[工学]第二章 高频电路基础1

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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。,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,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滤波器电路。,1.简单振荡回路

2、,1) 电路特点,负载电阻 RL,固有损耗也可等效表示为并联谐振电阻RP,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）,传输函数（传输阻抗）,谐振：输出电压与输入电流同相，回路呈纯阻特性,其中,回路空载（固有）品质因数 Q 表征回路谐振过程中电抗元件的储能与电阻元件耗能状况的比值。,当 Q 1 时：,回路谐振角频率：,为回路无阻尼振荡角频率。,谐振回路的特性阻抗：,LC并联谐振回路的全并联等效（在 的情况下）,Q值很高,2) 并联回路的阻抗特性和辐角特性,并联回路的阻抗特性, = 0 ，呈纯阻且阻抗最大 0 ，呈容性 0 ，呈感性,串联回路的阻抗特

3、性, = 0 ，呈纯电阻且阻值最小 0 ，呈感性,3）谐振特性,并联谐振时，输出电压最大：,并联谐振时，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。,并联回路在谐振时的电流、电压相位关系如图所示。,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振。,串联回路在谐振时的电流、电压相位关系如图所示。,4） 相对频率特性、通频带和谐波抑制度,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对相频特性，其值分别如下：,并联谐振回路的相对幅频特性

4、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,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,通频带（半功率点通频带）：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(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。,当与0很接近时有：,则有：,称为广义失谐。,则相对幅频特性可以表示为：,进而有：,令：,则有：,谐波抑制度 ,例：若Q=100，二次谐波抑制度,5） 矩形系数,19,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

5、.时的频带范围0.1与通频带0.7之比， 即:,20,0.1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。,21,解： 取,用类似于求通频带0.7的方法可求得:,一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 。 ,22,（6） 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：,23,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

6、谐振回路希望用恒压源激励。,(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：,2. 抽头并联振荡回路,负载电阻 RL是通过双电容分压接入并联谐振回路的,称为部分接入法。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。,(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,称为部分接入法。接入系数：,，(p1时，则简化为： Rp Q2RsXp 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,34,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

7、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,35,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。,36,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。,End,37,38,39,40,41,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： 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

8、R ；通频带 。不接 ， 如何变？,42,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,43,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。为了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。,

9、44,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。,45,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。,46,由基尔霍夫定律得出回路电压方程为,解得,47,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。,48,次级等效电路的两种形式,49,在次级回路中反射阻抗Zf2：,次级等效电路的两种形式,50,矩形选频特性与单回

10、路谐振曲线,51,次级回路电压的频率特性：在电路参数不变的情况下，改变信号源频率时次级回路的电压随频率的变化关系。,假定初、次级回路参量相同，即：,经过推导可得：,52,一般采用稍大于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,次级回路电压归一化的频率响应曲线,53,54,（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 （SAW）,弹性形变（压电材料）,2.2.4 集中

11、滤波器,55,56,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：,57,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：,58,3）三端陶瓷滤波器,实物图：,59,干扰（或

12、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,60,1. 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 电阻热噪声电流/电压可被视为是一个平稳随机过程,2.3.2

13、电子噪声的来源与特性,61,（1）热噪声电压和均方电压（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,62,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，其数值可以由下式确定：,噪声电压均方值与噪声功率的关系：噪声电压均方值表示了1欧姆电阻上的噪声功率。,其中 为自由电子每秒钟的碰撞次数。由于通信系统的实际工作频率 ，故上式可简化为：,称为均方电压（功率）谱密度，它表示单位频带内的噪声

14、电压均方值（1欧姆电阻上的功率）。,63,白噪声：有效频带内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。,噪声电压均方值的两种计算公式：,时域：频域：,噪声电压均方根值（有效值）：,64,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）,65,均方电流（功率）谱密度,66,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） 。,67,多个电阻的热噪声,如果两个电阻的工作温度不同：,（2）线性电路中的热噪声,热噪声通过线性网络,例：LC并联谐振回路,若并联回路端阻抗等效为Re+jXe,结论：1）对于二端线性电路，其噪声电压或噪声电流谱密度可以用等效电阻Re(或Ge)来代替。2）电阻热噪声通过线性电路后，一般不再是白噪声。,