《高频电路class2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频电路class2（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章 高频电路基础,2.1 高频电路中的元器件 2.2 高频电路中的组件 2.3 阻抗变换与阻抗匹配 2.4 电子噪声 2.5 非线性失真,计划授课学时：8个学时,2.1.1 高频电路中的无源元件 1电阻器 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。,2.1 高频电路中的元器件,分布电容如何来的? 一是电阻两端可以 看成两个电极,从而电阻两端看等效有一个 平行板电容;二是有的电阻为线绕的,线圈 之间有电容;三是有的电阻有刻槽,这也会 造成分布电容,引线电感:一部分真的是引线电感;另外
2、,对线绕电阻还有缠绕线圈引起的电感.,任何引线都存在电感,它是客观存在的, 其产生的机理就是?,Skin Effect,Skin Effect: 集肤效应或趋肤效应,交变的电流I,会产生交变的磁场H,而交变的磁场反过来会产生交变的电流Iw,电流I和Iw相互作用,会使得靠近导体内部的电流减少,而集中于导体的表面.,电流密 度方程,解的形式:,skin depth,铜线:,交变电流- 交变电场-交变电流 这个过程反映到电路参数上, 等效为导体的自感. =引线电感的来源.,分布电容和引线电感越小，表明电阻的高频特性越好。电阻器的高频特性与制作电阻的材料、电阻的封装形式和尺寸大小有密切关系。一般说来，
3、金属膜电阻比碳膜电阻的高频特性要好，而碳膜电阻比线绕电阻的高频特性要好; 表面贴装(SMD)电阻比引线电阻的高频特性要好; 小尺寸的电阻比大尺寸的电阻的高频特性要好。,导线电感,2. 电容器 由介质隔开的两导体即构成电容。作为电路元件的电容器一般只考虑其电容量值(标称值)，在理论上也只按电容量来处理。但实际上一个电容器的等效电路却如图2-2(a)所示。其中，电阻RC为极间绝缘电阻，它是由于两导体间的介质的非理想(非完全绝缘)所致，通常用损耗角或品质因数QC来表示; 电感LC为分布电感或(和)极间电感，小容量电容器的引线电感也是其重要组成部分。,图2-2 电容器的高频等效电路 (a) 电容器的等
4、效电路; (b) 电容器的阻抗特性,理想电容器的阻抗为1/(jC)，如图2-2(b)虚线所示，其中，f 为工作频率，=2f。但实际的电容器在高频运用时的阻抗频率特性如图2-2(b)实线所示，呈V形特性，而且其具体形状与电容器的种类和电容量的不同有关。由此可知，每个电容器都有一个自身谐振频率SRF(Self Resonant Frequency)。当工作频率小于自身谐振频率时，电容器呈正常的电容特性，但当工作频率大于自身谐振频率时，电容器将等效为一个电感。,3. 电感器 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。高频电感器一般由导线绕制(空心或
5、有磁芯、单层或多层)而成(也称电感线圈)，由于导线都有一定的直流电阻，所以高频电感器具有直流电阻R。把两个或多个电感线圈靠近放置就可组成一个高频变压器。,2.1.2 高频电路中的有源器件 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。因此主要用点接触式二极管和表面势垒二极管(又称肖特基二极管)。两者都利用多数载流子导电机理，它们的极间电容小、工作频率高。常用的点接触式二极管(如2AP系列)，工作频率可到100200 MHz，而表面势垒二极管，工作频率可高至微波范围。,很多情况下我们主要是利用二极管的非线性（单向导电性）特性进行频谱搬移工作(想
6、一下线性失真和非线性失真)，而频率过高时由于极间电容的影响会破坏单向导电性，这有时候不是所期望发生的,另一种在高频中应用很广的二极管是变容二极管， 其特点是电容随偏置电压变化。我们知道，半导体二极管具有PN结，而PN结具有电容效应，它包括扩散电容和势垒电容。当PN结正偏时，扩散效应起主要作用； 而当PN结反偏时，势垒电容将起主要作用。利用PN结反偏时势垒电容随外加反偏电压变化的机理，在制作时用专门工艺和技术经特殊处理而制成的具有较大电容变化范围的二极管就是变容二极管。变容二极管的结电容Cj与外加反偏电压u之间呈非线性关系(见第7章)。变容二极管在工作时处于反偏截止状态，基本上不消耗能量，噪声小
7、，效率高。将它用于振荡回路中，可以作成电调谐器，也可以构成自动调谐电路等。变容管若用于振荡器中，可以通过改变电压来改变振荡信号的频率。这种振荡器称为压控振荡器(VCO)。压控振荡器是锁相环路的一个重要部件。电调谐器和压控振荡器也广泛用于电视接收机的高频头中。具有变容效应的某些微波二极管(微波变容管)还可以进行非线性电容混频、倍频。,还有一种以P型、N型和本征(I)型三种半导体构成的PIN二极管，它具有较强的正向电荷储存能力。它的高频等效电阻受正向直流电流的控制，是一电可调电阻。它在高频及微波电路中可以用作电可控开关、限幅器、电调衰减器或电调移相器。,2. 晶体管与场效应管(FET) 在高频中应
8、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。目前双极型小信号放大管，工作频率可达几千兆赫兹，噪声系数为几分贝。小信号的场效应管也能工作在同样高的频率，且噪声更低。一种称为砷化镓的场效应管，其工作频率可达十几千兆赫兹以上。在高频大功率晶体管方面，在几百兆赫兹以下频率，双极型晶体管的输出功率可达十几瓦至上百瓦。而金属氧化物场效应管(MOSFET)，甚至在几千兆赫兹的频率上还能输出
9、几瓦功率。 有关晶体管和场效应管的高频等效电路、性能参数及分析方法将在第3章中进行较为详细的描述。,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。目前通用型的宽带集成放大器，工作频率可达一二百兆赫兹，增益可达五六十分贝， 甚至更高。用于高频的晶体管模拟相乘器，工作频率也可达一百兆赫兹以上。随着集成技术的发展，也生产出了一些高频的专用集成电路(ASIC)。其中包括集成锁相环、集成调频信号解调器、单片集成接收机以及电视机中的专用集成电路等。,2.2 高频电路中的组件,谐振电路,高频变压器,滤波器,其他组件，如混频器,2.2.1 高频振荡（谐
10、振）回路 为什么要用谐振电路（其实就是带通滤波器）做高频电路负载？,振荡（谐振）回路就是由电感和电容串联或并联形成的回路。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。,高频放大电路等的通频带或产生的信号的频谱带宽都很宽, 而对我们有用 的信号仅仅占用一个相对比较窄的频段,这就需要将有用频段外的信号给 抑制掉,因为其他频率信号成分对有用信号部分来说就是干扰或噪音.,简单谐振回路 抽头谐振回路 耦合谐振回路,1. 简单振荡回路 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。,1)
11、串联谐振回路 图2-4(a)是最简单的串联振荡回路。,当信号角频率为时，其串联阻抗为,图2-4,由图可知，当r; 当0时，回路呈感性，|ZS|r; 当=0时，感抗与容抗相等， |ZS|最小，并为一纯电阻r，我们称此时发生了串联谐振，且串联谐振角频率0为 (2-2) 串联谐振频率是串联振荡回路的一个重要参数。,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 (2-3),在任意频率下的回路电流 与谐振电流之比为,归一化频率特性,其模为 (2-5) 其中， (2-6),Q的物理意义是什么?,回路的品质因数,图 2-5 串联谐振回路的谐振曲线,
12、回路的品质因数越高，谐振曲线（归一化幅频特性曲线）越尖锐，回路的选择性越好。,回路品质因数的大小可以说明回路选择性的好坏(就是更容易选出我们想要的频率信号成分,更能与其他频率成分的信号区分开来)。,另外一个反映回路选择性好坏的参数为矩形系数,串联谐振时电感及电容上的电压为最大，其值为电阻上电压值的Q倍，也就是恒压源的电压值的Q倍（选择器件时要注意）。,谐 振 时,发生谐振的物理意义是:发生谐振时, 电容中储存的电能和电感中储存的磁能周期性地转换，并且储存的最大能量相等,而外加电源的作用仅仅是维持谐振电路等效电阻的损耗。,从另外一个方面可以看出,我们可以通过电压值比较小的信号源激励出一个比较大的
13、电压信号(如果输出信号从电感两端或电容两端取电压的话,而不是通过串接电阻取电压的话),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， (2-7),高阶无穷小,令 (2-8) 为广义失谐，则式(2-5)可写成 (2-9) 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带，也称回路带宽，通常用B来表示。令式(2-9)等于 0.707，则可推得=1，从而可得带宽B0.707或B0.7为 (2-10),应当指出，以上所用到的品质因数都是指回路没有外加负载时的值，称为空载 Q 值或 Q0 。当回路
14、有外加负载时，品质因数要用有载 Q 值或 QL 来表示，其中的电阻 r 应为考虑负载后的总的损耗电阻。 在谐振时回路中的电流、电压关系如图2-6所示，图中 与 同相， 和 分别为电感和电容上的电压。由图可知， 和 反相,且相当,两个矢量刚好可以相互抵消。,图2-6 串联回路在谐振时的电流、电压关系,电感电压为电流的微分,所以超前90度,电容电压为电流的积分,所以滞后90度,选择性是衡量一个谐振电路对其他频率的抑制能力，常用矩形系数来衡量选择性的好坏 定义：0.1带宽和0.707带宽的比值叫矩形系数Kr0.1,我们一般希望矩形系数越小 越好,这样过度带衰减速度 会很快, 能明显区分开通带 和止带
15、.,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),请问为什么呢?（书P.16）,所以, 当频率不是非常高时，并联谐振回路应用最广。并联谐振回路是与串联谐振回路对偶的电路，其等效电路、阻抗特性和辐角特性分别如图2-7(b)、(c)和(d)所示。,很多应用场合，如天线馈电，信号源呈现的较大阻抗，呈现的是电流源性质,图2-7 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,并联谐振回路的并联阻抗为 (2-11) 我们也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
16、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Q1时， 。回路在谐振时的阻抗最大，且为一个纯电阻,为一电阻R0 (2-12) 我们还关心并联回路在谐振频率附近的阻抗特性，同样考虑高Q条件下，可将式(2-11)表示为 (2-13),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 (2-14) 式中，=0。 对应的阻抗模值与幅角分别为 (2-15) (2-16),其实我们只关心谐振频率附近的特性,而谐振电路稍微偏离 谐振频率其阻抗的“幅”（模）频特性会迅速衰减。,在图2-7(b)的等效电路中，流过L的电流 是感性电流，它落后于回路两端电压90。 是容性电流，超前于回路两端电压90。 则与回路电压同相。谐振时 与 相位相反，大小相等。此时流过回路的电流 正好就是流过 R0 的电流 。由式(2-12)还可看出，由于回路并联谐振电阻 R0 为0L(或1/0C)
