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1、,第2章 高频电路基础,2.1 高频电路中的元件、 器件和组件 2.2 选频网络2.3 阻抗变换,本章要点,电子元器件的高频特性串、并联谐振回路特性参数谐振特性、选频特性窄带阻抗变换抽头变换方法、串并联互换、匹配网络,本章作业,3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、3.18,2.1 高频电路中的元件、 器件和组件,2.1.1高频电路中的元器件无源器件：电阻、电容、电感有源器件：二极管、晶体三极管、场效应管、集成电路2.1.2 高频电路中的组件选频回路阻抗变换网络,2.1.1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
2、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 1） 电阻 一个实际的电阻器, 在低频时主要表现为电阻特性,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的高频等效电路如下图所示, 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,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（a）所示。 理想电容器的阻抗1/(jC), 如
3、图（b）虚线所示, 其中, f为工作频率, =2f。,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,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。 高频电感器也具有自身谐振频率SRF。 在SRF上, 高频电感的阻抗的幅值最大, 而相角为零, 如下图所示。,高频电感器的自身谐振频率SRF,2 高频电路中的有源器件 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。 点接触式，表面势垒，变容，PIN
4、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。,2.1.2 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。
5、,2.2 选频网络,2.2.1串联谐振回路谐振特性、选频特性2.2.2并联谐振回路谐振特性、选频特性2.2.3实际元件构成的LC选频回路串并联互换公式谐振频率、谐振阻抗、回路Q值2.2.4耦合谐振回路2.2.5石英晶体滤波器2.2.6集中选频滤波器,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。 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或单振荡回路。 高频振荡回路主要有：串联谐振回路、并联谐振回路、耦合谐振回路。,2.2.1 串联
6、谐振回路,谐振特性谐振定义、谐振频率、谐振阻抗、输出电流、支路电流、特性阻抗、品质因数Q、选频特性频率响应、幅频特性、带宽、阻抗特性、电抗特性、阻抗的相频特性,1、谐振及谐振条件,当外加电压振荡频率等于串联回路自然谐振频率时，电路发生谐振。此时，回路电流最大，回路阻抗呈纯阻性。,谐振频率,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,称为谐振电路的特性阻抗,2、谐振特性,串联谐振回路电抗特性,串联谐振又称为电压谐振，Q称为品质因数,3、能量关系,回路谐振时，电感线圈中的磁能与电容器中的电能周期性的转换。电抗元件不消耗外加电动势
7、。外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持等幅振荡，所以谐振时回路中电流最大。品质因数,4、谐振曲线和通频带,在任意频率下的回路电流 与谐振电流之比为,其模为：,其中,归一化谐振电流,归一化谐振电流振幅,串联谐振回路的谐振曲线,Q为回路的品质因数, 它是振荡回路的另一个重要参数。 根据上式画出相应的曲线如下图所示,该曲线称为谐振曲线。,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,为广义失谐, 则归一化谐振电流振幅表达式可写成,当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时, 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
8、带, 也称回路带宽, 通常用B来表示。 令归一化电流振幅表达式等于 , 则可推得=1, 从而可得带宽。,这种带宽计算方式仅适用于窄带情况，即 的情况。,串联谐振回路的通频带,5.相频特性曲线,Q值越大，电流相频特性曲线在谐振频率附近的变化越陡峭。,6、信号源内阻及负载对串联谐振回路的影响,定义有载品质因数,与此相对应的,定义为空载品质因数,显然， ,这使得串联回路通频带变宽，选择性变差。串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻（如恒压源）的情况或低负载阻抗的电路（如微波电路）。,2.2.2 并联谐振回路,谐振特性谐振定义、谐振频率、谐振阻抗、输出电流、支路电流、特性阻抗、品质因数Q、选频特性频率响应
9、、幅频特性、带宽、阻抗特性、电抗特性、阻抗的相频特性并联谐振回路的等效电路信号源内阻与负载对回路的影响,1、谐振特性,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）谐振特性曲线 （d）电抗特性,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为回路的品质因数, 有,当 时, 。 回路在谐振时的阻抗最大, 为一电阻R0,并联谐振回路的并联阻抗为,并联回路通常用于窄带系统, 此时与0相差不大, 式（2 13）可进一步简化为,式中, =-0。 对应的阻抗模值与幅角分别为,上图表示了并联振荡回路中谐振
10、时的电流、 电压关系。,2、选频特性,在任意频率下的回路电压 与谐振电压之比为,由此可得如右图所示的并联谐振回路选频特性曲线,与串联谐振回路类似，我们可以得到并联谐振回路的带宽为,如右下图所示,并联谐振回路的相频特性曲线如下图所示：,3、并联谐振回路的等效回路,实际电路,等效电路,串并联等效互换,其中,4、信号源内阻与负载对回路的影响,有载Q值,其中,信号源内阻和负载电阻的引入，使得回路等效品质因数下降，通频带增宽，选择性变差信号源内阻和负载电阻越小，有载品质因数下降越多，影响越严重,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)
11、 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? 解 (1) 计算L值。,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,(2) 回路谐振电阻和带宽。,回路带宽为,(3) 求满足0.5 MHz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,此时要求的带宽B=0.5 MHz, 故
12、,回路总电阻为,需要在回路上并联7.97 k的电阻。,2.2.4 耦合振荡回路,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。 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。 图 2.2.4-（a）是互感耦合电路, 图2.2.4-（b）是电容耦合回路。耦合振荡回路不做要求，请有兴趣的同学自学！,图 2.2.4 两种常见的耦合回路及其等效电路,耦合谐振回路谐振特性1 部分谐振调整初级回路参数，保持互感M和次级回路参数不变，使初级回路满足串联谐振的条件；同理也存在次级回路部分谐振。2 复谐振在部分谐振的条件下，调整互感M使初级回路或次级回路满
13、足最大功率传输条件，即反射电阻等于回路自电阻。3 全谐振与最佳全谐振初次级回路同时调谐到信号源频率上，使初次级回路同时发生谐振，此时称为全谐振。在此条件下，如果调整互感M使得初次级回路满足匹配条件，称为最佳全谐振，此时的耦合状态称为临界耦合状态。4 最佳全谐振状态下的互感M，耦合系数K和通频带B。,2.3.5 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。它的主要特征有压电效应，固有谐振频率，温度系数，拐点温度，基音谐振器与泛音谐振器。 2) 等效电路及阻抗特性 图2.3.5-1中是石英晶体谐振器的等效电路。 由图2.3.5-1（a）可看出, 晶体谐振器是
14、一串并联的振荡回路, 其串联谐振频率fq和并联谐振频率f0分别为,图 2.2.5-1 晶体谐振器的等效电路 (a) 包括泛音在内的等效电路; (b) 谐振频率附近的等效电路,图 2.3.5-1(b)所示的等效电路的阻抗的一般表示式为,在忽略rq后, 上式可化简为,图2.2.5-2 晶体谐振器的电抗曲线,我们通过一组晶体谐振器的参数来了解一下晶体谐振器的几个重要特点：某晶体的参数如下：Lq=4.00H Cq=0.0063pF Rq=100200 C0=23pF1 品质因数非常大。Lq很大， Cq=0.0063pF2 f0与fq相差不大。 C0Cq3 等效电路接入系数P很小，与外电路的耦合很弱。 C0Cq，在应用中常常在晶体两端并联一个电容CL称其为负载电容。4 晶体在工作频率附近的阻抗变化率很大，并联谐振阻抗很大。5 石英晶体两个谐振频率之间的宽度决定了石英晶体滤波器的通带宽度。,图2.2.5-3 晶体滤波器的电路与衰减特性 （a） 滤波器电路; （b） 衰减特性,2.2.6 集中选频滤波器 1) 陶瓷滤波器,图 2.2.6-1 陶瓷滤波器电路,
