高頻電子線路：第二章 高頻電路基礎(chǔ)

1、第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.1高頻電路中的基本元器件 2.2高頻電路中的基本電路 2.3 電子噪聲及其特性2.4 噪聲系數(shù)和噪聲溫度22.2 高頻電路中的基本電路2.2.1 高頻振蕩回路高頻振蕩回路是高頻電路中應(yīng)用最廣的無源網(wǎng)絡(luò)，也是構(gòu)成高頻放大器、振蕩器以及各種濾波器的主要部件，在電路中完成阻抗變換、信號(hào)選擇等任務(wù)，并可直接作為負(fù)載使用。下面分簡(jiǎn)單振蕩回路、抽頭并聯(lián)振蕩回路和耦合振蕩回路三部分來討論。3 并聯(lián)諧振回路儲(chǔ)能元件（電感和電容）并聯(lián)電流驅(qū)動(dòng)，電壓輸出傳輸函數(shù)具有阻抗的量綱1.簡(jiǎn)單振蕩回路串聯(lián)諧振回路：電壓驅(qū)動(dòng)，電流輸出LC諧振回路是最簡(jiǎn)單也是最基本的LC濾波器電路。4自由振蕩現(xiàn)象：R、

2、L、C電路具有自由振蕩現(xiàn)象。1）R=0，等幅振蕩;2）R0，減幅振蕩（ R ，沒有振蕩。5為回路自然角頻率。1）R=0，等幅振蕩62）R0，減幅振蕩（ R ）73）R ，沒有振蕩。9（1）電路特點(diǎn) 回路電感元件的固有損耗電阻RS（包括電感線圈 導(dǎo)線的歐姆電阻、由趨膚效應(yīng)引起的高頻損耗電阻）10傳輸函數(shù)（傳輸阻抗）諧振：回路電壓與輸入激勵(lì)電流同相位回路呈純阻特性11 回路空載（固有）品質(zhì)因數(shù) Q （易測(cè)量） 意義：表征回路諧振過程中一個(gè)周期的電抗元件的儲(chǔ)能與電阻元件耗能狀況的比值。當(dāng) Q 1 時(shí)(忽略電感的損耗)： 回路諧振角頻率：忽略電容的損耗：為回路無阻尼振蕩角頻率。 特性阻抗 ：13P使網(wǎng)

3、絡(luò)阻抗（ZP（j）相等進(jìn)行等效14 阻抗電路的串并聯(lián)等效轉(zhuǎn)換 由電阻元件和電抗元件組成的阻抗電路的串聯(lián)形式與并聯(lián)形式可以互相轉(zhuǎn)換， 而保持其等效阻抗和值不變。 15 Zp=RpjXp= Zs=Rs+jXs 要使ps，必須滿足: Rs= XS= 16串聯(lián)電路的有效品質(zhì)因數(shù): 串聯(lián)形式的有效品質(zhì)因數(shù)等于并聯(lián)形式的品質(zhì)因數(shù)。17則：18 當(dāng)Q1時(shí)，則簡(jiǎn)化為： Rp Q2Rs Xp Xs結(jié)論：2）串聯(lián)電抗變?yōu)橥再|(zhì)的并聯(lián)電抗。1）小的串聯(lián)電阻變?yōu)榇蟮牟⒙?lián)電阻。當(dāng)品質(zhì)因數(shù)足夠高時(shí)19使網(wǎng)絡(luò)阻抗（ZP（j）相等進(jìn)行等效串聯(lián)與并聯(lián)回路Q值相同P20諧振21（2）并聯(lián)回路端阻抗的模和相角隨頻率變化的關(guān)系為：2

4、2并聯(lián)回路的阻抗特性 = 0 ，呈純電阻且阻值最大 0 ，呈容性 0 ，呈感性23串聯(lián)回路的阻抗特性 = 0 ，呈純電阻且阻值最小 0 ，呈感性24（3）諧振特性并聯(lián)回路諧振時(shí)，流過其電抗支路的電流IL、IC 比激勵(lì)電流Ig大Q倍，故并聯(lián)諧振又稱電流諧振。所以品質(zhì)因數(shù) Q 易測(cè)量。并聯(lián)諧振時(shí)（ Q值很高），輸出最大電壓：并聯(lián)回路在諧振時(shí)的電流、電壓相位關(guān)系如圖所示。25 串聯(lián)回路諧振時(shí)，電抗上電壓是激勵(lì)電壓的 Q 倍，故串聯(lián)諧振又稱電壓諧振。所以品質(zhì)因數(shù) Q 易測(cè)量。 串聯(lián)回路諧振時(shí)，回路呈純電阻，且阻值最小，回路電流最大。串聯(lián)回路在諧振時(shí)的電流、電壓相位關(guān)系如圖所示。26（4） 頻率特性、通

5、頻帶和諧波抑制度 頻率特性： 以 = 時(shí)的輸出電壓 對(duì) 歸一化，可得并聯(lián)諧振回路的相對(duì)幅頻特性與相頻特性，其值分別如下：27并聯(lián)諧振回路的相對(duì)幅頻特性和相對(duì)相頻特性Q值增大選擇性更好Q值增大斜率的絕對(duì)值增大單位諧振曲線可表示選擇性好壞。28串聯(lián)諧振回路的相對(duì)幅頻特性和相對(duì)相頻特性Q值增大選擇性更好Q值增大斜率的絕對(duì)值增大29 廣義失諧通頻帶（BW）：當(dāng)保持外加信號(hào)的幅值不變而改變其頻率時(shí), 將并聯(lián)回路端電壓值(串聯(lián)回路電流值）下降為諧振值的 時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱為回路的通頻帶。 在實(shí)際應(yīng)用中, 外加信號(hào)的頻率與回路諧振頻率0之差=-0表示頻率偏離諧振的程度, 稱為失諧。當(dāng)與0很接近時(shí),令：則：3

6、0=1,則：則：令：31 諧波抑制度 例：若Q=100，二次諧波抑制度32 為了衡量實(shí)際幅頻特性曲線接近理想幅頻特性曲線的程度，提出了“矩形系數(shù)”這個(gè)性能指標(biāo)。 矩形系數(shù)0.1：為單位諧振曲線（）值下降到.時(shí)的頻帶范圍0.1與通頻帶0.7之比， 即: 矩形系數(shù)K33 0.1是一個(gè)大于或等于的數(shù)， 其數(shù)值越小， 則對(duì)應(yīng)的幅頻特性越理想。34解： 取 用類似于求通頻帶0.7的方法可求得: 一個(gè)單諧振回路的矩形系數(shù)是一個(gè)定值,與其回路值和諧振頻率無關(guān)，且這個(gè)數(shù)值較大，接近， 說明單諧振回路的幅頻特性不大理想。 例： 求并聯(lián)諧振回路的矩形系數(shù)0.1 。 35（5） 信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載電阻對(duì)并聯(lián)諧振回路的

7、影響影響諧振回路諧振頻率。減小 通頻帶加寬 選擇性變壞。有載品質(zhì)因數(shù)影響：36 在有信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載電阻情況下，為了對(duì)并聯(lián)諧振回路的影響小，需要應(yīng)用阻抗變換電路。并聯(lián)諧振回路希望用恒流源激勵(lì)。結(jié)論：串聯(lián)諧振回路希望用恒壓源激勵(lì)。37(1) 全耦合變壓器等效從功率等效角度證明：理想變壓器無損耗：接入系數(shù):2. 抽頭并聯(lián)振蕩回路38部分接入法：負(fù)載電阻 RL是通過雙電容分壓接入并聯(lián)諧 振回路的,稱為部分接入法。 令接入系數(shù)：可得：(2) 雙電容耦合電路 由低抽頭向高抽頭轉(zhuǎn)換，阻抗提高。39接入系數(shù)功率守恒接入系數(shù)：與外電路相連的那部分電抗與本回路參與分壓的同性質(zhì)總電抗之比。即電壓之比。諧振時(shí)流過負(fù)

8、載電阻的電流遠(yuǎn)小于電抗的電流40(3) 雙電感抽頭耦合電路（忽略了互感M） 負(fù)載電阻RL是通過雙電感抽頭接入并聯(lián)諧振回路的,為部分接入法。 令接入系數(shù)：得：，(P1:過耦合 =1:臨界耦合 1kHz時(shí)可忽略 f Wi ( f ) 3dB/ 十倍頻 （1/f 噪聲占優(yōu)） 6dB/ 十倍頻 （分配噪聲占優(yōu)） 白噪聲 （電阻熱噪聲和散粒噪聲占優(yōu)） 2. 晶體管的噪聲90場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲溝道熱噪聲：導(dǎo)電溝道電阻柵極散粒噪聲：柵極電荷不規(guī)則起伏 （很?。〇艠O感應(yīng)噪聲：溝道中的起伏噪聲通過溝道與柵極之間的電容，在柵極上感應(yīng)產(chǎn)生的噪聲。與柵源電容成正比。1/f 噪聲：主要影響低頻段（f1kHz）（強(qiáng)于雙極型三

9、極管）FET不存在分配噪聲，散粒噪聲又很小，通常情況下，噪聲小于BJT912.4噪聲系數(shù)和噪聲溫度 但信噪比不能反映網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響也不能表示網(wǎng)絡(luò)本身噪聲性能的好壞引入噪聲系數(shù)來描述或評(píng)價(jià)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的噪聲性能。 一個(gè)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)質(zhì)量可以用輸出信噪比來衡量信噪比:信號(hào)噪聲功率之比，是衡量信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的指標(biāo)92定義：在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源激勵(lì)下，網(wǎng)絡(luò)輸入信噪比與其輸出信噪比的比值。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源信號(hào)電壓為vs內(nèi)阻為Rs并僅含有由Rs產(chǎn)生的白噪聲（或稱為噪聲指數(shù)）理想網(wǎng)絡(luò)（NF1）2.4.1 噪聲系數(shù)93對(duì)噪聲系數(shù)的三種描述a. 信噪比惡化程度b. 網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲功率和輸入噪聲功率在輸出端的比值功率增益：網(wǎng)

10、絡(luò)輸出與輸入信號(hào)功率比值94c. 任何實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)，都是在理想網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的基礎(chǔ)上加上一個(gè)增量:網(wǎng)絡(luò)附加噪聲的輸出功率95匹配：2.4.2 噪聲系數(shù)的計(jì)算1.額定功率法96輸入信噪比與輸入匹配無關(guān)97 輸出信噪比與輸出匹配無關(guān)98 額定功率是指信號(hào)源（包括噪聲源）能夠輸出的最大功率（匹配）。 額定功率增益是指四端網(wǎng)絡(luò)輸入端和輸出端分別匹配時(shí)的功率增益99四端網(wǎng)絡(luò)輸入端和輸出端分別匹配時(shí)的噪聲系數(shù)為網(wǎng)絡(luò)額定輸出噪聲功率,等效到網(wǎng)絡(luò)的輸入端為(此時(shí)網(wǎng)絡(luò)為理想無噪聲網(wǎng)絡(luò))100對(duì)噪聲系數(shù)的討論（1）噪聲系數(shù)定義中的噪聲功率是按每單位頻帶內(nèi)的噪聲功率定義的，也就是按輸出、輸入功率譜密度定義的。此

11、時(shí)噪聲系數(shù)只是隨指定的工作頻率不同而不同，即表示為點(diǎn)頻的噪聲系數(shù)。 在實(shí)際應(yīng)用中，若引入等效噪聲帶寬，即此定義中的噪聲功率為系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)際功率，這時(shí)的噪聲系數(shù)具有平均意義。101（2）噪聲系數(shù)與輸入噪聲功率Ni有關(guān)，如果不給Ni以明確的規(guī)定，則噪聲系數(shù)就沒有意義。為此，在噪聲系數(shù)的定義中，規(guī)定Ni為信號(hào)源內(nèi)阻RS的最大輸出功率。表示為電壓源的噪聲電壓均方值為 4kTBRS，輸出的最大功率為kTB，與RS大小無關(guān)，并規(guī)定RS的溫度為 290 K，此溫度稱為標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度。需要說明的是，Ni并不一定是實(shí)際輸入線性系統(tǒng)的噪聲功率，只是在輸入端匹配時(shí)才相等。102(3) 輸出端的阻抗匹配與否并不影響噪聲系

12、數(shù)的大小，即噪聲系數(shù)與輸出端所接負(fù)載的大小(包括開路或短路)無關(guān)。因此，噪聲系數(shù)也可表示成輸出端開路時(shí)的兩均方電壓之比或輸出端短路時(shí)的兩均方電流之比，即式中，和分別是網(wǎng)絡(luò)輸出端開路和短路時(shí)總的輸出均方噪聲電壓和電流; 和分別是網(wǎng)絡(luò)輸出端開路和短路時(shí)理想網(wǎng)絡(luò)的輸出均方噪聲電壓和電流。這兩種計(jì)算噪聲系數(shù)的方法分別稱為開路電壓法和短路電流法。103(4)噪聲系數(shù)的大小與四端網(wǎng)絡(luò)輸入端的匹配情況有關(guān)。輸入端的阻抗匹配情況決定于信號(hào)源內(nèi)阻與四端網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗之間的關(guān)系。在不同的匹配情況下，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部產(chǎn)生的附加噪聲及功率放大倍數(shù)是不同的，這當(dāng)然要影響噪聲系數(shù)。至于如何影響將取決于電路中噪聲源的具體情況，比如，

13、設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí)，就應(yīng)考慮最佳的阻抗關(guān)系(噪聲匹配)。104(5) 噪聲系數(shù)的定義只適用于線性或準(zhǔn)線性電路。對(duì)于非線性電路，由于信號(hào)與噪聲、噪聲與噪聲之間的相互作用，將會(huì)使輸出端的信噪比更加惡化，因此，噪聲系數(shù)的概念就不能適用。所以，我們通常講的接收機(jī)的噪聲系數(shù)，實(shí)際上指的是檢波器之前的線性電路，包括高頻放大、變頻和中放。變頻雖然是非線性變換，但它對(duì)信號(hào)而言，只產(chǎn)生頻率的搬移，可以認(rèn)為是準(zhǔn)線性電路。105 無源網(wǎng)絡(luò)輸出端匹配時(shí)L：網(wǎng)絡(luò)的衰減 無源網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)等于網(wǎng)絡(luò)的衰減。產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)噪聲的有損元件，是導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)衰減的因素。無源網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的計(jì)算1061072.級(jí)聯(lián)四端網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)10

14、8109級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)，主要由網(wǎng)絡(luò)前級(jí)的噪聲系數(shù)確定。前級(jí)的噪聲系數(shù)越小，功率增益越高，則級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)就越小。N級(jí)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)1103.噪聲系數(shù)與接收機(jī)的靈敏度 接收機(jī)的靈敏度：是指當(dāng)接收端處于匹配時(shí)，為了保證一定的輸出信噪比，接收端所要求的最小有用信號(hào)功率。111最小可檢測(cè)信號(hào)電壓：是與靈敏度功率相對(duì)應(yīng)的、輸入端處于匹配時(shí)有用信號(hào)的電壓。為信號(hào)源內(nèi)阻112例： 一個(gè)輸入電阻為50的接收機(jī)，噪聲系數(shù)為 6dB，通頻帶為1MHz。當(dāng)要求輸出信噪比為1，接收機(jī)的最小有用信號(hào)功率和電壓各為多少？1132.4.4 噪聲溫度實(shí)際網(wǎng)絡(luò)用一無噪聲網(wǎng)絡(luò)和一噪聲源等效。設(shè)等效噪聲電壓是由信號(hào)源內(nèi)

15、阻Rs在一假想溫度Te下產(chǎn)生的噪聲電壓 網(wǎng)絡(luò)的噪聲性能也可以用噪聲溫度來表示。注意:網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度不是該網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際物理溫度，而是用以表征該網(wǎng)絡(luò)噪聲性能的一種假想溫度。114噪聲溫度與噪聲系數(shù)網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度與網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)之間具有固定的轉(zhuǎn)換關(guān)系 T0為系統(tǒng)的工作溫度115級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲較大時(shí)，用噪聲系數(shù)表示比較方便；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲較小時(shí)，用噪聲溫度表示有較大的優(yōu)越性前級(jí)的噪聲溫度越小，功率增益越高，則級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度就越小。116天線噪聲接收天線位于接收機(jī)的最前端，并作為接收機(jī)的信號(hào)源，其噪聲大小對(duì)通信質(zhì)量有極大的影響接收機(jī)天線的噪聲除了其損耗元件所產(chǎn)生的熱噪聲外，還包含來自天空、大氣的各種外部噪聲，而且一般來說，后者遠(yuǎn)大于前者。天線噪聲特性一般用天線噪聲溫度描述117對(duì)天線噪聲的抑制對(duì)噪聲的抑制措施低溫提高天線增益和方向性調(diào)整天線方位，避免強(qiáng)噪聲源 118減小噪聲系數(shù)的措施選用低噪聲器件和元件選用rbb小，f高，噪聲系數(shù)小的晶體管選用場(chǎng)效應(yīng)管（GaAs FET）謹(jǐn)慎選用電阻元件，選用金屬膜電阻選擇合適的信號(hào)源內(nèi)阻信源