2 高频电路基础

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1、第二章 高频电路基础,2.1 高频电路中的元器件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,第二章 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,高频电路是由各种有源器件、 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, 但要注意它们在工作频率较高时的高频特性。,高频电路中的元件,1） 电阻,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。,电阻的高频等效电路, 理想电容器的阻抗为1/(jC), 如图（b）虚线所示 ，实际电容器存在损耗电阻RC和引线电

2、感LC，如图（a）所示。,电容器的高频等效电路及阻抗特性,2） 电容,高频电路中的元件,理想电感器L的阻抗为jL，实际电感器存在分布电容和损耗电阻。,3） 电感,高频电路中的元件,电感器的高频等效电路,1） 晶体二极管 晶体二极管在高频中主要用于调制、解调及混频等非线性变换电路中, 工作在低电平。,高频电路中的有源器件,另一种在高频中应用很广的二极管是变容二极管。,2） 晶体三极管与场效应管（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

3、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。,高频电路中的有源器件,2） 晶体三极管与场效应管（FET） 晶体管的高频参数：,高频电路中的有源器件,第二章 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（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。,高频电路中的组件,（一） 高频振荡回路*,并联谐振回路,串联谐振回路,分类,高频振荡（谐振）回路,高频振荡（谐振）回路由电感和电容组成。,串联振荡回路及其特性,串联谐振回路,串联谐振回路,令其虚部为零

4、，求得串联谐振频率为,串联谐振回路,串联谐振频率为,此时阻抗最小，且为纯电阻,串联谐振回路,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,串联谐振回路,在任意频率下的回路电流 与谐振电流之比为,串联谐振回路,其中,称为回路的品质因数。,其模为,在任意频率下的回路电流 与谐振电流之比为,串联谐振回路,根据上式画出相应的曲线, 称为谐振曲线。,串联谐振回路,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,为广义失谐,串联谐振回路,则 可写成,当保持外加信号的幅值不变

5、而改变其频率时, 将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, 也称回路带宽, 通常用B来表示。令上式等于 , 则可推得=1, 从而可得带宽为.,串联谐振回路,Q越高，带宽越窄。,串联谐振回路,由于有：,所以串联谐振时：,串联谐振时的电流、 电压关系,（又称为电压谐振）,并联谐振回路及其等效电路、 阻抗特性和辐角特性 (a) 并联谐振回路; （b）等效电路; （c）阻抗特性; （d）辐角特性,并联谐振回路,并联谐振回路的并联阻抗为,并联谐振回路,并联谐振回路,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,式中, Q为回路的品质因

6、数,当 时,并联回路在谐振时的阻抗最大, 为一电阻R0,并联谐振回路,在任意频率下的阻抗,并联回路在谐振时的阻抗最大, 为一电阻R0,并联谐振回路,品质因数Q的另一种表示形式,并联谐振回路,品质因数Q的两种表示形式,并联回路在在任意频率下的阻抗,并联谐振回路,与0相差不大时可简化为,对应的阻抗模值与辐角分别为,并联谐振回路,并联谐振回路的幅频特性,并联谐振回路,并联谐振回路的相频特性,对比串联回路：,并联谐振回路,由于有：,所以并联谐振时：,并联谐振时的电流、 电压关系,（又称为电流谐振）,公 式 归 纳,串联谐振回路基本公式：,公 式 归 纳,并联谐振回路基本公式：,例 1 设一放大器以简单

7、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?,并联谐振回路,将f0以兆赫兹(MHz)为单位, 以皮法(pF)为单位, L以微亨（H）为单位， 上式可变为一实用计算公式:,将f0=fs=10 MHz代入, 得,解 (1) 计算L值。 由式(2 4), 可得,并联谐振回路,(2) 回路谐振电阻和带宽。由式(2 6)，可得,并联谐振回路,回路带宽为,设回路上并联电

8、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,此时要求的带宽B=0.5 MHz, 故,回路总电阻为,并联谐振回路,(3) 求满足0.5 MHz带宽的并联电阻。,需要在回路上并联的电阻。,电路如下图所示，已知L=586H，C=200pF，r=12，RL为负载电阻。试求： (1) 未接入RL时，回路的品质因数Q0、谐振电阻RP、通频带BW0.7。 (2) RL= 200k时，回路的等效品质因数QL 、谐振电阻R 、通频带BW0.7 。,课 堂 练 习,电路如下图所示，已知L=586H，C=200pF，r=12，RL为负载电阻。试求： (1) 未接入RL时，

9、回路的品质因数Q0、谐振电阻RP、通频带BW0.7。,课 堂 练 习,电路如下图所示，已知L=586H，C=200pF，r=12，RL为负载电阻。试求： (2) RL= 200k时，回路的等效品质因数QL 、谐振电阻R 、通频带BW0.7 。,课 堂 练 习,抽头并联谐振回路,抽头并联谐振回路的引入：,“部分接入”,抽头并联谐振回路,几种常见抽头振荡回路,“部分接入”,抽头并联谐振回路,R, 1,（接入系数）,（等效原则）,将R0等效为R：,抽头并联谐振回路,接入系数,抽头并联谐振回路,接入系数,抽头并联谐振回路,电流源的折合,例 2 如图所示抽头回路由电流源激励, 忽略回路本身的固有损耗,

10、试求回路两端电压u(t) 、输出电压u1(t)的表示式及回路带宽。 ,抽头并联谐振回路,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,谐振角频率为,电阻R1的接入系数,等效到回路两端的电阻为,抽头并联谐振回路,（ ）,谐振时回路两端电压u(t)与i(t)同相, 电压振幅U=IR=2V,输出电压为,回路有载品质因数,回路带宽,抽头并联谐振回路,在高频电路中, 有时用到两个互相耦合的振荡回路, 也称为双调谐回路。 图 （a）是互感耦合电路, 图 (b)是电容耦合回路。,耦合振荡回路*,两种常见的耦合回路,耦合振荡回路的作用：一是用来进行阻抗变换以完成高频信号的传送；

11、二是形成比简单振荡回路更好的频率特性。,两种常见的耦合回路,耦合振荡回路*,耦合系数为,耦合振荡回路*,耦合振荡回路*,选择性常采用矩形系数来表示,耦合振荡回路*,（单谐振回路的 ）,对临界耦合,耦合振荡回路*,P60: 2-2 图示为波段内调谐用的并联振荡回路，可变电容C的变化范围为 12260 pF，Ct为微调电容，要求此回路的调谐范围为5351605 kHz，求回路电感L和Ct的值，并要求C的最大和最小值与波段的最低和最高频率对应。,课 堂 练 习,课 堂 练 习,课 外 作 业,21对于收音机的中频放大电路，其中心频率f0=465 kHzB0.707=8kHz，回路电容C=200 PF

12、，试计算回路电感和 QL值。若电感线圈的 QO=100，问在回路上应并联多大的电阻才能满足要求。,23 图示为一电容抽头的并联振荡回路。谐振频率f0=1MHz，C1=400 pf，C2=100 pF 求回路电感 L。若 Q0=100，RL=2k，求回路有载 QL值。,（二） 高频变压器和传输线变压器*,（三） 石英晶体谐振器*,石英晶体谐振器,石英晶体谐振器,石英晶体谐振器,石英晶体具有压电效应：当晶体受到应力作用时, 在它的某些特定表面上将出现电荷, 而且应力大小与电荷密度之间存在着线性关系, 这是正压电效应； 当晶体受到电场作用时, 在它的某些特定方向上将出现应力变化, 而且电场强度与应力

13、变化之间存在着线性关系, 这是逆压电效应。,当交流电压加在晶体两端, 晶体先随电压变化产生应变, 然后机械振动又使晶体表面产生交变电荷。 当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时, 晶体片的机械振动最大, 晶体表面电荷量最多, 外电路中的交流电流最强, 于是产生了压电谐振。,石英晶体谐振器,静态电容C0约1pF10pF 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,下图是石英晶振的符号和等效电路。,由以上参数可以看到： ） 石英晶振的值和特性阻抗都非常高，值可达几万到几百万, 因为：,石英晶体谐振器,2） 由于石英晶振的接入系数p=Cq(

14、C0+Cq)很小, 所以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。 因此不难理解石英晶振的频率稳定度是非常高的。,静态电容C0约1pF10pF 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,下图是石英晶振的符号和等效电路。,由以上参数可以看到：,石英晶体谐振器,串联谐振频率,并联谐振频率,石英晶体谐振器,（因为CqCo）,由于CqC0很小, 所以q与o间隔很小, 因而在qo感性区间, 石英晶振具有陡峭的电抗频率特性, 曲线斜率大, 利于稳频。,石英晶体谐振器,容 感 容,25 一个5kHz的基频石英晶体谐振器， Cq=2.4102pF C0=6

15、pF，rq=15。求此谐振器的Q值和串、并联谐振频率。,石英晶体谐振器,25 一个5kHz的基频石英晶体谐振器， Cq=2.4102pF C0=6pF，rq=15。求此谐振器的Q值和串、并联谐振频率。,解：串、并联谐振频率近似相等，为5kHz,石英晶体谐振器,25 一个5kHz的基频石英晶体谐振器， Cq=2.4102pF C0=6pF，rq=15。求此谐振器的Q值和串、并联谐振频率。,石英晶体谐振器,石 英晶 体 滤 波 器,下图是石英晶体滤波器的应用电路。,将Z1、Z2、Z3、Z4看成电桥形式， 当Z1、Z2阻抗异性时电桥不可能平衡，输出端可得到足够大的电压输出，此为通带（qo 之间）；,Z1、Z2阻抗同性且相等时电桥完全平衡，此时衰减最大。,石 英晶 体 滤 波 器,下图是石英晶体滤波器的应用电路。,