第2章 高频电路基础

1、第第2章章 高频电路基础高频电路基础1第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础2.1 2.1 高频电路中常用的元器件和组件高频电路中常用的元器件和组件 2.1.1 2.1.1 元件元件 2.1.2 2.1.2 高频电路中的常用电路高频电路中的常用电路 1. LC1. LC谐振电路谐振电路 2. 2. 其它形式的滤波器其它形式的滤波器 3. 3. 高频变压器传输变压器高频变压器传输变压器 4. 4. 衰减器与阻抗变换器衰减器与阻抗变换器第第2章章 高频电路基础高频电路基础22.2 2.2 电子噪声电子噪声 2.2.1 2.2.1 概述概述 2.2.2 2.2.2 电子噪音的来源与特性电子噪音的来

2、源与特性 1. 1. 内部噪音的特点内部噪音的特点 2. 2. 电阻的热噪音电阻的热噪音 3. 3. 晶体管的噪音晶体管的噪音 4. 4. 场效应管的噪音场效应管的噪音第第2章章 高频电路基础高频电路基础32.2.3 2.2.3 噪音系数与噪音温度噪音系数与噪音温度 1. 1. 噪音系数的定义噪音系数的定义 2. 2. 以额定功率定义的噪音系数以额定功率定义的噪音系数 3. 3. 等效噪音温度等效噪音温度2.2.4 2.2.4 噪音系数的计算噪音系数的计算 1. 1. 额定功率法额定功率法 2. 2. 开路电压法和短路电流法开路电压法和短路电流法 3. 3. 级联四端网络的噪音系数级联四端网络

3、的噪音系数 4. 4. 噪音系数与灵敏度噪音系数与灵敏度2.2.5 2.2.5 噪音系数的测量噪音系数的测量第第2章章 高频电路基础高频电路基础4计划授课学时计划授课学时：本章需要9个学时主要教学内容：主要教学内容： 高频电路中的一些重要的基础知识，如谐振电路、抽头电路、传输变压器、电子噪音等。教学目的：教学目的： 让学生熟练掌握各种常用电路，尤其是谐振电路原理、性能分析、参数计算以及它们的特点和应用。并对电子噪音的特点、产生原因以及噪音的计算有一定了解和掌握。第第2章章 高频电路基础高频电路基础52.1 2.1 高频电路中常用的元器件和组件高频电路中常用的元器件和组件2.1.1 2.1.1

4、元件元件1.无源元件 (1) 在高频时，电阻的分布电容和引线电感就不可能忽略了， 因此必须要考虑其电抗特性，它的高频等效电路如图2-1LRCRR图 2 -1 电阻的高频等效电路阻抗与相角阻抗相角频率 fSRF0 图 2 - 2 高频电感器的自身谐振频率SRF 123456ABCD654321DCBAT itleN um berR evisionSizeBD ate:26-A ug-2006Sheet of File:C :D ocum ents and Settingsbqg.L E N O V O -B 651A 983M y D ocum entsM yD esign.ddbD raw n

5、 B y:CLRab(2)高频电感器与普通电感器一样, 电感量是其主要参数。 电感量L产生的感抗为jL, 其中, 为工作角频率。高频电感器也具有自身谐振频率SRF (Self Resonant Frequency)，在该处, 高频电感的阻抗的幅值最大, 而相角为零, 如图2 2所示第第2章章 高频电路基础高频电路基础6 (3)由介质隔开的两导体即构成电容。 一个电容器的等效电路却如图2 -3（a）所示。 理想电容器的阻抗1/(jC), 如图2 3（b）虚线所示, 其中, f为工作频率, =2f。当频率大于SRF时，电容呈现出电感特性。LCRCC(a)阻抗频率 f(b)0图2 -3 电容器的高频

6、等效电路 (a) 电容器的等效电路; （b） 电容器的阻抗特性SRF感性容性第第2章章 高频电路基础高频电路基础72 高频电路中的有源器件高频电路中的有源器件 (1) 二极管 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。 (2) 晶体管与场效应管（FET） 在高频中应用的晶体管仍然是双极晶体管和各种场效应管，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: 一类是作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。(3)集成电

7、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第第2章章 高频电路基础高频电路基础82.1.2 高频电路中的常用电路高频电路中的常用电路 高频电路中的无源组件或无源网络主要有高频振荡（谐振）回路、 高频变压器、 谐振器与滤波器等, 它们完成信号的传输、 频率选择及阻抗变换等功能。11()sLCZrj LrjLj CCrj XXrjX 221|sZrLC (2-1)(2-2) 阻抗特性图2-4串联谐振回路123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:3-Jan-2005 Sheet of File:D

8、:DESIGN EXPLORER 99EXAMPLESMyDesign5.ddbDrawn By:rLC+_u_U I1. LC谐振电路 (1)串联谐振电路 图2-4是一个rLC串联电路第第2章章 高频电路基础高频电路基础9由当输入信号频率0时，X0，Zsr,回路呈感性，当0时，Xr,回路呈容性。当=0时，X=0，Zs=r,回路呈一个纯电阻。因此谐振时电压电流同相位。且电流最大，阻抗最小。当输入信号频率使得电抗X为零时，电路达到谐振，此时的频率为谐振频率0。000010,11()2 LCfHzLCLC得到：(rad/s)，或者(2-3)由第第2章章 高频电路基础高频电路基础10 r0 0 |Z

9、s|X00图2-5串联谐振电路的阻抗特性（a)电抗特性 (b)阻抗特性 (c)谐振时相位关系CULUIU(c)(b)(a)感性容性第第2章章 高频电路基础高频电路基础11回路的品质因数 定义回路的特性阻抗与回路的损耗电阻之比叫品质因数定义回路的特性阻抗与回路的损耗电阻之比叫品质因数Q。它放映了它放映了L和和C中的储存的能量与电阻中的储存的能量与电阻r消耗能量的比值消耗能量的比值。CrrLCLrrQ0011 (2-4)000220000001111111111()()11211sIrrLIZrjLjjQCrr Cjj QjQjQ 谐振特性 (2-5)001LCUUUjLjUQUjUQrrjC 因

10、此谐振时第第2章章 高频电路基础高频电路基础12 0022ffQQ 叫广义失谐量因此可以得到串联谐振电路的幅频特性和相频特性。| |arctanarctan220s0200Ir11IZ1f12Qf112Q2Q ff 幅频特性为：相频特性为：(2-6)(2-7)(2-8)第第2章章 高频电路基础高频电路基础13 Q2Q1Q2Q1B0.7070.7071f0I/I0f0-/2/2ffQ1Q1/2图2-9并联谐振回路的谐振特性(a)幅频特性， (b)相频特性U/U0(2-17)(2-18)第第2章章 高频电路基础高频电路基础20 并联谐振回路的带宽和选择性并联谐振回路的带宽和选择性0.7200.70

11、00.70.711212122fQffQffBfQ 由：得：因此带宽为0.1200.1000.10.10.10.10.711299,10120.1299999.95rfQffQffBfQBKB 由：得：带宽则：第第2章章 高频电路基础高频电路基础21总之总之 串联和并联谐振电路都具有选频功能，对带外频率都具串联和并联谐振电路都具有选频功能，对带外频率都具有一定的抑制能力。但单回路的谐振电路的选择性不是很有一定的抑制能力。但单回路的谐振电路的选择性不是很好，电路的选择性和带宽是一对矛盾好，电路的选择性和带宽是一对矛盾 串联谐振时，电压电流同相位，回路阻抗呈纯阻，阻抗串联谐振时，电压电流同相位，回

12、路阻抗呈纯阻，阻抗最小，电流最大；当信号频率大于谐振频率时，电路呈感最小，电流最大；当信号频率大于谐振频率时，电路呈感性，而小于谐振频率时，呈容性；电容和电感上的电压大性，而小于谐振频率时，呈容性；电容和电感上的电压大小相等，方向相反，且为激励电压的小相等，方向相反，且为激励电压的Q倍；。倍；。 并联谐振时，电压电流同相位，回路阻抗呈纯阻，阻抗并联谐振时，电压电流同相位，回路阻抗呈纯阻，阻抗最大，电压最大；当信号频率大于谐振频率时，电路呈容最大，电压最大；当信号频率大于谐振频率时，电路呈容性，而小于谐振频率时，呈感性；电容和电感上的电流大性，而小于谐振频率时，呈感性；电容和电感上的电流大小相等

13、，方向相反，且为激励电流的小相等，方向相反，且为激励电流的Q倍。倍。第第2章章 高频电路基础高频电路基础22（3）耦合电路的谐振（双调谐回路）耦合电路的两种基本形式图2-10耦合谐振电路的基本电路(a)、(c)互感耦合谐振电路及其等效电路, (b)、(d)电容耦合谐振电路及其等效电路第第2章章 高频电路基础高频电路基础23 定义：耦合因子定义：耦合因子k是耦合回路的电抗的绝对值与初、次级回是耦合回路的电抗的绝对值与初、次级回路路 同性质电抗的几何中项之比。同性质电抗的几何中项之比。)(2121CcCCcCCckLLMk 有有：对对于于电电容容耦耦合合谐谐振振电电路路有有：对对于于互互感感耦耦合

14、合谐谐振振电电路路11111111222222221()(1)1(1)ZrjLrjXrjCZrjLrjXrjC 回路阻抗为：耦合电路的谐振特性（以互感耦合电路为例）第第2章章 高频电路基础高频电路基础241121220Z IjM IEjM IZ I 回 路 方 程 为 ：(2-19)22221111122112222221111()()()()mfffZjMMZZrjXrjXMMrjXRjXrXrX (2-20)次级反射阻抗11222222222222222222221)()()()(ffmfjXRXXrMjrXrMjXrMjXrMjZZZ (2-21)初级反射阻抗从中可以看出反射阻抗具有如下

15、性质：反射阻抗由反射电阻和反射电抗组成反射阻抗的性质总与原来的性质相反当互感为零时，反射阻抗也为零当初、次级都谐振时，反射阻抗为纯电阻第第2章章 高频电路基础高频电路基础25从中可以看出反射阻抗具有如下性质： 反射阻抗由反射电阻和反射电抗组成 反射阻抗的性质总与原来的性质相反 当互感为零时，反射阻抗也为零 当初、次级都谐振时，反射阻抗为纯电阻第第2章章 高频电路基础高频电路基础26部分谐振 改变初级（或次级）的电抗参数，而互感M和其它参数不变，使初级（或次级）发生谐振，叫部分谐振. 例如初级发生部分谐振时，有111max2111222221max2max22max220()ffXXEEIMrR

16、rrrXj MIIZIUj C 谐振条件：初级谐振电流：由回路方程得到此时的次级电流：输出电压：(2-22)(2-23)(2-24)(2-25)第第2章章 高频电路基础高频电路基础27复谐振 在部分谐振的情况下，再改变互感M，使之达到共轭匹配，就叫复谐振。1111211222222112222222212221 2220,()()()1ffffXXrRMXXXrXMrRrrXrXMrXr rrr 复谐振条件：即：得：(2-26)(2-27)第第2章章 高频电路基础高频电路基础28 分析发现，如果初级达到复谐振，次级也必然达到复谐振，反之奕然。2122221222221max2122222221

17、2max1max21max122)(2)(2rrEXrrXrrrEIrEjXrXrrrjZIMjIrEI 复复谐谐振振时时的的次次级级电电流流：复复谐谐振振时时的的初初级级电电流流：(2-28)(2-29)(2-30)第第2章章 高频电路基础高频电路基础29全谐振与最佳全谐振 当初级和次级谐振同一频率叫全谐振，如果再达到共轭匹配，叫最佳全谐振22112100ffRrRrXX 匹匹配配条条件件：全全谐谐振振条条件件：21222221)(rrXrrrM 得得到到：1max11 21max2max2211 2222 EIrr rj MIEEIZrrr r全谐振时的初级电流：全谐振时的次级电流：(2-

18、31)(2-32)(2-33)(2-34)第第2章章 高频电路基础高频电路基础301 2212121211221 2MM11r rk=LLLLLLQQLLr r 可见，最佳全谐振是复谐振的一个特例，但需要的互感要比复谐振要小，此时互感耦合叫临界耦合，且耦合系数为注意：这里的品质因数Q1和Q2是没有互感时初级和次级回路的品质因数。当两回路参数完全相同时121211QQQk=QQQ 第第2章章 高频电路基础高频电路基础31设初、次级电路参数相同，则从电路中可以求出转移阻抗为：2212222211211222222122222222222222211()()()()() (1)() 12() / f

19、ZZZfj MEIj CZZZUj CZIj C Ej C Ej Mj MMC ZZZC ZZZj MCZMj MCrjMj MC rjMr第第2章章 高频电路基础高频电路基础322222222202222002222220000(L kMk QAArrLkMQ kQkALQ kC rC rg Qgg 由于在失谐比较小的时候：叫耦合因子）212202122 22021max00(12)(141124jAZgjAAZgAZgg 因此：）第第2章章 高频电路基础高频电路基础33 A=1时,k=k0=1/Q时为临 界耦合 A1时叫强耦合 可以看到，A越大中间的凹点越深，双锋偏离f0越远。图2-11耦

20、合谐振电路的谐振特性22122222max21max|2|(1)4UZAUZA 则谐振特性(2-35)第第2章章 高频电路基础高频电路基础34双调谐回路的频带宽度和选择性（临界耦合时）双调谐回路的频带宽度和选择性（临界耦合时） 22222 2214440.702212(1)4242148422422AAAfQf 由：（）得到：，即(2-36)00.70.722fBfQ 因此带宽为：第第2章章 高频电路基础高频电路基础354440.140040.10.121104440039623960.12396fQffBfQ 再由：得，带宽为：(2-37)式（2-36）和（2-37）说明双调谐回路的频带宽度

21、是单调谐回路的1.4倍，而选择性要比单调谐回路好的多。40.140.10.7396993.152rBKB 则矩形系数为第第2章章 高频电路基础高频电路基础36图2-12几种常见的抽头电路（4）抽头电路）抽头电路第第2章章 高频电路基础高频电路基础37定义抽头电路的接入系数为：p=U/UT 即与外电路相连的电压与回路两端电压之比。在分析抽头电路时，假定回路电流要远远大于外部支路电流，即可以忽略外部电路的影响，当Q值比较大时就满足这样的条件。对（a）电路11122TLMLUpULLML (2-38)第第2章章 高频电路基础高频电路基础3822222,1,TTTTTTRUUURRp RggRRUp

22、设折合等效到接入两端的电阻为则根据功率关系，有：或：2112121211CCCCCCC/C/p 对于（b）中的电路，其接入系数为(2-39)(2-40)第第2章章 高频电路基础高频电路基础39 对于外部电路是电压源或电流源的抽头电路，也可以进行折合。对于一个电压源来说，显然折合后的电压源为：U=pUT而对于图2-13的电路来说：设接入端的电压为U，回路两端电压为UT，那么：pIIUUI,IUUITTTT 图2-13电流源的折合注意：阻抗或导纳的折合等效是p2 关系，而电源的折合等效是p 的关系。(2-41)第第2章章 高频电路基础高频电路基础40（5）信号源内阻及负载对谐振电路的影响（a） （

23、b）图2-14考虑内阻和负载的谐振回路(a)带内阻和负载的并联回路，(b)带内阻和负载的串联回路111spLspLggggRRR对于并联谐振电路（a），总电导为g,第第2章章 高频电路基础高频电路基础41对于串联谐振电路（b）,它的有载品质因数为： 可以发现，对于带负载或电源内阻的谐振电路，电路的Q值降低了，因此把这个品质因数叫有载品质因数QL，而没有负载或内阻的品质因数记为Q0。00011LsLsLsLLLQQRRRRRRRRRRRR (2-43)00011LPPspLsLpsLPPCCQQRRggggggRRgg (2-42)因此对于并联谐振电路（a）,它的有载品质因数为：第第2章章 高频

24、电路基础高频电路基础42 例2-1 如图2-15所示，抽头回路由电流源激励，忽略回路本身的固有损耗，试求回路两段电压u(t)的表示式及回路带宽。图2-15 例2-1的电路解：忽略回路的固有损耗，意味着Q0为无穷大。1212705910001110/1010C CCpFCCrad SLC 回路电容：谐振频率：第第2章章 高频电路基础高频电路基础43可以看出，电路正好发生谐振，因此回路电压为：377122500( )10cos102 cos10V0.5Ru tittp Vttputu77110cos10cos25 .0)()( 输出电压：125702000201010LRQpL 有载品质因数：Sr

25、adQBL/10520105707 .0 回路带宽：1120.5CpCC 接入系数：第第2章章 高频电路基础高频电路基础44例2-2 有一耦合回路如图2-16所示，已知信号源频率为1MHz , f01=f02=1MHz,初次级回路的特性阻抗为1=2=1K，R1=R2=20,耦合因子A=1.试求：(1)回路参数L1、L2、C1、C2和M(2)a-b两端的等效阻抗Z(3)初级回路的等效品质因数QL1(4)回路的通频带B0.7(5)如果调整C2，使f02为950kHZ（信号源频率仍为1MHz）,反射到初级的阻抗呈容性还感性。图2-16 例2-2的电路第第2章章 高频电路基础高频电路基础45解：因为两

26、个回路参数相同，因此电路处于最佳全谐振状态，故有：12121200,1LLLCCCRRRLC 所以：a-b等效阻抗 kRRCLZp21025401022352 900600611115926.28 10100015926.28 10202010CpFfLHfRMH 回路电容回路电感互感第第2章章 高频电路基础高频电路基础460010210005020QQQR 回路无载品质因数1100025240LQR 初级回路的等效品质因数kHzQfB3.285010226007.0 回路的通频带当调整次级回路的谐振频率低于原来的谐振频率时，证明电容C2比原来变大，故，在1MHz时次级回路呈容性，反射到初级的

27、反射阻抗成感性。第第2章章 高频电路基础高频电路基础472其它形式的滤波器 随着无线电技术的飞速发展，在高频电子线路，特别是高频集成模块中，对滤波器性能的要求越来越高，比如要求非常高的频率稳定度，阻带衰减特性陡峭；因此采用普通的LC滤波器的性能不可能满足要求。在高频电路系统中除了使用LC谐振电路外，目前还经常使用一些集中参数滤波器作为选频电路，以改善电路的稳定性，及其系统性能以及电路的微型化。目前常用的集中参数滤波器有： 石英晶体滤波器(SiO2) 陶瓷滤波器 声表面滤波器等（Surface Acoustic Wave)。第第2章章 高频电路基础高频电路基础48（1）石英晶体滤波器石英晶体的物

28、理特性压电效应压电效应: :当石英晶体受外力作用而变形时（如伸缩、切变、扭曲等），它的表面上将产生正、负电荷，即产生电压；反之，如在晶体两端加上电压时，它将发生机械变形。这就叫 当外加电信号的频率接近晶体的固有机械谐振频率时，就会发生谐振现象。 晶体谐振器的谐振频率与晶片的材料、几何形状、尺寸、切片方式等有关。第第2章章 高频电路基础高频电路基础49 图2-17石英晶体谐振器（a）晶体形状、（b）切割方式、（c）晶振结构、（e）晶振符号(a)(b)(c)(e)图2-17是晶体的切割方式、结构和电路符号。第第2章章 高频电路基础高频电路基础50石英晶体谐振器的等效电路和阻抗特性图2-18 晶体谐

29、振器的等效电路（a）泛音等效电路，（b）基频等效电路 Lq、Cq、rq是对应于机械共振而等效的电感、电容和损耗电阻，C0是静态电容，而且一般CqC0，rq也非常小。因此在忽略了rq后，基频等效电路的阻抗Ze为：第第2章章 高频电路基础高频电路基础51000022220002020(1/)11111111111111qqqqeqqqqqqqqqqjLCLCjCZjCLjLCCCjCL CjjCCC CLCC 00011,qqqqqqL CC CLCC 式式中中(2-44)第第2章章 高频电路基础高频电路基础520eeZZ 显然当时发生串联谐振，而当时发生并联谐振，因此，石英晶体谐振器具有两个谐振

30、频率。(2-45)1122qqqfLC 串联谐振频率：(2-46)000000001112221(1)(1)22qqqqqqqqqqqCCfCC CL CLCCCCpfffCC 并联谐振频率：第第2章章 高频电路基础高频电路基础5300qqqCCpCCC 由于接入系数很小，则外电路对晶体的影响必然也很小。第第2章章 高频电路基础高频电路基础54图2-19是晶体谐振器的电抗特性 由于CqC0,而且两个电容的串联CqC0/（Cq+C0）Cq，因此两个谐振频率距离非常近。在ff0电路也呈容性，而在fqff0时，电抗随频率变化迅速，呈感性，因此在这个区域内等效为一个非常大的电感。例如在fq处的等效电感

31、为：图2-19石英谐振器的电抗特性 211()2qqqqqqqqqqL CdXedLLLLddCCC 显然，在这个范围内的等效电感要比Lq大的多。(2-47)f感感性性0fqf0容性容性容性容性eX第第2章章 高频电路基础高频电路基础55 和一般LC谐振电路相比，石英晶体谐振器具有几个明显的特点。f0和fq非常稳定，受外界因素影响很小。由于rq很小，因此它的品质因数非常高，Q值可达到104量级。而普通的LC电路的Q值只能到一二百。晶体谐振器的接入系数非常小，可达10-3量级，因此它受外电路的影响很小。晶体在工作频率附近阻抗变化率很大，有很高的并联谐振阻抗。由于这些特点，使晶体谐振器的频率稳定度

32、要比LC谐振回路高的多。第第2章章 高频电路基础高频电路基础56（2）陶瓷滤波器 某些陶瓷材料（如锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3,简称PZT）也具有压电效应。与石英晶体滤波器相比，它容易制作，价格便宜，但串、并频率间隔较大，Q值也只有数百，通带要比石英晶体滤波器高，选择性要差。但总性能要好于LC谐振电路。一般高频陶瓷滤波器的工作频率约为100MHZ，相对带宽约为千分之几到百分之十左右。单片陶瓷滤波器的等效电路和符号与石英晶体滤波器一样，但为了提高性能，经常将它制成多个谐振子的串、并结构，形成一个四端滤波网路。如图：第第2章章 高频电路基础高频电路基础57 例如需要一个4655kHz的滤波器，如采

33、用两振子陶瓷滤波器，则第一个的串联频率和第二个的并联谐振频率都应该为465kHz，而第一个的并联谐振频率为470kHz，第二个的串联谐振频率为460kHz。图2-20 多谐振子陶瓷滤波器结构（a）双谐振子结构 （b）5振子结构第第2章章 高频电路基础高频电路基础58SAW结构和基本原理 压电衬底：压电效应的材料，如石英晶体、PZT 陶瓷材料、 铌酸锂等。 叉指换能器（IDT）：通过真空蒸镀法，沉积约10微米的铝膜或金膜电极。 d=2(a+b)图2-21SAW结构示意图b（3）表面声波滤波器SAW （Surface Acoustic Wave)第第2章章 高频电路基础高频电路基础59 当外加交变

34、信号加到发端换能器上时，引起衬底的机械振动，在表面产生声波，并沿表面传送。然后由收端换能器，在把声波转换成电信号。声波的波长为一个周期段长d=2(a+b),当信号频率等于换能器的谐振频率f0=v/d时，各节所激发的表面波同相位，因此声波很强，当偏离f0时，各节激发的表面声波相位不同，在末端互相抵消，因此SAW具有选频功能。 设SAW具有N个周期段，n=2N节，即n+1个电极，每节激发的声波幅度为A0，则声波最大振幅为nA0=2NA0.SAW的幅频特性符合sinX/X规律，（X=Nf/f0）。 图2-22是均匀叉指换能器的幅频特性。 第第2章章 高频电路基础高频电路基础60 可以发现，滤波器的带

35、宽和N成反比，而从制作技术本身来说N不可能做的太大，因此这种结构的滤波器的带宽不可能做的太窄。另一方面，其幅频特性也不完全接近矩形。 如不采用均匀叉指换能器，而采用非均匀的结构，也就是说对叉指进行幅度加权或叫幅度变迹，就能得到所需要的频率特性，例如使信号特性具有像Sin X/X的形式，那就可以获得更接近矩形的的幅频特性。如图2-23所示 图2-22均匀叉指换能器幅频特性 图2-23幅度变迹换能器结构示意 第第2章章 高频电路基础高频电路基础61SAW的特点 工作频率宽，可从几兆赫兹到几千兆赫兹。 相对带宽比较宽，从百分之几到百分之几十。 便于器件的微型化 带内插入损耗比较大（大于15dB） 频

36、率特性很好，矩形系数可达到1.12 性能稳定、体积小、设计灵活、制造简单、便于规模生产。 可广泛用于电视机和很多通信设备当中。图2-24一种用于通信机中的SAW滤波器频率特性第第2章章 高频电路基础高频电路基础623. 高频变压器与传输变压器（1）高频变压器 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，如：NXo（镍锌铁氧体）和MXo（锰锌铁氧体）,磁芯一般采用环行、罐形和双孔型。高频变压器一般用于小信号场合, 尺寸小, 线圈的匝数较少图2-25高频变压器的磁芯结构（a）环形； （b罐形； （c）双孔形第第2章章 高频电路基础高频电路基础63图2-26 高频变压器等效

37、电路及其符号（a）符号； （b）等效电路在等效电路中,Ls是漏电感，Cs是分布电容和匝间电容，L是励磁电感。显然，Ls和Cs限制了它的高频特性，而L限制了它的低频特性，通过减少初级的匝数可以可以展宽高频范围，但这样使的励磁电感L也大幅度减小，从而影响了低频响应。因此最好采用高磁导率的磁芯。一般情况下，高频变压器的频宽可以做到34个倍频程。第第2章章 高频电路基础高频电路基础64 高频变压器可用做功率分配器、功率合成器、平衡桥电路、以及用于一些非线性变换电路中。（2）传输变压器传输线 传输线主要采用双导线、同轴线等。由于当工作信号频率很高时，信号的波长可与电路尺寸相比拟时，就不可能把导线和电路看

38、作集总参数电路了。因此就必须要考虑分布参数。如图2-27所示。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:11-Jan-2005Sheet of File:D:DESIGN EXPLORER 99EXAMPLESMyDesign5.ddbDrawn By:C0C0L0L0R0R0G0G0i+_+_uu图2-27 传输线分布参数l第第2章章 高频电路基础高频电路基础65R0两根导线每单位长度具有的电阻。L0两根导线每单位长度具有的电感。C0每单位长度导线之间的分布电容。G0每单位长度导线之间的电导。当G0、R0为0时，叫无损传输线，如果沿线每

39、处分布参数都相等，则称为均匀传输线。 00CLZc 为：为：无损传输线的特性阻抗无损传输线的特性阻抗）（一一般般大大于于为为相相对对介介电电常常数数，且且总总传传输输线线的的波波速速：421cvrr rrfcfv 0 传传输输线线上上的的波波长长：(2-48)(2-48)(2-50)第第2章章 高频电路基础高频电路基础66 因此电磁波在传输线上的传播速度和波长都比在真空中要小。只要保证传输线的长度L小于波长，则可以把它看作一个集总元件，当满足如下条件：为为最最高高信信号号频频率率。maxmaxminmin,)10181(ffvl 那么只要l 很小，则传输线的高频范围就很宽。在忽略传输线上的损耗

40、时，根据传输线理论，可以有以下结论： 两线对应点通过的电流必定大小相等，方向相反。 在满足匹配的条件下，两导线间电压沿线均匀分布。第第2章章 高频电路基础高频电路基础67传输线变压器 传输线变压器就是利用绕制在磁环上的传输线而构成的高频变压器。 图 2 -28 为其典型的结构和电路图。磁环42132143(a)(b)图 2 28 传输线变压器的典型结构和电路 (a) 结构示意图; （b） 电路 第第2章章 高频电路基础高频电路基础68 因此，传输线变压器可以看作双线并绕的1:1变压器，也可看做绕在磁环上的传输线。所以它有变压器方式和传输线两种工作方式，取决于激励形式。如图2-29所示。RSES

41、1324U1.RLU2.ZCI.RSES1234U1.RLUL(a)(b)I. 图 2 29 传输线变压器的工作方式 (a) 传输线方式; (b) 变压器方式 第第2章章 高频电路基础高频电路基础69传输线变压器的一般应用 1:1倒相器RSESU1.132U2.RLUL.(a)(b)RSESU1.132RL/2I1.I2.4I1.U1/2.ZCI2.U1/2.RL/2U1.2U1.2RSU1.132U2.RLUL.(c)I.I.U2.I.U1.RSES.ES.RLRbRL42A13U1.BUL.UL.I2.I1.(d).4.4图2-30 倒相器 可以看出，对地为正的输入变成了对地为负的输出，输

42、入输出大小相等，方向相反。第第2章章 高频电路基础高频电路基础70平衡和不平衡变换器RSESU1.132U2.RLUL.(a)(b)RSESU1.132RL/2I1.I2.4I1.U1/2.ZCI2.U1/2.RL/2U1.2U1.2RSU1.132U2.RLUL.(c)I.I.U2.I.U1.RSES.ES.RLRbRL42A13U1.BUL.UL.I2.I1.(d).4.4图2-31 不平衡平衡变换器 在这个电路中，单端对地输入变换成了双端对地的平衡输出，而且为了与传输线匹配，应该满足RS=ZC ,RL=ZC，同样，只要改变激励方式，也可以实现平衡非平衡变换。第第2章章 高频电路基础高频电

43、路基础711:4和4:1阻抗变换器RSESU1.132U2.RLUL.(a)(b)RSESU1.132RL/2I1.I2.4I1.U1/2.ZCI2.U1/2.RL/2U1.2U1.2RSU1.132U2.RLUL.(c)I.I.U2.I.U1.RSES.ES.RLRbRL42A13U1.BUL.UL.I2.I1.(d).4.4RiLLiLLLLLRURUIURRURUURUII412222111121 因因此此：图2-32 1:4阻抗变换器(2-51)(2-52)第第2章章 高频电路基础高频电路基础723dB耦合器RSESU1.132U2.RLUL.(a)(b)RSESU1.132RL/2I

44、1.I2.4I1.U1/2.ZCI2.U1/2.RL/2U1.2U1.2RSU1.132U2.RLUL.(c)I.I.U2.I.U1.RSES.ES.RLRbRL42A13U1.BUL.UL.I2.I1.(d).4.4 在这个电路中，根据对称性，流过两个RL电流应相等，那么就有UA=UB，UAB=0，所以流过Rb的电流为0，Rb上没功率输出，那么，信号源输出的功率被均匀的分配到了两个负载电阻上，及每个电阻上的功率和输入功率的一半，因此该电路叫3dB耦合器，也叫功率分配器。图2-33 3dB耦合器第第2章章 高频电路基础高频电路基础734. 衰减器与匹配器 （1） 高频衰减器 衰减器通常有 T型

45、和型两种，当接有信号源时，它从输出端看进入的阻抗仍然为信号源内阻，但幅度被衰减了K倍。（2）高频匹配器 匹配器通常有L型、T型、 型、以及高频变压器等。如图2-35中，可以通过改变它的参数，达到分别与信号源和负载匹配的目的。VVWVWW 图 2 34 T型和型衰减器R1R2R3Z1Z2 图 2 -35 T型电阻网络匹配器 第第2章章 高频电路基础高频电路基础742.2 2.2 电子电子 噪噪 声声2.2.1 2.2.1 概述概述 所谓噪声和干扰, 就是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。噪音： 自然噪音，如：电阻热噪音、散粒噪音、闪烁噪音等 人为噪音，如：交流声、感应噪音、接

46、触不良等。干扰： 自然干扰，如：天电干扰、宇宙干扰、大地干扰等 人为干扰，如：工业干扰、无线电干扰等。第第2章章 高频电路基础高频电路基础752.2.2 2.2.2 电子噪声的来源与特性电子噪声的来源与特性 1. 内部噪声的特点（1）噪音均方值 设一个噪音电压为en ,如图2-36所示， 图2-36 电阻热噪音电压波形 它具备如下特点，它的大小和时间都是随机的，具有起伏性质，因此它的平均值为零。所以具有起伏性质的噪音无法用瞬时值和平均值来衡量它的大小。0)(10 dtteTLimeTnTn(2-53)第第2章章 高频电路基础高频电路基础76因此往往用均方值来表示噪音的大小。dteTLimEnT

47、Tn2021 噪噪音音电电压压的的均均方方值值为为：（2）噪音频谱 起伏噪音可以看作由无数个持续时间为（约10-1310-14S)，且为非周期性的单个噪音脉冲叠加而成的。设单个噪音的大小为1，则单个噪音脉冲的频谱为：22221( )( )()1(cossincossin)222221sinsin2jjj tj tFf t edtedtjeejjjff (2-54)(2-55)第第2章章 高频电路基础高频电路基础77 1/ 2/ 3/f1 - 0 1f(t)F()图2-37 单个噪音的脉冲波形及其频谱 这表明在无线电频率范围内，单个起伏噪音的振幅谱密度几乎是均等的由于在无线电整个工作频率范围内，

48、满足 f 1/,即： ffFTfsin1)(,1(2-56)第第2章章 高频电路基础高频电路基础78（3）噪音功率谱 定义：功率谱密度为单位频带内噪音的均方值，记为S(f)，单位为W/Hz，则有： 0202)(1dffSdteTLimEnTTn 因为单个噪音具有均匀的振幅谱密度，因此它必然也具有均匀的功率谱密度，对于起伏噪音来说，在极宽的频率范围内也具有均匀的功率谱密度。所以把这种性质的噪音称为“白噪音”。反之，对那些在有效频带内具有不均匀功率谱的噪音称为“有色噪音”。0f1/BS(f)图2-38 白噪音的功率谱(2-57)第第2章章 高频电路基础高频电路基础792. 电阻的热噪音（1）热噪音

49、均方值和功率谱密度 由于温度原因，导体和电阻内部的自由电子做无规则的热运动而产生的噪音叫热噪音。电阻热噪音的功率谱密度为：)/(4)/(422HzAkTGSHzVkTRSIU 噪噪音音电电流流功功率率谱谱：噪噪音音电电压压功功率率谱谱：(2-58)(2-59)22004TBnnUTELime dtS dfkTBR噪音电压均方值：)21exp(21)(222nnnnEeEep 概概率率密密度度：220014 TBnnITILimi dtS dfkTBGT噪音电流均方值：(2-60)(2-61)(2-62)第第2章章 高频电路基础高频电路基础80在上述式中：k波尔兹曼常数，k=1.3810-23

50、J/KT电阻的热力学温度（K），T(K)=273+TB等效噪音带宽对于一个电阻，可以等效为噪音电压源，也可以等效为噪 音电流源。RR (理想)E2n4kTBRGI2n4kTBG(a)(b)图 2 39 电阻热噪声等效电路 第第2章章 高频电路基础高频电路基础81 对于电阻的串联和并联，总的噪音大小服从均方叠加原理。 串联电阻的噪音电压均方值等于每个电阻产生的噪音电压均方值之和，而并联电阻的噪音电流均方值等于每个电阻的产生的噪音电流均方值之和。En2En12En22In12In12R1R2R1R1R2R2图2-40 并联电阻噪音计算（a）并联电阻，（b）利用电压源计算，（c）利用电流源计算例2-

51、3， 计算图2-40所示并联电阻两端的噪音电压。两个电阻同处于相同的温度T。第第2章章 高频电路基础高频电路基础82222221212121212122121212121212211()444 nnnR RR REIIkTBRRRRRRRRR RR RkTBkTBR RRRRR（ ）按电流源计算可以看出，两种方法结果是一样的。即是总电阻产生的均方值。(2-63)(2-64)22222211212122212211221212144() nnnRREEERRRRR RR RR RkTBkTBRRRR解：（ ）按电压源计算第第2章章 高频电路基础高频电路基础83（2）热噪音通过线性网络 当噪音通过

52、线性网络时，噪音的输出功率谱密度与网络传输函数的平方成正比。|H(j)|2U2iSUiU2oSUo图 2 -41热噪声通过线路电路的模型 22200()|()|UoUinUoUiSH jSES dfSH jdf (2-65)(2-66)第第2章章 高频电路基础高频电路基础84 例2-4 设有一个并联谐振回路，如图2-42（a)，求输出端的噪音是多少？LrCLrCSUi4kTrReXe(a)(b)(c)SUo 图 2 -42并联回路的热噪声2222114411Uoj CCSkTrkTrrjLrLCC 并联回路可以等效为Re+jXe（图 2 -42（c）,现在看上述输出噪声谱密度与Re、 Xe的关

53、系。 (2-67)第第2章章 高频电路基础高频电路基础852222222002220111()()11()11111112eeerj LrjLrj Lj CCj CZRjXrj LjrLCCLrrCCRrLrLCCLRRrCLfQrr Cf 第第2章章 高频电路基础高频电路基础86与式(2 67)对比, 可得 :(2 68) 这说明：对于线性电路，其输出端的噪音功率谱密度可一看作是等效电阻（电导）产生的；而电阻热噪音通过线性电路后已不再是白噪音了。 因此可以输出端的均方噪声电压为：0204412UoeRSkTRkTfQf 200002044212oonUUES dfS d fRfkTd fkT

54、RQfQf （2-69）第第2章章 高频电路基础高频电路基础87（3）等效噪音带宽 设线性电路的传输函数|H(j)| 如图2-43中曲线a所示，|H(j)|的最大值为H0, 输入为一电阻热噪声, 且SUi=4kTR,设等效带宽Bn，且使以Bn为宽度、H02为高度的矩形面积等于均方值。图2-43 线性系统的等效噪音带宽a第第2章章 高频电路基础高频电路基础8822002200()4nUoUiUinnES dfSH jdfS H BKTRH B 则噪音电压均方值为：（2-70）2020Hdf)j(HBn 则等效噪音带宽为：（2-71）第第2章章 高频电路基础高频电路基础89仍以图2-41为例，求等

55、效噪音带宽。0002202202002022000111()1121211|()|12|()|1212njCrj Cj CrH jffj Qj QrjLffCCrH jHCrfQffH jBdfd fHQfQf ，2-722-732-74第第2章章 高频电路基础高频电路基础90QfKTRQfrCLKTQfrCKTrBHSEnUin24242140002220202 （2-75）这个结果和式（2-69）的结果完全一致。第第2章章 高频电路基础高频电路基础913. 晶体三极管的噪音晶体三极管主要有以下几种噪音源（1）散粒噪音：由于载流子的起伏流动造成的集电极和发射极电流的起伏。均方电流谱密度：均方

56、电流谱密度：SI ( f )=2qI0. (肖特基公式）肖特基公式） I0为发射结的平均电流，q为电子电荷， q =1.610-19C。（2）分配噪音 通过发射结的少数载流子的一部分在基区复合形成基极电流，其余通过集电结形成集电极电流，由于复合的随机性，使通过发射结的载流子分配到基极和集电极的随机变化而造成的。可以看作是电流放大倍数的涨落。（2-76）第第2章章 高频电路基础高频电路基础92（3）闪烁噪音（又称1/f 噪音）由于半导体材料及制作工艺水平造成表面清洁处理不好而引起的噪音。这类噪音与频率近似成反比，因此它只在低频工作时影响才突出，高频工作时可不考虑它的影响。（4）基区电阻产生的热噪

57、音。由于基区电阻很小，所以在晶体管中，这类噪音一般影响不大。f1f2NFf0白噪音区分配噪音区闪烁噪音区图2-44 晶体管的噪音特性第第2章章 高频电路基础高频电路基础934. 场效应管的噪音（1）由栅极内漏电流不规则起伏引起的噪音。这是一种散粒噪音。比较小，一般情况下可以忽略。（2）沟道内电子不规则热运动所引起的噪音。这种噪音是场效应管噪音的主要贡献，它取决于跨导的大小。（3）漏极和源极之间等效电阻的噪音在漏-删之间，栅极电压控制作用达不到的部分可用等效串联电阻来表示，它产生热噪音。（4）闪烁噪音第第2章章 高频电路基础高频电路基础942.2.3 2.2.3 噪音系数和噪音温度噪音系数和噪音

58、温度1.噪音系数的定义对于一线性四端网络, 噪声系数NF定义为输入端的信号噪声功率比(S/N)i与输出端的信号噪声功率比(S/N)o的比值如图 2-45 线性电路KPNFSiNiSoNo 图 2 45 噪声系数的定义 iiiFoooS NSNNS NSN（2-77） KP为电路的功率传输系数(或功率放大倍数)第第2章章 高频电路基础高频电路基础95也可以用分贝来表示，即：)10logiiFooSNNdBSN （ 用Na表示线性电路内部附加噪声功率在输出端的输出, 考虑到KP=o/Si, 式(2 -77)可以表示为：（2-78）11iooFioipaipapaFipipiSNNNNSN KNN

59、KNKNNN KN KN （2-79）（2-80）第第2章章 高频电路基础高频电路基础96说明：从定义来看，由于四端网络肯定要产生附加噪音，因此，噪音系数总是大于1。输出端的噪音是由白噪音和其他噪音共同贡献的，因此输出端的噪音功率具有平均意义。噪音系数的定义只适用于线性和准线性系统。对于非线性系统，由于信号与噪音、噪音与噪音相互作用，使输出端信噪比更加恶化，因此这种噪音系数的定义就不能适用。一个网络的结构和工作状态一旦确定，那它的噪音系数应该是不变的，但从公式可以看出，NF随Ni而改变。因此常用额定功率下的噪音系数定义。第第2章章 高频电路基础高频电路基础972. 以额定功率定义的噪音系数 额

60、定功率, 又称资用功率或可用功率, 是指信号源所能输出的最大功率, 它是一个度量信号源容量大小的参数, 是信号源的一个属性, 它只取决于信号源本身的参数内阻和电动势, 与输入电阻和负载无关, 如图 2 -46 所示。 RSESRL RSISRSRL RS(a)(b)图 2 46信号源的额定功率 （a） 电压源; （b） 电流源 22414SamSamSSEPRPI R (2-81)(2-82)第第2章章 高频电路基础高频电路基础98 对于一个四端线性网络，当它的输入电阻等于信号源内阻，输出电阻等于负载电阻时，它可获的最大的输入和输出功率，即额定输出和额定输入功率。kTBRBkTRRENsssn