高频基础知识.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,绪论,通信系统的分类、组成及各部分的功能,重点：通信系统的组成（,5,大组成）,通信系统分类：有线通信和无线通信,通信系统的组成：信号源、发射机、传输媒介、接收机、终端设备五部分组成,超外差接收机,高频复习,无线电信号与系统特性的测试,掌握常用周期信号的数学表达式及其三要素（周期、振幅、相位）,掌握信号频谱的概念（,P13,）、周期信号（非正弦）频谱的特点,(P29),关于系统的频域特性,-,重点：低通滤波器（电压传输函数、幅频特性曲线、作用）（,P41,）,正弦信号的时域特性,正弦信号时域波形如,图,1.2,所示。,该信号的数学表达式：,U,m,振幅，单位,:V,（伏特）；,=2,f,角频率单位,:,rad/s,（弧度,/,秒）；,f,=1/T,频率，单位,:Hz,（赫兹）；,T,=,t,1,t,0,周期，单位,:s,（秒）；,0,=,t,0,初相位，单位,:,rad,（弧度）。,掌握常用周期信号的数学表达式及其三要素,（周期、振幅、相位）,频谱,:,是指信号所包含的,频率,成分及其,幅度,大小的分布。即幅度等某些特征量随频率变化的关系。,频谱图,:,是频谱的图形表示。,振幅频谱图,相位频谱图,周期信号的频谱,:,是指周期信号中各次谐波的幅值、相位随频率的变化关系。,信号频谱的概念,掌握信号频谱的概念（,P13,）、周期信号（非正弦）,频谱的特点,(P29),周期信号的频谱特点,离散性,频谱是离散的而不是连续的，,每根谱线代表一个谐波分量。,这种频谱称为离散频谱；,谐波性,谱线只能出现在基波角频率,1,的整数倍上；,收敛性,幅度谱的谱线幅度随着谐波次数增高而逐,vc,渐衰减小到零。,上述三个特点，分别称为周期信号的,离散性、谐波性,和,收敛性,。,RC,一阶低通网络,关于系统的频域特性,-,重点：低通滤波器（电压传输函数、幅频特性曲线、作用）（,P41,）,截止频率,用来说明电路,频率特性,指标的特殊频率。当保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的,0.707,倍，或某一特殊额定值时该频率称为截止频率。,关于高频放大器,低噪声调谐放大器、串、并联谐振回路的相关知识：,低噪声调谐放大器电路结构，谐振回路的品质因数、谐振频率,(P67),尤其是并联谐振回路作为高频放大电路的负载时的作用；回路的品质因数、中心频率、,3dB,带宽以及三者之间的关系,(P72),谐振回路的选择性：,Q,值、矩形系数等相关概念,(P63),放大电路噪声系数的概念,(P63),关于高频谐振功率放大器,甲、乙、丙类功放（概念、静态工作点、导通角、效率等的比较）,(P79,起,),丙类功放的电路结构、各级电流电压波形,(P81),关于丙类功率放大器的相关计算（集电极电源提供的直流功率,PD,、谐振功放输出交流功率,PO,、集电极效率、谐振电阻、输出电压振幅,Vcm,、基波电流最大值（振幅值）,Ic1m,等）,(P63),在电路某一指定点处的,信号功率,P,s,与噪声功率,P,n,之比，称为信号噪声比，简称,信噪比,（,signal-noise ratio,），以,P,s,/,P,n,（或,S,/,N,）表示。,放大器噪声系数,（,noise figure,）,F,n,是指放大器,输入端信噪比,P,si,/,P,ni,与输出端信噪比,P,so,/,P,no,的比值,，即,用分贝数表示：,放大电路噪声系数的概念,(P63),谐振回路,在含有电感和电容的交流电路中，电路两端的电压和输入电流一般是不同相的；,当调节电路的参数或信号的频率为某一数值时，电压和电流同相，这种状态称为,谐振,；,谐振回路是最常用的,选频网络,；,它由电感和电容组成；,单谐振回路有,串联谐振回路和并联谐振回路。,一,.,串联谐振回路,由电感,L,和电容,C,以及角频率为,的正弦信号源串联组成的电路，称为串联谐振电路；,r,为,L,和,C,的总损耗电阻；,但由于电容的损耗很小，因此,r,可看成是电感线圈的损耗电阻；,i,串联谐振产生的条件,回路总阻抗为：,当回路的感抗和容抗相等时，回路的总阻抗最小，且为纯电阻，此时,回路电流,最大，即：,I,o,=U,s,/r,同时，电压和电流同相，回路发生串联谐振；,由此可知，串联谐振的条件为：,i,则串联谐振频率为：,串联谐振条件,可见，,o,仅由,L,和,C,决定，与,r,无关，它反映了电路的一种固有性质，所以又称为,固有频率,；,谐振时，回路的感抗和容抗相等，称为,特性阻抗,，用,表示，即,:,定义：,品质因素,Q,为特性阻抗与回路电阻之比，即：,谐振特性,当,o,回路产生,谐振时，电抗,X=0,，,阻抗,Z=r,为最小且呈纯阻性,；,当,o,时，感抗大于容抗，回路呈感性；,因此，可画出阻抗频率特性曲线，如下：,谐振特性,谐振时回路电流最大,，,且电流与外加电压同相；,谐振时回路中电感和电容两端电压为：,用向量表示见左图；,电感和电容两端电压大小相等，方向相反，且为信号源电压的,Q,倍；,电感电压超前电流,90,度；,电容电压滞后电流,90,度,.,低噪声调谐放大器、串、并联谐振回路的相关知识：,(1),并联谐振回路,1,）电路结构,并联谐振回路的并联阻抗为：,谐振频率：定义使感抗与容抗相等的频率为并联谐振频率,0,。,回路的品质因数,谐振电阻：回路在谐振时的阻抗,最大,为一纯电阻,R,0,：,若电感的耗损电阻越小，回路的,Q,值越高，其谐振电阻,R,0,越大。,通频带,回路的品质因素,Q,越高,，谐振曲线,越尖锐,，回路的通频带,越狭窄,，,关于高频谐振功率放大器,甲、乙、丙类功放（概念、静态工作点、导通角、效率等的比较）,(P79,起,),丙类功放的电路结构、各级电流电压波形,(P81),关于丙类功率放大器的相关计算（集电极电源提供的直流功率,PD,、谐振功放输出交流功率,PO,、集电极效率、谐振电阻、输出电压振幅,Vcm,、基波电流最大值（振幅值）,Ic1m,等）,(P63),甲、乙、丙类功放（概念、静态工作点、导通角、效率等的比较）,(P79,起,),关于高频谐振功率放大器,分为甲、乙、丙三类工作状态。,甲类放大器电流的流通角为,360,，适用于小信号低功率放大；,乙类放大器电流的流通角约等于,180,；,丙类放大器电流的流通角则小于,180,。,按放大器可以按照电流通角（放大器在一个正弦周期内导通的角度）的不同划分：,1,、谐振功率放大器的电路组成与工作原理,电路中,V,BB,为放大器提供一反向偏置电压,V,BB,，从而使放大器静态时为截止状态,L,1,与,C,1,、,L,2,与,C,3,均调谐在,f,i,=,f,c,=30MHz,，起滤波和谐振负载作用。,设输入电压,u,b,=,U,bm,cos,c,t,，,则,BJT,发射结上电压,u,BE,=,V,BB,+,u,b,=,V,BB,+,U,bm,cos,c,t,对于如图,2.24,所示电路的,NPN,型管来说，只有在激励信号,u,BE,为正值的一段时间（,+,至,）内才有集电极电流产生，如图,2.29,所示。由图可知，,2,是在一周期内的集电极电流流通角，因此，,可称为半流通角或截止角,为方便起见，以后将,简称为通角,。由图,2.29,可以看出,丙类放大器,的通角则小于,90,。,i,B,为一周期性余弦电流脉冲,u,BE,=,V,BB,+,u,b,=,V,BB,+,U,bm,cos,c,t,图,2.30,谐振功率放大器的电压和电流波形,2,、谐振功率放大器的功率关系,输出功率,直流电源提供功率,直流输入功率,P,V,与回路交流功率,P,o,之差就是晶体管的集电极耗散功率，即,P,c,=,P,V,P,o,放大器的集电极效率为,P,V,=,I,C0,V,CC,称为集电极电压利用系数；,越大（即,U,cm,越大），,越小，则效率,c,越高。,称为波形系数。它是通角,的函数；,越小，则越大，,等与,的关系见图,2.31,。,图,2.31,余弦脉冲的分解系数,=120,时 最大 ，输出功率最大,但 较小，所以效率较低,最佳通角,=70,可以兼顾功率和效率的矛盾,=60,和,=40,时 、分别最大，可以设计 丙类倍频器,动态线与,波形,：,这样，就得到了图,2.36,（,a,）的、,I,c1m,随,R,P,而变化的曲线。再由,U,cm,=,R,P,I,c1m,的关系式看出，在欠压区由于,I,c1m,变化很小，因此,U,cm,随,R,P,的增加而直线上升。进入过压区后，由于,I,c1m,随,R,P,的增加而显著下降，因此,U,cm,随,R,P,的增加而很缓慢地上升。,近似地说,，,欠压时,I,c1m,几乎不变，过压时,U,cm,几乎不变,。,把欠压状态的放大器当作一个理想电流源；,把过压状态的放大器当作一个理想电压源。,直流输入功率,P,V,=,I,C0,V,CC,。由于,V,CC,不变，因此,P,V,曲线与,I,C0,曲线的形状相同。,交流输出功率,P,0,=,I,c1m,U,cm,，因此,P,o,曲线可以从,U,cm,与,I,c1m,两条曲线相乘求出来。,在临界状态，,P,o,达到最大。,集电极耗散功率,P,c,=P,V,P,o,，故,P,c,曲线可由,P,V,与,P,o,曲线相减而得。在欠压区内，当减小时，,P,c,上升很快。当时，,P,c,达到最大值，可能使晶体管烧坏。必须避免发生这种情况。,功率与效率曲线,在欠压时，,P,V,变化很小，所以随,P,o,的增加而增加；到达临界状态后，开始时因为,P,o,的下降没有,P,V,下降快，因而继续增加，但增加很缓慢。随着,R,P,的继续增加，,P,o,因,I,c1m,的急速下降而下降，因而略有减小。由此可知，在靠近临界的弱过压状态出现的最大值。,效率,欠压、过压、临界三种工作状态的特点：,结论：,欠压：恒流，,V,cm,变化，,P,o,较小，,c,低，,P,c,较大；,过压：恒压，,I,cm1,变化，,P,o,较小，,c,可达最高；,临界：,P,o,最大，,c,较高；,最佳工作状态,发射机末级,中间放大级,图,6.3.7,负载特性曲线,欠压,过压,0,临,界,R,p,欠压,过压,0,临,界,R,p,三种工作状态的优缺点综合如下：,临界状态的优点是输出功率最大，也较高，可以说是最佳工作状态。这种工作状态主要用于发射机末级。,过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳；在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降。它常用于需要维持输出电压比较平稳的场合，例如发射机的中间放大级。,欠压状态的输出功率与效率都比较低，而且集电极耗散功率大，输出电压又不够稳定，因此一般较少采用。但在某些场合，例如基极调幅，就是利用改变使电路工作于欠压状态，这将在下面讨论。,例,2.1,有一个用硅,NPN,外延平面型高频功率管：,3DAl,做成的谐振功率放大器，设已知,Vcc,=24V,，,P,0,=2W,，工作频率,=1 MHz,。试求它的能量关系。,由晶体管手册已知其有关参数为,f,T,70 MHz,，,A,p,（功率增益）,13dB,，,I,Cmax,750,mA,，,U,CE,（,sat,）,（集电极饱和压降）,1.5 V,，,P,CM,=1 W,。,谐振功率放大器的计算（估算）举例,解 由前面的讨论已知，工作状态最好选用临界状态。作为工程近似估算，可以认为此时集电极最小瞬时电压,u,CEmin,=,UCE,（,sat,）,=1.5 V,。于是,U,cm,=,V,CC,u,CEmin,=24,1.5V=22.5V,由式（,2.3,）得,选取,=70,，则由图,2.31,（或附录,F,）可知,则,未超过电流安全工作范围。,P,V,=,I,C0,V,CC,=2410310,3W=2.47 W,P,c=,P,V,P,o,=2.47,2=0.47,（,W,）,P,CM,由功率增益的定义,在本例中,求得所需的基极激励功率为,振荡器的概念、电路结构组成及各部分的作用,(P114),振荡器的起振条件、平衡条件与稳定条件，振荡器的性能指标,(P116),LC,三点式振荡器的分类、性能比较：电感三点式（哈特莱电路）与电容三点式（基本型：考毕兹电路，串联改进型：克拉泼电路，并联改进型：西勒电路）它们优缺点比较,(P121),LC,三点式振荡器的组成原则（相位平衡条件），反馈系数,(P119),相关分析计算：等效电路、振荡频率、反馈系数等,(P119),关于晶体振荡器：性能（与,LC,振荡器相比较：频率稳定度高）、对其等效电路及其串并联谐振频率的理解，对其应用电路：要求掌握并联型与串联型的电路结构以及晶体的等效作用等,(P131),关于振荡器与频率合成器,由于振荡器的信号一般指电压信号，故振荡条件,也可表示如下：,A,u,F,u,=1,U,f,=,U,i,按照选频网络的不同，反馈式正弦波振荡器可分为,LC,正弦波振荡器,（其放大器和,LC,选频网络可组成谐振放大器）、,RC,正弦波振荡器,和,石英晶体振荡器,等。,反馈型振荡器是由,放大器,和,反馈网络,组成的一个,闭合环路,放大器通常是以某种选频网络,(,如振荡回路,),作负载,是一调谐放大器,反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。,反馈振荡器的组成,U,O,1,、反馈式正弦波振荡器的振荡条件,1,）,振荡器的起振条件与平衡条件,或,正反馈,放大器,产生振荡的条件是,振荡器的平衡条件,A,F,=1,（,3,5,）,A,+,F,=2n(n=0,，,1,，,2,，,3,，,),（,3,6,）,振幅平衡条件,相位平衡条件,振荡器的起振条件,起振过程：开始增幅振荡,非线性,稳幅振荡,为便于起振，必须给晶体管加较大的正向偏置，使放大器,开始时工作在甲类工作状态,，,随着振幅的增大,，,放大器由放大区进入饱和区或截止区,，,工作于非线性的丙类状态,，,Q,起振,平衡,稳定,3,、电容三点式振荡器的基本特性,按照反馈耦合网络的不同，,LC,振荡器可分为,变压器反馈式振荡器,和,三点式振荡器,三点式振荡器有,电感三点式,和,电容三点式,两种。,基本电路就是通常所说的三,点,式,(,又称三端式,),的振荡器,即,LC,回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路,c,e,b,L,1,L,2,c,e,b,射同它异,L,和,C,1,，,C,2,组成振荡回路，,反馈电压取自电容,C,2,两端，,C,b,与,C,c,均对高频旁路；,R,b1,与,R,b2,为三极管基极提供合适的偏置；,R,c,为集电极偏置电阻，有时可用高频扼流圈,L,c,代替。,电容三点式振荡器,又称,考毕兹（,Colpitts,）振荡器,。,电容三点式振荡器的振荡频率,式中，,C,C,1,C,2,/(,C,1,+,C,2,),为回路的总电容，考虑到,r,be,和,r,ce,的影响，实际振荡频率稍高于,经验证明，,C,1,/,C,2,取,1/2,1/8,较为适宜,(3-12),电容三端振荡器的优点是,:,输出波形较好,这种电路的缺点是：调,C,1,或,C,2,来改变振荡频率时，反馈系数也将改变，从而导致振荡器工作状态的变化，因此这个,电路只,适于作固频振荡器,。,例,3.1,振荡器电路如图,3.15,所示，图中,C,1,=100,pF,，,C,2,=0.0132,F,，,L,1,=100,H,，,L,2,=300,H,。,1),试画出交流等效电路；,2),求振荡频率；,3),用矢量图判断是否满足相位平衡条件；,4),求电压反馈系数,F,。,图,3.15,图,3.16,解：,1),交流等效电路如图,3.16,所示。,2),振荡角频率为,C,1,L,1,支路的谐振角频率为,由于,1,0,，因此,L,1,C,1,在,0,时呈电容性，可用一等效电容,C,1,表示。图,3.16,所示电路即成为电容三点式振荡器。,4),电压反馈系数为,所以,串联改进型电容三点式振荡器,图,3.21,克拉泼振荡器,(a),电路,(b),交流通路,克拉泼（,Clapp,）,串联改进型电容三点式振荡器,串联改进型电容三点式振荡器,克拉泼振荡器的反馈系数为,调节,C,3,改变振荡频率时，不影响反馈系数；,而调节,C,1,或,C,2,改变反馈系数时，对振荡频率也无影响,换言之，克拉泼振荡器的振荡频率与反馈系数可分别独立调节，这就消除电容三点式振荡器的另一缺点,。,（,3,16,）,（频率稳定度高）,4.,振荡频率上升，起振条件不易满足而停振。,clapp,振荡电路的缺点：,1.,在波段内输出幅度不均匀,输出电压振幅与,f,3,成反比,2.,波段覆盖系数小,3.,不易起振,:,对管子的,提出很高的要求，它,f,3,与成正比,并联改进型电容三点式振荡器,西勒振荡器,seiler,图,3.24,西勒振荡器,(a),电路,(b),交流通路,西勒电路是在,clapp,电路的基础上发展起来的，,只要在,clapp,电路上做两点改动即可：,其一，改变成固定的小电容,其二，,L,上并联可变电容,振荡频率,并联改进型电容三点式振荡器,从频率稳定的角度看，愈小愈好，,的选择原则就是保证起振条件的情况下，,尽可能减小 的值。,seiler,电路改变振荡频率时，是固定值。,seiler,电路在频率高端更易起振,不能选得太小否则起振条件难满足,（频率稳定度高）,晶体振荡器的电路形式主要分为两类：,石英晶体在电路中作为等效,电感元件,使用,并联型晶体振荡器,；,将晶体作为一个,短路元件,串接在正反馈支路中，工作在晶体的串联谐振频率上，称为,串联型晶体振荡器。,1,）并联型晶体振荡器,(,a)c-b,型电路 （,b,）,b-e,型电路,图,3.28,并联谐振型晶体振荡器的两种基本形式,(a),相当于电容三点式,(,皮尔斯电路,);,(b),相当于电感三点式,(,密勒电路,);,石英晶体当做电感使用，与,LC,反馈振荡器并无差别。,皮尔斯电路（类似考比兹）,与电容三点式类似，反馈信号通过晶体接到发射极；,由,L,C,、,C,1,、,C,2,和,C,3,组成的谐振回路调谐在晶体的串联谐振频率,f,q,上；,此时晶体可看成短路，正反馈最强；回路振荡频率基本上等于,f,q,而对于其他频率，晶体呈现很大的阻抗；,因此电路的振荡频率和频率稳定度都由晶体决定；,经过,LC,回路和晶体的两次选频，输出波形好；,2.,串联型晶体振荡器,根据控制对象参量的不同，反馈控制电路可分为三类：,1),需要比较和调节的参量为电压或电流，,反馈控制电路称为,自动增益控制电路（,AGC,）,2),需要比较和调节的参量为频率，,反馈控制电路称为,自动频率控制电路（,AFC,）,3),需要比较和调节的参量为相位，,反馈控制电路称为,自动相位控制电路（,APC,）,关于频率合成器,了解频率合成、锁相、压控振荡器、鉴相器、低通滤波器相关概念，应用及其工作原理,(P135),掌握锁相环路的基本组成框图、各部分的名称、作用,(P135),会分析计算直接式频率合成电路（固定分频比、可变分频比、输出频率点间隔、输出频率范围）,(P154),关于振荡器与频率合成器,相位比较器,压控振荡器,f,R,(,R,),标准频率,V,e,f,V,(,V,),输出频率,f,V,APC,控制电路框图,自动相位控制电路（,APC,）,如何实现精确的自动频率控制,?,=,d(t)/dt,=,d(t)/dt,(t,）常数,=,锁相环路（简称,PLL,）：一种相位负反馈自动控制系统，,它是利用输出与输入量之间的相位误差来实现输出频率对,输入频率的锁定。,2,、举例说明：（一阶锁相环）,未锁定,2,、举例说明：（一阶锁相环）,锁定,愈小，稳定性愈好,由此可见：,锁定过程,e,是从,0,2,之间变化的，若干周期后使,e,减少到趋于小的常数，,则环路被锁定，,o,=,i,锁相环路的基本组成框图如图,3.2,所示。它由,鉴相器（,PD,）、环路滤波器（,LF,）和压控振荡器（,VCO,）,三部分组成，其中，,PD,和,LF,构成反馈控制器，而,VCO,就是它的控制对象。,图,3.2,锁相环路的基本组成框图,提供标准频率,鉴相器,PD,（相位比较器）,：将输入参考信号的相位和压控振荡器（,VCO,）的输出信号的相位比较，输出一个与相位差有关的误差电压。,u,d,=,k,d,e,环路滤波器,LF,（低通滤波器）,：滤去鉴相器输出信号中的高频分量，只让直流和低频分量通过，得到一控制电压,u,C,(t),压控振荡器,VCO,（电压,频率转换器）,：是振荡瞬时角频率,o,（,t,）受控制电压,u,C,（,t,）控制的振荡器，使输出频率与输入参考频率相等。,图,3.66,直接式频率合成器组成框图,直接式频率合成器的结构较简单，输出频率较低时常用,CD4046,来实现。,1,、锁相环频率合成器的组成与工作原理,1,、锁相环频率合成器的组成与工作原理,（,1,）直接式频率合成器,它仅在图,3.61,所示锁相环的反馈支路中插入一个可编程控制的分频器（,N,）。,高稳定度参考振荡信号经,R,次分频后，得到频率为,f,R,的参考脉冲信号。同时压控振荡器输出经,N,次分频后得到频率为,f,N,的脉冲信号，它们通过鉴相器进行比相。当环路处于锁定状态时，,f,R,=,f,N,=,f,o,/,N,，,显然，只要改变分频比,N,，即可达到改变输出频率,f,o,的目的，从而实现了由,f,R,合成,f,o,的任务。在该电路中，,输出频率点间隔,:,f,=,f,R,。,例,1,参 考,分频器,可变程序,分频器,参 考,振荡器,环路,滤波器,压控,振荡器,鉴相器,固定分,频器,f,1,f,r,f,v,87,108MHZ,FM,广播调制器的除法降频解决方案（单环式）,求：当,A=200,，,M=10,，,f,r,=1MHZ,，,f,v,=108MHZ,，,时的可变分频数,N,并化为,16,进制数,N,M,