0时，晶体谐振器呈容性时，晶体谐振器呈容性; 容性容性容性容性感性感性第2章 高频电路基础 三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器 (1) 晶体的谐振频率晶体的谐振频率fq和和f0非常稳定。非常稳定。(2) 晶体谐振器有非常高的品质因数。晶体谐振器有非常高的品质因数。(

29、3) 晶体谐振器的接入系数非常小，一般为晶体谐振器的接入系数非常小，一般为 103数量级，数量级，甚至更小。甚至更小。(4) 晶体在工作频率附近阻抗变化率大，有很高的并联谐晶体在工作频率附近阻抗变化率大，有很高的并联谐振阻抗。振阻抗。 这些特点决定了晶体谐振器的频率稳定度比这些特点决定了晶体谐振器的频率稳定度比一般振荡回路要高。一般振荡回路要高。晶体谐振器与一般振荡回路比较：晶体谐振器与一般振荡回路比较：第2章 高频电路基础 三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器 3. 晶体谐振器的应用晶体谐振器的应用（2用它作成高频窄带滤波器。用它作成高频窄带滤波器。（1晶体谐振器主要应用于晶体振荡器中。晶体

30、谐振器主要应用于晶体振荡器中。晶体滤波器电路晶体滤波器电路Z1Z2等效等效第2章 高频电路基础 Z1Z2三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器 3. 晶体谐振器的应用晶体谐振器的应用下列图：滤波器的衰减特性下列图：滤波器的衰减特性值越高衰减的越大，最大处值越高衰减的越大，最大处位于电桥平衡处，相应频率位于电桥平衡处，相应频率信号输出为信号输出为0滤波器的通带只是在滤波器的通带只是在fq和和f0之间，其余范围为阻带。之间，其余范围为阻带。第2章 高频电路基础 三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器 加宽石英晶体两谐振频率之间的宽度？加宽石英晶体两谐振频率之间的宽度？ 通常用外加电感与石英晶体串联或并

31、联的方通常用外加电感与石英晶体串联或并联的方法实现法实现(这也是扩大晶体振荡器调频频偏的一种有这也是扩大晶体振荡器调频频偏的一种有效方法效方法)。第2章 高频电路基础 四、集中滤波器四、集中滤波器其他高频组件其他高频组件陶瓷滤波器、晶体滤波器、声表面波滤波器等。陶瓷滤波器、晶体滤波器、声表面波滤波器等。五、高频匹配器和衰减器等五、高频匹配器和衰减器等 利用电阻网络可以制成衰减器和有一定衰减利用电阻网络可以制成衰减器和有一定衰减作用的匹配器组件。作用的匹配器组件。 在高频电路中，匹配器和衰减器的终端阻抗在高频电路中，匹配器和衰减器的终端阻抗和线路匹配阻抗通常有和线路匹配阻抗通常有50和和75两种

32、。两种。第2章 高频电路基础 2.3 电子噪声及其特性电子噪声及其特性一、概述一、概述定义：定义： 电子设备的性能在很大程度上与干扰和噪电子设备的性能在很大程度上与干扰和噪声有关。评价一个高频系统的性能的指标之一。声有关。评价一个高频系统的性能的指标之一。重要性：重要性： 主要出现在有用信号比较弱的场合，比如，主要出现在有用信号比较弱的场合，比如，接收机的前级电路，或多级高增益的音频放大、接收机的前级电路，或多级高增益的音频放大、视频放大器中。视频放大器中。电子噪声的影响：电子噪声的影响： 除有用信号以外的一切不需要的信号及除有用信号以外的一切不需要的信号及各种电磁骚动的总称。各种电磁骚动的总

33、称。第2章 高频电路基础 un二、电子噪声的来源与特性二、电子噪声的来源与特性噪声来源：主要由电阻热噪声和半导体管噪声。噪声来源：主要由电阻热噪声和半导体管噪声。1. 电阻热噪声电阻热噪声定义：是由电阻内部的自由电子的热运动而产生的。定义：是由电阻内部的自由电子的热运动而产生的。它是系统内部噪声的主要来源，具有起伏特性。它是系统内部噪声的主要来源，具有起伏特性。电阻热噪声的一段取样波形电阻热噪声的一段取样波形第2章 高频电路基础 1) 热噪声电压和功率谱密度热噪声电压和功率谱密度均方值均方值T22nn01limd4TUutkTBRT k为波尔茨曼常数，为波尔茨曼常数，k=1.371023 J/

34、K; B为测量此电压为测量此电压时的带宽时的带宽; T为绝对温度为绝对温度(K).均方根均方根n4UkTBRUn表示的是起伏电压交流分量的有效值。表示的是起伏电压交流分量的有效值。1. 电阻热噪声电阻热噪声第2章 高频电路基础 1) 热噪声电压和功率谱密度热噪声电压和功率谱密度均方值均方值2n4UkTBR1. 电阻热噪声电阻热噪声等效电路等效电路噪声电压源噪声电压源噪声电流源噪声电流源第2章 高频电路基础 例：常温下例：常温下T=290K工作的工作的1K电阻，与电阻，与B=100KHZ的理想网络相连接。求的理想网络相连接。求 与与 。nU2nU2122n41.6 10UkTBRVn1.26Uu

35、V 在一般情况下，电阻的热噪声是相当微弱的，在一般情况下，电阻的热噪声是相当微弱的，故在电平较高的电路可忽略。故在电平较高的电路可忽略。 在接收机的前级，由于有用信号极其微弱，其影在接收机的前级，由于有用信号极其微弱，其影响不能忽略，它已成为限制接收机性能的主要因素。响不能忽略，它已成为限制接收机性能的主要因素。333231010100102901037. 14第2章 高频电路基础 1) 热噪声电压和功率谱密度热噪声电压和功率谱密度均方值均方值2n4UkTBR1. 电阻热噪声电阻热噪声功率谱密度功率谱密度224( )(/)1 ()UKTRSfVHzf13141010自由电子每秒钟的碰撞次数自由

36、电子每秒钟的碰撞次数f2(/4)UVSkTRHz24(/)ISkTG AHz 电阻器单位频带噪声功率在电阻器单位频带噪声功率在很宽的频率范围内均为一恒定值。很宽的频率范围内均为一恒定值。白噪声！白噪声！第2章 高频电路基础 2) 线性电路中的热噪声线性电路中的热噪声1. 电阻热噪声电阻热噪声 多个电阻的热噪声多个电阻的热噪声 考虑多个电阻串联或并联，或者是混联连接，考虑多个电阻串联或并联，或者是混联连接，求总的电阻热噪声。求总的电阻热噪声。R1R22nU 设两个电阻上的噪声电势设两个电阻上的噪声电势un1、un2是统计独立的，即互不相关的。是统计独立的，即互不相关的。222nn1n2124()

37、UUkTB RRU 只要各噪声源是相互独立的，则总的只要各噪声源是相互独立的，则总的噪声服从均方叠加原则。噪声服从均方叠加原则。重要结论：重要结论：第2章 高频电路基础 热噪声通过线性网络热噪声通过线性网络2) 线性电路中的热噪声线性电路中的热噪声1. 电阻热噪声电阻热噪声热噪声通过线路电路的模型热噪声通过线路电路的模型 对于单一频率的信号来说，对于单一频率的信号来说，H(j)：电路的传输函数，若：电路的传输函数，若其表示电压之比。其表示电压之比。2UoUi|(j )|SHS那么：那么：2nUo0dUSf第2章 高频电路基础 热噪声通过线性网络热噪声通过线性网络2) 线性电路中的热噪声线性电路

38、中的热噪声1. 电阻热噪声电阻热噪声2UoUi|(j )|SHS 分析热噪声通过线性电路后的输出噪声，例分析热噪声通过线性电路后的输出噪声，例如热噪声通过并联振荡回路。如热噪声通过并联振荡回路。CLrCH1jj1j)j (传输函数：传输函数：2(j )H第2章 高频电路基础 热噪声通过线性网络热噪声通过线性网络2) 线性电路中的热噪声线性电路中的热噪声1. 电阻热噪声电阻热噪声2UoUi|(j )|SHSCLrCH222211)j (4UiSkTr2Uo22141CSkTrrLC4UiSkTr第2章 高频电路基础 热噪声通过线性网络热噪声通过线性网络2) 线性电路中的热噪声线性电路中的热噪声1

39、. 电阻热噪声电阻热噪声2Uo22141CSkTrrLCCLrLrCXR1jj)j(1jjee04UeSkTR222e11CLrrCR即：即：第2章 高频电路基础 2) 线性电路中的热噪声线性电路中的热噪声1. 电阻热噪声电阻热噪声04UeSkTR（1对于二端线性电路，其噪声电压或噪声电对于二端线性电路，其噪声电压或噪声电流谱密度流谱密度 SU、SI 可以用等效电阻可以用等效电阻Re(或或Ge)来代来代替替 。（2电阻热噪声通过线性电路后，一般就不再电阻热噪声通过线性电路后，一般就不再是白噪声了。是白噪声了。重要结论：重要结论：4USkTR第2章 高频电路基础 3) 噪声带宽噪声带宽1. 电阻

40、热噪声电阻热噪声2i4UkTBR 电阻热噪声是均匀频谱的白噪电阻热噪声是均匀频谱的白噪声，声，B为一理想滤波器的带宽。为一理想滤波器的带宽。2UoUi|(j )|SHS输出均方电压谱为输出均方电压谱为:则输出均方电压为则输出均方电压为:2220UoUi000d(j ) d4(j ) d USfSHfkTRHf设输入一电阻热噪声设输入一电阻热噪声, 第2章 高频电路基础 3) 噪声带宽噪声带宽输出均方电压为输出均方电压为:设设|H(j)|的最大值为的最大值为H0，则，则可定义一等效噪声带宽可定义一等效噪声带宽Bn，令令220n04UkTRB H20n20(j ) d HfBH22004(j )

41、dUkTRHf第2章 高频电路基础 3) 噪声带宽噪声带宽20n20(j ) d HfBH Bn的大小由实际特性的大小由实际特性|H(j)|2决定，而与决定，而与输入噪声无关输入噪声无关. 一般情况下一般情况下Bn不等于实际特性的不等于实际特性的 3 dB带宽带宽B0.7，只有实际特性接近理想矩形时，两者数，只有实际特性接近理想矩形时，两者数值上才接近相等。值上才接近相等。分析：分析：第2章 高频电路基础 例：计算单振荡回路等效噪声带宽。例：计算单振荡回路等效噪声带宽。22221(j )1CHrLC设回路为高设回路为高Q电路，电路，20202211)j (ffQCrH20n20(j ) d H

42、fBHn0.70.71.572BBB 并联回路的并联回路的 3dB带宽为带宽为B0.7 = f0 / Q第2章 高频电路基础 线性网络的等效噪声带宽线性网络的等效噪声带宽Bn与与B0.7是不同的两是不同的两个概念，前者是从噪声的角度引出来的，而后者是个概念，前者是从噪声的角度引出来的，而后者是对信号而言的。对信号而言的。对于常用的单调谐并联对于常用的单调谐并联回路，二者间的关系：回路，二者间的关系：n0.70.71.572BBB 对于多级单调谐回路，级数越多，传输特性越接对于多级单调谐回路，级数越多，传输特性越接近矩形，近矩形，Bn 越接近于越接近于B0.7。 对于临界耦合的双调谐回路，对于临

43、界耦合的双调谐回路，Bn=1.11B0.7。因而，并联回路的噪声带宽要大于信号带宽。因而，并联回路的噪声带宽要大于信号带宽。3) 噪声带宽噪声带宽第2章 高频电路基础 2. 晶体三极管噪声晶体三极管噪声 晶体三极管的噪声是设备内部固有噪声的另一个重要来源。 一般说来，在一个放大电路中, 晶体三极管的噪声往往比电阻热噪声强得多。散弹散弹(粒粒)噪声噪声分配噪声分配噪声闪烁噪声闪烁噪声第2章 高频电路基础 必须指出，前面讨论的晶体管中的噪声，在实必须指出，前面讨论的晶体管中的噪声，在实际放大器中将同时起作用并参与放大。际放大器中将同时起作用并参与放大。3. 场效应管噪声场效应管噪声沟道电阻产生的热

44、噪声沟道电阻产生的热噪声; 沟道热噪声通过沟道和栅极电容的耦合作用在栅沟道热噪声通过沟道和栅极电容的耦合作用在栅极上的感应噪声极上的感应噪声; 闪烁噪声。闪烁噪声。 在场效应管中，由于其工作原理不是靠少数载流子的运动，因而散弹噪声的影响很小。场效应管的噪声来源场效应管的噪声来源:第2章 高频电路基础 由于由于(S/N)i总是大于总是大于(S/N)o，故噪声系数的数值总是大于，故噪声系数的数值总是大于 1。理想无噪声系统的噪声系数为。理想无噪声系统的噪声系数为 1.第四节第四节 噪声系数和噪声温度噪声系数和噪声温度一、噪声系数一、噪声系数NF定义：定义：iFoii00/SS NNSNS NN设设

45、KP功率放大倍数：功率放大倍数：oFPiNNK NaFPi1NNK NNa：表现在输出端的内部：表现在输出端的内部附加噪声功率：附加噪声功率：第2章 高频电路基础 几点说明：几点说明：第四节第四节 噪声系数和噪声温度噪声系数和噪声温度一、噪声系数一、噪声系数NFiFoii00/SS NNSNS NN1.噪声功率是按每单位频带内的噪声功率定义的，但若引入噪声功率是按每单位频带内的噪声功率定义的，但若引入等效等效Bn，则也可用于整个频带内的噪声功率。，则也可用于整个频带内的噪声功率。2.NF与与So、Si无关但与无关但与Ni有关，规定有关，规定Ni为信号源内阻为信号源内阻RS的的最大输出功率。并规

46、定最大输出功率。并规定RS的温度为的温度为 290 K，此温度称为标，此温度称为标准噪声温度。准噪声温度。3.NF与输入端、输出端是否匹配无关。与输入端、输出端是否匹配无关。4.NF的定义只适用于线性或准线性电路。的定义只适用于线性或准线性电路。第2章 高频电路基础 第四节第四节 噪声系数和噪声温度噪声系数和噪声温度二、噪声系数的计算二、噪声系数的计算1.额定功率法额定功率法2SsmS4IPG2SsmS4EPR 额定功率指信号源所能输出的最大功率，它只取决于信额定功率指信号源所能输出的最大功率，它只取决于信号源本身的参数号源本身的参数内阻和电动势，与输入电阻和负载无关。内阻和电动势，与输入电阻

47、和负载无关。任何电阻任何电阻R的额定噪声功率均为的额定噪声功率均为kTB。第2章 高频电路基础 第四节第四节 噪声系数和噪声温度噪声系数和噪声温度二、噪声系数的计算二、噪声系数的计算1.额定功率法额定功率法额定功率增益额定功率增益KPm ：是指四端网络的输出额定功率是指四端网络的输出额定功率Psmo和输入额定功率和输入额定功率Psmi之比。之比。smismoPmPPK用额定功率增益用额定功率增益KPm 表示的噪声系数：表示的噪声系数：mimimoPFmmmiomo/PNNPNKNN另一种形式：另一种形式：moFPmmnPm1NNKkTBNKkTB 第2章 高频电路基础 第四节第四节 噪声系数和

48、噪声温度噪声系数和噪声温度二、噪声系数的计算二、噪声系数的计算1.额定功率法额定功率法无源四端网络的噪声系数：无源四端网络的噪声系数：PFm1LKN式中，L为网络的衰减倍数。 无源网络的噪声系数正好无源网络的噪声系数正好等于网络的衰减倍数等于网络的衰减倍数.结论：结论：RLU2s第2章 高频电路基础 第四节第四节 噪声系数和噪声温度噪声系数和噪声温度无源四端网络的噪声系数：无源四端网络的噪声系数：PFm1LKNGS：信号源电导：信号源电导 G：回路的损耗电导：回路的损耗电导 p：接入系数：接入系数例：计算抽头回路噪声系数。例：计算抽头回路噪声系数。网络的噪声系数：网络的噪声系数：2smSF2P

49、mmo2SS11PG p GNKpGGp GP第2章 高频电路基础 二、噪声系数的计算二、噪声系数的计算2. 级联四端网络的噪声系数级联四端网络的噪声系数 级联后总的级联后总的额定功率增益：额定功率增益：KPm=KPm1KPm2kTBKNNPmoF级联后噪声系数：级联后噪声系数：No为总输出额定为总输出额定噪声功率：噪声功率：No= KPm kTB + KPm2 Na1 + Na2经两级放大的输入信经两级放大的输入信号源内阻的热噪声号源内阻的热噪声经第二级放大的第一级经第二级放大的第一级网络内部的附加噪声网络内部的附加噪声第二级网络内第二级网络内部的附加噪声部的附加噪声第2章 高频电路基础 2

50、. 级联四端网络的噪声系数级联四端网络的噪声系数oFPmNNKkTB No为总输出为总输出额定噪声功率：额定噪声功率：No= KPm kTB + KPm2 Na1 + Na2Na1=(NF11)KPm1kTBNa2=(NF21)KPm2kTB内部附加噪声功率：内部附加噪声功率：F2FF1Pm11NNNK两级级联总两级级联总NF:第2章 高频电路基础 二、噪声系数的计算二、噪声系数的计算2. 级联四端网络的噪声系数级联四端网络的噪声系数F3F2FnFF112Pm1Pm1Pm2Pm1Pm2Pm(n-1)111nNNNNNKKKKKK n 级级联总级级联总NF: 当网络的额定功率增益远大于当网络的额

51、定功率增益远大于1时，系统的总时，系统的总噪声系数主要取决于第一级的噪声系数。噪声系数主要取决于第一级的噪声系数。 因而，对第一级来说，不但希望噪声系数小，因而，对第一级来说，不但希望噪声系数小，也希望增益大，以便减小后级噪声的影响。也希望增益大，以便减小后级噪声的影响。第2章 高频电路基础 例例 2 -3 图图 是一接收机的前端电路，高频放大器和场是一接收机的前端电路，高频放大器和场效应管混频器的噪声系数和功率增益如图所示。试效应管混频器的噪声系数和功率增益如图所示。试求前端电路的噪声系数求前端电路的噪声系数(设本振产生的噪声忽略不计设本振产生的噪声忽略不计).第2章 高频电路基础 第四节第

52、四节 噪声系数和噪声温度噪声系数和噪声温度二、噪声系数的计算二、噪声系数的计算3 噪声系数与灵敏度噪声系数与灵敏度定义：定义：是保持接收机输出端信噪比一定时，接收机输入的最是保持接收机输出端信噪比一定时，接收机输入的最小信号电压或功率小信号电压或功率(设接收机有足够的增益设接收机有足够的增益)。iFo/S NNS NiFioSSNNN因为：因为：所以：所以：iNkTBim4SiUR S第2章 高频电路基础 例：设某一电视接收机，正常接收时所需最小信号噪声功率例：设某一电视接收机，正常接收时所需最小信号噪声功率比为比为20 dB, 电视接收机的带宽为电视接收机的带宽为 6 MHz，接收机前端电路

53、的，接收机前端电路的噪声系数为噪声系数为 10 dB，问接收机前端电路输入端的信号电平，问接收机前端电路输入端的信号电平(灵灵敏度敏度)至少应多大至少应多大?3 噪声系数与灵敏度噪声系数与灵敏度iFioSSNNNiNkTB设信号源的内阻为设信号源的内阻为RS=75 。12SS i44 75 23.8 1084.5 VURSim4S iURS则所需的最小信号电势为：则所需的最小信号电势为：第2章 高频电路基础 无源四端网络的形式：无源四端网络的形式：1.选频电路选频电路2.阻抗变换电路阻抗变换电路3.传输电缆传输电缆 其中接入接收机输入端的无源网络的噪声，其中接入接收机输入端的无源网络的噪声，对

54、系统性能的影响最大。对系统性能的影响最大。无源四端网络的噪声系数：无源四端网络的噪声系数：PFm1LKN例：求长度为例：求长度为50m，衰减量为，衰减量为0.082dB/m高频电缆的高频电缆的噪声系数。噪声系数。第2章 高频电路基础 三、噪声温度三、噪声温度 将线性电路的内部附加噪声折算到输入端，此附加噪声将线性电路的内部附加噪声折算到输入端，此附加噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效。可以用提高信号源内阻上的温度来等效。aFPi1NNK N Na/Kp：等效在输入端的：等效在输入端的内部附加噪声。内部附加噪声。aFiP1/NNKN P/aeNKk BT那么：那么：Te：噪声温度：噪声温度i

55、Nk BT(1)eFTNT又又1eFTNT 第2章 高频电路基础 三、噪声温度三、噪声温度 (1)eFTNT1、对于理想网络，噪声温度为、对于理想网络，噪声温度为0。噪声系数越大网络的噪。噪声系数越大网络的噪声温度也越高。声温度也越高。2、当网络内部噪声较大时，用噪声系数描述较为方便；而、当网络内部噪声较大时，用噪声系数描述较为方便；而当内部噪声较小时，用噪声温度描述具有较大的优越性。当内部噪声较小时，用噪声温度描述具有较大的优越性。NF/B00.30.50.81.02.04.08.010NF11.07 1.12 1.20 1.26 1.59 2.51 6.3110Te020355876171

56、443 1556 2637第2章 高频电路基础 三、噪声温度三、噪声温度 (1)eFTNT （1噪声温度噪声温度Te是系统内部噪声的另一种量度，它不是是系统内部噪声的另一种量度，它不是该系统的实际物理温度，而是用以表征该系统性能的一种该系统的实际物理温度，而是用以表征该系统性能的一种假想温度。假想温度。说明：说明：（2噪声温度可以推广到多级放大器中。噪声温度可以推广到多级放大器中。 e2e3enee112Pm1Pm1Pm2Pm1Pm2Pm(n-1)111nTTTTTKKKKKK 它同样说明，多级级联网络的噪声温度，主要由其前级网它同样说明，多级级联网络的噪声温度，主要由其前级网络的特性决定。络

57、的特性决定。第2章 高频电路基础 复习复习1.并联振荡回路并联振荡回路2.抽头并联振荡回路抽头并联振荡回路3.耦合振荡回路耦合振荡回路4.串并联阻抗等效互换串并联阻抗等效互换5.变压器阻抗变换变压器阻抗变换(a)谐振频率谐振频率(b)品质因数品质因数(c)谐振阻抗谐振阻抗(e)Qo QL(a) p(d)幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性 (b)折合关系折合关系临界耦合临界耦合 过耦合过耦合 欠耦合欠耦合一、高频电路中的基本电路一、高频电路中的基本电路第2章 高频电路基础 6.石英晶体谐振器石英晶体谐振器(a)等效电路等效电路(b)fq 、 fo 及二者关及二者关系系(c)电抗特性电抗特性二、

58、噪声二、噪声1、电阻热噪声、电阻热噪声（b热噪声通过线性网络热噪声通过线性网络（c等效噪声带宽等效噪声带宽（a热噪声电压、功率谱密度、等效电路热噪声电压、功率谱密度、等效电路04UeSkTR220n04UkTRB H20n20(j ) d HfBH第2章 高频电路基础 二、噪声二、噪声2、噪声系数、噪声系数（a定义定义（b额定功率法计算噪声系数额定功率法计算噪声系数无源四端网络：无源四端网络：级联四端网络：级联四端网络：（c灵敏度灵敏度（d噪声温度噪声温度第2章 高频电路基础 非重点部分第2章 高频电路基础 三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器 应用：广泛应用于高频率稳定性的振荡器中，也用应用

59、：广泛应用于高频率稳定性的振荡器中，也用做高性能的窄带滤波器。做高性能的窄带滤波器。1、物理特性、物理特性石英晶体的形状：石英晶体的形状：电路符号：电路符号：第2章 高频电路基础 三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器 1、物理特性、物理特性内部结构及外形内部结构及外形:正、反压电效应正、反压电效应: 当晶体受外力作用而变形当晶体受外力作用而变形( (如伸缩、切变、扭如伸缩、切变、扭曲等曲等) )时，就在它对应的表面上产生正、负电荷时，就在它对应的表面上产生正、负电荷, , 呈现出电压，这称为正压电效应。呈现出电压，这称为正压电效应。 电能和机械能的转换。电能和机械能的转换。 当在晶体两面加电压

60、时，晶体又会发生机械当在晶体两面加电压时，晶体又会发生机械形变，这称为反压电效应。形变，这称为反压电效应。第2章 高频电路基础 三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器 1、物理特性、物理特性稳定的谐振频率：稳定的谐振频率： 晶片的谐振频率与它的材料、几何形状、尺寸及振动晶片的谐振频率与它的材料、几何形状、尺寸及振动方式方式(取决于切片方式取决于切片方式)有关，且十分稳定；其温度系数均有关，且十分稳定；其温度系数均在在 106或更高数量级上。或更高数量级上。 用于高频的晶体切片，其谐振时的电波长常与晶片厚用于高频的晶体切片，其谐振时的电波长常与晶片厚度成正比，谐振频率与厚度成反比。度成正比，谐振频