高頻電子線路第2章 高頻電路基礎(chǔ).ppt

1、第2章 高頻電路基礎(chǔ),2.1 高頻電路中的元件、 器件和組件 2.2 電子噪聲,2.1 高頻電路中的元件、 器件和組件,高頻電路中使用的元器件與在低頻電路中使用的元器件基本相同，但要注意它們?cè)诟哳l使用時(shí)的高頻特性。,2.1.1高頻電路中的元器件,無源元件：,有源器件：,電阻(器)、電容(器)和電感(器)，它們都屬于線性元件。,二極管、晶體管和集成電路，用以完成信號(hào)的放大、非線性變換等功能。,有源器件、無源元件和無源網(wǎng)絡(luò)是組成各種高頻電路的基礎(chǔ)。,2.1.1 高頻電路中的元器件,1高頻電路中的元件,1）電阻,頻率越高，電阻器的高頻特性表現(xiàn)越明顯；使用中盡量減小電阻器高頻特性的影響，使之表現(xiàn)為純電

2、阻。,低頻：電阻特性,高頻：,電阻特性,電抗特性（高頻特性）,電阻器高頻特性的影響因素：,制作材料：金屬膜電阻 碳膜電阻 線繞電阻,封裝形式：表面貼裝電阻 引線電阻,尺寸大小：小尺寸電阻 大尺寸電阻,分布電容和引線電感越小，高頻特性越好。,圖2-2 電容器的高頻等效電路 (a) 電容器的等效電路; （b） 電容器的阻抗特性,2.1.1 高頻電路中的元器件,2）電容,由介質(zhì)隔開的兩導(dǎo)體即構(gòu)成電容。 一個(gè)電容器的實(shí)際等效電路如圖2-2（a）所示。RC為極間絕緣電阻，LC含分布電感、極間電感和引線電感。,2.1.1 高頻電路中的元器件,理想電容器的阻抗為1/(jC)，如圖2-2（b）虛線所示，其中，

3、=2f為工作角頻率。高頻運(yùn)用時(shí)的實(shí)際電容器的阻抗特性如圖2-2（b）實(shí)線所示。每個(gè)電容器都有一個(gè)自身諧振頻率SRF（Self Resonant Frequency）。當(dāng)工作頻率小于自身諧振頻率時(shí)，電容器呈正常的電容特性，但當(dāng)工作頻率大于自身諧振頻率時(shí)，電容器將等效為一個(gè)電感。,圖2-2 電容器的高頻等效電路,2.1.1 高頻電路中的元器件,3）電感,高頻電感器一般由導(dǎo)線繞制（空心或有磁芯、單層或多層）而成（也稱電感線圈）。與普通電感器一樣，電感量是其主要參數(shù)，電感量L產(chǎn)生的感抗為jL。,實(shí)際應(yīng)用中并不直接用交流電阻，而是引入?yún)?shù)品質(zhì)因數(shù)Q表示高頻電感器的損耗性能。品質(zhì)因數(shù)Q定義為高頻電感器的感

4、抗與其串聯(lián)損耗電阻之比。Q值越高，表明該電感器的儲(chǔ)能作用越強(qiáng)，損耗越小。,高頻電感器具有直流電阻,高頻電感器具有交流電阻 ,渦流損失,磁滯損失,電磁輻射,交流電阻遠(yuǎn)大于直流電阻，高頻電感器的電阻主要指交流電阻,高頻電感器也具有自身諧振頻率SRF。 在SRF上，高頻電感的阻抗的幅值最大，而相角為零，如圖2-3所示。,圖 2-3 高頻電感器的自身諧振頻率SRF,在中短波波段和米波波段，高頻電感可等效為電感和電阻的串聯(lián)或并聯(lián)。若工作頻率更高，等效電路應(yīng)考慮電感兩端總的分布電容，它應(yīng)與電感并聯(lián)。,2.1.1 高頻電路中的元器件,2.1.1 高頻電路中的元器件,2高頻電路中的有源器件,半導(dǎo)體二極管、晶體

5、管以及半導(dǎo)體集成電路，與用于低頻或其它電子線路的器件沒有根本不同，只是工作在高頻條件下，對(duì)器件的某些性能要求更高。,1）二極管,半導(dǎo)體二極管在高頻中主要用于檢波、調(diào)制、解調(diào)及混頻等非線性變換電路中，工作在低電平。,點(diǎn)接觸式二極管：工作頻率100200MHz,表面勢(shì)壘二極管：工作頻率可高至微波段,二者均利用多數(shù)載流子導(dǎo)電機(jī)理，極間電容小，工作頻率高。,變?nèi)荻O管：用于電調(diào)諧器和壓控振蕩器,微波二極管：用于非線性電容混頻和倍頻,PIN二極管：具有較強(qiáng)的正向電荷儲(chǔ)存能力，其高頻等效電阻受正向直流電流控制（電可調(diào)電阻），可用作電可控開關(guān)、限幅器、電調(diào)衰減器或移相器,PN結(jié)勢(shì)壘電容隨所加反偏電壓而變化,

6、2）晶體管與場(chǎng)效應(yīng)管（FET）,2.1.1 高頻電路中的元器件,高頻條件下應(yīng)用的晶體管仍是雙極晶體管和各種場(chǎng)效應(yīng)管，比用于低頻的管子性能更好，外形結(jié)構(gòu)方面也有所不同。,高頻小功率管：用作小信號(hào)放大，要求高增益和低噪聲,高頻功率放大管：除增益外，要求有較大的輸出功率,3）集成電路,用于高頻的集成電路的類型和品種比用于低頻的集成電路的要少得多。,通用型：寬帶集成放大器、高頻晶體管模擬相乘器,專用型：集成鎖相環(huán)、集成調(diào)頻信號(hào)解調(diào)器、單片集成接收機(jī)、 電視機(jī)中的專用集成電路。,2.1.2 高頻電路中的組件,高頻電路中的無源組件或無源網(wǎng)絡(luò)主要有高頻振蕩（諧振）回路、高頻變壓器、諧振器與濾波器等，用于完成

7、信號(hào)的傳輸、頻率選擇及阻抗變換等功能。,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，用于完成阻抗變換、信號(hào)選擇等任務(wù)，并可直接作為負(fù)載使用。,2.1.2 高頻電路中的組件,1）簡單振蕩回路,簡單振蕩回路由電感線圈和電容組成的單個(gè)振蕩回路稱為簡單振蕩回路或單振蕩回路。,諧振特性：簡單振蕩回路的阻抗在某一特定頻率上具有最大或最小值的特性稱為諧振特性，這個(gè)特定頻率稱為諧振頻率。 簡單振蕩回路具有諧振特性和頻率選擇作用，這是它在高頻電子線路中得到廣泛應(yīng)用的重要原因。,圖2-4 串聯(lián)振蕩回路及其特性,（1）串聯(lián)諧振回路,由電源與電容

8、、電感串聯(lián)構(gòu)成的振蕩回路。圖2-4（a）是最簡單的串聯(lián)振蕩回路。,阻抗特性,（2-1）,2.1.2 高頻電路中的組件,2.1.2 高頻電路中的組件,（2-1）,回路電抗：,回路阻抗的模：,回路阻抗的輻角：,圖2-4 串聯(lián)振蕩回路及其特性,（2-2）,當(dāng)輸入信號(hào)頻率使得電抗X為零時(shí)，電路達(dá)到諧振，此時(shí)的頻率為諧振頻率。,2.1.2 高頻電路中的組件,當(dāng)回路諧振時(shí)的感抗或容抗，稱之為特性阻抗。用表示,回路的特性阻抗與回路的損耗電阻之比可定義為品質(zhì)因數(shù)Q。它反映了L和C中儲(chǔ)存的能量與電阻r消耗能量的比值。,（2-3）,（2-4）,2.1.2 高頻電路中的組件,諧振特性,1）當(dāng)r，回路呈容性； 當(dāng)0時(shí)

9、，X0，Zsr，回路呈感性。 當(dāng)=0時(shí)，X=0，Zs=r，回路呈純電阻。,2）諧振時(shí)電流最大且與電源同相位。,圖2-5 串聯(lián)回路諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系,若在串聯(lián)振蕩回路兩端加一恒壓信號(hào) ，則發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)因阻抗最小，流過電路的電流最大，稱為諧振電流，其值為,（2-5）,3）電感及電容兩端電壓模值相等，且等于外加電壓的Q倍,在任意頻率下的回路電流 與諧振電流之比為,2.1.2 高頻電路中的組件,(2-6),其模為,(2-7),其中，,(2-4),為回路的品質(zhì)因數(shù)。,串聯(lián)諧振時(shí)，電感L和電容C上的電壓達(dá)到最大值且為輸入信號(hào)電壓的Q倍。Q值一般可以達(dá)到幾十或者幾百，故串聯(lián)諧振也稱為電壓諧振。在實(shí)際應(yīng)

10、用的時(shí)候要預(yù)先注意回路元件的耐壓問題。,圖 2-6 串聯(lián)諧振回路的諧振曲線,(2-7),回路品質(zhì)因數(shù)越高，諧振曲線越尖銳，回路選擇性越好。,諧振回路中電流幅值與外加信號(hào)源頻率之間的關(guān)系曲線稱為諧振曲線，根據(jù)（2-7）式畫出相應(yīng)的曲線如圖2-6所示，即為串聯(lián)諧振回路的諧振曲線。,2.1.2 高頻電路中的組件,（2-8）,令,為廣義失諧，則式（2-7）可寫成,(2-9),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)，,(2-7),2.1.2 高頻電路中的組件,把接入信號(hào)源內(nèi)阻RS和負(fù)載電阻RL的Q值叫做有載Q值，用QL表示：,通常把沒有接入

11、信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載電阻時(shí)回路本身的Q值叫做無載Q（空載Q值），如式,結(jié)論：串聯(lián)諧振回路通常適用于信號(hào)源內(nèi)阻RS很?。ê銐涸矗┖拓?fù)載電阻RL也不大的情況。,2.1.2 高頻電路中的組件,相頻特性曲線,回路電流的相角為阻抗幅角的負(fù)值 = ，回路電流的相角是與外加電壓相比較而言的。若超前，則 0；若滯后，則 Q2。,回路電流的相角隨頻率變化的曲線，稱為回路電流的相頻特性曲線（與回路阻抗的輻角特性相反）。,串聯(lián)諧振回路相頻特性曲線,2.1.2 高頻電路中的組件,2.1.2 高頻電路中的組件,串聯(lián)諧振回路適用于電源內(nèi)阻為低內(nèi)阻的情況或低阻抗的電路。對(duì)于信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載比較大，且頻率不是非常高的情況下，宜采

12、用并聯(lián)諧振回路。,（2）并聯(lián)諧振回路,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：電感線圈、電容C、外加信號(hào)源相互并聯(lián)。,圖2-7 并聯(lián)諧振回路及其等效電路、 阻抗特性和輻角特性 (a) 并聯(lián)諧振回路; （b）等效電路; （c）阻抗特性; （d）輻角特性,圖2-7 并聯(lián)諧振回路及其等效電路、 阻抗特性和輻角特性,并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)阻抗為,(2-11),定義使感抗與容抗相等的頻率為并聯(lián)諧振頻率0，令Zp的虛部為零，求解方程的根就是0，可得,2.1.2 高頻電路中的組件,回路在諧振時(shí)的阻抗最大，其值為,當(dāng)電納為0時(shí)發(fā)生諧振，諧振頻率為,（2-12）,在高Q條件下，,變換成導(dǎo)納形式，有,2.1.2 高頻電路中的組件,（2-13）,（

13、2-14）,并聯(lián)回路通常用于窄帶系統(tǒng)，此時(shí)與0相差不大，式（2-13）可進(jìn)一步簡化為,式中，=-0。對(duì)應(yīng)的阻抗模值與幅角分別為,（2-15）,諧振頻率附近的阻抗特性,在高Q條件下，,（2-16）,特性曲線見圖2-7所示。,2.1.2 高頻電路中的組件,2.1.2 高頻電路中的組件,諧振特性,1）當(dāng)0，Zp0時(shí)，X0，ZpR0 ，回路呈容性。 當(dāng)=0時(shí)，X=0，Zp=R0 ，回路呈純電阻。,（2-17）,3）諧振電阻為感抗或者容抗的Q倍，當(dāng)Q很大時(shí)，這個(gè)電阻值是很大的。,圖2-8表示了并聯(lián)振蕩回路中諧振時(shí)的電流、 電壓關(guān)系。,2）諧振時(shí)回路電流 與流過R0的電流相等，且與回路電壓 同相位。,流過

14、C的電流 與流過L的電流 分別超前、落后于 90o，其模值為流經(jīng)回路電流的Q倍，因此，并聯(lián)諧振又稱為電流諧振。,2.1.2 高頻電路中的組件,從圖2-7（c）、（d）可以看出，Q值越高，阻抗和輻角在諧振頻率附近變化越快。若將阻抗值下降為 的頻率范圍稱為通頻帶B，則,例 1 設(shè)一放大器以簡單并聯(lián)振蕩回路為負(fù)載，信號(hào)中心頻率fs=10MHz，回路電容C=50 pF， (1) 試計(jì)算所需的線圈電感值。 (2) 若線圈品質(zhì)因數(shù)為Q=100，試計(jì)算回路諧振電阻及回路帶寬。 (3) 若放大器所需的帶寬B=0.5MHz，則應(yīng)在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿足放大器所需帶寬要求?,2.1.2 高頻電路中的組件,解：

15、 (1) 計(jì)算L值。由 ，可得,將f0以兆赫茲(MHz)為單位, 以皮法(pF)為單位, L以微亨（H）為單位， 上式可變?yōu)橐粚?shí)用計(jì)算公式:,將f0=fs=10 MHz、 C=50 pF代入，得,(2) 回路諧振電阻和帶寬。,2.1.2 高頻電路中的組件,由 ，得,由 ，得回路帶寬為,(3) 求滿足0.5 MHz帶寬的并聯(lián)電阻。 設(shè)回路上并聯(lián)電阻為R1，并聯(lián)后的總電阻為R1R0，總的回路有載品質(zhì)因數(shù)為QL。 由帶寬公式，有,此時(shí)要求的帶寬B=0.5 MHz，故,由回路總電阻,2.1.2 高頻電路中的組件,得,需要在回路上并聯(lián)7.97 k的電阻。,2) 抽頭并聯(lián)振蕩回路,2.1.2 高頻電路中的

16、組件,圖2-9 幾種常見抽頭振蕩回路,激勵(lì)源或負(fù)載與回路電感或電容部分連接的并聯(lián)振蕩回路。,（2-18）,（2-19）,采用抽頭回路，可以通過改變抽頭位置或電容分壓比來實(shí)現(xiàn)回路與信號(hào)源的阻抗匹配，或者進(jìn)行阻抗變換。除了回路的基本參數(shù)0、Q和R0外，增加了一個(gè)調(diào)節(jié)因子接入系數(shù)（抽頭系數(shù)/電壓比/變比）p。接入系數(shù)p定義為：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。也可用電壓比來表示，即,就圖2-9（a）電路而言，當(dāng)諧振時(shí)，輸入端呈現(xiàn)的電阻設(shè)為R，從功率相等的關(guān)系看，有,在回路失諧不大， p又不是很小的情況下，輸入端阻抗與回路阻抗間也存在類似關(guān)系：,（2-20）,2.1.2 高頻

17、電路中的組件,對(duì)于圖2-9（b）的電路，其接入系數(shù)p可以直接用電容比值表示為,（2-21）,（2-22）,除阻抗折合外，有時(shí)信號(hào)源也需要折合。對(duì)于電壓源，由式（2-18）可得,對(duì)于圖2-10所示的電流源，其折合關(guān)系為,圖 2-10 電流源的折合,2.1.2 高頻電路中的組件,在抽頭回路中，由于激勵(lì)端的電壓U小于回路兩端電壓UT，從功率等效的原理講，回路要得到同樣功率，抽頭端的電流與不抽頭回路相比要更大些。諧振時(shí)的回路電流IL和IC與I 的比值要小些，而不再是Q倍。 由,及 ，可得,（2-23）,2.1.2 高頻電路中的組件,圖 2-11 例2的抽頭回路,例 2 如圖2-11，抽頭回路由電流源激

18、勵(lì)，忽略回路本身的固有損耗，試求回路兩端電壓u(t)的表示式及回路帶寬。,解： 由于忽略了回路本身的固有損耗，因此可以認(rèn)為Q。 由圖可知，回路電容為,諧振角頻率為,電阻R1的接入系數(shù),等效到回路兩端的電阻為,2.1.2 高頻電路中的組件,回路兩端電壓u(t)與i(t)同相，電壓振幅U=IR=2 V，故,輸出電壓為,回路有載品質(zhì)因數(shù),回路帶寬,2.1.2 高頻電路中的組件,3) 耦合振蕩回路,在高頻電路中，有時(shí)用到兩個(gè)互相耦合的振蕩回路，也稱為雙調(diào)諧回路。 把接有激勵(lì)信號(hào)源的回路稱為初級(jí)回路，把與負(fù)載相接的回路稱為次級(jí)回路或負(fù)載回路。,耦合的振蕩回路在高頻電路中的主要功用：,耦合的振蕩回路在應(yīng)用

19、中應(yīng)滿足的條件：,2.1.2 高頻電路中的組件,圖 2-12 兩種常見的耦合回路及其等效電路 (a)、(c)互感耦合諧振電路及其等效電路, (b)、(d)電容耦合諧振電路及其等效電路,耦合振蕩回路的兩種基本形式,2.1.2 高頻電路中的組件,（2-24）,對(duì)于圖 2-12（b）電路，耦合系數(shù)為,（2-25）,耦合系數(shù)k（反映兩回路的相對(duì)耦合程度）：是耦合回路的耦合電抗的絕對(duì)值與初、次級(jí)回路同性質(zhì)兩電抗的幾何平均值之比。,耦合振蕩回路的原理和特性,對(duì)于圖 2-12（a）電路，耦合系數(shù)為,2.1.2 高頻電路中的組件,2.1.2 高頻電路中的組件,耦合振蕩回路的諧振特性（以互感耦合電路為例）,（2

20、-26）,反映阻抗為,2.1.2 高頻電路中的組件,從中可以看出反映阻抗具有如下性質(zhì)： 反映阻抗由反映電阻和反映電抗組成 反映阻抗的性質(zhì)總與原來的性質(zhì)相反 當(dāng)互感為零時(shí)，反映阻抗也為零 當(dāng)次級(jí)諧振時(shí)，反映阻抗為純電阻,（2-27）,（2-28）,耦合因子,初、次級(jí)串聯(lián)阻抗可分別表示為,耦合阻抗為,轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性,假設(shè)兩回路的電感、電容和品質(zhì)因數(shù)相同，即有,再引入兩參數(shù)：,廣義失諧,2.1.2 高頻電路中的組件,由圖2-12（c）等效電路，轉(zhuǎn)移阻抗為,(2-29),由次級(jí)感應(yīng)電勢(shì) 產(chǎn)生，有,考慮次級(jí)的反映阻抗，則,將上兩式代入式(2-29)，經(jīng)整理得,2.1.2 高頻電路中的組件,在小失諧情

21、況下,轉(zhuǎn)移阻抗表達(dá)式可簡化為,(2-30),根據(jù)同樣的方法可以得到電容耦合回路的轉(zhuǎn)移阻抗特性為,（2-31）,2.1.2 高頻電路中的組件,（2-32）,式(2-30)與式(2-31) 具有相同的頻率特性。A出現(xiàn)在分子和分母中，說明耦合程度影響曲線的高度和形狀,耦合因子A小于1時(shí)，在=0處有極大值；A大于1時(shí)，有兩個(gè)極大值，在=0處有凹點(diǎn)，特性曲線為雙峰。不同A時(shí)的歸一化轉(zhuǎn)移阻抗為,2.1.2 高頻電路中的組件,圖 2-13 耦合回路的頻率特性,(2-35),（2-34）,圖2-13為歸一化的轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性；臨界時(shí)的特性可將A=1代入式（2-32）得到,式（2-32）中，令 ，得臨界耦合回

22、路的帶寬為,（單振蕩回路）,（2-36）,矩形系數(shù)：,2.1.2 高頻電路中的組件,2. 高頻變壓器和傳輸線變壓器,（1）為了減少損耗, 高頻變壓器常用導(dǎo)磁率高、高頻損耗小的軟磁材料作磁芯，如：NXO（鎳鋅鐵氧體）和MXO（錳鋅鐵氧體）。 （2）高頻變壓器一般用于小信號(hào)場(chǎng)合，尺寸小，線圈的匝數(shù)較少。磁芯一般采用環(huán)行、罐形和雙孔型。高頻變壓器的磁芯結(jié)構(gòu)見圖 2-14所示。,進(jìn)行信號(hào)傳輸和阻抗變換，也可用于隔絕直流。,1) 高頻變壓器及其特點(diǎn),變壓器是靠磁通交鏈（互感）進(jìn)行耦合的。只有當(dāng)兩個(gè)耦合線圈的耦合系數(shù)k接近1時(shí)，性能才接近理想變壓器。高頻變壓器也以某種磁性材料作為公共磁路，以增加線圈間的耦

23、合；但在磁性材料和結(jié)構(gòu)上與低頻變壓器有較大不同。,2.1.2 高頻電路中的組件,圖 2-14 高頻變壓器的磁芯結(jié)構(gòu) （a） 環(huán)形磁芯； (b) 罐形磁芯； (c) 雙孔磁芯,2.1.2 高頻電路中的組件,高頻變壓器的電路符號(hào)如圖2-15(a)所示，其近似等效電路如圖2-15(b)所示，虛線內(nèi)為理想變壓器，L為初級(jí)勵(lì)磁電感，Ls是漏電感，Cs是分布電容。顯然，Ls和Cs限制了它的高頻特性，而L限制了它的低頻特性。,圖 2-15 高頻變壓器及其等效電路 (a) 電路符號(hào)； (b) 等效電路,2.1.2 高頻電路中的組件,(2-38),(2-37),圖 2-16 中心抽頭變壓器電路 （a） 中心抽頭

24、變壓器電路; （b） 作四端口器件應(yīng)用,2.1.2 高頻電路中的組件,中心抽頭變壓器（具有中心抽頭的三繞組高頻變壓器），可實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入信號(hào)的相加或相減。圖 2-16(a) 中， 初級(jí)為兩個(gè)等匝數(shù)的線圈串聯(lián)，極性相同，設(shè)初次級(jí)匝比n=N1/N2。 作為理想變壓器看待，線圈間的電壓和電流關(guān)系分別為,2.1.2 高頻電路中的組件,中心抽頭變壓器的一種典型應(yīng)用是作為四端口器件，如圖2-16(b)所示，可用作功率分配器、功率合成器、平衡橋電路，也可以與有源器件組合構(gòu)成一些非線性變換電路。,圖 2-16 中心抽頭變壓器電路 （a） 中心抽頭變壓器電路; （b） 作四端口器件應(yīng)用,（1）傳輸線 傳輸線主要是

25、指用來傳輸高頻信號(hào)的雙導(dǎo)線、同軸線等。當(dāng)工作信號(hào)頻率很高，信號(hào)的波長可與電路尺寸相比擬時(shí)，不能把導(dǎo)線和電路看作集總參數(shù)電路，必須要考慮分布參數(shù)。,傳輸線分布參數(shù),2）傳輸線變壓器,R0：兩根導(dǎo)線每單位長度具有的電阻。 L0：兩根導(dǎo)線每單位長度具有的電感。 C0：每單位長度導(dǎo)線之間的分布電容。 G0：每單位長度導(dǎo)線之間的電導(dǎo)。,當(dāng)G0、R0為0時(shí)，叫無損傳輸線，如果沿線每處分布參數(shù)都相等，則稱為均勻傳輸線。,無損傳輸線的特性阻抗為：,(2-39),傳輸線就是利用兩導(dǎo)線間的分布電容和分布電感形成一電磁波的傳輸系統(tǒng)，其傳輸信號(hào)的頻率范圍很寬，可以從直流到幾百、上千兆赫茲。傳輸線的主要特性是波速、波長

26、及特性阻抗,傳輸線的波速：,傳輸線上的波長：,(2-40),式中，r為傳輸線的相對(duì)介電常數(shù)。因r總是大于1（一般為2-4），傳輸線上的波速和波長比自由空間電磁波的波速c和波長0都要小。,只要保證傳輸線的長度l小于波長，則可以把它看作一個(gè)集總元件，當(dāng)滿足如下條件：,那么只要l很小，則傳輸線的高頻范圍就很寬。在忽略傳輸線上的損耗時(shí)，根據(jù)傳輸線理論，可以有以下結(jié)論： (1)兩線對(duì)應(yīng)點(diǎn)通過的電流必定大小相等，方向相反。 (2)在滿足匹配的條件下，兩導(dǎo)線間電壓沿線均勻分布。,圖 2-17 傳輸線變壓器的典型結(jié)構(gòu)和電路 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖; （b） 電路,2.1.2 高頻電路中的組件,（2）傳輸線變壓器,

27、傳輸線變壓器就是利用繞制在磁環(huán)上的傳輸線而構(gòu)成的高頻變壓器。 圖 2-17 為其典型的結(jié)構(gòu)和電路圖。,圖 2-18 傳輸線變壓器的工作方式 (a) 傳輸線方式; (b) 變壓器方式,2.1.2 高頻電路中的組件,傳輸線變壓器可以看作雙線并繞的1:1變壓器，也可看做繞在磁環(huán)上的傳輸線。它有變壓器方式和傳輸線兩種工作方式，如圖2-18所示。不同方式取決于信號(hào)對(duì)它的不同激勵(lì)形式。,高頻反相器,圖2-19（a）高頻反相器,可以看出，對(duì)地為正的輸入變成了對(duì)地為負(fù)的輸出，輸入輸出大小相等，方向相反。,（3）傳輸線變壓器的一般應(yīng)用,2.1.2 高頻電路中的組件,不平衡-平衡變換器,圖2-19（b）不平衡-平

28、衡變換器,在該電路中，單端對(duì)地輸入變換成了雙端對(duì)地的平衡輸出，而且為了與傳輸線匹配，應(yīng)該滿足RS=ZC，RL=ZC；同樣，只要改變激勵(lì)方式，也可以實(shí)現(xiàn)平衡-非平衡變換。,2.1.2 高頻電路中的組件,1:4 阻抗變換器,Ri,圖2-19（c） 1:4阻抗變換器,(2-41),2.1.2 高頻電路中的組件,3dB耦合器,根據(jù)對(duì)稱性，流過兩個(gè)RL電流應(yīng)相等，那么就有UA=UB，UAB=0，所以流過Rb的電流為0，Rb上沒功率輸出，那么，信號(hào)源輸出的功率被均勻的分配到了兩個(gè)負(fù)載電阻上，即每個(gè)電阻上的功率為輸入功率的一半，因此該電路叫3dB耦合器，也叫功率分配器。,圖2-19（d） 3dB耦合器,2.

29、1.2 高頻電路中的組件,圖 2-19 傳輸線變壓器的應(yīng)用舉例 （a） 高頻反相器; （b）不平衡平衡變換器 （c）14 阻抗變換器 (d) 3 分貝耦合器,2.1.2 高頻電路中的組件,3. 石英晶體諧振器,石英晶體諧振器廣泛用于頻率穩(wěn)定性高的振蕩器中，也用作高性能的窄帶濾波器和鑒頻器。,當(dāng)石英晶體受外力作用而變形時(shí)（如伸縮、切變、扭曲等），它的表面上將產(chǎn)生正、負(fù)電荷，即產(chǎn)生電壓；反之，如在晶體兩端加上電壓時(shí)，它將發(fā)生機(jī)械變形，即壓電效應(yīng)。 當(dāng)外加電信號(hào)的頻率接近晶體的固有機(jī)械諧振頻率時(shí)，就會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象。 石英晶體諧振器是由天然或人工生成的石英晶體切片制成。其諧振頻率與晶片的材料、幾何形狀

30、、尺寸、切片方式等有關(guān)。,1）石英晶體的物理特性,圖 2-22 晶體諧振器的等效電路 (a) 包括泛音在內(nèi)的等效電路; (b) 諧振頻率附近的等效電路,2) 等效電路及阻抗特性,圖 2-22 是石英晶體諧振器的等效電路，（a）為考慮基頻及各次泛音的等效電路；由于各諧波頻率相隔較遠(yuǎn)，互相影響很小，對(duì)于某一具體應(yīng)用（工作于基頻或工作于泛音），只需考慮此頻率附近的電路特性，可用圖（b）中電路來等效.,C0：晶體作為電介質(zhì)的靜電容，幾個(gè)皮法至幾十皮法； Lq、Cq、rq：對(duì)應(yīng)于機(jī)械共振經(jīng)壓電轉(zhuǎn)換而呈現(xiàn)的電參數(shù)；其中rq是機(jī)械摩擦和空氣阻尼引起的損耗。,(2-42),(2-43),由圖 2-22(b)可

31、看出，晶體諧振器是一串并聯(lián)的振蕩回路，其串聯(lián)諧振頻率fq和并聯(lián)諧振頻率f0分別為,（2-44）,圖 2-22(b)所示的等效電路的阻抗的一般表示式為,在忽略rq后，上式可化簡為,（2-45）,由于CqC0，晶體諧振器的并聯(lián)諧振頻率f0與串聯(lián)諧振頻率fq相差很小，圖 2-22(b)所示等效電路的接入系數(shù)p Cq/C0非常小。,圖 2-23 晶體諧振器的電抗曲線,（2-46）,在0電路也呈容性，而在q0時(shí)，電抗隨頻率變化迅速，呈感性，因此在這個(gè)區(qū)域內(nèi)等效為一個(gè)非常大的電感。例如在q處的等效電感為：,顯然，在這個(gè)范圍內(nèi)的等效電感要比Lq大得多。,和一般LC諧振電路相比，石英晶體諧振器具有幾個(gè)明顯的特

32、點(diǎn)： f0和fq非常穩(wěn)定，受外界因素影響很小。 由于rq很小，因此它的品質(zhì)因數(shù)非常高，Q值可達(dá)到104量級(jí)。而普通的LC電路的Q值只能到一二百。 晶體諧振器的接入系數(shù)非常小，可達(dá)10-3量級(jí)，因此它受外電路的影響很小。 晶體在工作頻率附近阻抗變化率很大，有很高的并聯(lián)諧振阻抗。 由于這些特點(diǎn)，使晶體諧振器的頻率穩(wěn)定度要比LC諧振回路高得多。,圖 2-24 晶體濾波器的電路與衰減特性 （a） 濾波器電路; （b） 衰減特性,石英晶體諧振器用于高頻窄帶濾波器,1) 陶瓷濾波器,4. 集中選頻濾波器,高頻電路中常用的集中選頻濾波器主要有LC式集中選頻濾波器、晶體濾波器、 陶瓷濾波器和聲表面波濾波器。,

33、某些陶瓷材料（如鋯鈦酸鉛Pb(ZrTi)O3，簡稱PZT）也具有壓電效應(yīng)。與石英晶體濾波器相比，它容易制作，價(jià)格便宜，但串、并頻率間隔較大，Q值也只有數(shù)百，通帶要比石英晶體濾波器高，選擇性要差。但總性能要好于LC諧振電路。一般高頻陶瓷濾波器的工作頻率約為100MHZ，相對(duì)帶寬約為千分之幾到百分之十左右。單片陶瓷濾波器的等效電路和符號(hào)與石英晶體濾波器一樣，但為了提高性能，經(jīng)常將它制成多個(gè)諧振子的串、并結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)四端濾波網(wǎng)路。,例如需要一個(gè)4655kHz的濾波器，如采用兩振子陶瓷濾波器，則第一個(gè)的串聯(lián)頻率和第二個(gè)的并聯(lián)諧振頻率都應(yīng)該為465kHz，而第一個(gè)的并聯(lián)諧振頻率為470kHz，第二個(gè)的

34、串聯(lián)諧振頻率為460kHz。,圖 2-25 陶瓷濾波器電路 （a）雙諧振子結(jié)構(gòu) （b）5振子結(jié)構(gòu),2)聲表面波濾波器,（2-47）,（2-48）,圖 2-26(a)中的聲表面波濾波器的傳輸函數(shù)為,1) 高頻衰減器（調(diào)整信號(hào)傳輸通路上的信號(hào)電平）,圖 2-28 T型和型網(wǎng)絡(luò),圖 2-29 T型電阻網(wǎng)絡(luò)匹配器,5. 衰減器與匹配器,2) 高頻匹配器（用于連接阻抗不匹配的兩部分高頻電路）,2.2 電噪聲,2.2.1 概述,所謂干擾（或噪聲），就是除有用信號(hào)以外的一切不需要的信號(hào)及各種電磁騷動(dòng)的總稱。電子設(shè)備的性能很大程度上與干擾和噪聲有關(guān)，研究各種干擾和噪聲的特性以及抑制干擾和噪聲的方法非常必要。,

35、抑制外部干擾的措施是消除干擾源、切斷干擾傳播途徑和躲避干擾；故障性的人為噪聲原則上可以通過合理設(shè)計(jì)和正確調(diào)整予以消除。設(shè)備固有的內(nèi)部噪聲尤其具有起伏特性的內(nèi)部噪聲是本節(jié)討論的主要內(nèi)容。,1.內(nèi)部噪聲的特點(diǎn) （1）噪聲均方值 設(shè)一噪聲電壓為en，如圖2-30所示，它具備如下特點(diǎn)：大小和時(shí)間都是隨機(jī)的，具有起伏性質(zhì)，因此其平均值為零，即,2.2.2 電子噪聲的來源與特性,圖 2-30 電阻熱噪聲電壓波形,具有起伏性質(zhì)的噪聲無法用瞬時(shí)值和平均值來衡量其的大??；因此往往用均方值來表示噪聲的大小。噪聲電壓的均方值為,起伏噪聲可以看作由無數(shù)個(gè)持續(xù)時(shí)間為（約10-1210-14s)，且為非周期性的單個(gè)噪聲脈

36、沖疊加而成。設(shè)單個(gè)噪聲的大小為1，則單個(gè)噪聲脈沖的頻譜為：,（2）噪聲頻譜,單個(gè)噪聲脈沖的波形及其頻譜,由于在無線電整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)，滿足 f 1/，即,在無線電頻率范圍內(nèi)，單個(gè)起伏噪聲的振幅譜密度幾乎是均等的。,單位頻帶內(nèi)噪聲的均方值稱為功率譜密度，記為S(f)，單位為W/Hz，則有：,（3）噪聲功率譜,因?yàn)閱蝹€(gè)噪聲具有均勻的振幅譜密度，因此它必然也具有均勻的功率譜密度，對(duì)于起伏噪聲來說，在極寬的頻率范圍內(nèi)也具有均勻的功率譜密度。具有這種性質(zhì)的噪聲稱為“白噪聲”。反之，對(duì)那些在有效頻帶內(nèi)具有不均勻功率譜的噪聲稱為“有色噪聲”。,由于溫度原因，導(dǎo)體和電阻內(nèi)部的自由電子做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的

37、噪聲叫熱噪聲。,2. 電阻熱噪聲,1) 熱噪聲電壓和功率譜密度,（2-49）,電阻R兩端噪聲電壓的均方值為,總的噪聲電壓en服從正態(tài)分布（高斯分布），其概率密度為：,（2-50）,噪聲電流的均方值為,上述式中： k波爾茲曼常數(shù)，k=1.3810-23 J/K T電阻的熱力學(xué)溫度（K），T(K)=273+T B等效噪聲帶寬,電阻的熱噪聲可以等效為噪聲電壓源，也可以等效為噪聲電流源。,圖 2-31 電阻熱噪聲等效電路,（2-51）,（2-52）,因功率與電壓或電流的均方值成正比，電阻熱噪聲也可以看成是一噪聲功率源，其輸出的最大噪聲功率為kTB，單位頻帶內(nèi)的最大噪聲功率（kT）即為噪聲源的噪聲功率譜

38、密度。,均方電壓譜密度對(duì)應(yīng)于單位頻帶內(nèi)噪聲電壓均方值，即,均方電流譜密度對(duì)應(yīng)于單位頻帶內(nèi)噪聲電流均方值，即,2) 線性電路中的熱噪聲,（2-53）,（1）多個(gè)電阻的熱噪聲,對(duì)于電阻的串聯(lián)和并聯(lián)，總的噪聲大小服從均方疊加原理。串聯(lián)電阻的噪聲電壓均方值等于每個(gè)電阻產(chǎn)生的噪聲電壓均方值之和；而并聯(lián)電阻的噪聲電流均方值等于每個(gè)電阻產(chǎn)生的噪聲電流均方值之和。,例：計(jì)算下圖所示并聯(lián)電阻兩端的噪聲電壓。兩個(gè)電阻同處于相同的溫度T。,并聯(lián)電阻噪聲計(jì)算 （a）并聯(lián)電阻，（b）利用電壓源計(jì)算，（c）利用電流源計(jì)算,當(dāng)噪聲通過線性網(wǎng)絡(luò)時(shí)，噪聲的輸出功率譜密度與網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù)的平方成正比。,（2）熱噪聲通過線性網(wǎng)絡(luò),圖

39、 2-32 熱噪聲通過線性電路的模型,(2-54),線性網(wǎng)絡(luò)輸出、輸入端的噪聲電壓譜密度分別為SUo、SUi，則有,輸出噪聲電壓均方值為,圖 2-33并聯(lián)回路的熱噪聲,(2-55),例：并聯(lián)諧振回路，如圖2-33（a)所示，其參數(shù)為L、C、r，其中只有電阻r產(chǎn)生熱噪聲，已知其噪聲電壓譜密度為Sui=4kTr。求輸出端的噪聲密度。,解：圖2-33(b)是作為四端網(wǎng)絡(luò)的等效電路，依據(jù)電路，其傳遞函數(shù)為,由式（2-54）可得,展開化簡后得,與式(2-55)對(duì)比，可得,(2-56),并聯(lián)回路可以等效為Re+jXe（圖 2-33（c），現(xiàn)在看上述輸出噪聲譜密度與Re、 Xe的關(guān)系。,根據(jù)式(2-55)與

40、式(2-56)可以求出輸出端的均方噪聲電壓為,由式(2-55)與式(2-56)可得出兩個(gè)重要結(jié)果：對(duì)于二端線性電路其噪聲電壓或噪聲電流譜密度可以用等效電阻Re 或Ge代替式(2-51)、式(2-52)中的 R或G ；電阻熱噪聲通過線性電路后，一般就不再是白噪聲了。,(*),圖2-32 是一線性系統(tǒng)，其電壓傳輸函數(shù)為H(j)。 設(shè)輸入一電阻熱噪聲，均方電壓譜為SUi=4kTR，輸出均方電壓譜為SUo，則輸出均方電壓E2n2為,設(shè)|H(j)|的最大值為H0， 則可定義一等效噪聲帶寬Bn，令,（2-57）,則等效噪聲帶寬Bn為,（2-58）,3)噪聲帶寬,其關(guān)系如圖2-34所示。,圖2-34 線性系

41、統(tǒng)的等效噪聲帶寬,噪聲帶寬的意義：使H02和Bn為兩邊的矩形面積與曲線|H(j)|2下的面積相等。 Bn的大小由實(shí)際特性|H(j)|2決定，而與輸入噪聲無關(guān)。,仍以圖 2-33 的單振蕩回路為例，設(shè)回路為高Q電路，其諧振頻率為f0，計(jì)算其等效噪聲帶寬。,式中，f為相對(duì)于f0的頻偏，由此可得等效噪聲帶寬為,由前面分析，再考慮到高Q條件，此回路的|H(j)| 2可近似為,己知并聯(lián)回路的 3 dB帶寬為B 0.7= f0/Q，故,與前面(*)結(jié)果完全一致。,1) 散彈（粒）噪聲：由于載流子的起伏流動(dòng)造成的集電極和發(fā)射極電流的起伏。屬于白噪聲（前面關(guān)于熱噪聲通過線性系統(tǒng)時(shí)的分析對(duì)散彈噪聲完全適用，其中

42、發(fā)射結(jié)散彈噪聲起主要作用。,(肖特基公式）(2-59) ,3. 晶體三極管的噪聲,晶體三極管主要有以下幾種噪聲來源：,噪聲均方電流譜密度：,I0為發(fā)射結(jié)的平均電流，q為電子電荷，q =1.610-19C。,2) 分配噪聲,通過發(fā)射結(jié)的少數(shù)載流子的一少部分在基區(qū)復(fù)合形成基極電流，其余通過集電結(jié)形成集電極電流；由于復(fù)合的隨機(jī)性，基極電流和集電極電流的分配比例也是變化的。這種因分配比起伏變化而產(chǎn)生的集電極電流、基極電流起伏噪聲，稱為晶體管的分配噪聲。本質(zhì)上也是白噪聲，但工作頻率高到一定值后，其噪聲的功率譜密度將隨頻率的增加迅速增大。,3) 閃爍噪聲 由于半導(dǎo)體材料及制造工藝水平造成表面清潔處理不好而

43、引起的噪聲稱為閃爍噪聲。它與半導(dǎo)體表面少數(shù)載流子的復(fù)合有關(guān)，表現(xiàn)為發(fā)射極電流的起伏，其電流噪聲譜密度與頻率近似成反比，又稱 1/f 噪聲。因此，它主要在低頻(如幾千赫茲以下)范圍起主要作用。這種噪聲也存在于其它電子器件中，某些實(shí)際電阻器就有這種噪聲。晶體管在高頻應(yīng)用時(shí), 除非考慮它的調(diào)幅、調(diào)相作用，這種噪聲的影響可以忽略。 4) 基區(qū)電阻熱噪聲 在晶體管中由于基區(qū)電阻很小，這類噪聲一般影響不大。,1）由柵極內(nèi)漏電流不規(guī)則起伏引起的噪聲，是一種散粒噪聲。比較小，一般情況下可以忽略。 2）溝道內(nèi)電子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)所引起的噪聲。這種噪聲是場(chǎng)效應(yīng)管噪聲的主要貢獻(xiàn)，取決于跨導(dǎo)的大小。 3）漏極和源極之間等

44、效電阻的噪聲 在漏-柵之間，柵極電壓控制作用達(dá)不到的部分可用等效串聯(lián)電阻來表示，它產(chǎn)生熱噪聲。 4）閃爍噪聲,4. 場(chǎng)效應(yīng)管噪聲,圖2-35 噪聲系數(shù)的定義,2.2.3 噪聲系數(shù)和噪聲溫度,1噪聲系數(shù)的定義,圖2-35為一線性四端網(wǎng)絡(luò)，它的噪聲系數(shù)定義為輸入端的信號(hào)噪聲功率比(S/N)i與輸出端的信號(hào)噪聲功率比(S/N)o的比值，即,（2-60）,圖中，KP為電路的功率傳輸系數(shù)(或功率放大倍數(shù))。 用Na表示線性電路內(nèi)部附加噪聲功率在輸出端的輸出，考慮到KP=o/Si，式(2-60)可以表示為,(2-61),(2-62),噪聲系數(shù)等于歸于輸入端的總輸出噪聲與輸入噪聲之比。,用歸于輸入端的附加噪

45、聲表示噪聲系數(shù)。,(2-63),噪聲系數(shù)通常用dB表示，用dB表示的噪聲系數(shù)為,說明： 由于四端網(wǎng)絡(luò)肯定要產(chǎn)生附加噪聲，因此，噪聲系數(shù)總是大于1。 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)一旦確定，其噪聲系數(shù)應(yīng)該是不變的，但從公式可以看出，NF隨Ni而改變。因此常用額定功率下的噪聲系數(shù)定義。 噪聲系數(shù)的定義只適用于線性和準(zhǔn)線性系統(tǒng)。對(duì)于非線性系統(tǒng)，由于信號(hào)與噪聲、噪聲與噪聲相互作用，使輸出端信噪比更加惡化，因此這種噪聲系數(shù)的定義就不能適用。 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)。噪聲系數(shù)也可表示成輸出端開路時(shí)的均方電壓之比或輸出端短路時(shí)的均方電流之比,U2no和I2no分別是網(wǎng)絡(luò)輸出端開路和短路時(shí)

46、總的輸出均方噪聲電壓和電流, U2nio和I2nio分別是輸出端開路和短路時(shí)理想網(wǎng)絡(luò)的輸入均方噪聲電壓和電流。,（2-66）,這樣，式(2-62)可重寫為,（2-67）,(2-68),2噪聲溫度,將線性電路的內(nèi)部附加噪聲折算到輸入端，此附加噪聲可以用提高信號(hào)源內(nèi)阻上的溫度來等效，這就是“噪聲溫度”。 由式(2-62)，等效到輸入端的附加噪聲為Na/KP，令增加的溫度為Te，即噪聲溫度，可得,2.2.4 噪聲系數(shù)的計(jì)算,1額定功率法,額定功率，又稱資用功率或可用功率，是指信號(hào)源所能輸出的最大功率，它是一個(gè)度量信號(hào)源容量大小的參數(shù)，是信號(hào)源的一個(gè)屬性，只取決于信號(hào)源本身的參數(shù)內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì)，與輸入電

47、阻和負(fù)載無關(guān)，如圖 2-36 所示。,圖 2 - 36 信號(hào)源的額定功率 （a）電壓源；（b）電流源,信號(hào)源內(nèi)阻與負(fù)載電阻相匹配，即RS=RL時(shí)負(fù)載才能得到額定功率值，對(duì)于圖2-36(a)和(b)，其額定功率分別為,額定功率增益KPm是指四端網(wǎng)絡(luò)的輸出額定功率Psmo和輸入額定功率Psmi之比，即,（2-71）,根據(jù)噪聲系數(shù)的定義，分子和分母都是同一端點(diǎn)上的功率比，因此將實(shí)際功率改為額定功率，并不改變?cè)肼曄禂?shù)的定義，則,（2-72）,因?yàn)镹mi= kTB，Nmo= KPmNmi+ Nmn，所以,（2-73）,（2-74）,Nmoi=Nmo/KPm是網(wǎng)絡(luò)額定輸出噪聲功率等效到輸入端的數(shù)值。,(2-75),式中