第2章高頻電路基礎(chǔ)與系統(tǒng)問題

1、第2章 高頻電路基礎(chǔ)第第2章高頻電路基礎(chǔ)與系統(tǒng)問題章高頻電路基礎(chǔ)與系統(tǒng)問題2.1 高頻電路中的元器件高頻電路中的元器件 2.2 高頻電路中的組件高頻電路中的組件 2.3 阻抗變換與阻抗匹配阻抗變換與阻抗匹配 2.4 電子噪聲與接收靈敏度電子噪聲與接收靈敏度2.5 非線性失真與動太范圍非線性失真與動太范圍2.6 高頻電路的電磁兼容高頻電路的電磁兼容 思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題 第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.1.1 高頻電路中的元件高頻電路中的元件1 電阻器電阻器一個實(shí)際的電阻器，在低頻時主要表現(xiàn)為電阻特性，但在高頻使用時不僅表現(xiàn)有電阻特性的一面，而且還表現(xiàn)有電抗特性的一面。電阻器的電抗特性反映的就是其高

2、頻特性。一個電阻R的高頻等效電路如圖2-1所示，其中，CR為分布電容，LR為引線電感，R為電阻。分布電容和引線電感越小，表明電阻的高頻特性越好。電阻器的高頻特性與制作電阻的材料、電阻的封裝形式和尺寸大小有密切關(guān)系。一般說來，金屬膜電阻比碳膜電阻的高頻特性要好，而碳膜電阻比線繞電阻的高頻特性要好; 表面貼裝(SMD)電阻比引線電阻的高頻特性要好; 小尺寸的電阻比大尺寸的電阻的高頻特性要好。2.1 高頻電路中的元器件高頻電路中的元器件第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-1 電阻的高頻等效電路第2章 高頻電路基礎(chǔ)2. 電容器電容器由介質(zhì)隔開的兩導(dǎo)體即構(gòu)成電容。作為電路元件的電容器一般只考慮其電容量值(標(biāo)稱值

3、)，在理論上也只按電容量來處理。但實(shí)際上一個電容器的等效電路卻如圖2-2(a)所示。其中，電阻RC為極間絕緣電阻，它是由于兩導(dǎo)體間的介質(zhì)的非理想(非完全絕緣)所致，通常用損耗角或品質(zhì)因數(shù)QC來表示; 電感LC為分布電感或(和)極間電感，小容量電容器的引線電感也是其重要組成部分。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖2-2 電容器的高頻等效電路(a) 電容器的等效電路; (b) 電容器的阻抗特性第2章 高頻電路基礎(chǔ)理想電容器的阻抗為1/(jC)，如圖2-2(b)虛線所示，其中，f 為工作頻率，=2f。但實(shí)際的電容器在高頻運(yùn)用時的阻抗頻率特性如圖2-2(b)實(shí)線所示，呈V形特性，而且其具體形狀與電容器的種類和電容

4、量的不同有關(guān)。由此可知，每個電容器都有一個自身諧振頻率SRF(Self Resonant Frequency)。當(dāng)工作頻率小于自身諧振頻率時，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，電容器將等效為一個電感。第2章 高頻電路基礎(chǔ)3. 電感器電感器高頻電感器與普通電感器一樣，電感量是其主要參數(shù)。電感量L產(chǎn)生的感抗為jL，其中，為工作角頻率。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)，由于導(dǎo)線都有一定的直流電阻，所以高頻電感器具有直流電阻R。把兩個或多個電感線圈靠近放置就可組成一個高頻變壓器。第2章 高頻電路基礎(chǔ)工作頻率越高，趨膚效應(yīng)越強(qiáng)，再加上渦流損失

5、、磁芯電感在磁介質(zhì)內(nèi)的磁滯損失以及由電磁輻射引起的能量損失等，都會使高頻電感的等效電阻(交流電阻)大大增加。一般地，交流電阻遠(yuǎn)大于直流電阻，因此，高頻電感器的電阻主要指交流電阻。但在實(shí)際中，并不直接用交流電阻來表示高頻電感器的損耗性能，而是引入一個易于測量、使用方便的參數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q來表征。品質(zhì)因數(shù)Q定義為高頻電感器的感抗與其串聯(lián)損耗電阻之比。Q值越高，表明該電感器的儲能作用越強(qiáng)，損耗越小。因此，在中短波段和米波波段，高頻電感可等效為電感和電阻的串聯(lián)或并聯(lián)。第2章 高頻電路基礎(chǔ)若工作頻率更高，電感內(nèi)線圈匝與匝之間及各匝與地之間的分布電容的作用就十分明顯，等效電路應(yīng)考慮電感兩端總的分布電容，它應(yīng)與

6、電感并聯(lián)。與電容器類似，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。第2章 高頻電路基礎(chǔ) 圖 2-3 高頻電感器的自身諧振頻率SRF第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.1.2 高頻電路中的有源器件高頻電路中的有源器件1. 二極管二極管半導(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。因此主要用點(diǎn)接觸式二極管和表面勢壘二極管(又稱肖特基二極管)。兩者都利用多數(shù)載流子導(dǎo)電機(jī)理，它們的極間電容小、工作頻率高。常用的點(diǎn)接觸式二極管(如2AP系列)，工作頻率可到100200 MHz，而表面勢壘二極管，工作頻率可高至微波范圍。

7、第2章 高頻電路基礎(chǔ)另一種在高頻中應(yīng)用很廣的二極管是變?nèi)荻O管，其特點(diǎn)是電容隨偏置電壓變化。我們知道，半導(dǎo)體二極管具有PN結(jié)，而PN結(jié)具有電容效應(yīng)，它包括擴(kuò)散電容和勢壘電容。當(dāng)PN結(jié)正偏時，擴(kuò)散效應(yīng)起主要作用； 而當(dāng)PN結(jié)反偏時，勢壘電容將起主要作用。利用PN結(jié)反偏時勢壘電容隨外加反偏電壓變化的機(jī)理，在制作時用專門工藝和技術(shù)經(jīng)特殊處理而制成的具有較大電容變化范圍的二極管就是變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管的結(jié)電容Cj與外加反偏電壓u之間呈非線性關(guān)系。變?nèi)荻O管在工作時處于反偏截止?fàn)顟B(tài)，基本上不消耗能量，噪聲小，效率高。將它用于振蕩回路中，可以作成電調(diào)諧器，也可以構(gòu)成自動調(diào)諧電路等。變?nèi)莨苋粲糜谡袷幤髦校?/p>

8、可以通過改變電壓來改變振蕩信號的頻率。這種振蕩器稱為壓控振蕩器(VCO)。壓控振蕩器是鎖相環(huán)路的一個重要部件。電調(diào)諧器和壓控振蕩器也廣泛用于電視接收機(jī)的高頻頭中。具有變?nèi)菪?yīng)的某些微波二極管(微波變?nèi)莨?還可以進(jìn)行非線性電容混頻、倍頻。 第2章 高頻電路基礎(chǔ)還有一種以P型、N型和本征(I)型三種半導(dǎo)體構(gòu)成的PIN二極管，它具有較強(qiáng)的正向電荷儲存能力。它的高頻等效電阻受正向直流電流的控制，是一電可調(diào)電阻。它在高頻及微波電路中可以用作電可控開關(guān)、限幅器、電調(diào)衰減器或電調(diào)移相器。第2章 高頻電路基礎(chǔ)2. 晶體管與場效應(yīng)管晶體管與場效應(yīng)管(FET)在高頻中應(yīng)用的晶體管仍然是雙極晶體管和各種場效應(yīng)管，

9、這些管子比用于低頻的管子性能更好，在外形結(jié)構(gòu)方面也有所不同。第2章 高頻電路基礎(chǔ)高頻晶體管有兩大類型: 一類是作小信號放大的高頻小功率管，對它們的主要要求是高增益和低噪聲; 另一類為高頻功率放大管，除了增益外，要求其在高頻有較大的輸出功率。目前雙極型小信號放大管，工作頻率可達(dá)幾千兆赫茲，噪聲系數(shù)為幾分貝。小信號的場效應(yīng)管也能工作在同樣高的頻率，且噪聲更低。一種稱為砷化鎵的場效應(yīng)管，其工作頻率可達(dá)十幾千兆赫茲以上。在高頻大功率晶體管方面，在幾百兆赫茲以下頻率，雙極型晶體管的輸出功率可達(dá)十幾瓦至上百瓦。而金屬氧化物場效應(yīng)管(MOSFET)，甚至在幾千兆赫茲的頻率上還能輸出幾瓦功率。第2章 高頻電路

10、基礎(chǔ)3. 集成電路集成電路用于高頻的集成電路的類型和品種要比用于低頻的集成電路少得多，主要分為通用型和專用型兩種。目前通用型的寬帶集成放大器，工作頻率可達(dá)一二百兆赫茲，增益可達(dá)五六十分貝， 甚至更高。用于高頻的晶體管模擬相乘器，工作頻率也可達(dá)一百兆赫茲以上。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，也生產(chǎn)出了一些高頻的專用集成電路(ASIC)。其中包括集成鎖相環(huán)、集成調(diào)頻信號解調(diào)器、單片集成接收機(jī)以及電視機(jī)中的專用集成電路等。由于各種有源器件的基本原理在有關(guān)前修課程中已經(jīng)討論過，而它們的具體應(yīng)用在本書各章中又將詳細(xì)討論，這里只對高頻電路中有源器件的應(yīng)用作一概括性的綜述， 下面將著重介紹和討論用于高頻中的無源網(wǎng)絡(luò)。第

11、2章 高頻電路基礎(chǔ)2.2.1 高頻振蕩回路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、信號選擇等任務(wù)，并可直接作為負(fù)載使用。下面分簡單振蕩回路、抽頭并聯(lián)振蕩回路和耦合振蕩回路三部分來討論。2.2 高頻電路中的組件高頻電路中的組件第2章 高頻電路基礎(chǔ)1. 簡單振蕩回路簡單振蕩回路振蕩回路就是由電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)形成的回路。只有一個回路的振蕩電路稱為簡單振蕩回路或單振蕩回路。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

12、是它在高頻電子線路中得到廣泛應(yīng)用的重要原因。第2章 高頻電路基礎(chǔ)1) 串聯(lián)諧振回路圖2-4(a)是最簡單的串聯(lián)振蕩回路。圖中，r是電感線圈L中的損耗電阻，r通常很小，可以忽略，C為電容。振蕩回路的諧振特性可以從它們的阻抗頻率特性看出來。對于圖2-4(a)的串聯(lián)振蕩回路，當(dāng)信號角頻率為時，其串聯(lián)阻抗為CLrCLrZ1jj1jS(2-1)第2章 高頻電路基礎(chǔ)回路電抗、回路阻抗的模|ZS|和輻角隨變化的曲線分別如圖2-4(b)、(c)和(d)所示。由圖可知，當(dāng)r; 當(dāng)0時，回路呈感性，|ZS|r; 當(dāng)=0時，感抗與容抗相等， |ZS|最小，并為一純電阻r，我們稱此時發(fā)生了串聯(lián)諧振，且串聯(lián)諧振角頻率0

13、為 (2-2)串聯(lián)諧振頻率是串聯(lián)振蕩回路的一個重要參數(shù)。 CLX1LC10第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖2-4 串聯(lián)振蕩回路及其特性第2章 高頻電路基礎(chǔ)U若在串聯(lián)振蕩回路兩端加一恒壓信號，則發(fā)生串聯(lián)諧振時因阻抗最小，流過電路的電流最大，稱為諧振電流，其值為 (2-3)rUI0第2章 高頻電路基礎(chǔ) j1 1 j1 1 1j1 1 00000SS0QrLrCLZrrUZUII在任意頻率下的回路電流與諧振電流之比為(2-4)I第2章 高頻電路基礎(chǔ)其模為 (2-5)其中， (2-6)2002011QIICrrLQ001第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-5 串聯(lián)諧振回路的諧振曲線第2章 高頻電路基礎(chǔ)稱為回路的品質(zhì)因數(shù)

14、，它是振蕩回路的另一個重要參數(shù)。根據(jù)式(2-5)畫出相應(yīng)的曲線如圖2-5所示，稱為諧振曲線。由圖可知，回路的品質(zhì)因數(shù)越高，諧振曲線越尖銳，回路的選擇性越好。因此，回路品質(zhì)因數(shù)的大小可以說明回路選擇性的好壞。另外一個反映回路選擇性好壞的參數(shù)矩形系數(shù)的概念將在后面給出。在高頻中通常Q是遠(yuǎn)大于1的值(一般電感線圈的Q值為幾十到一二百)。在串聯(lián)回路中，電阻、電感、電容上的電壓值與阻抗值成正比，因此串聯(lián)諧振時電感及電容上的電壓為最大，其值為電阻上電壓值的Q倍，也就是恒壓源的電壓值的Q倍。發(fā)生諧振的物理意義是，此時，電容中儲存的電能和電感中儲存的磁能周期性地轉(zhuǎn)換，并且儲存的最大能量相等。 第2章 高頻電路

15、基礎(chǔ)在實(shí)際應(yīng)用中，外加信號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，(2-7)0000002020022 第2章 高頻電路基礎(chǔ)令(2-8)為廣義失諧，則式(2-5)可寫成(2-9)當(dāng)保持外加信號的幅值不變而改變其頻率時，將回路電流值下降為諧振值的時對應(yīng)的頻率范圍稱為回路的通頻帶，也稱回路帶寬，通常用B來表示。令式(2-9)等于 0.707，則可推得=1，從而可得帶寬B0.707或B0.7為(2-10)0022ffQQ2011II2/1QffB07 . 022/1第2章 高頻電路基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)指出，以上所用到的品質(zhì)因數(shù)都是指回路沒有外加負(fù)載時的值，稱為空載 Q 值

16、或 Q0 。當(dāng)回路有外加負(fù)載時，品質(zhì)因數(shù)要用有載 Q 值或 QL 來表示，其中的電阻 r 應(yīng)為考慮負(fù)載后的總的損耗電阻。串聯(lián)振蕩回路的相位特性與其輻角特性相反。在諧振時回路中的電流、電壓關(guān)系如圖2-6所示，圖中與同相，和 分別為電感和電容上的電壓。由圖可知， 和反相。UCUCU0ILULU第2章 高頻電路基礎(chǔ) 圖2-6 串聯(lián)回路在諧振時的電流、電壓關(guān)系第2章 高頻電路基礎(chǔ)2) 并聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路適用于電源內(nèi)阻為低內(nèi)阻(如恒壓源)的情況或低阻抗的電路(如微波電路)。當(dāng)頻率不是非常高時，并聯(lián)諧振回路應(yīng)用最廣。并聯(lián)諧振回路是與串聯(lián)諧振回路對偶的電路，其等效電路、阻抗特性和輻角特性分別如圖2-7

17、(b)、(c)和(d)所示。第2章 高頻電路基礎(chǔ)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)輻角特性第2章 高頻電路基礎(chǔ)并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)阻抗為 (2-11)我們也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 式中，Q為回路的品質(zhì)因數(shù)，有CLrCLrZj1jj1)j(p20111QLCCrrLQ001第2章 高頻電路基礎(chǔ)當(dāng)Q1時，。回路在諧振時的阻抗最大，為一電阻R0 (2-12)我們還關(guān)心并聯(lián)回路在諧振頻率附近的阻抗特性，同樣考慮高Q條件下，可將式(2-11)表示為(2-13

18、) LC10CQLQCrLR00000pj1QCrLZ第2章 高頻電路基礎(chǔ)并聯(lián)回路通常用于窄帶系統(tǒng)，此時與0相差不大，式(2-13)可進(jìn)一步簡化為(2-14)式中，=0。對應(yīng)的阻抗模值與幅角分別為(2-15)(2-16)j12j1000pRQRZ20200p121|RQRZarctan2arctan0ZQ第2章 高頻電路基礎(chǔ)上述特性可以在圖2-7中反映出來。在圖2-7(b)的等效電路中，并聯(lián)電阻R0是等效到回路兩端的并聯(lián)諧振電阻，電感和電容中沒有損耗電阻。從圖2-7(c)、(d)可以看出，Q值越高，阻抗和幅角在諧振頻率附近變化就越快。對于并聯(lián)諧振回路，若將阻抗值下降為的頻率范圍稱為通頻帶B，則

19、它與式(2-10)相同。2/0R第2章 高頻電路基礎(chǔ)在圖2-7(b)的等效電路中，流過L的電流是感性電流，它落后于回路兩端電壓90。是容性電流，超前于回路兩端電壓90。則與回路電壓同相。諧振時與相位相反，大小相等。此時流過回路的電流正好就是流過 R0 的電流。由式(2-12)還可看出，由于回路并聯(lián)諧振電阻 R0 為0L(或1/0C)的Q倍，并聯(lián)電路各支路電流大小與阻抗成反比， 因此電感和電容中的電流為外部電流的Q倍，即有 IL=IC=QI (2-17)圖2-8表示了并聯(lián)振蕩回路中諧振時的電流、電壓關(guān)系。 LICIRILICIIRI第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖2-8并聯(lián)回路中諧振時的電流、電壓關(guān)系第2

20、章 高頻電路基礎(chǔ)當(dāng)信號頻率低于諧振頻率，即0時，整個回路呈容性阻抗。圖2-7(d)也表示出了此關(guān)系。應(yīng)當(dāng)指出，以上討論的是高Q的情況。如果Q值較低時，并聯(lián)振蕩回路諧振頻率將低于高Q情況的頻率，并使諧振曲線和相位特性隨著Q值而偏離。下面舉一例說明簡單并聯(lián)振蕩回路的計算。第2章 高頻電路基礎(chǔ)例例 2-1 設(shè)一放大器以簡單并聯(lián)振蕩回路為負(fù)載，信號中心頻率fs=10 MHz，回路電容C=50 pF，(1) 試計算所需的線圈電感值。(2) 若線圈品質(zhì)因數(shù)為Q=100，試計算回路諧振電阻及回路帶寬。(3) 若放大器所需的帶寬B0.7=0.5 Hz，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? 第2

21、章 高頻電路基礎(chǔ)解解 (1) 計算L值。由式(2-2)，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)用計算公式:將f0=fs=10 MHz代入，得CfCL20220)2(11CfCfL2062022533010121H07. 5L第2章 高頻電路基礎(chǔ)(2) 回路諧振電阻和帶寬。由式(2-12)回路帶寬為k 8 .311018. 3 1007. 510210046700LQRkHz 1000QfB第2章 高頻電路基礎(chǔ)(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

22、式，有此時要求的帶寬B0.7=0.5 MHz，故回路總電阻為需要在回路上并聯(lián)7.97 k的電阻。7 . 00LBfQ 20LQk 37. 61007. 510220670L1010LQRRRRk 97. 737. 637. 6001RRR第2章 高頻電路基礎(chǔ)2. 抽頭并聯(lián)振蕩回路抽頭并聯(lián)振蕩回路在實(shí)際應(yīng)用中，常常用到激勵源或負(fù)載與回路電感或電容部分連接的并聯(lián)振蕩回路，即抽頭并聯(lián)振蕩回路。圖2-9是幾種常用的抽頭振蕩回路。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)回路與信號源的阻抗匹配(如圖2-9(a)、(b)，或者進(jìn)行阻抗變換(如圖2-9(d)、(e)。也就是說，除了回路的基本參數(shù)0

23、、Q和R0外，還增加了一個可以調(diào)節(jié)的因子。這個調(diào)節(jié)因子就是接入系數(shù)(抽頭系數(shù))p。它被定義為: 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。p也可以用電壓比來表示，即(2-18)TUUp 第2章 高頻電路基礎(chǔ)因此，又把抽頭系數(shù)稱為電壓比或變比。下面簡單分析圖2-9(a)和(b)兩種電路。仍然考慮窄帶高Q的實(shí)際情況。對于圖2-9(a)，設(shè)回路處于諧振或失諧不大時，流過電感的電流L仍然比外部電流大得多，即ILI，因而UT比U大。當(dāng)諧振時，輸入端呈現(xiàn)的電阻設(shè)為R，從功率相等的關(guān)系看，有(2-19)RURU22202T0202TRpRUUR第2章 高頻電路基礎(chǔ)其中，接入系數(shù)p用元件參數(shù)

24、表示時則要復(fù)雜些。仍假設(shè)滿足ILI， 并設(shè)抽頭部分的電感為L1，若忽略兩部分間的互感，則接入系數(shù)為p=L1/L。實(shí)際上，一般是有互感的。設(shè)上下兩段線圈間的互感值為M，則接入系數(shù)p=(L1+M)/L。對于緊耦合的線圈電感(即后面將介紹的帶抽頭的高頻變壓器)，設(shè)抽頭的線圈匝數(shù)為N1，總匝數(shù)為N，因線圈上的電壓與匝數(shù)成比例，其接入系數(shù)為p=N1/N。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖2-9 幾種常見抽頭振蕩回路第2章 高頻電路基礎(chǔ)事實(shí)上，接入系數(shù)的概念不只是對諧振回路適用，在非諧振回路中通常用電壓比來定義接入系數(shù)。根據(jù)分析，在回路失諧不大，p又不是很小的情況下，輸入端的阻抗也有類似關(guān)系 (2-20) 對于圖2-

25、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)002T2j21QRpZpZ21121212T11CCCCCCCCUUp第2章 高頻電路基礎(chǔ)在實(shí)際中，除了阻抗需要折合外，有時信號源也需要折合。對于電壓源，由式(2-18)可得U=pUT對于如圖2-10所示的電流源，其折合關(guān)系為IT=pI (2-22)需要注意，對信號源進(jìn)行折合時的變比是p，而不是p2。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-10 電流源的折合第2章 高頻電路基礎(chǔ)在抽頭回路中，由于激勵端的電壓U小于回路兩端電壓UT，從功率等效的概念來考慮，回路要得到同樣功率，抽頭端的電流要更大些(與不抽頭回路相比)。這也意味著諧振時的回路電流

26、IL和IC與I的比值要小些，而不再是Q倍。由及0TTLLRQUUIRUI QRRUUII0TL第2章 高頻電路基礎(chǔ)可得IL=pQI (2-23) 接入系數(shù)p越小，IL與I的比值也越小。在上面的分析中，曾假設(shè)ILI, 當(dāng)p較小時將不能滿足， 因此阻抗(2-20)的近似公式的適用條件為IL/I=Pq1。例例 2-2 如圖2-11， 抽頭回路由電流源激勵，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。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-11 例2的抽頭回路第2章 高頻電路基礎(chǔ)解解 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

27、兩端的電阻為pF 10002121CCCCCrad/s 10170LC5 . 0211CCCp 2000112RpR第2章 高頻電路基礎(chǔ)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)回路帶寬在上述近似計算中，u1(t)與u(t)同相?？紤]到R1對實(shí)際分壓比的影響，u1(t)與u(t)之間還有一小的相移。V 10cos2)(7ttuV 10cos)()(71ttputu20100020000LLRQkHz 80L0QfB第2章 高頻電路基礎(chǔ)3. 耦合振蕩回路耦合振蕩回路在高頻電路中，有時用到兩個互相耦合的振蕩回路，也稱為雙調(diào)諧回路。把接有激勵信號源的回

28、路稱為初級回路，把與負(fù)載相接的回路稱為次級回路或負(fù)載回路。圖 2-12 是兩種常見的耦合回路。圖 2-12(a)是互感耦合電路，圖 2-12(b)是電容耦合回路。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-12 兩種常見的耦合回路及其等效電路第2章 高頻電路基礎(chǔ)耦合振蕩回路在高頻電路中的主要功用，一是用來進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換以完成高頻信號的傳輸; 一是形成比簡單振蕩回路更好的頻率特性。通常應(yīng)用時都滿足下述兩個條件: 一是兩個回路都對信號頻率調(diào)諧; 另一個是都為高Q電路。下面以圖 2-12(a)的互感耦合回路為主來分析說明它的原理和特性。反映兩回路耦合大小的是兩線圈間的互感M，以及互感與初次級電感L1、L2 的大小關(guān)系

29、。耦合阻抗為Zm=jXm=jM。為了反映兩回路的相對耦合程度，可以引入一耦合系數(shù)k，它定義為Xm與初次級中與Xm同性質(zhì)兩電抗的幾何平均值之比，即(2-24)21212LLMLLMk第2章 高頻電路基礎(chǔ) 對于圖 2-12(b)電路，耦合系數(shù)為 (2-25) 根據(jù)電路理論，當(dāng)初級有信號源激勵時，初級回路電流 通過耦合阻抗將在次級回路中產(chǎn)生一感應(yīng)電勢，從而在次級回路中產(chǎn)生電流。次級回路必然要對初級回路產(chǎn)生反作用(即要在初級產(chǎn)生反電勢)，此反作用可以通過在初級回路中引入一反映(射)阻抗 Zf 來等效。反映阻抗為 (2-26)(21CCCCCCCCk1I1jIM2I2I22222mZMZZZf第2章 高

30、頻電路基礎(chǔ)Z2是次級回路的串聯(lián)阻抗，它具有串聯(lián)諧振的特性。當(dāng)次級回路諧振時，Zf為一電阻rf，會使初級并聯(lián)諧振電阻下降。在次級失諧時，Zf為一隨頻率變化的感性阻抗(0)。顯然，Zf的影響會使初級的并聯(lián)阻抗Z1和初次級的轉(zhuǎn)移阻抗Z21的頻率特性發(fā)生變化。第2章 高頻電路基礎(chǔ)耦合回路常作為四端網(wǎng)絡(luò)(兩端口網(wǎng)絡(luò))應(yīng)用，我們更關(guān)心的是它的轉(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(這是常見的情況)，在此條件下來分析轉(zhuǎn)移阻抗。此時有L1=L2=L, C1=C2=C, Q1=Q2=Q再引入兩個參數(shù)，廣義失諧 (2-27)耦合因子A=kQ (2-28)初次級串聯(lián)阻抗可分別表示為耦合阻抗為000

31、02QrL)j1 (11 rZ)j1 (22 rZMZjm第2章 高頻電路基礎(chǔ)2Im1ZI由圖2-12(c)等效電路，轉(zhuǎn)移阻抗為 (2-29)由次級感應(yīng)電勢產(chǎn)生，有考慮次級的反映阻抗，則將上兩式代入式(2-29)，再考慮其它關(guān)系，經(jīng)簡化得(2-30)EICCECjICjIUZ2212122221112m12ZZII22m1111)(ZZZIZZIEfj21 j22021AACQZ第2章 高頻電路基礎(chǔ)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)若不計常數(shù)因子，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，這表示兩回路的耦合程度要影響曲線的高度和形狀。

32、以為變量，對式(2-30)求極值可知，當(dāng)耦合因子A小于1時，在=0 處有極大值。當(dāng)A大于1，則有兩個極大值，在=0 處有凹點(diǎn)。此時|Z21|曲線為雙峰。求出|Z21|的極大值|Z21|max，可以求出不同A時的歸一化轉(zhuǎn)移阻抗(2-32)j21 LjQ22021AAZ2222max21214)1 (2 |AAZZ第2章 高頻電路基礎(chǔ)通常將A=1 的情況稱為臨界耦合，而將此時耦合系數(shù)稱為臨界耦合系數(shù)(2-33)而將A1，或kk0 稱為過耦合; A1，或kk0 稱為欠耦合。圖 2-13 為歸一化的轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性。由圖可見，當(dāng)kk0的過耦合狀態(tài)，它可以得到更大的帶寬。但凹陷點(diǎn)的值小于 0.707

33、的過耦合情況沒有什么應(yīng)用價值。根據(jù)式(2-32)的頻率特性可以分析出最大凹陷點(diǎn)也為0.707時的耦合因子及帶寬，它們分別為A=2.41必須再一次指出，以上分析只限于高Q值的窄帶耦合回路。順便指出，多個單回路級聯(lián)的情況和參差調(diào)諧(不同回路調(diào)諧于不同頻率)的情況請參見本書第 3 章和其它參考書。QfB07 . 01 . 3第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.2.2 高頻變壓器和傳輸線變壓器高頻變壓器和傳輸線變壓器在幾十兆赫茲以下的高頻范圍中，與低頻變壓器原理相同的高頻變壓器常有應(yīng)用。在高頻電路中變壓器的功用仍然是進(jìn)行信號傳輸和阻抗變換，但也可用來隔絕直流。另一種用傳輸線繞制的變壓器稱為傳輸線變壓器，它是高頻中

34、專用的，它也可以工作在更高工作頻率(如幾百兆赫茲)，而且它的工作頻帶寬，還可以完成一些其它功能。第2章 高頻電路基礎(chǔ)1. 高頻變壓器高頻變壓器變壓器是靠磁通交鏈，或者說是靠互感進(jìn)行耦合的。兩個耦合的線圈，通常只有當(dāng)兩者緊耦合時，方稱它為變壓器。如果用前面定義的互感耦合系數(shù)k表示，只有當(dāng)k接近1時，性能才接近理想變壓器。因此，高頻變壓器同樣以某種磁性材料作為公共的磁路，以增加線圈間的耦合。但高頻變壓器在磁芯材料和變壓器結(jié)構(gòu)上都與低頻變壓器有較大不同， 主要表現(xiàn)在: (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。最常用的高頻磁芯是鐵氧體材料(鐵氧體材料也可用于低頻中)，

35、一般有錳鋅鐵氧體MXO和鎳鋅鐵氧體NXO兩種。前者導(dǎo)磁率(通常以相對導(dǎo)磁率表示)高，但高頻損耗大，多用于幾百千赫茲至幾兆赫茲范圍，或者允許有較大損耗的高頻范圍。后者導(dǎo)磁率較低，但高頻損耗小，可用于幾十兆赫茲甚至更高的頻率范圍。第2章 高頻電路基礎(chǔ)(2) 高頻變壓器一般用于小信號場合，尺寸小，線圈的匝數(shù)較少。因此，其磁芯的結(jié)構(gòu)形狀與低頻時不同，主要采用圖 2-14(a)、(b)的環(huán)形結(jié)構(gòu)和罐形結(jié)構(gòu)。初次級線圈直接穿繞在環(huán)形結(jié)構(gòu)的磁環(huán)上，或繞制在骨架上，放于兩罐之間。罐形結(jié)構(gòu)中磁路允許有氣隙，可以用調(diào)節(jié)氣隙大小的方法來微調(diào)變壓器的電感。圖 2-14(c)是雙孔磁芯，它是環(huán)形磁芯的一種變形，可以在兩

36、個孔中分別繞制線圈。第2章 高頻電路基礎(chǔ)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) 雙孔磁芯第2章 高頻電路基礎(chǔ)高頻變壓器的近似等效電路如圖 2-15(b)所示。它忽略了實(shí)際變壓器中存在的各種損耗(磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗和導(dǎo)線電阻損耗)和漏感。除了元件數(shù)值范圍不同外，它與低頻變壓器的等效電路沒有什么不同。圖中，虛線內(nèi)為理想變壓器，L為初級勵磁電感，LS為漏感，CS為變壓器的分布電容。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-15 高頻變壓器及其等效電路(a) 電路符號; (b) 等效電路第2章 高頻電路基礎(chǔ)當(dāng)高頻變壓器用于窄帶電路時，只要知道此頻率時等效電路中的參數(shù)

37、L、LS和CS，就不難構(gòu)成實(shí)際電路并進(jìn)行計算。當(dāng)用在寬帶電路，比如用作寬帶阻抗變換器時，希望在寬頻帶內(nèi)有比較均勻的阻抗和傳輸特性。由圖 2-15(b)的等效電路可以看出，影響寬帶特性的因素就是L、LS和CS。在低頻端，由于勵磁電感L的阻抗小，對負(fù)載起分流作用，影響低頻響應(yīng)。在高頻端，CS阻抗起旁路作用，而漏感LS的阻抗大，起分壓作用。CS與LS是引起高頻傳輸系數(shù)下降的主要因素。L、LS和CS對變壓器頻率特性的影響，還與端接的負(fù)載阻抗大小有關(guān)。高頻變壓器在寬帶應(yīng)用時，在不同頻率范圍，可忽略某些參數(shù)的影響，進(jìn)一步簡化電路和分析。在低頻端，LS和CS的影響可忽略; 在高頻端，L的旁路作用可忽略。要展

38、寬高頻范圍，應(yīng)盡量減小LS和CS。減少變壓器的初次級線圈匝數(shù)，可以減小漏感LS和分布電容CS；但勵磁電感L將隨匝數(shù)減小而迅速減小，這會導(dǎo)致低頻響應(yīng)變差。比較好的方法是采用高導(dǎo)磁率的高頻磁芯，可以在減小匝數(shù)時保持所需的勵磁電感值。第2章 高頻電路基礎(chǔ)目前，在低阻抗負(fù)載電路中(幾十歐姆至上百歐姆)，在變壓比(N1/N2或N2/N1)不很大的情況下，高頻變壓器的頻帶寬度可以做到 34 個倍頻程(即最高頻率與最低頻率比為816)甚至還可更高些。在某些高頻電路中經(jīng)常會用到一種具有中心抽頭的三繞組高頻變壓器，稱之為中心抽頭變壓器，它可以實(shí)現(xiàn)多個輸入信號的相加或相減，在某些端口間有隔離，另一些端口間有最大的

39、功率傳輸。圖 2-16(a)是一中心抽頭變壓器的示意圖。初級為兩個等匝數(shù)的線圈串聯(lián)，極性相同， 設(shè)初次級匝比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U1=U2=nU3 (2-37)I3=n(I1+I2) (2-38)第2章 高頻電路基礎(chǔ)中心抽頭變壓器的一種典型應(yīng)用就是作為四端口器件，圖 2-16(b)表示了這一情況。四端口上接有Z1、Z2、Z3、Z4阻抗，根據(jù)不同應(yīng)用，可在某些端口加信號源。中心抽頭變壓器的用途很多，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(二極管、晶體管)組合構(gòu)成一些非線性變換電路。 第 5 章中的平衡調(diào)制器、環(huán)形調(diào)制器中就要用到它。

40、第2章 高頻電路基礎(chǔ)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)用第2章 高頻電路基礎(chǔ)2. 傳輸線變壓器傳輸線變壓器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。第2章 高頻電路基礎(chǔ)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) 電路第2章 高頻電路基礎(chǔ)傳輸線變壓器中的傳輸線主要是指用來傳輸高頻信號的雙導(dǎo)線、同軸線。圖 2-17(a)的互相絕緣的雙導(dǎo)線(一般用漆包線)應(yīng)扭絞在一起，也常用細(xì)同軸電纜繞制。傳輸線就是利用兩導(dǎo)線間(或同軸線內(nèi)外導(dǎo)體間)的分布電容和分布電感形成一電磁波的

41、傳輸系統(tǒng)。它傳輸信號的頻率范圍很寬， 可以從直流到幾百、上千兆赫茲(同軸電纜)。傳輸線的主要參數(shù)是波速、波長及特性阻抗。波速與波長分別為 (2-39) (2-40)rcr0f第2章 高頻電路基礎(chǔ)式中，r為傳輸線的相對介電常數(shù)。因r總是大于1(一般為 24), 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。傳輸線特性阻抗ZC取決于傳輸線的橫向尺寸(導(dǎo)線粗細(xì)、導(dǎo)線間距離、介質(zhì)常數(shù))的參數(shù)。當(dāng)傳輸線端接的負(fù)載電阻值與特性阻抗ZC相等時，傳輸線上傳輸行波，此時有最大的傳輸帶寬。第2章 高頻電路基礎(chǔ)從原理上講，傳輸線變壓器既可以看作是繞在磁環(huán)上的傳輸線，也可以看作是雙線并繞的 1 1 變壓

42、器， 因此它兼有傳輸線和高頻變壓器兩者的特點(diǎn)。傳輸線變壓器有兩種工作方式(也可以說是兩種模式)。一種是傳輸線工作方式， 一種是變壓器工作方式，如圖2-18 所示。不同方式?jīng)Q定于信號對它的不同激勵。傳輸線工作方式的特點(diǎn)是，在傳輸線的任一點(diǎn)上，兩導(dǎo)線上流過的電流大小相等、方向相反。兩導(dǎo)線上電流所產(chǎn)生的磁通只存在于兩導(dǎo)線間，磁芯中沒有磁通和損耗。當(dāng)負(fù)載電阻RL與ZC相等而匹配時，兩導(dǎo)線間的電壓沿線均勻分布(指振幅)，這種方式傳輸特性的頻率很寬。在變壓器方式中，信號源加在一個繞組兩端，在初級線圈中有勵磁電流，此電流在磁環(huán)中產(chǎn)生磁通。由于有磁芯，勵磁電感較大，在工作頻率上其感抗值遠(yuǎn)大于特性阻抗ZC和負(fù)載

43、阻抗。 此外，在兩線圈端(1、2 和 3、4 端)有同相的電壓。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-18 傳輸線變壓器的工作方式(a) 傳輸線方式; (b) 變壓器方式第2章 高頻電路基礎(chǔ)在傳輸線的實(shí)際應(yīng)用中，通常兩種方式同時存在，可以利用這兩種方式完成不同的作用。正是因為有了傳輸線方式，傳輸線變壓器才有更寬的頻率特性。傳輸線變壓器的用法很多，但其基本形式是 1 1 和 1 4 阻抗變換器。用兩個或多個傳輸線變壓器進(jìn)行組合，還可以得到其它阻抗變換器。也有用三線并繞構(gòu)成傳輸線變壓器的。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-19(a)是由傳輸線變壓器制成的高頻反相器，它是一種 1 1 的變壓器，端點(diǎn) 2、3 相連并

44、接地，在 1、3 端加高頻電壓，因線圈 1、2 上加有電壓，且與不完全相等，因此有變壓器工作方式。同時沿傳輸線上又有均勻的電壓，因而也有傳輸線工作方式。因與 相等，當(dāng) 2 端接地后，輸出電壓，與輸入電壓反相，這就是反相作用。在高頻端這種反相器性能將會下降(UL與U1 偏離反相)。1U1I2I1U2U1LUU第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-19(c)是一個 1 4 阻抗變換器的電路，1、4 連接，信號源加在 1、3 端(實(shí)際上也加在 4、3 端)，負(fù)載電阻RL加在 2、3 端。顯然， 在 3、4 的線圈中有勵磁電流，有變壓器工作方式。由于線圈兩端電壓相等，即U2=U1，負(fù)載上的電壓為兩線圈電壓串聯(lián)，

45、有UL=2U1，而負(fù)載電流為I，因此有RL=UL/I，輸入端阻抗為(忽略勵磁電流)為 (2-41)這就完成了 1 4 的阻抗變換。這種變換器有很寬的工作頻帶。傳輸線變壓器還可以用作不平衡平衡變換器、3 分貝耦合器等，如圖 2-19(b)、(d)所示。LL14122/2RIUIURi第2章 高頻電路基礎(chǔ)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) 1 4 阻抗變換器; (d) 3 分貝耦合器第2章 高頻電路基礎(chǔ)傳輸線變壓器通常都作寬帶應(yīng)用，其寬帶性能的好壞與參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸的選擇有很大關(guān)系。特性阻抗ZC 應(yīng)和負(fù)載阻抗L接近(以實(shí)現(xiàn)匹配)。用雙絞線(

46、用漆包線)作傳輸線時，其特性阻抗與所用導(dǎo)線的粗細(xì)、繞制的松緊和單位長度內(nèi)扭絞的次數(shù)有關(guān)。單位長度內(nèi)扭絞的次數(shù)多，特性阻抗就低。其特性阻抗一般可以小到4050 ; 傳輸線變壓器所用的磁芯尺寸應(yīng)根據(jù)信號功率大小選擇。傳輸?shù)墓β试酱?，線圈兩端的電壓就高，通過磁芯的磁通量就大，磁芯和線圈的損耗也大，磁芯的尺寸應(yīng)能承受此損耗而不致升溫過高。根據(jù)前面關(guān)于高頻變壓器中的說明，應(yīng)選擇有較高導(dǎo)磁率和高頻損耗小的磁芯材料。線圈的匝數(shù)決定于所需勵磁電感的大小，應(yīng)使在工作頻率低端，其阻抗值L比輸入阻抗大得多(如 10 倍以上); 為了得到好的高頻響應(yīng)，傳輸線的長度l應(yīng)盡可能小，通常l應(yīng)短于(1/81/10)min。第

47、2章 高頻電路基礎(chǔ)雙絞線的傳輸線變壓器的上限頻率可達(dá) 100 MHz左右，同軸線的傳輸線變壓器的上限頻率還可更高些。第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.2.3 石英晶體諧振器石英晶體諧振器1. 物理特性物理特性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。石英晶體是SiO2的結(jié)晶體，在自然界中以六角錐體出現(xiàn)。它有三個對稱軸: Z軸(光軸)、X軸(電軸)、Y軸(機(jī)械軸)。各種晶片就是按與各軸不同角度切割而成的。圖2-20 就是石英晶體形狀和各種切型的位置圖。在晶片的兩面制作金屬電極，并與底座的插腳相連，最后以金屬殼封裝或玻璃殼封裝(真空封裝)，成為晶體諧振器，如圖2-21 所示。第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖

48、 2-20 石英晶體的形狀及各種切型的位置 (a) 形狀; (b) 不同切型位置; (c) 電路符號第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-21 石英晶體諧振器(a) 外形; (b) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)第2章 高頻電路基礎(chǔ)石英晶體之所以能成為電的諧振器，是由于它具有壓電效應(yīng)。所謂壓電效應(yīng)，就是當(dāng)晶體受外力作用而變形(如伸縮、切變、扭曲等)時，就在它對應(yīng)的表面上產(chǎn)生正、負(fù)電荷, 呈現(xiàn)出電壓。當(dāng)在晶體兩面加電壓時，晶體又會發(fā)生機(jī)械形變，這稱為反壓電效應(yīng)。因此若在晶體兩端加交變電壓時，晶體就會發(fā)生周期性的振動，同時由于電荷的周期變化，又會有交流電流流過晶體。由于晶體是有彈性的固體，對于某一種振動方式，有一個機(jī)械的諧振頻率

49、(固有諧振頻率)。當(dāng)外加電信號頻率在此自然頻率附近時，就會發(fā)生諧振現(xiàn)象。它既表現(xiàn)為晶片的機(jī)械共振，又在電路上表現(xiàn)出電諧振。這時有很大的電流流過晶體，產(chǎn)生電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。晶片的諧振頻率與晶片的材料、幾何形狀、尺寸及振動方式(取決于切片方式)有關(guān)，而且十分穩(wěn)定，其溫度系數(shù)(溫度變化 1時引起的固有諧振頻率相對變化量)均在 106或更高數(shù)量級上。實(shí)踐表明，溫度系數(shù)與振動方式有關(guān)，某些切型的石英片(如GT和AT型)，其溫度系數(shù)在很寬范圍內(nèi)都趨近于零。而其它切型的石英片，只在某一特定溫度附近的小范圍內(nèi)才趨近于零，通常將這個特定的溫度稱為拐點(diǎn)溫度。若將晶體置于恒溫槽內(nèi)，槽內(nèi)溫度就應(yīng)控制在此拐點(diǎn)溫度上。

50、第2章 高頻電路基礎(chǔ)用于高頻的晶體切片，其諧振時的電波長0常與晶片厚度成正比，諧振頻率與厚度成反比。正如我們平常觀察到的某些機(jī)械振動那樣(比如琴弦的振動)，對于一定形狀和尺寸的某一晶體，它既可以在某一基頻上諧振(此時沿某一方向分布 1/2 個機(jī)械波長)，也可以在高次諧波(諧頻或泛音)上諧振(此時沿同一方向分布 3/2、5/2、7/2 個機(jī)械波長)。通常把利用晶片基頻(音)共振的諧振器稱為基頻(音)諧振器，頻率通常用 kHz表示。把利用晶片諧頻共振的諧振器稱為泛音諧振器，頻率通常用 MHz表示。由于機(jī)械強(qiáng)度和加工的限制，目前，基音諧振頻率最高只能達(dá)到 25 MHz左右，泛音諧振頻率可達(dá) 250

51、MHz 以上。通常能利用的是 3、5、7 之類的奇次泛音。同一尺寸晶片，泛音工作時的頻率比基頻工作時要高 3、5、7 倍。應(yīng)該指出，由于是機(jī)械諧振時的諧頻，它們的電諧振頻率之間并不是準(zhǔn)確的 3、5、7 次的整數(shù)關(guān)系。第2章 高頻電路基礎(chǔ)2. 等效電路及阻抗特性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。圖 2-22(a)是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，對于某一具體應(yīng)用(如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，因此可以用圖2-22(b)來等效。圖中，C0是晶體作為電介質(zhì)的靜電容，其數(shù)值一般為幾個皮法至幾十皮法。Lq、Cq、

52、rq是對應(yīng)于機(jī)械共振經(jīng)壓電轉(zhuǎn)換而呈現(xiàn)的電參數(shù)。rq是機(jī)械摩擦和空氣阻尼引起的損耗。第2章 高頻電路基礎(chǔ)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第2章 高頻電路基礎(chǔ)由圖 2-22(b)可看出，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 - 42)(2 - 43)qqq21CLf 0qq0qqqq0q0q0112121CCfCCCLCCCCLf第2章 高頻電路基礎(chǔ)與通常的諧振回路比較，晶體的參數(shù)Lq和Cq與一般線圈電感L、電容元件C有很大不同。現(xiàn)舉一例， 國產(chǎn)B45型1 MHz中等精度晶體的等效參數(shù)如下:

53、 Lq=4.00 H Cq=0.0063 pF rq=100200 C0=23 pF由此可見，Lq很大，Cq很小。與同樣頻率的LC元件構(gòu)成的回路相比，Lq、Cq與L、C元件數(shù)值要相差 45 個數(shù)量級。同時，晶體諧振器的品質(zhì)因數(shù)也非常大，一般為幾萬甚至幾百萬，這是普通LC電路無法比擬的。在上例中)000 250000 125(qqqqrLQ第2章 高頻電路基礎(chǔ)由于C0Cq，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。由式(2-43)，考慮Cq/C01，可得(2-44)上例中，Cq/C0=(0.0020.003)，相對頻率間隔僅千分之一二。0qq0211CCff0qqq021CCfff

54、第2章 高頻電路基礎(chǔ)此外，Cq/C01，也意味著圖 2-22(b)所示的等效電路的接入系數(shù)pCq/C0非常小。因此，晶體諧振器與外電路的耦合必然很弱。在實(shí)際電路中，晶體兩端并接有電容CL，在這種情況下，接入系數(shù)將變?yōu)閜Cq/(C0+CL)，相應(yīng)的并聯(lián)諧振頻率f0將減小。顯然，CL越大，f0越靠近fq。通常將CL稱為晶體的負(fù)載電容(一般基頻晶體規(guī)定CL為 30 pF 或 50 pF)，標(biāo)在晶體外殼的振蕩頻率或標(biāo)稱頻率就是并接CL后測得的f0的值。第2章 高頻電路基礎(chǔ)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)由此式可得晶體諧振器的電抗特性如圖 2-2

55、3 所示，要注意它是在忽略晶體電阻rq后得出的。由于晶體的Q值非常高，除了并聯(lián)諧振頻率附近外，此曲線與實(shí)際電抗曲線(即不忽略rq)很接近。0qqqqqq0e1j1j1j1jCCLrCLrCZ22022q0ee111jjCXZ第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-23 晶體諧振器的電抗曲線第2章 高頻電路基礎(chǔ)由圖可知，當(dāng)0時，晶體諧振器呈容性; 當(dāng)在q和0之間，晶體諧振器等效為一電感，而且為一數(shù)值巨大的非線性電感。由于Lq很大，即使在q處其電抗變化率也很大。這可由下面近似式得到 (2-46)比普通回路要大幾個數(shù)量級。 必須指出，當(dāng)在q和0之間時，諧振器所呈現(xiàn)的等效電感并不等于石英晶體片本身的等效電感Lq。

56、qqqe21ddddqLCLX第2章 高頻電路基礎(chǔ)晶體諧振器與一般振蕩回路比較，有幾個明顯的特點(diǎn): (1) 晶體的諧振頻率fq和f0非常穩(wěn)定。這是因為Lq、Cq、C0由晶體尺寸決定，由于晶體的物理特性，它們受外界因素(如溫度、震動等)影響小。(2) 晶體諧振器有非常高的品質(zhì)因數(shù)。一般很容易得到數(shù)值上萬的Q值，而普通的線圈和回路Q值只能到一二百。(3) 晶體諧振器的接入系數(shù)非常小，一般為 103數(shù)量級，甚至更小。(4) 晶體在工作頻率附近阻抗變化率大，有很高的并聯(lián)諧振阻抗。所有這些特點(diǎn)決定了晶體諧振器的頻率穩(wěn)定度比一般振蕩回路要高。第2章 高頻電路基礎(chǔ)3. 晶體諧振器的應(yīng)用晶體諧振器的應(yīng)用晶體諧

57、振器主要應(yīng)用于晶體振蕩器中。振蕩器的振蕩頻率決定于其中振蕩回路的頻率。在許多應(yīng)用中，要求振蕩頻率很穩(wěn)定。將晶體諧振器用作振蕩器的振蕩回路，就可以得到穩(wěn)定的工作頻率。這些在第4章正弦波振蕩器中將詳細(xì)研究。第2章 高頻電路基礎(chǔ)晶體諧振器的另一種應(yīng)用是用它作成高頻窄帶濾波器。圖 2-24 (a)是一種差接橋式晶體帶通濾波器的電路。圖 2-24(b)是濾波器的衰減特性。在圖 2-24(a)中，負(fù)載電阻RL與信號源處于橋路的兩對角線上。對于這種電路，根據(jù)四端網(wǎng)絡(luò)理論，當(dāng)晶體阻抗1與Z2異號時，濾波器處于通帶; Z1與Z2 同號時處于阻帶。由圖 2-23 的晶體電抗特性可知，濾波器的通帶只是在fq和f0

58、之間，其余范圍為阻帶。衰減最大處對應(yīng)于電橋完全平衡，即Z1=Z2。由于晶體和電路中都有損耗，負(fù)載也不可能與濾波器完全匹配，實(shí)際晶體濾波器的通帶衰減并不為零。 第2章 高頻電路基礎(chǔ)圖 2-24 晶體濾波器的電路與衰減特性 (a) 濾波器電路; (b) 衰減特性第2章 高頻電路基礎(chǔ)晶體濾波器的特點(diǎn)是中心頻率很穩(wěn)定，帶寬很窄，阻帶內(nèi)有陡峭的衰減特性。晶體濾波器的通帶寬度只有千分之幾，在許多情況下限制了它的應(yīng)用。為了加寬濾波器的通帶寬度，就必須加寬石英晶體兩諧振頻率之間的寬度。這通?？梢杂猛饧与姼信c石英晶體串聯(lián)或并聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)(這也是擴(kuò)大晶體振蕩器調(diào)頻頻偏的一種有效方法)。此外，若在圖2-24(a)電

59、路中，Z2 也用一晶體(即Z1、Z2都用晶體)，并使兩者的fq錯開，使一晶體的f0 與另一晶體的fq相等，可以將濾波器的通帶展寬一倍。第2章 高頻電路基礎(chǔ)2.2.4 集中濾波器集中濾波器隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高增益、寬頻帶的高頻集成放大器和其它高頻處理模塊(如高頻乘法器、混頻器、調(diào)制解調(diào)器等)越來越多，應(yīng)用也越來越廣泛。與這些高頻集成放大器和高頻處理模塊配合使用的濾波器雖然可以用前面所討論的高頻調(diào)諧回路來實(shí)現(xiàn)，但用集中濾波器作選頻電路已成為大勢所趨。采用集中選頻濾波器，不僅有利于電路和設(shè)備的微型化，便于大量生產(chǎn)，而且可以提高電路和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)性能。同時，也可以使電路和系統(tǒng)的設(shè)計更加簡化

60、。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。早些年使用的機(jī)械濾波器現(xiàn)在已很少使用。LC式集中選擇濾波器實(shí)際上就是由多節(jié)調(diào)諧回路構(gòu)成的LC濾波器，在高性能電路中用得越來越少， 晶體濾波器在上面已討論過。下面主要討論陶瓷濾波器和聲表面波濾波器。第2章 高頻電路基礎(chǔ)1. 陶瓷濾波器陶瓷濾波器某些陶瓷材料(如常用的鋯鈦酸鉛Pb(ZrTi)O3)經(jīng)直流高壓電場給以極化后，可以得到類似于石英晶體中的壓電效應(yīng)，這些陶瓷材料稱為壓電陶瓷材料。陶瓷諧振器的等效電路也和晶體諧振器相同，其品質(zhì)因數(shù)較晶體小得多(約為數(shù)百)，但比LC濾波器的要高，串并聯(lián)頻率間隔也