高頻衡陽(yáng)師院課件

第二章高頻電路基礎(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)和噪聲溫度第二章高頻電路基礎(chǔ)2.1高頻電路中的元器件**高頻電路中的元器件高頻電路是由各種有源器件、無(wú)源元件和無(wú)源網(wǎng)絡(luò)組成的。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)诠ぷ黝l率較高時(shí)的高頻特性。理想電容器的容抗為1/(jωC),如圖（b）虛線所示，實(shí)際電容器存在損耗電阻RC和引線電感LC，如圖（a）所示。

電容器的高頻等效電路及阻抗特性

2）電容高頻電路中的元件

理想電感器L的感抗為jωL，實(shí)際電感器存在分布電容和損耗電阻。3）電感高頻電路中的元件電感器的高頻等效電路

1）晶體二極管晶體二極管在高頻中主要用于調(diào)制、解調(diào)及混頻等非線性變換電路中,工作在低電平。

高頻電路中的有源器件另一種在高頻中應(yīng)用很廣的二極管是變?nèi)荻O管。C－V

2）晶體三極管與場(chǎng)效應(yīng)管（FET）晶體管的高頻參數(shù)：

高頻電路中的有源器件β截止頻率fβ特征頻率fTα截止頻率fα第二章高頻電路基礎(chǔ)2.2高頻電路中的基本電路*****

高頻電路中的基本電路（無(wú)源組件或無(wú)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,它們完成信號(hào)的傳輸、頻率選擇及阻抗變換等功能。

高頻電路中的組件并聯(lián)諧振回路

串聯(lián)諧振回路分類高頻振蕩（諧振）回路高頻振蕩（諧振）回路由電感和電容組成。串聯(lián)振蕩回路及其特性串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路令其虛部為零，求得串聯(lián)諧振頻率為串聯(lián)諧振回路

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(guò)電路的電流最大,稱為諧振電流,其值為串聯(lián)諧振回路

在任意頻率下的回路電流與諧振電流之比為串聯(lián)諧振回路其中,

稱為回路的品質(zhì)因數(shù)。根據(jù)上式畫出相應(yīng)的曲線,稱為諧振曲線。串聯(lián)諧振回路

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),

令

為廣義失諧串聯(lián)諧振回路–則可寫成

當(dāng)保持外加信號(hào)的幅值不變而改變其頻率時(shí),將回路電流值下降為諧振值的時(shí)對(duì)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(lái)表示。令上式等于,則可推得ξ=±1,從而可得帶寬為.串聯(lián)諧振回路Q越高，帶寬越窄。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）輻角特性并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)阻抗為

并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路

定義使感抗與容抗相等的頻率為并聯(lián)諧振頻率ω0,令Zp的虛部為零,求解方程的根就是ω0,可得式中,Q為回路的品質(zhì)因數(shù),

當(dāng)時(shí),并聯(lián)回路在諧振時(shí)的阻抗最大,為一電阻R0并聯(lián)諧振回路品質(zhì)因數(shù)Q的另一種表示形式并聯(lián)諧振回路品質(zhì)因數(shù)Q的兩種表示形式并聯(lián)回路在在任意頻率下的阻抗并聯(lián)諧振回路ω與ω0相差不大時(shí)可簡(jiǎn)化為

對(duì)應(yīng)的阻抗模值與幅角分別為并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路的幅頻特性并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路的相頻特性對(duì)比串聯(lián)回路：并聯(lián)諧振回路由于有：所以并聯(lián)諧振時(shí)：并聯(lián)諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系（又稱為電流諧振）

例1

設(shè)一放大器以簡(jiǎn)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?

并聯(lián)諧振回路公式歸納串聯(lián)諧振回路基本公式：公式歸納并聯(lián)諧振回路基本公式：將f0以兆赫茲(MHz)為單位,Ｃ以皮法(pF)為單位,L以微亨（μH）為單位，上式可變?yōu)橐粚?shí)用計(jì)算公式:

將f0=fs=10MHz代入,得解(1)計(jì)算L值。由式(2—2),可得并聯(lián)諧振回路

(2)回路諧振電阻和帶寬。由式(2—12)并聯(lián)諧振回路回路帶寬為

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B=0.5MHz,故回路總電阻為并聯(lián)諧振回路(3)求滿足0.5MHz帶寬的并聯(lián)電阻。需要在回路上并聯(lián)的電阻。電路如下圖所示，已知L=586μH，C=200pF，r=12Ω，RL為負(fù)載電阻。試求：(1)未接入RL時(shí)，回路的品質(zhì)因數(shù)Q0、諧振電阻RP、通頻帶BW0.7。(2)RL=200KΩ時(shí)，回路的等效品質(zhì)因數(shù)QL、諧振電阻RΣ、通頻帶BW0.7。

課堂練習(xí)

電路如下圖所示，已知L=586μH，C=200pF，r=12Ω，RL為負(fù)載電阻。試求：

(1)未接入RL時(shí)，回路的品質(zhì)因數(shù)Q0、諧振電阻RP、通頻帶BW0.7。課堂練習(xí)

電路如下圖所示，已知L=586μH，C=200pF，r=12Ω，RL為負(fù)載電阻。試求：

(2)RL=200KΩ時(shí)，回路的等效品質(zhì)因數(shù)QL、諧振電阻RΣ、通頻帶BW0.7。

課堂練習(xí)抽頭并聯(lián)諧振回路抽頭并聯(lián)諧振回路的引入：“部分接入”抽頭并聯(lián)諧振回路幾種常見抽頭振蕩回路

“部分接入”抽頭并聯(lián)諧振回路R<1（接入系數(shù)）（等效原則）將R0等效為R：抽頭并聯(lián)諧振回路接入系數(shù)抽頭并聯(lián)諧振回路L2L1接入系數(shù)抽頭并聯(lián)諧振回路電流源的折合

例2如圖所示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)、輸出電壓u1(t)的表示式及回路帶寬。抽頭并聯(lián)諧振回路

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)R1等效到回路兩端的電阻為

抽頭并聯(lián)諧振回路（）

諧振時(shí)回路兩端電壓u(t)與i(t)同相,電壓振幅U=IR=2V,輸出電壓為

回路有載品質(zhì)因數(shù)

回路帶寬

抽頭并聯(lián)諧振回路

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。圖（a）是互感耦合電路,圖(b)是電容耦合回路。耦合振蕩回路*兩種常見的耦合回路

耦合振蕩回路的作用：一是用來(lái)進(jìn)行阻抗變換以完成高頻信號(hào)的傳送；二是形成比簡(jiǎn)單振蕩回路更好的頻率特性。兩種常見的耦合回路耦合振蕩回路*耦合系數(shù)為耦合振蕩回路*耦合振蕩回路*③k=k0為臨界耦合k<k0為欠耦合k>k0為過(guò)耦合①②③①②選擇性常采用矩形系數(shù)來(lái)表示耦合振蕩回路*（單諧振回路的）對(duì)臨界耦合耦合振蕩回路*P60:2-2圖示為波段內(nèi)調(diào)諧用的并聯(lián)振蕩回路，可變電容C的變化范圍為12～260pF，Ct為微調(diào)電容，要求此回路的調(diào)諧范圍為535～1605kHz，求回路電感L和Ct的值，并要求C的最大和最小值與波段的最低和最高頻率對(duì)應(yīng)。課堂練習(xí)課堂練習(xí)課外作業(yè)2－1對(duì)于收音機(jī)的中頻放大電路，其中心頻率f0=465kHz．B0.707=8kHz，回路電容C=200PF，試計(jì)算回路電感和QL值。若電感線圈的QO=100，問(wèn)在回路上應(yīng)并聯(lián)多大的電阻才能滿足要求。2－3圖示為一電容抽頭的并聯(lián)振蕩回路。諧振頻率f0=1MHz，C1=400pf，C2=100pF求回路電感L。若Q0=100，RL=2kΩ，求回路有載QL值。

（二）高頻變壓器和傳輸線變壓器*（三）石英晶體諧振器**石英晶體諧振器石英晶體諧振器石英晶體諧振器

石英晶體具有壓電效應(yīng)：當(dāng)晶體受到應(yīng)力作用時(shí),在它的某些特定表面上將出現(xiàn)電荷,而且應(yīng)力大小與電荷密度之間存在著線性關(guān)系,這是正壓電效應(yīng)；當(dāng)晶體受到電場(chǎng)作用時(shí),在它的某些特定方向上將出現(xiàn)應(yīng)力變化,而且電場(chǎng)強(qiáng)度與應(yīng)力變化之間存在著線性關(guān)系,這是逆壓電效應(yīng)。

當(dāng)交流電壓加在晶體兩端,晶體先隨電壓變化產(chǎn)生應(yīng)變,然后機(jī)械振動(dòng)又使晶體表面產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時(shí),晶體片的機(jī)械振動(dòng)最大,晶體表面電荷量最多,外電路中的交流電流最強(qiáng),于是產(chǎn)生了壓電諧振。石英晶體諧振器靜態(tài)電容C0約1pF～10pF動(dòng)態(tài)電感Lq約10-3H～102H動(dòng)態(tài)電容Cq約10-4pF～10-1pF動(dòng)態(tài)電阻rq約幾十歐到幾百歐下圖是石英晶振的符號(hào)和等效電路。由以上參數(shù)可以看到：１）石英晶振的Ｑ值和特性阻抗ρ都非常高，Ｑ值可達(dá)幾萬(wàn)到幾百萬(wàn),因?yàn)椋菏⒕w諧振器

2）由于石英晶振的接入系數(shù)p=Cq／(C0+Cq)很小,所以外接元器件參數(shù)對(duì)石英晶振的影響很小。

因此不難理解石英晶振的頻率穩(wěn)定度是非常高的。靜態(tài)電容C0約1pF～10pF動(dòng)態(tài)電感Lq約10-3H～102H動(dòng)態(tài)電容Cq約10-4pF～10-1pF動(dòng)態(tài)電阻rq約幾十歐到幾百歐下圖是石英晶振的符號(hào)和等效電路。由以上參數(shù)可以看到：石英晶體諧振器串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率石英晶體諧振器（因?yàn)镃q<<Co）

由于Cq／C0很小,所以ｆq與ｆo間隔很小,因而在ｆq～ｆo感性區(qū)間,石英晶振具有陡峭的電抗頻率特性,曲線斜率大,利于穩(wěn)頻。石英晶體諧振器容感容2－5一個(gè)5kHz的基頻石英晶體諧振器，Cq=2.4×10－2pFC0=6pF，rq=15Ω。求此諧振器的Q值和串、并聯(lián)諧振頻率。

石英晶體諧振器2－5一個(gè)5kHz的基頻石英晶體諧振器，Cq=2.4×10－2pFC0=6pF，rq=15Ω。求此諧振器的Q值和串、并聯(lián)諧振頻率。

解：串、并聯(lián)諧振頻率近似相等，為5kHz石英晶體諧振器2－5一個(gè)5kHz的基頻石英晶體諧振器，Cq=2.4×10－2pFC0=6pF，rq=15Ω。求此諧振器的Q值和串、并聯(lián)諧振頻率。

石英晶體諧振器石英晶體濾波器下圖是石英晶體濾波器的應(yīng)用電路。

將Z1、Z2、Z3、Z4看成電橋形式，當(dāng)Z1、Z2阻抗異性時(shí)電橋不可能平衡，輸出端可得到足夠大的電壓輸出，此為通帶（ｆq～ｆo之間）；

Z1、Z2阻抗同性且相等時(shí)電橋完全平衡，此時(shí)衰減最大。石英晶體濾波器下圖是石英晶體濾波器的應(yīng)用電路。

將Z1、Z2、Z3、Z4看成電橋形式，當(dāng)Z1、Z2阻抗異性時(shí)電橋不可能平衡，輸出端可得到足夠大的電壓輸出，此為通帶（ｆq～ｆo之間）；

Z1、Z2阻抗同性且相等時(shí)電橋完全平衡，此時(shí)衰減最大。衰減（四）集中濾波器**多級(jí)差分放大電路常用的有石英晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器等。集中濾波器集中選頻放大器：陶瓷濾波器

利用某些陶瓷材料的壓電效應(yīng)構(gòu)成的濾波器稱為陶瓷濾波器。常用鋯鈦酸鉛[Pb(zrTi)O3]壓電陶瓷材料（簡(jiǎn)稱PZT）制成，這種陶瓷片的兩面涂銀作為電極，經(jīng)過(guò)直流高壓極化之后具有和石英晶體相類似的壓電效應(yīng)。

陶瓷濾波器的優(yōu)點(diǎn)是容易焙燒，可制成各種形狀；適于小型化；且耐熱耐濕性好。它的等效品質(zhì)因數(shù)QL為幾百，比石英晶體低但比LC濾波器高。陶瓷濾波器陶瓷濾波器在電路中主要用作選頻元件，具有性能穩(wěn)定、無(wú)需調(diào)整、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，可取代傳統(tǒng)的LC濾波網(wǎng)絡(luò)。

陶瓷濾波器按幅頻特性分為帶阻濾波器（又稱陷波器）、帶通濾波器（又稱濾波器）兩類。陶瓷濾波器串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率二端陶瓷濾波器兩端式陶瓷濾波器相當(dāng)于一個(gè)單諧振回路，常用于固定的中頻濾波器。陶瓷濾波器三端陶瓷濾波器當(dāng)1、3間的輸入信號(hào)頻率等于陶瓷片的串聯(lián)諧振頻率f0時(shí)，陶瓷片產(chǎn)生較大的機(jī)械振動(dòng)，由于壓電效應(yīng)，這個(gè)機(jī)械振動(dòng)又轉(zhuǎn)換成電信號(hào)從2、3端輸出，且頻率也是f0。三端式陶瓷濾波器相當(dāng)于一個(gè)雙調(diào)諧耦合回路，?？梢源嬷蓄l放大電路中的中頻變壓器。陶瓷濾波器圖(a)由二個(gè)諧振子組成，圖(b)由五個(gè)諧振子組成。諧振子數(shù)目愈多，濾波器的性能愈好。

適當(dāng)選擇串臂和并臂陶瓷濾波器的串、并聯(lián)諧振頻率，就可得到理想的濾波特性。四端陶瓷濾波器uo

+6V30FZ1647105121112ui

470H–6V470H470H8470H0.033F0.033F0.033F0.033F0.033F0.033F0.033F625603.3k1.2k1k4.7k30pF0.033F陶瓷濾波器選頻放大器陶瓷濾波器

聲表面波濾波器ＳＡＷＦ（SurfaceAcousticWaveFilter）是利用某些晶體的壓電效應(yīng)和表面波傳播的物理特性制成的一種新型電—聲換能器件，不需要調(diào)整,而且具有良好的幅頻特性和相頻特性,其矩形系數(shù)接近１。聲表面波濾波器聲表面波濾波器

聲表面波濾波器是在極薄的壓電材料基片上,用蒸發(fā)、光刻、腐蝕等工藝制成兩組叉指狀電極,其中與信號(hào)源連接的一組稱為發(fā)送叉指換能器,與負(fù)載連接的一組稱為接收叉指換能器。當(dāng)把輸入電信號(hào)加到發(fā)送換能器上時(shí),叉指間便會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。

聲表面波濾波器

由于逆壓電效應(yīng)的作用,基體材料將產(chǎn)生彈性變形,從而產(chǎn)生聲波振動(dòng)。向基片內(nèi)部傳送的體波會(huì)很快衰減,向左傳送的聲表面波被涂于基片左端的吸聲材料所吸收,向右傳送的聲表面波由接收換能器接收,由于正壓電效應(yīng),在叉指對(duì)間產(chǎn)生電信號(hào),并由此端輸出。聲表面波濾波器

聲表面波濾波器的濾波特性,如中心頻率、頻帶寬度、頻響特性等一般由叉指換能器的幾何形狀和尺寸決定。這些幾何尺寸包括叉指對(duì)數(shù)、指條寬度a、指條間隔b、指條有效長(zhǎng)度Ｂ和周期長(zhǎng)度Ｍ等。聲表面波濾波器

目前聲表面波濾波器的中心頻率可在１０MHz～１ＧHz之間,相對(duì)帶寬為５%～５０%,插入損耗最低僅幾個(gè)分貝,矩形系數(shù)可達(dá)１.２。聲表面波濾波器下圖是聲表面波濾波器的符號(hào)和等效電路。聲表面波濾波器

為了保證對(duì)信號(hào)的選擇性要求,聲表面波濾波器在接入實(shí)際電路時(shí)必須實(shí)現(xiàn)良好的匹配。下圖為一接有聲表面波濾波器的預(yù)中放電路,濾波器輸出端與一寬帶放大器相接。預(yù)中放（五）衰減器與匹配器*第二章高頻電路基礎(chǔ)2.3電子噪聲及其特性**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)及各種電磁擾動(dòng)的總稱。干擾與噪聲

通常將來(lái)自系統(tǒng)外部的稱為干擾，系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的稱為噪聲。干擾與噪聲

外部干擾分為兩大類：自然干擾與人為干擾。自然干擾主要來(lái)源于大氣層的天電干擾、地球外層空間的宇宙射線等，人為干擾是由機(jī)電設(shè)備或其他人工裝置產(chǎn)生的電磁能量干擾；內(nèi)部噪聲有電阻產(chǎn)生的熱噪聲、晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管產(chǎn)生的散粒噪聲等。

外部干擾一般表現(xiàn)為一種電沖擊幅度很強(qiáng)的窄脈沖；內(nèi)部噪聲一般為隨機(jī)噪聲，表現(xiàn)為不規(guī)則的電擾動(dòng)，幅度不是很大但占有的頻率范圍很寬，且只能用概率分布或功率譜函數(shù)來(lái)表示。干擾與噪聲電阻的熱噪聲

電阻熱噪聲是由于電阻內(nèi)部自由電子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。這種熱運(yùn)動(dòng)在導(dǎo)體內(nèi)形成非常微弱的電流,呈雜亂起伏的狀態(tài),稱為起伏噪聲電流。起伏噪聲電流流過(guò)電阻本身就會(huì)在其兩端產(chǎn)生起伏噪聲電壓。電阻的熱噪聲

由于起伏噪聲電壓的變化是不規(guī)則的,其瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)相位是隨機(jī)的,所以無(wú)法計(jì)算其瞬時(shí)值。起伏噪聲電壓的平均值為零,噪聲電壓正是不規(guī)則地偏離此平均值而起伏變化。電阻的熱噪聲

但是起伏噪聲的均方值是確定的,可以用功率計(jì)測(cè)量出來(lái)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在整個(gè)無(wú)線電頻段內(nèi),當(dāng)溫度一定時(shí),單位電阻上所消耗的平均功率在單位頻帶內(nèi)幾乎是一個(gè)常數(shù),即其功率頻譜密度是一個(gè)常數(shù)（白噪聲）。電阻熱噪聲等效電路

電阻的熱噪聲晶體管的噪聲熱噪聲：構(gòu)成晶體管的發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的體電阻和引線電阻產(chǎn)生的熱噪聲,其中以基區(qū)體電阻rbb′的影響為