第2章 高頻電路基礎(chǔ)

第2章高頻電路基礎(chǔ)2.1高頻電路中的元器件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)和噪聲溫度一、高頻電路中的元件

高頻電路中的元件主要包括電阻器、電容器和電感器，它們都屬于無源的線性元件。2.1高頻電路中的元器件

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。圖2-1電阻的高頻等效電路1．高頻電阻

1kΩ碳膜電阻阻抗與頻率的關(guān)系CR為分布電容（10-12數(shù)量級(jí)）LR為引線電感（10-9數(shù)量級(jí)）R為電阻很小很小2.高頻電容電容器的高頻使用時(shí)的高頻等效電路如下：電感L為分布電感和極間引線電感。R1表示引線導(dǎo)體損耗，R2表示介質(zhì)損耗。很小很小很大整個(gè)電容的阻抗：圖2-2電容器的高頻等效電路(a)電容器的等效電路;(b)電容器的阻抗特性自身諧振頻率SRF

3.高頻電感

電感通常由導(dǎo)線在圓柱體上繞制而成，因此電感除了考慮本身的感性特征外，還需要考慮導(dǎo)線的電阻以及相鄰線圈之間的分布電容。高頻電感的等效電路模型如下圖所示。C為線圈匝間分布電容R為線圈繞線電阻及損耗電阻高頻電感的等效電路很小較小工作頻率越高，趨膚效應(yīng)越強(qiáng)，再加上渦流損失、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(huì)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(gè)易于測(cè)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(chǔ)能作用越強(qiáng)，損耗越小。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二、高頻電路中的有源器件

高頻電路中的有源器件主要包括二極管、晶體管和集成電路，主要完成信號(hào)的放大、非線性變換等功能。

1.晶體二極管

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，工作在低電平狀態(tài)。因此主要用點(diǎn)接觸式二極管和表面勢(shì)壘二極管(又稱肖特基二極管)。在高頻狀態(tài)下，二極管的分布參數(shù)影響主要考慮PN結(jié)的結(jié)電容影響。二極管可用下圖所示的電路來等效。等效條件：二極管兩端加直流偏置電壓和二極管工作在交流小信號(hào)的狀態(tài)。

rs為二極管P區(qū)和N區(qū)的體電阻，rj為二極管PN結(jié)結(jié)電阻，CB為勢(shì)壘電容，為CD擴(kuò)散電容。二極管的等效電路(a)二極管的物理模型；(b)簡化等效電路Cj＝CB+CD當(dāng)二極管工作在高頻時(shí)，其PN結(jié)電容不能忽略。當(dāng)頻率高到某一程度時(shí)，電容的容抗小到使PN結(jié)短路,導(dǎo)致二極管失去單向?qū)щ娦裕荒芄ぷ鳌?/p>

PN結(jié)面積越大，電容也越大，越不能在高頻情況下工作。

變?nèi)荻O管

利用二極管的電容效應(yīng)，可以制成變?nèi)荻O管。

變?nèi)荻O管在正常工作時(shí)處于反偏狀態(tài)，其特點(diǎn)是等效電容隨反偏電壓的增大而減小。

變?nèi)荻O管的圖形符號(hào)：VD變?nèi)荻O管的作用：在需要改變電容參數(shù)的電路中，用變?nèi)荻O管可以構(gòu)成電調(diào)諧器、自動(dòng)調(diào)諧電路、壓控振蕩器等電路。變?nèi)荻O管的工作原理：

PN結(jié)在反向電壓下的工作狀態(tài)如下圖所示。

PN結(jié)在反向電壓下的工作狀態(tài)當(dāng)外加反向電壓增加時(shí)，結(jié)區(qū)較寬，電容量減小。變?nèi)荻O管的等效容量與所加的反向電壓的關(guān)系如下圖所示。其中Cj0為靜態(tài)結(jié)電容，即反偏電壓為零時(shí)的結(jié)電容，也是結(jié)電容的最大值。Cj

minUBRCj0與Cjmin的比值稱為變?nèi)荼茸內(nèi)莨艿牡湫妥畲箅娙葜导s為幾皮法至幾百皮法，可調(diào)電容范圍(Cj0/Cjmin)約為3∶1。有些變?nèi)莨艿目烧{(diào)電容范圍可高達(dá)15∶1，這時(shí)的可控頻率范圍可接近4∶1。當(dāng)PN結(jié)為緩變結(jié)時(shí)，γ=1/3；當(dāng)PN結(jié)為突變結(jié)時(shí)，γ=1/2；當(dāng)PN結(jié)為超突變結(jié)時(shí)，γ=1~4，最大可達(dá)6以上。

Uv為外加控制電壓；Uφ為PN結(jié)的接觸電壓(一般硅管約等于0.7V，鍺管約等于0.2V)；UBR為反向擊穿電壓；γ為電容變化指數(shù)(結(jié)靈敏度)。變?nèi)莨艿刃щ娙菖c外加反向電壓的關(guān)系可用指數(shù)為γ的函數(shù)近似表示，即

2.晶體三極管與場(chǎng)效應(yīng)管(FET)

高頻晶體管有兩大類型：一類是進(jìn)行小信號(hào)放大的高頻小功率管，對(duì)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，要求其在高頻時(shí)有較大的輸出功率。目前雙極型小信號(hào)放大管的工作頻率可達(dá)幾千兆赫茲，噪聲系數(shù)為幾分貝。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。

3.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(hào)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。高頻電路中的基本電路主要包括高頻振蕩回路（諧振回路）、高頻變壓器、諧振器和濾波器等，它們主要完成信號(hào)的傳輸、頻率選擇及阻抗變換等功能。2.2高頻電路中的基本電路一、高頻振蕩回路高頻振蕩回路是構(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。

1.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(gè)回路的振蕩電路稱為簡單振蕩回路或單振蕩回路。簡單振蕩回路具有諧振特性和頻率選擇作用。

1)串聯(lián)諧振回路右圖是最簡單的串聯(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，C為電容。當(dāng)信號(hào)角頻率為ω時(shí)，其串聯(lián)阻抗為：回路電抗

、當(dāng)ω=ω0時(shí)，感抗與容抗相等，|ZS|最小，并為一純電阻r，我們稱此時(shí)發(fā)生了串聯(lián)諧振，且串聯(lián)諧振角頻率ω0為：ω<ω0時(shí)，回路呈容性，當(dāng)ω>ω0時(shí)，回路呈感性

2)并聯(lián)諧振回路簡單并聯(lián)諧振電路如圖2-4(a)所示，當(dāng)信號(hào)角頻率為ω時(shí)，其阻抗為：(2-1)當(dāng)感抗與容抗相等時(shí)的頻率為并聯(lián)諧振頻率ω0，令Zp的虛部為零，可求得：(2-2)

Q為回路的品質(zhì)因數(shù)，有對(duì)于一般的電感線圈，Q值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。當(dāng)Q>>1時(shí)，(2-3)(2-4)品質(zhì)因數(shù)與特性阻抗的關(guān)系：(2-5)稱為諧振回路的特性阻抗?；芈吩谥C振時(shí)的阻抗達(dá)到最大，為一純電阻R0發(fā)生諧振的物理意義：電容中存儲(chǔ)的電能和電感中存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能作周期性的轉(zhuǎn)換，并且存儲(chǔ)的最大能量相等。(2-6)諧振時(shí)的阻抗：并聯(lián)諧振回路的等效變換：條件：信號(hào)頻率在諧振頻率附近。并聯(lián)諧振回路的失諧分析：當(dāng)ω在ω0附近時(shí)，且Q值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，(2-7)在實(shí)際應(yīng)用中，外加信號(hào)的頻率ω與回路諧振頻率ω0之差Δω=ω－ω0表示頻率偏離諧振的程度，稱為失諧。當(dāng)ω與ω0很接近時(shí)，(2-8)

Δω=ω－ω0稱為失諧（絕對(duì)頻偏），稱為相對(duì)失諧（相對(duì)頻偏），令稱為廣義失諧。則式(2-7)可寫成(2-9)阻抗的模為：根據(jù)上式，可畫出并聯(lián)諧振回路的阻抗特性曲線，如圖2-4(c)所示，稱為諧振特性曲線的幅頻特性。Q值越高，阻抗在諧振頻率附近變化就越快，特性曲線越尖銳。并聯(lián)諧振回路的諧振特性曲線：幅頻特性曲線：阻抗的幅角為：(2-12)

諧振時(shí)，回路呈純電阻，輸出電壓與信號(hào)電流源同相。當(dāng)信號(hào)頻率低于諧振頻率，即ω<ω0時(shí)，感抗小于容抗，回路呈感性；

當(dāng)ω>ω0時(shí)，回路呈容性。

Q值越高，斜率越大，曲線越陡峭。在諧振頻率附近，相頻特性曲線近似呈線性關(guān)系，且Q值越小，線性范圍越寬。相頻特性曲線：

3dB通頻帶（半功率點(diǎn)通頻帶）是指阻抗幅頻特性下降為諧振值的時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍，也稱回路帶寬，通常用BW3dB或BW0.7來表示。諧振回路的通頻帶：令可得：(2-10)諧振回路的選擇性：選擇性是指諧振放大器從輸入信號(hào)中選出有用信號(hào)成分并加以放大，而將無用的干擾信號(hào)加以有效抑制的能力。通常用“抑制比”和“矩形系數(shù)”兩個(gè)指標(biāo)來衡量諧振回路的選擇性。矩形系數(shù)定義為

BW0.7是3dB帶寬，BW0.1是曲線下降到諧振值的0.1時(shí)對(duì)應(yīng)的頻帶寬度。K0.1值越小越好(K0.1≥1)，在接近１時(shí)，說明諧振回路的諧振特性曲線就愈接近于理想曲線，諧振回路的選擇性就愈好。(2-11)令可得：代入式2-11，可得：可見，簡單諧振回路的矩形系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，表明其選擇性很差。注意：回路的品質(zhì)因數(shù)越高，諧振曲線越尖銳，回路的通頻帶越窄，但其矩形系數(shù)并不改變。圖2-5并聯(lián)回路中諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系諧振回路中的電壓電流關(guān)系：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。由于回路并聯(lián)諧振電阻R0為ω0L(或1/ω0C)的Q倍，因此電感和電容中的電流為外部電流的Q倍，即有

IL=IC=QI(2-14)

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(hào)中心頻率fs=10MHz，回路電容C=50pF，(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B0.7=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?

解

(1)計(jì)算L值。由式，可得(2)回路諧振電阻和帶寬。由式(2-6)

回路帶寬為(3)求滿足0.5MHz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R1∥R0，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B0.7=0.5MHz，故回路總電阻為需要在回路上并聯(lián)7.97kΩ的電阻。

2.抽頭并聯(lián)振蕩回路

抽頭振蕩回路的結(jié)構(gòu)：圖2-7幾種常見抽頭振蕩回路

采用抽頭振蕩回路的目的：

1）、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(如圖2-7(a)、(b))。

2）、對(duì)負(fù)載進(jìn)行阻抗變換(如圖2-7(d)、(e))。

接入系數(shù)(或抽頭系數(shù))p定義：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(2-16)接入系數(shù)的分析：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（條件IL>>I）如存在互感的，設(shè)上下兩段線圈間的互感值為M，則接入系數(shù)為：p=(L1+M)/L對(duì)于緊耦合的電感線圈(帶抽頭的高頻變壓器)，設(shè)抽頭的線圈匝數(shù)為N1，總N1N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對(duì)于電容分壓的部分接入振蕩回落，其接入系數(shù)為：仍然考慮窄帶高Q的實(shí)際情況（并且p不能太?。?，對(duì)于圖2-7(a)，設(shè)回路處于諧振或失諧不大時(shí)，流過電感的電流L仍然比外部電流大得多，即IL>>I。(2-18)部分接入振蕩回路的分析：1）諧振回路折算到信號(hào)源的方法：回路諧振時(shí)：回路失諧不大時(shí)：(2-19)2）信號(hào)源折算到諧振回路的方法：圖2-8電流源的折合對(duì)于電壓源：對(duì)于電流源：(2-22)(2-21)3）負(fù)載折算到諧振回路的方法：123由功率相等原則：對(duì)于電流源內(nèi)阻：

例2-2

如圖2-9，抽頭回路由電流源激勵(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：回路兩端電壓u(t)與i(t)同相，電壓振幅U=IR=2V，故：輸出電壓為：回路有載品質(zhì)因數(shù)：回路帶寬為：

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?；ジ旭詈想p調(diào)諧回路電容耦合雙調(diào)諧回路耦合振蕩回路在高頻電路中的主要作用：一是用來進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換以完成高頻信號(hào)的傳輸；二是形成比簡單振蕩回路更好的頻率特性。通常耦合振蕩回路在應(yīng)用時(shí)應(yīng)滿足下述兩個(gè)條件：一是兩個(gè)回路都對(duì)信號(hào)頻率調(diào)諧；二是都為高Q電路。反映兩回路耦合大小的是兩線圈間的互感M，耦合阻抗為Zm=jXm=jωM。為了反映兩回路的相對(duì)耦合程度，可以引入一耦合系數(shù)k，它定義為Xm與初次級(jí)中與Xm同性質(zhì)兩電抗的幾何平均值之比，即(2-24)耦合因子：(2-28)A=kQ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(shí)有L1=L2=L,C1=C2=C,Q1=Q2=Q通常將A=1的情況稱為臨界耦合，而將此時(shí)耦合系數(shù)稱為臨界耦合系數(shù)：

而將A>1，或k>kc

稱為過耦合；A<1，或k<kc

稱為欠耦合。(2-33)廣義失諧：(2-27)(2-29)經(jīng)分析，轉(zhuǎn)移阻抗Z21為：歸一化轉(zhuǎn)移阻抗：(2-32)歸一化轉(zhuǎn)移阻抗的頻率特性：圖2-11耦合回路的頻率特性ccc當(dāng)k<kc

的欠耦合時(shí)，曲線較尖，帶寬窄，且其最大值也較小(比k≥kc

時(shí))。雙調(diào)諧回路通常不工作在這種狀態(tài)。當(dāng)k增加至kc

的臨界耦合時(shí)，曲線將由單峰向雙峰變化，曲線頂部較平緩，帶寬比較大。當(dāng)k＞kc

的過耦合時(shí)，則有兩個(gè)極大值，在ξ=0處有凹點(diǎn)。此時(shí)轉(zhuǎn)移阻抗的曲線為雙峰。

臨界耦合時(shí)的特性分析：可將A=1代人式(2-32)得到，(2-34)與前面單回路的阻抗特性(式(2-9))相比，耦合回路特性頂部平緩，帶寬要大，而且在頻帶之外，曲線下降也更陡峭。從回路對(duì)鄰近無用信號(hào)頻率的抑制來看，性能也更好。單振蕩回路的帶寬為B0.7=f0/Q。對(duì)臨界耦合回路，令：單諧振回路的矩形系數(shù)Kr0.1=10。耦合諧振回路的矩形系數(shù)為：得回路帶寬為：(2-35)令：得：

耦合諧振回路與單諧振回路相比較：其通頻帶更寬，選擇性更好。當(dāng)允許頻帶內(nèi)有凹陷起伏特性時(shí)，可以采用k>kc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的過耦合情況沒有什么應(yīng)用價(jià)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(shí)的耦合因子及帶寬，它們分別為：注意，以上分析只限于高Q值的窄帶耦合回路。A=2.41二、高頻變壓器和傳輸線變壓器

1.高頻變壓器

高頻變壓器常應(yīng)用于幾十兆赫茲以下的高頻電路中，其工作原理與低頻變壓器相同。高頻變壓器的作用是進(jìn)行信號(hào)傳輸和阻抗變換。高頻變壓器與低頻變壓器的主要區(qū)別：

(1)為了減少損耗，高頻變壓器常用導(dǎo)磁率μ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，一般有錳鋅鐵氧體MXO和鎳鋅鐵氧體NXO兩種。

(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。圖2-12高頻變壓器的磁芯結(jié)構(gòu)(a)環(huán)形磁芯；(b)罐形磁芯；(c)雙孔磁芯高頻變壓器的近似等效電路如圖2-13(b)所示。圖中，虛線內(nèi)為理想變壓器，L為初級(jí)勵(lì)磁電感，LS為漏感，CS為變壓器的分布電容。圖2-13高頻變壓器及其等效電路(a)電路符號(hào)；(b)等效電路在低頻端，LS和CS的影響可忽略；在高頻端，L的旁路作用可忽略。要展寬高頻范圍，應(yīng)盡量減小LS和CS。減少變壓器的初次級(jí)線圈匝數(shù)，可以減小漏感LS和分布電容CS；但勵(lì)磁電感L將隨匝數(shù)減小而迅速減小，這會(huì)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(shí)保持所需的勵(lì)磁電感值。

2.傳輸線變壓器

傳輸線變壓器的結(jié)構(gòu)：傳輸線變壓器就是利用繞制在磁環(huán)上的傳輸線（雙導(dǎo)線、同軸線）而構(gòu)成的高頻變壓器。圖2-15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

傳輸線變壓器的工作方式：一種是傳輸線工作方式，一種是變壓器工作方式。圖2-18傳輸線變壓器的工作方式(a)傳輸線方式；(b)變壓器方式傳輸線工作方式的特點(diǎn)：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。這種方式傳輸特性的頻率很寬。變壓器工作方式中，信號(hào)源加在一個(gè)繞組兩端，在初級(jí)線圈中有勵(lì)磁電流，此電流在磁環(huán)中產(chǎn)生磁通。由于有磁芯，勵(lì)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)載阻抗。傳輸線變壓器的應(yīng)用：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分貝耦合器三、石英晶體諧振器在高頻電路中，石英晶體諧振器(也稱晶振)是一個(gè)重要的高頻部件，它廣泛用于頻率穩(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。

1.物理特性

石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)：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。圖2-18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(hào)圖2-19石英晶體諧振器(a)外形；(b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)石英晶體的壓電效應(yīng)：當(dāng)晶體受外力作用而變形(如伸縮、切變、扭曲等)時(shí)，就在它對(duì)應(yīng)的表面上產(chǎn)生正、負(fù)電荷,呈現(xiàn)出電壓。反之，在晶體兩面加電壓時(shí)，晶體又會(huì)發(fā)生機(jī)械形變。若在晶體兩端加交變電壓時(shí)，晶體就會(huì)發(fā)生周期性的振動(dòng)，同時(shí)由于電荷的周期變化，又會(huì)有交流電流流過晶體。由于晶體是有彈性的固體，因此有一個(gè)機(jī)械的諧振頻率(固有諧振頻率)。當(dāng)外加電信號(hào)頻率在此自然頻率附近時(shí)，就會(huì)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(shí)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(dòng)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(shí)引起的固有諧振頻率相對(duì)變化量)均在10－6或更高數(shù)量級(jí)上。石英晶體的諧振特性：

2.等效電路及阻抗特性圖2-20是石英晶體諧振器的等效電路。C0是晶體作為電介質(zhì)的靜電容，其數(shù)值一般為幾個(gè)皮法至幾十皮法。Lq、Cq、rq是對(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)。rq是機(jī)械摩擦和空氣阻尼引起的損耗。圖2-20晶體諧振器的等效電路晶振的參數(shù)Lq和Cq與一般線圈電感L、電容元件C有很大不同。如國產(chǎn)B45型1MHz中等精度晶體的等效參數(shù)如下：

Lq=4.00HCq=0.0063pF

rq=100～200ΩC0=2～3pF

晶體諧振器的品質(zhì)因數(shù)非常大，一般為幾萬甚至幾百萬。由圖2-20(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：(2-41)(2-42)石英晶體的諧振頻率：由于C0>>Cq，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。上例中，Cq/C0=(0.002～0.003)，相對(duì)頻率間隔僅千分之一二。并聯(lián)諧振頻率f0比串聯(lián)諧振頻率fq高，但兩者很接近。圖

2-21晶體諧振器的電抗曲線當(dāng)ω<ωq或ω>ω0時(shí)，晶體諧振器呈容性；當(dāng)ω在ωq和ω0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。

石英諧振器的阻抗特性：晶體諧振器與一般振蕩回路比較，有幾個(gè)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?yàn)長q、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(dòng)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10－3數(shù)量級(jí)，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。

3.晶體諧振器的應(yīng)用晶體諧振器主要應(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。四、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。集中選頻放大器的組成：集中選頻放大器組成示意圖

集中選頻濾波器可以由多節(jié)電感、電容串并聯(lián)回路構(gòu)成的LC濾波器構(gòu)成，也可以由石英晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器構(gòu)成。

由于這些濾波器可以根據(jù)系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)，而且在與放大器連接時(shí)可以設(shè)置良好的阻抗匹配電路，因此，其選頻特性可以接近理想的要求。

1.陶瓷濾波器

陶瓷濾波器是利用某些陶瓷材料的壓電效應(yīng)構(gòu)成的濾波器，常用的陶瓷濾波器是由鋯鈦酸鉛［Pb(ZrTi)O3］壓電陶瓷材料(簡稱PZT)制成的。

在制造時(shí)，陶瓷片的兩面涂以銀漿(一種氧化銀)，加高溫后還原成銀，且牢固地附著在陶瓷片上，形成兩個(gè)電極；再經(jīng)過直流高壓極化后，便具有和石英晶體相類似的電壓效應(yīng)。因此，它可以代替石英晶體作濾波器用。壓電陶瓷片等效電路和電路符號(hào)

串聯(lián)諧振頻率fs：并聯(lián)諧振頻率fp：陶瓷濾波器的特點(diǎn)：與其它濾波器相比，陶瓷容易焙燒，可制成各種形狀，適合濾波器的小型化；而且耐熱性、耐濕性好，很少受外界條件的影響。它的等效品質(zhì)因數(shù)QL值為幾百，比LC濾波器高，但比石英晶體濾波器低。因此，陶瓷濾波器的帶寬較晶體濾波器要寬，但選擇性稍差。由于陶瓷諧振器的Q值通常比電感元件高，所以，濾波器的通帶內(nèi)衰減小而帶外衰減大，矩形系數(shù)也較小。陶瓷片的阻抗頻率特性在串聯(lián)諧振頻率時(shí)，陶瓷片的等效阻抗最??；在并聯(lián)諧振頻率時(shí)，陶瓷片的等效阻抗為最大。其阻抗頻率特性如下圖所示。如將陶瓷濾波器連成如下圖所示的形式，即為四端陶瓷濾波器。陶瓷片數(shù)目愈多，濾波器的性能愈好。四端陶瓷濾波器四端陶瓷濾波器的電路符號(hào)

2.聲表面波濾波器（SAW）

聲表面波濾波器近年來發(fā)展很快，是當(dāng)前通信、廣播等接收設(shè)備中主要采用的一種選擇性濾波器。

聲表面波濾波器的特點(diǎn)：體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、工作頻率高(幾兆赫茲～１吉赫茲)、通頻帶寬、特性一致性好、制造簡單、適于批量生產(chǎn)。

聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)：以壓電材料為基片，利用真空蒸鍍法，在拋光過的基片表面形成厚度約為10μｍ的鋁膜或金屬膜電極，稱其為叉指電極。左端叉指電極為發(fā)端換能器，右端叉指電極為收端換能器。圖2-23（a）聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖壓電陶瓷基片

聲表面波濾波器工作原理：當(dāng)把輸入信號(hào)加到發(fā)端換能器上時(shí)，叉指間便產(chǎn)生交變電場(chǎng)，在基片表面和不太深的內(nèi)部便會(huì)產(chǎn)生彈性變形，形成聲表面波，它沿著垂直于電極軸向的兩個(gè)方向傳播。向左傳播的聲表面波將被涂于基片左端的吸收材料所吸收；向右傳播的聲表面波沿著圖中箭頭方向，從發(fā)端到達(dá)收端，并通過壓電效應(yīng)作用，在收端換能器的叉指電極對(duì)其產(chǎn)生電信號(hào)，并傳送給負(fù)載。聲表面波濾波器的中心頻率、通頻帶等性能與基片材料以及叉指電極的幾何尺寸和形狀有關(guān)。下圖中N為換能器叉指的個(gè)數(shù)。

圖2-23（b）均勻叉指換能器的振幅—頻率特性曲線換能器叉指的個(gè)數(shù)越多，帶寬越窄。為了獲得理想矩形頻率特性的濾波器，可采用非均勻叉指換能器，如下圖所示。圖中發(fā)端換能器的指寬相等，各指的指距也相等，但重疊部分的指長按一定函數(shù)規(guī)律變化。非均勻叉指換能器圖2-24一種用于通信機(jī)中的聲表面波濾波器特性聲表面波器件有如下主要特性：

(1)工作頻率范圍寬，可以從幾兆赫茲到幾千兆赫茲。

(2)相對(duì)帶寬也比較寬，一般可以做到從百分之幾到百分之幾十。

(3)便于器件微型化和片式化。

(4)帶內(nèi)插入衰減較大，一般不低于15dB。

(5)矩形系數(shù)可做到1.1～2。與其它濾波器比較，它的主要優(yōu)點(diǎn)是：頻率特性好，性能穩(wěn)定，體積小，設(shè)計(jì)靈活，可靠性高，制造簡單且重復(fù)性好，適合于大批生產(chǎn)。五、衰減器與匹配器（選講）普通的電阻器對(duì)電信號(hào)都有一定的衰減作用，利用電阻網(wǎng)絡(luò)可以制成衰減器和具有一定衰減的匹配器組件。在高頻電路中，器件的終端阻抗和線路的匹配阻抗通常有50Ω和75Ω兩種。

1、高頻衰減器

利用高頻衰減器可以調(diào)整信號(hào)傳輸通路上的信號(hào)電平。高頻衰減器分為高頻固定衰減器和高頻可變衰減器兩種。除了微波衰減器可以用其它形式構(gòu)成外，高頻衰減器通常都用電阻性網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)電路或PIN二極管等實(shí)現(xiàn)。構(gòu)成高頻固定衰減器的電阻性網(wǎng)絡(luò)的形式很多，如T型、Π型、O型、L型、U型、橋T型等，其中，選定的固定電阻的數(shù)值可由專門公式計(jì)算得到。由T型和Π型網(wǎng)絡(luò)(圖2-25)實(shí)現(xiàn)的固定衰減器的衰減量與固定電阻值見表2-1，表中列出了50Ω和75Ω兩種線路阻抗時(shí)的情況。圖2-25T型和Π型網(wǎng)絡(luò)將固定衰減器中的固定電阻換成可變電阻，或者用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)就可以構(gòu)成可變衰減器。也可以用PIN二極管電路來實(shí)現(xiàn)可變衰減。這種用外部電信號(hào)來控制衰減量大小的可變衰減器又稱為電調(diào)衰減器。電調(diào)衰減器被廣泛應(yīng)用在功率控制、自動(dòng)電平控制(ALC)或自動(dòng)增益控制電路中。2.3電子噪聲及其特性一、概述

干擾(或噪聲)的定義：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。

干擾(或噪聲)的分類：按其發(fā)生的地點(diǎn)分為由設(shè)備外部進(jìn)來的外部干擾和由設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)部干擾；按產(chǎn)生的根源來分有自然干擾和人為干擾；按電特性分有脈沖型、正弦型和起伏型干擾等。干擾和噪聲是兩個(gè)同義的術(shù)語，沒有本質(zhì)的區(qū)別。習(xí)慣上，將外部來的稱為干擾，內(nèi)部產(chǎn)生的稱為噪聲。二、電子噪聲的來源與特性從理論上來說，除純電抗外任何電子線路中都存在電子噪聲，但是因?yàn)橥ǔｋ娮釉肼暤膹?qiáng)度很弱，因此它的影響主要出現(xiàn)在有用信號(hào)比較弱的場(chǎng)合，比如，在接收機(jī)的前級(jí)電路(高放、混頻)中，或者多級(jí)高增益的音頻放大、視頻放大器中就要考慮電子噪聲對(duì)它們的影響。在電子線路中，噪聲來源主要有兩方面：電阻熱噪聲和晶體管噪聲。

1.電阻熱噪聲

電阻熱噪聲產(chǎn)生的原因：一個(gè)導(dǎo)體和電阻中有著大量的自由電子，由于溫度的原因，這些自由電子要作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，要發(fā)生碰幢、復(fù)合和產(chǎn)生二次電子等現(xiàn)象，溫度越高，自由電子的運(yùn)動(dòng)越劇烈。就一個(gè)電子來看，電子的一次運(yùn)動(dòng)過程，就會(huì)在電阻兩端感應(yīng)出很小的電壓，大量的熱運(yùn)動(dòng)電子就會(huì)在電阻兩端產(chǎn)生起伏電壓。這種因熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的起伏電壓就稱為電阻的熱噪聲。就一段時(shí)間看，電阻兩端出現(xiàn)正負(fù)電壓的概率相同，因而兩端的平均電壓為零。但就某一瞬間看，電阻兩端電勢(shì)的大小和方向是隨機(jī)變化的。圖2-33電阻熱噪聲電壓波形

k為波爾茨曼常數(shù)，k=1.37×10－23J/K；B為測(cè)量此電壓時(shí)的帶寬；T為絕對(duì)溫度(K)。表示有效值。

2.晶體三極管的噪聲晶體三極管的噪聲是設(shè)備內(nèi)部固有噪聲的另一個(gè)重要來源。一般說來，在一個(gè)放大