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1、第2章 高频电路基础,2.1高频电路中的基本元器件 2.2高频电路中的基本电路 2.3 电子噪声及其特性 2.4 噪声系数和噪声温度,2,2.2 高频电路中的基本电路,2.2.1 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。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。,3,并联谐振回路 储能元件（电感和电容）并联 电流驱动，电压输出 传输函数具有阻抗的量纲,1.简单振荡回路,串联谐振回路：电压驱动，电流输出,LC谐振回路是最简单也是最基本的LC滤波器
2、电路。,4,自由振荡现象：R、L、C电路具有自由振荡现象。,1）R=0，等幅振荡; 2）R0，减幅振荡（ R ，没有振荡。,5,为回路自然角频率。,1）R=0，等幅振荡,6,2）R0，减幅振荡（ R ）,7,3）R0，增幅振荡,8,4）R ，没有振荡。,9,（1）电路特点,回路电感元件的固有损耗电阻RS（包括电感线圈 导线的欧姆电阻、由趋肤效应引起的高频损耗电阻）,10,传输函数（传输阻抗）,谐振： 回路电压与输入激励电流同相位 回路呈纯阻特性,11,回路空载（固有）品质因数 Q （易测量） 意义：表征回路谐振过程中一个周期的电抗元件的储能与电阻元件耗能状况的比值。,当 Q 1 时(忽略电感的
3、损耗)：,回路谐振角频率：,忽略电容的损耗：,为回路无阻尼振荡角频率。,特性阻抗 ：,13,P,使网络阻抗（ZP（j）相等进行等效,14,阻抗电路的串并联等效转换 由电阻元件和电抗元件组成的阻抗电路的串联形式与并联形式可以互相转换， 而保持其等效阻抗和值不变。,15,Zp=RpjXp=,Zs=Rs+jXs,要使ps，必须满足: Rs=,XS=,16,串联电路的有效品质因数:,串联形式的有效品质因数等于并联形式的品质因数。,17,则：,18,当Q1时，则简化为： Rp Q2Rs Xp Xs,结论：,2）串联电抗变为同性质的并联电抗。,1）小的串联电阻变为大的并联电阻。,当品质因数足够高时,19,
4、使网络阻抗（ZP（j）相等进行等效,串联与并联回路Q值相同,P,20,谐振,21,（2）并联回路端阻抗的模和相角随频率变化的关系为：,22,并联回路的阻抗特性, = 0 ，呈纯电阻且阻值最大 0 ，呈容性 0 ，呈感性,23,串联回路的阻抗特性, = 0 ，呈纯电阻且阻值最小 0 ，呈感性,24,（3）谐振特性,并联回路谐振时，流过其电抗支路的电流IL、IC 比激励电流Ig大Q倍，故并联谐振又称电流谐振。所以品质因数 Q 易测量。 并联谐振时（ Q值很高），输出最大电压：,并联回路在谐振时的电流、电压相位关系如图所示。,25,串联回路谐振时，电抗上电压是激励电压的 Q 倍，故串联谐振又称电压谐
5、振。所以品质因数 Q 易测量。 串联回路谐振时，回路呈纯电阻，且阻值最小，回路电流最大。,串联回路在谐振时的电流、电压相位关系如图所示。,26,（4） 频率特性、通频带和谐波抑制度,频率特性：,以 = 时的输出电压 对 归一化，可得并联谐振回路的相对幅频特性与相频特性，其值分别如下：,27,并联谐振回路的相对幅频特性和相对相频特性,Q值增大选择性更好,Q值增大斜率的绝对值增大,单位谐振曲线可表示选择性好坏。,28,串联谐振回路的相对幅频特性和相对相频特性,Q值增大选择性更好,Q值增大斜率的绝对值增大,29,广义失谐,通频带（BW）：当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时, 将并联回路端电压值(
6、串联回路电流值）下降为谐振值的 时对应的频率范围称为回路的通频带。,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,令：,则：,30,=1,则：,则：,令：,31,谐波抑制度 ,例：若Q=100，二次谐波抑制度,32,为了衡量实际幅频特性曲线接近理想幅频特性曲线的程度，提出了“矩形系数”这个性能指标。 矩形系数0.1：为单位谐振曲线（）值下降到.时的频带范围0.1与通频带0.7之比， 即:,矩形系数K,33,0.1是一个大于或等于的数， 其数值越小， 则对应的幅频特性越理想。,34,解： 取,用类似于求通频带0.7的方法可求得:,一
7、个单谐振回路的矩形系数是一个定值,与其回路值和谐振频率无关，且这个数值较大，接近， 说明单谐振回路的幅频特性不大理想。,例： 求并联谐振回路的矩形系数0.1 。,35,（5） 信号源內阻和负载电阻对并联谐振回路的影响,影响谐振回路谐振频率。,减小 通频带加宽 选择性变坏。,影响：,36,在有信号源內阻和负载电阻情况下，为了对并联谐振回路的影响小，需要应用阻抗变换电路。,并联谐振回路希望用恒流源激励。,结论：,串联谐振回路希望用恒压源激励。,37,(1) 全耦合变压器等效,从功率等效角度证明：,理想变压器无损耗：,接入系数:,2. 抽头并联振荡回路,38,部分接入法：负载电阻 RL是通过双电容分
8、压接入并联谐 振回路的,称为部分接入法。 令接入系数：,可得：,(2) 双电容耦合电路,由低抽头向高抽头转换，阻抗提高。,39,接入系数,功率守恒,接入系数：与外电路相连的那部分电抗与本回路参与分压的同性质总电抗之比。即电压之比。,谐振时流过负载电阻的电流远小于电抗的电流,40,(3) 双电感抽头耦合电路（忽略了互感M）,负载电阻RL是通过双电感抽头接入并联谐振回路的,为部分接入法。 令接入系数：,，(P1),41,(4) 应用部分接入法的选频电路,接入系数：,结论: 采用部分接入法，电源及负载对回路有载品质因数影响明显减小。,42,上面分析了外接负载为纯阻的情况。而当外接负载包括电抗成分时，
9、上述等效变换关系仍然适用。,接入系数,43,对于复杂的并联谐振回路，其谐振频率和谐振阻抗的计算一般更为繁琐。然而，当整个电路满足高Q条件时，计算可以大大化简。,两个支路都有电阻 的并联回路,并联电路的 广义形式,44,对于高Q值并联谐振回路，其谐振频率与串联谐振回路相近，谐振阻抗可以通过串联支路的串并联互换得到。,45,当品质因数足够高时,对于高Q值并联谐振回路，其谐振频率与串联谐振回路相近，谐振阻抗可以通过串联支路的串并联互换得到。,46,47,48,49,50,并联回路如下图所示。已知：L1= L2=5uH，(固有)Q=100。,C1 =C2=8PF，信源内阻： Rg =40K,负载电阻：
10、 RL=10K。 提示:考虑电感本身的损耗。,补充题 2：,试求：无阻尼谐振频率； 等效谐振电阻 R ； 通频带 。 不接 ， 如何变？,51,耦合回路是由两个或两个以上的电路形成的一个网络，两个电路之间必须有公共阻抗存在，才能完成耦合作用。,3. 耦合振荡回路,52,在耦合回路中接有激励信号源的回路称为初级回路，与负载相接的回路称为次级回路。 说明回路间的耦合程度，常用耦合系数来表示，它的定义是：耦合回路的公共电抗（或电阻）绝对值与初、次级回路中同性质的电抗（或电阻）的几何中项之比，即,耦合振荡回路在高频电路中的主要功用:一是用来进行阻抗转换以完成高频信号的传输; 一是形成比简单振荡回路更好
11、的频率特性。 通常应用时都满足下述两个条件: 一是两个回路都对信号频率调谐; 另一个是都为高Q电路。,53,在高频电子线路中，常采用两种耦合回路。 （）为互感耦合串联型回路；（）为电容耦合并联型回路。,54,互感耦合回路的一般形式,由基尔霍夫定律得出回路电压方程为,式中，Z11为初级回路的自阻抗，即Z11=R11+jX11, Z22为次级回路的自阻抗，即Z22=R22+jX22。,55,由基尔霍夫定律得出回路电压方程为,解得,56,初级等效电路,反射阻抗，又称为耦合阻抗，它的物理意义是：次级电流通过互感的作用，在初级回路中感应的电动势对初级电流的影响，可用一个等效阻抗Zf1来表示。,57,次级
12、等效电路的两种形式,58,在次级回路中反射阻抗Zf2：,次级等效电路的两种形式,59,矩形选频特性与单回路谐振曲线,60,次级回路电压(或电流) 归一化的频率响应曲线,一般采用稍大于1，这时在通带内放大均匀，而在通带外衰减很大，为较理想的幅频特性。,61,一般采用稍大于1，这时在通带内放大均匀，而在通带外衰减很大，为较理想的幅频特性。, 1:过耦合 =1:临界耦合 1:欠耦合,62,63,（1）声表面波（SAW）滤波器,声表面波滤波器是一种以铌酸锂、锆钛酸铅或石英等压电材料为基体构成的一种电声换能元件。,叉指换能器（铝或金膜) 电信号,弹性波（声波）,Surface Acoustic Wave
13、 （SAW）,弹性形变（压电材料）,2.2.4 集中滤波器,64,65,体积小、重量轻。,中心频率可达几MHz几GHz，适合于高频、超高频工作。幅频特性接近理想矩形。,相对通频带有时可以达到50%，频率特性取决于压电基体材料及叉指换能器的指条数目、疏密和长度。,接入实际电路时，必须实现良好的匹配。,用与集成电路相同的平面加工工艺。制造简单、重复性好。,例：新加坡AVX公司推出1.61.40.6mm尺寸的声表面滤波器 ，手机频段。,声表面波（SAW）滤波器的特点：,66,其它集中选频滤波器,陶瓷滤波器,1) 陶瓷片的“压电效应”与“反压电效应”,2) 两端陶瓷滤波器（外形及符号）,两个谐振频率：
14、,67,3）三端陶瓷滤波器,实物图：,68,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。 通信系统的基本任务是传送信息：有用信号干扰（或噪声） 干扰与噪声不同的表现形式 冲击窄脉冲，连续电振荡，随机噪声 随机噪声：外部和内部 外部：宇宙噪声、大气噪声 内部：放大器、电阻、电缆的热噪声 晶体管产生的噪声等,2.3 电子噪声及其特性,2.3.1 概述,69,1. 电阻热噪声,电阻热噪声是通信系统内部噪声的主要来源 产生机理：自由电子的无规则热运动产生的 自由电子与晶格碰撞，产生持续时间 = 10-13-10-14 s的电脉冲 电阻热噪声是无数个电脉冲叠加的结果 电阻热
15、噪声电流/电压可被视为是一个平稳随机过程,2.3.2 电子噪声的来源与特性,70,（1）热噪声电压和功率谱密度,热噪声电流/电压在不同时刻的方向、幅度和持续时间都是随机分布的，其幅度呈现正态分布； 在相当长的观测时间内，噪声电压或电流的平均值趋于零。,噪声电压均方值趋于一有限值,K为玻耳兹曼常数，T热力学温度 R为电阻器的电阻值， B为测量带宽,奈奎斯特公式,71,电阻热噪声的频率覆盖范围很宽，但单位频带的噪声功率很小。,功率谱密度：单位频带的均方电压值 （噪声电压谱密度）, 功率与电压或电流的均方值成正比，电阻热噪声可看成噪声功率源。,SU=4kTR (V2/Hz),72,白噪声：有效频带内
16、功率谱不随频率变化（分布均匀） （光学中，白色光功率谱在可见光频带内均匀分布） 有色噪声：有效频带内功率谱分布不均匀,电阻器的热噪声的功率谱密度在很宽的频带范围内为常数，为白噪声。,SU=4kTR (V2/Hz),73,噪声电流(功率)谱密度,74,时域定义： 频域定义：,噪声电压均方根值（有效值）：,75,在常温（T=290K）下工作的1k电阻，与带宽BW=100kHz的理想网络相连接，求该电阻的噪声电压均方值与噪声电压均方根值。,电阻热噪声相当微弱，一般电路可忽略。 接收机前级由于有用信号微弱，所以不可忽略 （LNA低噪声放大器）,76,电阻器的噪声资用功率（额定功率）,有噪电阻与其它元件或电路连接时，所给出的最大噪声功率。,R,当 时，取得最大值：,电阻器的噪声资用功率，仅与工作温度和频带有关，与阻值无关（阻值匹配） 。,7
