第2章 高頻電路基礎(chǔ)

1、第2章 高頻電路基礎(chǔ) 諧振回路諧振回路2.1 非線(xiàn)性電子線(xiàn)路的基本概念非線(xiàn)性電子線(xiàn)路的基本概念 2.2 頻率變換和混頻電路頻率變換和混頻電路 2.3 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 2.1.1 2.1.1 并聯(lián)諧振回路的選頻特性并聯(lián)諧振回路的選頻特性 1并聯(lián)諧振回路阻抗頻率特性 并聯(lián)諧振回路如圖2-1所示。圖（a）中，r 代表線(xiàn)圈L 的等效損耗電阻，RP 為圖（b） 的等效電阻。由于電容器的損耗很小，略 去其損耗電阻。 為電流源， 為并聯(lián) 回路兩端輸出電壓。 由圖2-1可知并聯(lián)諧 振回路的等效阻抗為： S I O U 由圖（a）可得 （2-1） 由圖（b）可得 （2-2） （2-3） CjLjr CjL

2、jr I U Z S O / 1 )/ 1)( Lj Cj R Z P 1 1 1 P R L C 1 1 arctan 2.1.1 2.1.1 并聯(lián)諧振回路的選頻特性并聯(lián)諧振回路的選頻特性 在實(shí)際電路中，通常 r很小，滿(mǎn)足r ，因此， 式（2-1）可近似為 （2-4） 當(dāng) 時(shí)，回路產(chǎn)生諧振，由式（2-4）可知 并聯(lián)諧振回路在諧振時(shí)其等效阻抗為純電阻且為最大， 可用符號(hào) 表示，即 （2-5） 并聯(lián)諧振回路的諧振頻率 或 （2-6） L )/1( / CLjr CL Z Cr L RZ P LC 1 0 LC f 2 1 0 LC/ 1 2.1.1 2.1.1 并聯(lián)諧振回路的選頻特性并聯(lián)諧振回路

3、的選頻特性 在 LC諧振回路中，為了評(píng)價(jià)諧振回路損耗的大小， 常引入品質(zhì)因數(shù) Q，它定義為回路諧振時(shí)的感抗（或 容抗）與回路等效損耗電阻r 之比，即 （2-7） 式（2-4）代入式（2-7），則得 （2-8） 一般LC諧振回路的Q值在幾十到幾百范圍內(nèi)， Q值愈 大，回路的損耗愈小，其選頻特性就愈好。將式（2-8） 代入式（2-5）可得 （2-9） r C r L Q 00 /1 r C L Q/ C L QrQr rr CL r CL R p 2 / 2.1.1 2.1.1 并聯(lián)諧振回路的選頻特性并聯(lián)諧振回路的選頻特性 將式（2-5）、式（2-6）和式（2-7）代入式（2-4），則 得并聯(lián)諧振

4、回路阻抗頻率特性為 （2-10） 通常，諧振回路主要研究諧振頻率 附近的頻率特性。 由于 十分接近于 ，故可近似認(rèn)為 2 ， 2，并令 ，則式（2-10）可寫(xiě)成 （2-11） )(1)(1/ ) 1 (1 0 0 0 0 0 jQ R r L j R r C Lj R Z PPP 0 0 0 0 0 0 0 2 1 jQ R Z P 2.1.1 2.1.1 并聯(lián)諧振回路的選頻特性并聯(lián)諧振回路的選頻特性 其幅頻特性和相頻特性分別為 （2-12） （2-13） 2 0 2 1 Q R Z P ) 2 arctan( 0 Q 2.1.1 2.1.1 并聯(lián)諧振回路的選頻特性并聯(lián)諧振回路的選頻特性 根據(jù)

5、式（2-12）和式（2-13）可作出并聯(lián)諧振回路阻抗 幅頻特性和相頻特性曲線(xiàn)，如圖2-2（a）、（b）所示。 圖2-2 并聯(lián)諧振回路阻抗頻率特性曲線(xiàn) （a）幅頻特性曲線(xiàn) （b）相頻特性曲線(xiàn) 2.1.1 2.1.1 并聯(lián)諧振回路的選頻特性并聯(lián)諧振回路的選頻特性 2并聯(lián)諧振回路的通頻帶和選擇性并聯(lián)諧振回路的通頻帶和選擇性 （1）電壓諧振曲線(xiàn) 上面已求得并聯(lián)諧振回路的阻抗頻率特性。當(dāng)維持 信號(hào)源 的幅值不變時(shí)，改變其頻率，并聯(lián)回路兩端 電壓 的變化規(guī)律與回路阻抗頻率特性相似。 由圖2-1可知，并聯(lián)回路兩端輸出電壓 等于 （2-14） 將式（2-11）代入式（2-14），則得 （2-15） S I 0

6、 U ZIU 00 00 0 2 1 2 1 f f jQ U jQ RI U PPS 用 對(duì)式（2-15）兩邊相除并取模數(shù)，即得并聯(lián)諧振回路 輸出電壓幅頻特性（歸一化諧振函數(shù)）為 （2-16） 輸出電壓相頻特性為 （2-17） 根據(jù)式（2-16）和式（2-17）可以給出并聯(lián)諧振回路以失調(diào) 量 表示的幅頻特性和相頻特性曲線(xiàn)，如圖2-3（a）、 （b）所示。由圖可見(jiàn), Q值越大，幅頻特性曲線(xiàn)越尖銳， 相移特性曲線(xiàn)越陡峭。 P U 2 0 0 2 1 1 f f Q U U P ) 2 arctan( 0 f f Q f 2并聯(lián)諧振回路的通頻帶和選擇性并聯(lián)諧振回路的通頻帶和選擇性 圖2-3 并聯(lián)諧

7、振回路幅頻特性和相頻特性曲線(xiàn) （a）幅頻特性 （b）相頻特性 （2）通頻帶 當(dāng)占有一定頻帶的信號(hào)在并聯(lián)回路中 傳輸時(shí)，由于幅頻特性曲線(xiàn)的不均勻性，輸出電壓便 不可避免地產(chǎn)生頻率失真。為了限制諧振回路頻率失 真的大小而規(guī)定了諧振回路的通頻帶。 圖2-4 并聯(lián)諧振回路的通頻帶和選擇性 2并聯(lián)諧振回路的通頻帶和選擇性并聯(lián)諧振回路的通頻帶和選擇性 （3）選擇性 選擇性是指回路從含有各種不問(wèn)頻率信號(hào)總 和中選出有用信號(hào)、排除干擾信號(hào)的能力。 由于諧振回路具有諧振特性，所以它具有選 擇有用信號(hào)的能力。回路的諧振曲線(xiàn)越尖銳， 對(duì)無(wú)用信號(hào)的抑制作用越強(qiáng)，選擇性就越好。 2并聯(lián)諧振回路的通頻帶和選擇性并聯(lián)諧振回

8、路的通頻帶和選擇性 2.1.2 串聯(lián)諧振回路的選頻特性 圖2-5是LC 串聯(lián)諧振回路的基本形式，其中 是電感 的 損耗電阻。由圖可知并聯(lián)諧振回路的等效阻抗為 Cj Ljr C jLjr I U Z O 11 圖2-5 LC串聯(lián)諧振回路 2.1.3 阻抗變換電路 1信號(hào)源及負(fù)載對(duì)諧振回路的影響信號(hào)源及負(fù)載對(duì)諧振回路的影響 圖2-7（a）所示為實(shí)用的并聯(lián)諧振回路,圖中 為信號(hào)源 內(nèi)阻， 為負(fù)載電阻。由圖2-7（a）可寫(xiě)出 、 串聯(lián)電 路的導(dǎo)納為 222222 1 Lr L j Lr r Ljr Y （a）電路 （b）等效電路 （c）簡(jiǎn)化電路 圖 2-7 實(shí)用并聯(lián)諧振回路 當(dāng)r 時(shí)， ,所以，上式可

9、近似為 （2-27） 可見(jiàn)，式（2-27）可以看成一個(gè)電阻與電感L的并聯(lián)電 路。由于諧振回路通常研究在諧振頻率附近的特性， 所以式（2-27）中的 近似等于 （2-28） 222222 1 Lr L j Lr r Ljr Y L 22222 LLr 2222 L L j L r Y rL/ 22 p R Cr L r L r L 2 2 0 22 2.1.3 阻抗變換電路 由此可見(jiàn)，將并聯(lián)諧振回路中電感與電阻串聯(lián)電路變 換成電感與電阻并聯(lián)電路時(shí)，在 r 時(shí)，電感值 可近似不變，并聯(lián)的電阻值變?yōu)?,它比串聯(lián)電阻值r 大很多。 將圖2-7(b)中所有電阻合并為 ，即 （2-29） 因此，可把圖2-

10、7（b）簡(jiǎn)化為圖2-7（c）所示. 由式（2-9）可得 (2-30) L p R Lpse RRRR/ e R L C RQ ee 2.1.3 阻抗變換電路 2常用阻抗變換電路常用阻抗變換電路 （1）變壓器分壓式電路 （2-31） 由此不難得到負(fù)載電阻 折算到 一次繞組兩端的等效電阻 為 （2-32） 1 2 2 1 2 1 I I U U N N n LL Rn nI Un I U R 2 2 2 1 1 / 圖2-8 變壓器阻抗變換電路 （2）電感分壓式電路 圖2-9 所示為電感分壓器阻抗變換電路，該電路也稱(chēng) 為自耦變壓器阻抗變換電路。 （2-33） 由此不難得到負(fù)載電阻 折算到 一次繞組

11、兩端的等效電阻 為 （2-34） 1 2 2 1 2 21 2 21 2 I I U U ML MLL N NN n LL Rn nI Un I U R 2 2 2 1 1 / L R L R 圖2-9 電感分壓器阻抗變換電路 （3）電容分壓式電路 圖中 、 為分壓電容器， 為負(fù)載電阻， 是 經(jīng) 變換后的等效電阻。 設(shè)電容 、 是無(wú)耗的，根據(jù) 和 上所消耗的功率相等， 即 可得 （2-35） 式中 ,當(dāng) 時(shí)，可求得 由此可得 （2-36） 1 C 2 C L R L R L R LLL RnRUUR 2 2 21 / 21 /UUn 2 1 1 C R 21 11 2 21 21 1 2 1

12、/1 CC CU C CC CC U U 1 21 2 1 C CC U U n 圖2-10 電容分壓器阻抗變換電路 2.2 2.2 非線(xiàn)性電子線(xiàn)路的基本概念非線(xiàn)性電子線(xiàn)路的基本概念 2.2.1 線(xiàn)性與非線(xiàn)性電路。 全部由線(xiàn)性或處于線(xiàn)性工作狀態(tài)的元器件 組成的電路稱(chēng)為線(xiàn)性電路，電路中只要含 有一個(gè)元器件是非線(xiàn)性的或處于非線(xiàn)性工 作狀態(tài)的，則稱(chēng)為非線(xiàn)性電路。 。 圖2-12 線(xiàn)性與非線(xiàn)性電阻器件伏安特性曲線(xiàn) （a）線(xiàn)性電阻器件 （b）非線(xiàn)性電阻器件 2.2.1 線(xiàn)性與非線(xiàn)性電路 圖2-13 非線(xiàn)性器件在不同正弦電壓作用下的電流波形 2.2.1 線(xiàn)性與非線(xiàn)性電路 2.2.2 非線(xiàn)性電路的基本特點(diǎn)

13、由非線(xiàn)性器件構(gòu)成的非線(xiàn)性電路有以下基本特點(diǎn)： （1）非線(xiàn)性電路能夠產(chǎn)生新的頻率分量，具有頻率 變換作用； （2）非線(xiàn)性電路分析上不適用疊加定理： （3）當(dāng)作用信號(hào)很小，工作點(diǎn)取得適當(dāng)時(shí)，非線(xiàn)性 電路可近似按線(xiàn)性電路進(jìn)行分析。 2.3 2.3 頻率變換和混頻電路頻率變換和混頻電路 2.3.1 概述 2.3.2 混頻基本原理 2.3.3二極管環(huán)形混頻器和雙差分對(duì)混頻器 2.3.4 混頻電路圖識(shí)讀 2.3.5 混頻干擾 2.3.1 概述 混頻電路廣泛應(yīng)用于通信及其他電子設(shè)備中，它是超 外差接收機(jī)的重要組成部分。在發(fā)送設(shè)備中可用它來(lái) 改變載波頻率，以改善調(diào)制性能。在頻率合成器中常 用它來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的加、

14、減運(yùn)算，從而得到各種不同頻 率等。 2.3.2 混頻基本原理 混頻電路又稱(chēng)變頻電路，其作用是將已調(diào)信號(hào)的載頻 變換成另一載頻，變換后新載頻已調(diào)波的調(diào)制類(lèi)型 （調(diào)幅、調(diào)頻等）和調(diào)制參數(shù)（如調(diào)制頻率、調(diào)制系 數(shù)等）均不改變。 圖2-14 混頻電路的作用 2.3.3二極管環(huán)形混頻器和雙差分對(duì)混頻器 二極管環(huán)形混頻器的主要優(yōu)點(diǎn)是工作頻帶寬， 可達(dá)到幾千兆赫，噪聲系數(shù)低，混頻失真小， 動(dòng)態(tài)范圍大等，但其主要缺點(diǎn)是沒(méi)有混頻增 益。 圖2-16 二極管環(huán)形混頻電路 圖2-17 MC1496構(gòu)成的混頻電路 2.3.3二極管環(huán)形混頻器和雙差分對(duì)混頻器 2.3.4 混頻電路圖識(shí)讀 1晶體管混頻電路晶體管混頻電路

15、晶體管混頻電路是利用晶體管轉(zhuǎn)移特性的非線(xiàn)性特性 實(shí)現(xiàn)混頻的。 圖2-18 晶體管混頻電路原理圖 圖2-19 中波調(diào)幅收音機(jī)變頻電路 2.3.4 混頻電路圖識(shí)讀 2雙柵雙柵MOS場(chǎng)效應(yīng)管混頻電路場(chǎng)效應(yīng)管混頻電路 由于場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性具有二次特性，所以雙柵極 MOS場(chǎng)效應(yīng)管混頻電路輸出信號(hào)中的組合頻率分量比 晶體管的少，同時(shí)，它還有動(dòng)態(tài)范圍大、工作頻率高 等優(yōu)點(diǎn)。 （a）電路 （b）雙柵場(chǎng)效應(yīng)管等效電路 圖2-20 雙柵MOS場(chǎng)效應(yīng)管混頻電路 2.3.4 混頻電路圖識(shí)讀 2.3.5 混頻干擾 1信號(hào)與本振產(chǎn)生的組合頻率干擾信號(hào)與本振產(chǎn)生的組合頻率干擾 混頻器在信號(hào)電壓和本振電壓的共同作用下，產(chǎn)生

16、了 許多組合頻率分量，它們可表示為 （2-46） 式中，p 、q 分別為本振頻率和信號(hào)頻率的諧波次數(shù)， 它們均為任意正整數(shù)。絕對(duì)值號(hào)表示在任何情況下頻 率不可能為負(fù)值。 qP f 、L pf C qf 2干擾與本振產(chǎn)生的組合頻率干擾干擾與本振產(chǎn)生的組合頻率干擾 凡能加到混頻器輸入端的外來(lái)干擾信號(hào)，均可以在混 頻器中與本振電壓產(chǎn)生混頻作用，若形成的組合頻率 滿(mǎn)足 （2-47） 就會(huì)形成干擾。 為外來(lái)干擾信號(hào)的頻率，p ,q分別為本振頻率 和 干擾信號(hào)頻率 的諧波次數(shù)，它們?yōu)槿我庹麛?shù)。 L pf N qf I f N f N f I f 圖2-21 鏡像干擾分布情況 2.3.5 混頻干擾 3交叉調(diào)制和互相調(diào)制干擾交叉調(diào)制和互相調(diào)制干擾 （1）交叉調(diào)制干擾（簡(jiǎn)稱(chēng)交調(diào)干擾） 交叉調(diào)制干擾是由混頻器非線(xiàn)性特性的高次方項(xiàng)所引 起的。 抑