第2章-通信電子線路基礎(chǔ)解析.ppt

1、第2章 通信電子線路基礎(chǔ),2.1 高頻電路中的有源器件,2.2 無(wú)源諧振電路分析,2.3 干擾和噪聲,2.1 高頻電路中的有源器件,任務(wù)：完成信號(hào)的放大、非線性變換等主要功能。,2.1 有源器件：,BJT、FET、變?nèi)荻O管：高頻應(yīng)用,集成電路：通用集成寬帶放大電路， 專用高頻集成電路。,2.1.1 BJT的高頻小信號(hào)模型,一、混合等效電路,混合型等效電路,二、三極管的Y參數(shù)等效電路,三極管處在小信號(hào)線性放大狀態(tài)時(shí)，可以近似為線性器件。因此，我們避開三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將其看成一個(gè)線性二端口網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示，從而可以用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等效電路來(lái)等效三極管。,Y參數(shù)等效電路,三極管的二端口模型,已知線性二

2、端口網(wǎng)絡(luò)的y參數(shù)方程為：,將其移植到上圖（a）中，得到三極管共發(fā)射極接法的y參數(shù)電流方程：,并由這個(gè)電流方程畫出三極管的交流Y參數(shù)等效電路如圖：,是輸入端交流短路時(shí)的輸出導(dǎo)納，即受控電流源的內(nèi)導(dǎo)納。,是輸出交流短路時(shí)的輸入導(dǎo)納；,是輸入交流短路時(shí)的反向傳輸導(dǎo)納，這是造成三極管輸入回路與輸入回路耦合的主要因數(shù)，也稱為反饋導(dǎo)納；,其中：,是輸出端交流短路時(shí)的正向傳輸導(dǎo)納，這是體現(xiàn)三極管電流控制作用的參數(shù)，其作用相當(dāng)于H參數(shù)等效電路中的；,混合等效電路和Y參數(shù)等效電路所反映的是同一只三極管，所以兩種等效電路之間存在著確定的關(guān)系，根據(jù)Y參數(shù)的上述定義，從混合等效電路可以推導(dǎo)出：,，,三點(diǎn)結(jié)論：,1)Y

3、參數(shù)與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)，在這點(diǎn)上與H參數(shù)一樣； 2)Y參數(shù)與三極管的工作頻率有關(guān)。在下一章將要討論的小信號(hào)諧振放大器中，由于電路的通頻帶很窄，三極管的工作頻率被局限在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，Y參數(shù)在此可以近似看成常數(shù)；,3)如果工作頻率對(duì)三極管來(lái)講不是特別高，即滿足：,Y參數(shù)均為容性參數(shù)，為了今后分析電路方便，我們將Y參數(shù)記為：,2.1.2 二極管和場(chǎng)效應(yīng)管的高頻小信號(hào)模型,一、二極管的高頻小信號(hào)模型,二、FET的高頻小信號(hào)模型,2.2 無(wú)源諧振網(wǎng)絡(luò),任務(wù)：信號(hào)傳輸、頻率選擇和阻抗變換等。,一、LC串聯(lián)諧振回路：r是L和C的損耗之和,（1）串聯(lián)諧振頻率：,（2）品質(zhì)因數(shù)：回路諧振時(shí)無(wú)功功率 與損耗功率

4、之比,（3）特性阻抗： 諧振時(shí)容抗或感抗的值,（4）廣義失諧：能夠清楚的反映失諧的大小,通信電路中用到的諧振電路多為窄帶電路，即與0很接近，則有,a、并聯(lián)諧振頻率,b、品質(zhì)因數(shù),c、廣義失諧,二、并聯(lián)諧振回路,1、基本概念： LC理想，g0是L和C的損耗之和。,2、并聯(lián)諧振回路的幅頻特性和相頻特性,d、 通頻帶,e、 矩形系數(shù),曲線越窄，選頻特性越好，定義當(dāng)U下降到U0的 時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率范圍為通頻帶BW0.7,f、直接接入信號(hào)源和負(fù)載的LC并聯(lián)諧振回路,諧振阻抗：Re=Rs/Ro/RL,有載品質(zhì)因數(shù)：,通頻帶：,例：已知并聯(lián)振蕩回路的 fo=465KHz，C=200pF，BW=8kHz，求:

5、(1) 回路的電感L和有載QL； (2) 如將通頻帶加寬為10kHz，應(yīng)在回路兩端并 接一個(gè)多大的電阻？,解:（1）,諧振時(shí)的阻抗： Ro=QLoL 98.4K,（2）設(shè)要并接的電阻為RL，由題意知,3、部分接入的并聯(lián)振蕩回路,目的：實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；減小負(fù)載對(duì)諧振回路的影響,設(shè)接入系數(shù)為：n=U2/U1， 則：RL=n2RL,a、自耦變壓器部分接入電路,接入系數(shù)：,部分到全部增大,全部到部分減小,信號(hào)源的匹配: Rs=R0,緊耦合：,接入系數(shù):,b、電容抽頭部分接入電路,負(fù)載部分接入電路實(shí)現(xiàn)阻抗變換,接入系數(shù)：,接入系數(shù)：,例：圖示電路是一電容抽頭的并聯(lián)振蕩回路，信號(hào)角頻率=10106rad/s

6、。試計(jì)算諧振時(shí)回路電感L和有載QL值（設(shè)線圈Qo值為100）；并計(jì)算輸出電壓與回路電壓的相位差。,解：由題意知,三、耦合諧振回路雙調(diào)諧回路 1、單調(diào)諧回路中通頻帶和選擇性問(wèn)題,單調(diào)諧回路中Q值越高，諧振曲線越尖銳，通頻帶越窄，選擇有用信號(hào)的能力越強(qiáng)即選擇性越好。但在需要保證一定通頻帶的條件下，又要選擇性好，對(duì)于 單調(diào)諧回路來(lái)說(shuō)是難以勝任的。采用耦合振蕩回路就可以解決單調(diào)諧回路中通頻帶和選擇性的矛盾。,2、耦合諧振回路及特性分析,a、兩個(gè)概念,耦合因數(shù)表示耦合與Q共同對(duì)回路特性造成的影響。,b、頻率特性分析,設(shè)：初級(jí)回路總阻抗為Z1，次級(jí)回路總阻抗為Z2，兩回路之間的耦合阻抗為Zm，則兩回路方程

7、為：,整理上式，得右式 為了簡(jiǎn)化分析，只討論等振、等Q電路。 等振：指初、次級(jí)回路諧振頻率相等； 等Q：指初、次級(jí)回路Q相等。,得到歸一化幅頻特性：,不同值時(shí)的頻率特性曲線：, =1，稱為臨界耦合， 曲線為單峰。, 1，稱為欠耦合, 1，稱為過(guò)耦合， 曲線為雙峰。 =2.41時(shí),2.2.2 無(wú)源固體組件(固體濾波器) 一、石英晶體諧振器 1、電器特性,利用石英晶體的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)可以將其制成晶體諧振器。通常把基頻諧振稱為基音諧振，把高次諧波上的諧振稱為泛音諧振。 一般的用圖示的LC諧振回路來(lái)模擬石英晶體的電特性。,容性,感性,二、總結(jié),2.3 干擾和噪聲,通信電子線路處理的信號(hào)，多數(shù)是微

8、弱的小信號(hào)，因而很容易受到內(nèi)部和外界一些不需要的電壓、電流及電磁騷動(dòng)的影響，這些影響稱為干擾（或噪聲），當(dāng)干擾（或噪聲）的大小可以與有用信號(hào)相比較時(shí)，有用信號(hào)將被它們所“淹沒(méi)”。為此，研究干擾問(wèn)題是電子技術(shù)的一個(gè)重要課題。 一般來(lái)講，除了有用信號(hào)之外的任何電壓或電流都叫干擾（或噪聲），但習(xí)慣上把外部來(lái)的稱為干擾，內(nèi)部固有的稱為噪聲。,2.3.1 外部干擾,一、外部干擾的來(lái)源,外部干擾分為自然干擾和人為干擾。自然干擾是大氣中的各種擾動(dòng)。人為干擾是各種電器設(shè)備和電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾。,二、消除外部干擾的方法,1、電源干擾的抑制方法,供電電源因?yàn)V波不良所產(chǎn)生的100Hz紋波干擾是主要的電源干擾，電源內(nèi)

9、阻產(chǎn)生的寄生耦合干擾也是主要的電源干擾。對(duì)于高增益的小信號(hào)放大器，寄生耦合有時(shí)可能造成放大器自激振蕩。解決100Hz電源干擾和寄生耦合的方法是對(duì)每個(gè)電路的供電電源單獨(dú)進(jìn)行一次RC濾波，叫做RC去耦電路，如果電路的工作頻率較高，而供電電流又比較大，則可以用電感代替電阻，構(gòu)成LC去耦電路，電感L稱為扼流圈。因?yàn)榇笕萘康碾娊怆娙荻即嬖诖?lián)寄生電感，在高頻時(shí)寄生電感的感抗會(huì)很大，使電容失去濾波的作用，所以電路中都并聯(lián)一小容量的電容，就可消去寄生電感的影響。,工廠里的大型用電設(shè)備產(chǎn)生的電火花干擾能沿著電力線進(jìn)入電子設(shè)備。除此之外，電力線還起著天線的作用接收天空中的雜散電磁波，并將其傳送到電子設(shè)備中形成干

10、擾。這些干擾的特點(diǎn)是：突發(fā)性強(qiáng)，干擾往往以脈沖電壓形式出現(xiàn)；頻率高，通常為幾百kHz幾MHz；干擾會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在電力線的兩根導(dǎo)線上，其大小和相位相同，這種性質(zhì)的干擾稱為共模干擾。 消除電網(wǎng)共模干擾的方法是在交流市電的輸入端插入一個(gè)濾波器，下圖電路為某電視機(jī)的交流電源濾波器，在每根電源線與地之間均構(gòu)成一個(gè) 型濾波器，電容C的容量在幾千pF到0.01F之間選取，電感L繞制在高頻磁芯上，約10圈左右，導(dǎo)線直徑要根據(jù)設(shè)備的交流輸入功率來(lái)選擇。,2、電路接地不當(dāng)?shù)母蓴_及消除,電路中接地不當(dāng)會(huì)形成嚴(yán)重的干擾，消除這些干擾的方法是正確的接地，即在電路中要采用一點(diǎn)接地、數(shù)字電路的地線和模擬電路的地線要完全分開，

11、有條件時(shí)在多層印制板中要分別安排數(shù)字地層和模擬地層。,三、電磁兼容性和空間電磁耦合干擾,空間電磁耦合對(duì)電路的影響分為靜電耦合干擾和交變磁場(chǎng)耦合干擾，防止這兩種干擾的基本方法是：接地、濾波、隔離、電磁屏蔽。下圖是電路中常用的電磁屏蔽示意圖。圖（a）為靜電屏蔽，（b）為交變磁場(chǎng)屏蔽。 微弱信號(hào)的傳輸導(dǎo)線易受到干擾，通常采用屏蔽線作為引線，使用屏蔽線時(shí)，切忌將網(wǎng)狀金屬層當(dāng)成導(dǎo)線使用，即不能將金屬網(wǎng)兩端都接地，只能取一端接地。,2.3.2 內(nèi)部噪聲,內(nèi)部噪聲分為人為噪聲和固有噪聲兩類,固有噪聲是一種起伏型噪聲，它存在于所有的電子線路中，其主要來(lái)源是電阻熱噪聲和半導(dǎo)體器件的噪聲。,一、電阻熱噪聲,1、電

12、阻熱噪聲的基本概念,當(dāng)溫度大于300K時(shí)，作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的自由電子，穿越電阻的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，會(huì)在電阻兩端產(chǎn)生的隨機(jī)的起伏噪聲電壓，下圖是電阻起伏噪聲電壓波形的示意圖。,起伏噪聲電壓是時(shí)間上連續(xù)的隨機(jī)過(guò)程，根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)理論，起伏電壓的強(qiáng)度可以用其均方值表示。電阻R兩端起伏噪聲電壓的均方值和均方根值為,功率譜密度定義是：?jiǎn)挝活l帶內(nèi)噪聲電壓（或電流）的均方值：,噪聲電壓的功率譜密度SU=4kTR 噪聲電流的功率譜密度SI=4kTG,SU常用在串聯(lián)電路中計(jì)算噪聲，SI常用在并聯(lián)電路中計(jì)算噪聲,2、電路中電阻熱噪聲的計(jì)算,（1）單個(gè)電阻的熱噪聲強(qiáng)度,（2）多個(gè)電阻的熱噪聲強(qiáng)度,3、二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲和等效噪聲帶寬

13、,當(dāng)噪聲通過(guò)線性二端口網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)輸出端的噪聲將發(fā)生變化，設(shè)二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)為H(jf)，輸入端噪聲源用噪聲電壓功率譜密度Sui表示，則輸出噪聲電壓功率譜密度Suo為:,輸出噪聲電壓均方值為:,二、半導(dǎo)體器件的噪聲,1、散粒噪聲,2、分配噪聲,三、信噪比和噪聲系數(shù),1、信噪比,2、噪聲系數(shù),3、噪聲溫度,在某些低噪聲的系統(tǒng)中，如衛(wèi)星地面接收機(jī)，常用噪聲溫度Te來(lái)表示系統(tǒng)的噪聲性能，而不用NF。Te的定義是：設(shè)線性系統(tǒng)內(nèi)部附加噪聲在輸出端產(chǎn)生的噪聲功率為Na，將Na折算到系統(tǒng)輸入端Na/AP ,把Na/AP想象成由信號(hào)源內(nèi)阻Rs在溫度從T0升高Te而產(chǎn)生的。,3、閃爍噪聲,本章小結(jié) 本章討論了常用有源器件高頻小信號(hào)電路模型、無(wú)源諧振電路、常用無(wú)源固體器件和有關(guān)噪聲的基礎(chǔ)知識(shí)共四個(gè)方面的內(nèi)容。這些內(nèi)容之所以單獨(dú)用一章來(lái)討論，主要是為了便于教學(xué)中進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x取。 1、通信電子線路中應(yīng)用較多的是三極管、場(chǎng)效應(yīng)管的y參數(shù)等效電路，這是以后分析各種高頻小信號(hào)放大