第2章高频电路基础

1、第2章 高频电路基础第第2章章 高频电路基础高频电路基础 2.1 高频电路中的元件、高频电路中的元件、 器件和组件器件和组件 2.2 电子噪声电子噪声 要求掌握高频电路中的元器件的物理特性，要求掌握高频电路中的元器件的物理特性，LC谐振回路的各种参数、意义以及换算，谐振回路的各种参数、意义以及换算，电子噪电子噪声分析和计算。声分析和计算。 第2章 高频电路基础2.1 高频电路中的元件、高频电路中的元件、 器件和组件器件和组件 2.1.1高频电路中的元器件高频电路中的元器件 各种高频电路基本上是由有源器件、 无源元件和无源网络组成的。 高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的元器件基本相同,

2、但要注意它们在高频使用时的高频特性。 高频电路中的元件主要是电阻(器)、 电容(器)和电感(器), 它们都属于无源的线性元件。 1 高频电路中的元件高频电路中的元件 1） 电阻 一个实际的电阻器, 在低频时主要表现为电阻特性, 第2章 高频电路基础 但在高频使用时不仅表现有电阻特性的一面, 而且还表现有电抗特性的一面。 电阻器的电抗特性反映的就是其高频特性。 一个电阻R的高频等效电路如图2 1所示, 其中, CR为分布电容, LR为引线电感, R为电阻。 LRCRR 图 2 1 电阻的高频等效电路 第2章 高频电路基础 2） 电容 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、2（a）所示。 理想电容器的阻抗1/(jC), 如图2 2（b）虚线所示, 其中, f为工作频率, =2f。 图2 2 电容器的高频等效电路 (a) 电容器的等效电路; （b） 电容器的阻抗特性 LCRCC(a)阻抗频率 f(b)0第2章 高频电路基础 3） 电感 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。 L r 等效交流电阻r：表征趋肤效应、涡流损耗、磁芯电感在磁介质的磁滞损失以及电磁辐射引起的能量损失等。常用品质因数Q来表征高频电感器的损耗性能。Q的定义是高频电感的感抗与其串联损耗电阻之比，即LQr第2章 高频电路基础 2 高频

4、电路中的有源器件高频电路中的有源器件 与用于低频或其它电子线路的器件没有什么根本不同。 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第2章 高频电路基础 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。场效应管也能工作在同样频率下，且噪声更低。 3） 集成电路 用于高频

5、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。 2.1.2高频电路中的组件高频电路中的组件 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。 第2章 高频电路基础 1. 高频振荡回路高频振荡回路 高频振荡回路是高频电路中应用最广的无源网络, 也是构成高频放大器、 振荡器以及各种滤波器的主要部件, 在电路中完成阻抗变换、 信号选择等任务, 并可直接作为负载使用。 1) 简单振荡回路 振荡回路就是由电感和电容串联或并联形成的回路。 只有一个回路的振荡电路称为简单振荡回路

6、或单振荡回路。 第2章 高频电路基础（1） 串联谐振回路。 最简单的串联振荡回路如图：r是L和C的损耗之和CLrZS)1(1CLjrCjLjrzsLC10 （1）串联谐振频率：串联谐振频率：（2）品质因数：品质因数：回路谐振时无功功率回路谐振时无功功率 与损耗功率之比与损耗功率之比CrrLQ001 第2章 高频电路基础 rCLCLrZs1arctan)1(2211()jSsZrj LrjLZ ej CC o SZ电容性电容性电感性电感性讨讨论论：第2章 高频电路基础 若在串联振荡回路两端加一恒压信号 , 则发生串联谐振时因阻抗最小, 流过电路的电流最大, 称为谐振电流, 其值为 在任意频率下的

7、回路电流 与谐振电流之比为UrUI0I)(11)(11111000000jQrLjrCLjZrrUZUIISS第2章 高频电路基础CrrLQQII00200201)(11 其模为 其中, 称为回路的品质因数, 它是振荡回路的另一个重要参数。 画出相应的谐振曲线如图2 5所示。 II0Q1 Q2Q1Q20 图 2 5 串联谐振回路的谐振曲线（25）第2章 高频电路基础 在实际应用中, 外加信号的频率与回路谐振频率0之差=-0表示频率偏离谐振的程度, 称为失谐。 当与0很接近时, 000000202002)(2)(ff（2 7）（2 8） 令 为广义失谐, 则式（2 5）可写成2011II(2 9

8、) 0022ffQQ第2章 高频电路基础QffB0221B第2章 高频电路基础 图2 7 并联谐振回路及其等效电路 (a) 并联谐振回路; （b）等效电路 (2） 并联谐振回路。 串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻（如恒压源）的情况或低阻抗的电路（如微波电路）。 R0LCRSiSrLCRSiSCrLR0第2章 高频电路基础并联谐振回路的并联阻抗为 1()1prj Lj CZrj Lj C 定义使感抗与容抗相等的频率为并联谐振频率0, 令Zp的虚部为零, 求解方程的根就是0, 可得20111QLCCrrLQ001式中, Q为回路的品质因数, 有 1QLC10第2章 高频电路基础rLCRSiS (

9、1) 谐谐振振条条件件：当当回回路路总总电电抗抗 X=0 时时，回回路路呈呈谐谐振振状状态态（呈呈纯纯电电阻阻，且且取取最最大大值值）R0LCRSiSCLXjXrCLZP1POZCrLR0第2章 高频电路基础rLCRSiS)(10ooorLjRjXrCLZp)1(1/CLrLjrCL)1(10CLrLjR其其中中：o jR10ZjpeZ第2章 高频电路基础5 回回路路阻阻抗抗频频率率特特性性21 rZs1 tgZ 1stg o PZ o SZ讨讨论论：(1) 当当o ，即即CL1o ， 即即CL10 有有0电容性电容性电感性电感性R0r第2章 高频电路基础定定义义：回回路路电电压压与与工工作作

10、频频率率之之间间的的关关系系常常用用的的谐谐振振曲曲线线为为归归一一化化谐谐振振曲曲线线，即即为为 poipiioipZiZiuu 211 同样定义并联谐振回路端电压的相位为同样定义并联谐振回路端电压的相位为1 tgZQ11OQ2P S Q2 Q1OQ1Q2 Z第2章 高频电路基础电感支路电流：电感支路电流：iiooiLjQiiLRjLjui0电电容容支支路路电电流流：ipooiciCRjCjui =ijQi R0LCRSiSiiiCiRiL+ui- -QIIICLIL.IC.0I.U.图2 8表示了并联振荡回路中谐振时的电流、 电压关系。 第2章 高频电路基础21uuioi 令：211 所所

11、 对对 应应 的的 频频 率率 范范 围围 。由由定定义义可可得得：12Qo Q2Bo 或或Qfo 结结 论论 ： Q 值值 越越 大大 频频 带带 越越 窄窄 ， 回回 路路 损损 耗耗 越越 小小 。 ioiuu o 121第2章 高频电路基础9 信信号号源源内内阻阻及及负负载载对对回回路路的的影影响响当当 考考 虑虑 到到 信信 号号 源源 内内 阻阻sR及及 负负 载载lR对对 回回 路路 的的 影影 响响 时时并并联联 谐谐振振回回路路的的有有载载 Q 值值：LRRRQoLsL/0空空 载载 时时 的的 Q 值值LRQoO0串串 联联 谐谐 振振 回回 路路 Q 值值 ：LsoLRR

12、rLQ两两者者相相比比较较下下降降，因因此此通通频频带带加加宽宽，选选择择性性变变坏坏。sR或或LRLQsR或或LRLQR0LCRSiSRLrLCRSuSRL第2章 高频电路基础 例例 1 设一放大器以简单并联振荡回路为负载, 信号中心频率fs=10MHz, 回路电容C=50 pF, (1) 试计算所需的线圈电感值。 (2) 若线圈品质因数为Q=100, 试计算回路谐振电阻及回路带宽。 (3) 若放大器所需的带宽B=0.5 MHz, 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? 第2章 高频电路基础2220011(2 )LCf C 将f0=fs=10 MHz代入, 得uL07. 5 (

13、2) 回路谐振电阻和带宽。kLQR8 .311018. 31007. 510210046700解解 (1) 计算L值。LCf210LRQ000第2章 高频电路基础回路带宽为 kHzQfB1000 (3) 求满足0.5MHz带宽的并联电阻。 设回路上并联电阻为R1, 并联后的总电阻为R1R0, 总的回路有载品质因数为QL。 由带宽公式, 有BfQL0此时要求的带宽B=0.5 MHz, 故回路总电阻为20LQ第2章 高频电路基础kRRRkLQRRRRL97. 737. 637. 637. 61007. 5102200016701010 需要在回路上并联7.97 k的电阻。 第2章 高频电路基础作用

14、：实现阻抗匹配或阻抗变换。CLRLCLRLRLUTU1信号源的阻抗匹配信号源的阻抗匹配 Rs = Ri负载的阻抗匹配负载的阻抗匹配 RL = R0阻抗匹配阻抗匹配CLrRLRssIRiRo2) 抽头并联振荡回路设接入系数为：设接入系数为：p=U1/UT，则：则：RL=p2RL第2章 高频电路基础LCR0UUT(a)LC2R0UUTC1(b)LR1UC2C1(c)LR1UTC1C2(e)U1R1UT(d)U1LCUTIIL接入系数（或抽头系数）p的定义：与外电路相联的那部分电抗与本回路参与分压的同性质总电抗之比。也可用电压比来表示。 TUUp U 部分电抗两端电压UT总电抗两端的电压接入系数为：

15、接入系数为：p=U1/UT第2章 高频电路基础高Q值时：0202202)(22RpRUURRURUTTNNp1L1RLLp11) 接入系数2）考虑互感3）紧耦合变压器LMLp1第2章 高频电路基础TZpZ2 对于图（b）的电路, 其接入系数p可以直接用电容比值表示为 2112121211CCCCCCCCUUpT4) 在回路失谐不大，又p不很小时：电压源的折合:U=pUT第2章 高频电路基础 例例 2 如图2 11， 抽头回路由电流源激励, 忽略回路本身的固有损耗, 试求回路两端电压u(t)的表示式及回路带宽。 C2C12000 pF500R12000 pF10 HLi Icos 107tI1

16、mAu1(t)图 2 11 例2的抽头回路 第2章 高频电路基础 解解 由于忽略了回路本身的固有损耗, 因此可以认为Q。 由图可知, 回路电容为pFCCCCC10002121 谐振角频率为 sradLC/10170电阻R1的接入系数5 . 0211CCCp等效到回路两端的电阻为 2000112RpR第2章 高频电路基础 回路两端电压u(t)与i(t)同相, 电压振幅U=IR=2 V, 故 2010020000LRQLtVtu710cos2)(输出电压为 回路有载品质因数 回路带宽 tVtputu7110cos)()(kHzQfBL800第2章 高频电路基础例例3：如图所示为一等效电路，其中L=

17、0.8uH,空载Q值Q0100，C=5pF，C120pF，C220pF，RL5k，R=10k 。试求回路的谐振频率、谐振电阻Rp。由左图可画出右图的等效电路（1）回路的谐振频率回路总电容121215C CCCpFCC第2章 高频电路基础0145.97()2fMHzLC（2）将RL 折合到回路两端时的接入系数p为11223602301210.05 10 ( )L43.30 10 ( )110.1933 10 ( )15.17()LLPCpCCpSRSLQggpSRRRgk000电感 的损耗电导g 为1g =总电导 谐振电阻第2章 高频电路基础例例4. 电路如图所示。给定参数为工作频率f0=10.

18、7MHz，C20pF，线圈L13的QO60， N12=6匝，N23=6匝，N45=3匝，R=10k，Rg=2.5 k，RL=830，Cg=9pF，CL=12pF。求： L13、回路有载品质因数QL 和带宽B0.7第2章 高频电路基础 思考下图为紧耦合的抽头电路，其接入系数的计思考下图为紧耦合的抽头电路，其接入系数的计 算可参照前述分析。算可参照前述分析。 C P1 C L RL P2 Is Rs Rp Is Rs Rp RL V (a) (b) 给定回路谐振频率给定回路谐振频率fp = 465 kHz，Rs = 27K ，Rp =172K ， RL = 1.36K ，空载空载Qo = 100，

19、P1 = 0.28，P2 = 0.063，Is = 1mA 求回路通频带求回路通频带B = ？和等效电流源？和等效电流源?s I传输线变压器第2章 高频电路基础 3) 耦合振荡回路 单振荡回路具有频率选择性和阻抗变换的作用。单振荡回路具有频率选择性和阻抗变换的作用。但是：但是：1 1、选频特性不够理想、选频特性不够理想 2 2、阻抗变换不灵活、不方便、阻抗变换不灵活、不方便为了使网络具有矩形选频特性，或者完成阻抗变换的需为了使网络具有矩形选频特性，或者完成阻抗变换的需要，需要采用耦合振荡回路。要，需要采用耦合振荡回路。耦合回路由两个或者两个以上的单振荡回路通过各种不耦合回路由两个或者两个以上的

20、单振荡回路通过各种不同的耦合方式组成。同的耦合方式组成。第2章 高频电路基础 图 2 12 两种常见的耦合回路及其等效电路111LrC R把接有激励信号源的回路称为初级回路, 把与负载相接的回路称为次级回路或负载回路。 下图是两种常见的耦合回路。 图 2 12（a）是互感耦合电路, 图 2 12(b)是电容耦合回路。第2章 高频电路基础21212LLMLLMk对于图 2 12（b）电路, 耦合系数为)(21CCCCCCCCk22222mfZMZZZ 耦合系数k定义为Xm与初、次级中与Xm同性质的两电抗的几何平均值之比，即对于图 2 12（a）电路反射阻抗耦合系数耦合系数k：耦合回路的特性：耦合

21、回路的特性和功能与两个回路的耦合程度和功能与两个回路的耦合程度有关有关反射阻抗是用来说明一个回路对耦合的另一回路电流的影反射阻抗是用来说明一个回路对耦合的另一回路电流的影响。对初次级回路的相互影响，可用一反射阻抗来表示。响。对初次级回路的相互影响，可用一反射阻抗来表示。第2章 高频电路基础 附：附： 反射阻抗与耦合回路的等效阻抗反射阻抗与耦合回路的等效阻抗 + L1 r2 L2 M 1I C2 E 2I r1 C1 反射阻抗是用来说明一个回路对耦合的另一回路电流的影响。反射阻抗是用来说明一个回路对耦合的另一回路电流的影响。对初次级回路的相互影响，可用一反射阻抗来表示。对初次级回路的相互影响，可

22、用一反射阻抗来表示。现以下图所示的互感耦合串联回路为例来分析耦合回路的现以下图所示的互感耦合串联回路为例来分析耦合回路的 阻抗阻抗特性。在初级回路接入一个角频率为特性。在初级回路接入一个角频率为 的正弦电压的正弦电压， 初、初、次级回路中的电流分别以次级回路中的电流分别以i1和和i2表示，并标明了各电流表示，并标明了各电流 和电压和电压的正方向以及线圈的同名端关系。的正方向以及线圈的同名端关系。E第2章 高频电路基础 + L1 r2 L2 M 1I C2 E 2I r1 C1 初、次级回路电压方程可写为初、次级回路电压方程可写为式中式中Z1为初级回路的自阻抗，即为初级回路的自阻抗，即Z1=r1

23、+jX1, , Z2为次级回路的自阻抗，即为次级回路的自阻抗，即Z2=r2+jX2。解上列方程组可分别求出初级和次级回路电流的表示式：解上列方程组可分别求出初级和次级回路电流的表示式：1212()EIMZZ12221()Ej MZIMZZ0221211IZIMjEIMjZI第2章 高频电路基础2f21()MZZ称为次级回路对初级回路的反射阻抗称为次级回路对初级回路的反射阻抗2f2()MZZ上两式中，上两式中，称为初级回路对次级回路的反射阻抗称为初级回路对次级回路的反射阻抗而而 为次级开路时，初级电流为次级开路时，初级电流 在次级线圈在次级线圈L L2 2中所感应的电动势，中所感应的电动势，用电

24、压表示为用电压表示为1Ej MZ11EIZ211EEj MIj MZ 第2章 高频电路基础 Z1 (a) 初级等效电路初级等效电路 + E r1 X1 Zf rf Xf (b) 次级等效电路次级等效电路 + r2 X2 Zf2 rf2 Xf2 1j M EZ Z2 I I 2.E必须指出，在初级和次级回路中，并不存在实体的反必须指出，在初级和次级回路中，并不存在实体的反射阻抗。所谓反射阻抗，只不过是用来说明一个回路射阻抗。所谓反射阻抗，只不过是用来说明一个回路对另一个相互耦合回路的影响。例如，对另一个相互耦合回路的影响。例如，Zf表示次级电表示次级电流通过线圈流通过线圈L2时，在初级线圈时，在

25、初级线圈L1中所引起的互感电压中所引起的互感电压对初级电流的影响，且此电压用一个在其上通过电流对初级电流的影响，且此电压用一个在其上通过电流的阻抗来代替，这就是反射阻抗的物理意义。的阻抗来代替，这就是反射阻抗的物理意义。第2章 高频电路基础将自阻抗将自阻抗Z2和和Z1各分解为电阻分量和电抗分量，分别各分解为电阻分量和电抗分量，分别代入上式，得到初级和次级反射阻抗表示式为代入上式，得到初级和次级反射阻抗表示式为2222222222222222221222222222()()-()()-()ffffMMMZrjXrjXrjXrXrXMMrrXXrXrX22221122222211111122212

26、122221111()()-()()-()fffffMMMZrjXrjXrjXrXrXMMrrXXrXrX第2章 高频电路基础考虑到反射阻抗对初、次级回路的影响，最后可以写考虑到反射阻抗对初、次级回路的影响，最后可以写出初、次级等效电路的总阻抗的表示式：出初、次级等效电路的总阻抗的表示式：221121222222222()()eMMZrrj XXrXrX222212122221111()()eMMZrrj XXrXrX 以上分析尽管是以互感耦合路为例，但所得结论具有以上分析尽管是以互感耦合路为例，但所得结论具有普遍意义。它对纯电抗耦合系统都是适用的，只要将相应普遍意义。它对纯电抗耦合系统都是适

27、用的，只要将相应于各电阻的自阻抗和耦合阻抗代入以上各式，即可得到该于各电阻的自阻抗和耦合阻抗代入以上各式，即可得到该电路的阻抗特性。电路的阻抗特性。第2章 高频电路基础由上两式可见，反射阻抗由反射电阻由上两式可见，反射阻抗由反射电阻rf与反射电抗与反射电抗Xf所组成。所组成。由以上反射电阻和反射电抗的表示式可得出如下几点结论：由以上反射电阻和反射电抗的表示式可得出如下几点结论： 1 1）反射电阻永远是正值。这是因为，无论是初级回路反）反射电阻永远是正值。这是因为，无论是初级回路反射到次级回路，还是从次级回路反射到初级回路，反射电阻射到次级回路，还是从次级回路反射到初级回路，反射电阻总是代表一定

28、能量的损耗。总是代表一定能量的损耗。 2 2）反射电抗的性质与原回路总电抗的性质总是相反的。）反射电抗的性质与原回路总电抗的性质总是相反的。以以Xf为例，当为例，当X2呈感性呈感性(X20)时，则时，则Xf呈容性呈容性(Xf0)；反之，；反之，当当X2呈容性呈容性(X20)。 第2章 高频电路基础22()Mr3 3）反射电阻和反射电抗的值与耦合阻抗的平方值）反射电阻和反射电抗的值与耦合阻抗的平方值（ M）2成成正比。当互感量正比。当互感量M=0时，反射阻抗也等于零。这就是单回路时，反射阻抗也等于零。这就是单回路的情况。的情况。4 4）当初、次级回路同时调谐到与激励频率谐振（即）当初、次级回路同

29、时调谐到与激励频率谐振（即X1=X2=0）时，反射阻抗为纯阻。其作用相当于在初级回路中增加一电时，反射阻抗为纯阻。其作用相当于在初级回路中增加一电阻分量，阻分量， 且反射电阻与原回路电阻成反比。且反射电阻与原回路电阻成反比。第2章 高频电路基础kQAQrL00002)(耦合因子 初次级串联阻抗可分别表示为 MjZjrZjrZm)1 ()1 (2211 耦合阻抗为 转移阻抗的频率特性转移阻抗的频率特性 常取 L1=L2=L，C1=C2=C，Q1=Q2=Q广义失谐第2章 高频电路基础由图2 12（c）等效电路, 转移阻抗为 222221212111IUj CIZCCEIj C E (2 29) 由

30、次级感应电势 产生, 有2ImZI1212ZZIIm考虑次级的反射阻抗, 则)()(22111ZZZIZZIEmf 将上两式代入式(2 29), 再考虑其它关系, 经简化得 第2章 高频电路基础jAACQjZ2122021 (2 30)根据同样的方法可以得到电容耦合回路的转移阻抗特性为jAALjQZ21220212222max21214)1 (2AAZZ （2 32） （2 31） Qk10（2 33）A1时称临界耦合，其临界系数k0=1/Q,|Z21|曲线单峰第2章 高频电路基础4max21214111ZZ（2 34） A时称过耦合，|Z21|曲线双峰A时称欠耦合，|Z21|曲线单峰下图为归

31、一化的转移阻抗的频率特性。临界耦合时的特性为QfB07 . 02(2 35) 回路带宽第2章 高频电路基础|Z21|max|Z21|10.707k k0k k0k k0ff1faf0fbf20 图 2 13 耦合回路的频率特性 7 . 01 . 01 . 0BBK（2 36） 矩形系数第2章 高频电路基础临界耦合时过耦合状态时，凹陷点等于0.707时00.72.413.1fABQ15. 35 . 41 . 001 . 0KQfB第2章 高频电路基础 2. 高频变压器和传输线变压器高频变压器和传输线变压器 (1) 高频变压器及其特点 变压器是靠磁通交链, 或者说是靠互感进行耦合的。 (1) 为了

32、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。 (2) 高频变压器一般用于小信号场合, 尺寸小, 线圈的匝数较少。 第2章 高频电路基础(a)(b)(c) 图 2 14 高频变压器的磁芯结构（a） 环形磁芯; (b) 罐形磁芯; (c) 双孔磁芯 N1N2(a)LSCSLN1N2(b)图 2 15 高频变压器及其等效电路 (a) 电路符号; (b) 等效电路第2章 高频电路基础 用于窄带电路时，已知f时的电路参数L，Ls，Cs,能构成电路并进行计算。 用于宽带电路时：低频端，L的阻抗小，对负载起分流作用，影响低频响应。高频端，Cs的阻抗起旁路作用，而漏感Ls的阻抗大，起分压

33、作用。要展宽高频范围，应减少变压器的Ls和Cs,但励磁电感L也随匝数减少而迅速变小，这会导致低频响应变差，故采用高磁导率的高频磁芯。第2章 高频电路基础 2) 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 17 为其典型的结构和电路图。 磁环42132143(a)(b)图 2 17 传输线变压器的典型结构和电路 (a) 结构示意图; （b） 电路 第2章 高频电路基础rrfvcv0RSES1324U1.RLU2.ZCI.RSES1234U1.RLUL(a)(b)I. 图 2 18 传输线变压器的工作方式 (a) 传输线方式; (b) 变压器方式 波速与波长

34、为：第2章 高频电路基础传输线工作方式的特点：在传输线的任一点上，两导线上流经的电流大小相等，方向相反。RLZC时，两导线间的电压沿线均匀分布（指振幅）变压器方式：励磁电感较大，其感抗值远大于特性阻抗Zc和负载阻抗，12端和34端有相同的电压。传输线变压器的宽带性能的好坏与参数及结构尺寸的选择有很大关系，特性阻抗Zc和负载阻抗ZL接近，以实现匹配。第2章 高频电路基础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.R

35、LRbRL42A13U1.BUL.UL.I2.I1.(d).4.4 图 2 19传输线变压器的应用举例 （a） 高频反相器; （b） 不平衡平衡变换器; （c） 1 4 阻抗变换器; (d) 3 分贝耦合器 第2章 高频电路基础例例第2章 高频电路基础 3. 石英晶体谐振器石英晶体谐振器 1) 物理特性 石英晶体谐振器是由天然或人工生成的石英晶体切片制成。利用石英晶体的压电效应压电效应和逆压电效应逆压电效应可以将其制成晶体谐振器。 第2章 高频电路基础第2章 高频电路基础第2章 高频电路基础q1q3q5C0LqCqrqC0(a)(b) 图 2 22 晶体谐振器的等效电路 (a) 包括泛音在内的

36、等效电路; (b) 谐振频率附近的等效电路 其中：安装电容C0约pFF 动态电感Lq约10-3H102 H 动态电容Cq约10-4pF10-1pF 动态电阻rq约几十欧到几百欧2) 等效电路及阻抗特性一般的用图示的LC谐振回路来模拟石英晶体的电特性。 通常把基频谐振称为基音谐振，把高次谐波上的谐振称为泛音谐振。 第2章 高频电路基础由图 可看出, 晶体谐振器是一串并联的振荡回路, 串联谐振频率fq为qqqCLf2100000112121CCfCCCLCCCCLfqqqqqqqq并联谐振频率f0为第2章 高频电路基础)211 (000CCffCCqqq等效电路的阻抗的一般表示式为 001)1()

37、1(1CjCLjrCLjrCjZqqqqqqe在忽略rq后, 上式可化简为 220220111qeeCjjXZ第2章 高频电路基础图 2 23 晶体谐振器的电抗曲线 qqqeLCLddddXq2)1(在q处的电抗变化率Xeq0o感性感性容性容性第2章 高频电路基础晶体谐振器的特点：晶体谐振器的特点：晶体的谐振频率fq和f0非常稳定。有非常高的品质因数。接入系数非常小。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。所以晶体谐振器的频率稳定度比一般振荡回路要高。第2章 高频电路基础1:211Z1Z222RLb0fqf0(a)(b)f图 2 24 晶体滤波器的电路与衰减特性（a） 滤波器电路

38、; （b） 衰减特性 3）晶体谐振器的应用: 振荡器振荡器 高频窄带滤波器高频窄带滤波器具有高具有高Q，通带极窄通带极窄第2章 高频电路基础 4. 集中滤波器集中滤波器 1) 陶瓷滤波器（带通滤波器）陶瓷谐振片 图 2 25 陶瓷滤波器电路 工艺：工艺：由压电陶瓷制成。但由压电陶瓷制成。但Q值低于石英晶体，约为几百，高值低于石英晶体，约为几百，高 于于LC谐振电路谐振电路。优点：优点：体积小、成本低、通带衰耗小和矩形系数小等。体积小、成本低、通带衰耗小和矩形系数小等。缺点：缺点：一致性差。频率特性离散性大，通频带不够宽。一致性差。频率特性离散性大，通频带不够宽。第2章 高频电路基础 2) 声表

39、面波滤波器 声 表 面 波声 表 面 波传播方向传播方向RsUsRL声表面波滤波器结构图声表面波滤波器结构图依靠基片变形激起表面超声波实现依靠基片变形激起表面超声波实现选频特性：选频特性：当叉指换能器的几当叉指换能器的几何参数以及发端换能器的距离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一定时，它就具有选择某一频率信号输出的能力。率信号输出的能力。特点：特点：可满足多种频率特性、可满足多种频率特性、性能稳定、工作频率高、体积性能稳定、工作频率高、体积小、可靠性高等。小、可靠性高等。第2章 高频电路基础第2章 高频电路基础一千兆赫一千兆赫几百兆赫几百兆赫几十兆赫几十兆赫最高工作频率最高

40、工作频率可达可达50%可达可达10%小于小于1%相对带宽相对带宽可小于可小于1.2可小于可小于4矩形系数矩形系数可满足多种频率可满足多种频率特性、性能稳定、特性、性能稳定、工作频率高工作频率高可靠性高、性能稳可靠性高、性能稳定、成本低、工作定、成本低、工作频率较高频率较高频率稳定、频率稳定、Q值高、相值高、相对带宽窄对带宽窄特点特点符号符号三端三端两端两端声表面滤波器声表面滤波器陶瓷滤波器陶瓷滤波器晶体滤波器晶体滤波器滤波器名称滤波器名称总结总结第2章 高频电路基础 5. 衰减器与匹配器衰减器与匹配器 1) 高频衰减器 VVWVWW 图 2 28 T型和型网络 R1R2R3Z1Z2 图 2 2

41、9 T型电阻网络匹配器 2)高频匹配器第2章 高频电路基础2.2 电子电子 噪噪 声声 2.2.1 概述概述 所谓干扰（或噪声）, 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。 2.2.2 电子噪声的来源与特性电子噪声的来源与特性 1. 电阻热噪声 当温度大于300K时，作随机运动的自由电子，穿越电阻的运动过程，会在电阻两端产生的随机的起伏噪声电压，下图是电阻起伏噪声电压波形的示意图。tEn0第2章 高频电路基础1) 热噪声电压和功率谱密度起伏噪声电压是时间上连续的随机过程，根据概率统计理论，起伏电压的强度可以用其均方值表示。电阻R两端起伏噪声电压的均方值为： kTBRdteTL

42、imEnTn41202)21exp(21)(222nnnnEeEep总的噪声电压服从的正态分布，其概率密度为第2章 高频电路基础 功率谱密度定义是：单位频带内噪声电压（或电流）的均方值： 噪声电压的功率谱密度SU=4kTR（V2/Hz）噪声电流的功率谱密度SI=4kTG（A2/Hz）SU常用在串联电路中计算噪声，SI常用在并联电路中计算噪声 电路中电阻热噪声的计算电路中电阻热噪声的计算（1）单个电阻的热噪声强度（2）多个电阻的热噪声强度 RR(理想)G(理想)2nE2nIR1R2R1R2R1+R221nE22nE2221nnEE R1R2R1R2R1/R22222nnII 21nI22nI第2

43、章 高频电路基础2) 线性电路中的热噪声 UiUoSjHS2)(|H(j)|2U2iSUiU2oSUo图 2 32热噪声通过线路电路的模型 热噪声通过线性网络电路的传输函数dfSEUon02输出端的噪声电压谱密度输出噪声电压均方值为第2章 高频电路基础LrCLrCSUi 4kTrReXe(a)(b)(c)SUo 图 2 33并联回路的热噪声kTrCLrCSUo4)1()1(2221()1jCH jrj LjC并联回路的热噪声(2 55) 第2章 高频电路基础 并联回路可以等效为Re+jXe（图 2 33（c）,现在看上述输出噪声谱密度与Re、 Xe的关系。 CjLjrLjrCjjXRee1)(

44、)(1展开化简后得 与式(2 55)（P41）对比, 可得 222)1()1(CLrrCReeUkTRSo4注意：纯电抗不产生热噪声！第2章 高频电路基础输出端的均方噪声电压为QfkTRfdffQRkTfkTrdffQCrfdSdfSEooUUn24)2(144)2(1)(10020020202第2章 高频电路基础结论: 对二端线性电路，其噪声电压或噪声电流 谱密度SU、SI可用等效电阻Re(或Ge)来代替SU=4kTR,SI=4kTG中的R、G。电阻热噪声通过线性电路后，一般不再是白噪声。第2章 高频电路基础 3) 噪声带宽 上图是一线性系统, 其电压传输函数为H(j)。 设输入一电阻热噪声

45、,均方电压谱为SUi=4kTR, 输出均方电压谱为SUo, 则输出均方电压E2n2为 dfjHkTRdfjHSdfSEUiUon2020022)(4)( 设|H(j)|的最大值为H0, 则可定义一等效噪声带宽Bn, 令20224HkTRBEnn 则等效噪声带宽Bn为2020)(HdfjHBn|H(j)|2U2iSUiU2oSUo第2章 高频电路基础第2章 高频电路基础 图 2 33 的单振荡回路为例, 计算其等效噪声带宽。 设回路为高Q电路, 设谐振频率为f0， 由前面分析, 再考虑到高Q条件, 此回路的|H(j)| 2可近似为 2022)2(1)1()(ffQCrjHo式中, f为相对于f0

46、的频偏, 由此可得等效噪声带宽为QffdffQBn2)2(11020第2章 高频电路基础 2. 晶体三极管的噪声晶体三极管的噪声 1) 散弹（粒）噪声 己知并联回路的 3 dB带宽为B 0.7= f0/Q, 故7 . 07 . 057. 12BBBn012)(qIfS2) 分配噪声3) 闪烁噪声 3. 场效应管噪声场效应管噪声 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极上的感应噪声、闪烁噪声第2章 高频电路基础 2.2.3 噪声系数和噪声温度噪声系数和噪声温度 1 噪声系数的定义噪声系数的定义 图 2 35 为一线性四端网络, 它的噪声系数定义为输入端的信号噪声功率比(

47、S/N)i与输出端的信号噪声功率比(S/N)o的比值, 即线性电路KPNFSiNiSoNo 图 2 35 噪声系数的定义 第2章 高频电路基础 图中, KP为电路的功率传输系数(或功率放大倍数)。 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, 上式可以表示为ooiioiFNSNSNSNSN)()(ipaipapiFipopioFNKNNKNKNNNKNKNNN1第2章 高频电路基础 噪声系数通常用dB表示, 用dB表示的噪声系数为 oiFFNSNSLgLgNdBN)()(1010)(对噪声系数的说明：1.噪声功率与带宽相联系的。白噪声：噪声功率与带宽B成正比线性系

48、统：由于有频响特性，噪声功率不与带宽B成正比引入等效噪声带宽，噪声系数具有平均意义。2.噪声系数与输入信号大小无关，与输入噪声功率Ni有关，因此在噪声系数的定义中，规定Ni为信号源内阻Rs的最大输出功率。第2章 高频电路基础2222nionoFnionoFIINUUN4.噪声系数的定义只适用于线性或准线性电路3.噪声系数与输出端所接负载的大小（包括开路和短路）无关。因此：第2章 高频电路基础 2噪声温度噪声温度 将线性电路的内部附加噪声折算到输入端, 此附加噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效, 这就是“噪声温度”。Na等效到输入端的附加噪声为Na/KP, 令增加的温度为Te, 即噪声温度,

49、 可得BkTKNepaTNTTTBkTBkTNBkTNKNNFeeeieiPaF) 1(1111第2章 高频电路基础 2.2.4噪声系数的计算噪声系数的计算 1额定功率法额定功率法 额定功率, 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 。 SSamREP42RSESRL RSISRSRL RS(a)(b)电压源; 电流源 SSamRIP241第2章 高频电路基础 根据噪声系数的定义, 分子和分母都是同一端点上的功率 比, 因此将实际功率改为额定功率,

50、 并不改变噪声系数的定义, 则mipmmomoamomismiFNKNNPNPN因为Nmi= kTB, Nmo= KPmNmi+ Nmn, , 所以kTBKNkTBKNNpmmnpmmoF1 额定功率增益KPm是指四端网络的输出额定功率Psmo和输入额定功率Psmi之比, 即smismoPmPPKNmi和Nmo分别为输入和输出的噪声额定功率Nmn为网络内部的最大输出噪声功率第2章 高频电路基础等效到输入端, 有kTBNNmoiF 式中, Nmoi=Nmo/KPm是网络额定输出噪声功率等效到输入端的数值。 LKNpmF1无源四端网络的噪声系数：无 源四端网络KPmE2S.Roj Xo4 kTBRoUon2