二-高频电路基础PPT课件.ppt

高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础2.2 高频电路中的基本电路2.2.1 高频振荡回路高频振荡回路是高频电路中应用最广的无源网络，也是构成高频放大器、振荡器以及各种滤波器的主要部件，在电路中完成阻抗变换、信号选择等任务，并可直接作为负载使用。下面分简单振荡回路、抽头并联振荡回路和耦合振荡回路三部分来讨论。2 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础 并联谐振回路储能元件（电感和电容）并联电流驱动，电压输出传输函数具有阻抗的量纲1.简单振荡回路串联谐振回路：电压驱动，电流输出LCLC谐振回路是最简单也是最基本的LCLC滤波器电路。3 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础自由振荡现象：R、L、C电路具有自由振荡现象。1）R=0，等幅振荡;2）R0，减幅振荡（R ，没有振荡。4 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础为回路自然角频率。1）R=0，等幅振荡5 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础2 2）R0R0，减幅振荡（R ）6 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础3 3）R0R ，没有振荡。8 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础（1）电路特点 回路电感元件的固有损耗电阻R RS S（包括电感线圈 导线的欧姆电阻、由趋肤效应引起的高频损耗电阻）9 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础n传输函数（传输阻抗）n谐振：回路电压与输入激励电流同相位回路呈纯阻特性10 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础n 回路空载（固有）品质因数 Q Q （易测量）意义：表征回路谐振过程中一个周期的电抗元件的储能与电阻元件耗能状况的比值。当 Q 1 时(忽略电感的损耗)：n 回路谐振角频率：忽略电容的损耗：为回路无阻尼振荡角频率。11 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础n 特性阻抗 ：12 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础使网络阻抗（ZP（j）相等进行等效串联与并联回路Q值相同P13 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础（2）并联回路端阻抗的模和相角随频率变化的关系为：14 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础并联回路的阻抗特性 =0，呈纯电阻且阻值最大 0，呈容性 0，呈感性15 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础串联回路的阻抗特性 =0，呈纯电阻且阻值最小 0，呈感性16 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础（3）谐振特性并联回路谐振时，流过其电抗支路的电流I IL L、I IC C 比激励电流I Ig g大Q Q倍，故并联谐振又称电流谐振。所以品质因数 Q Q 易测量。并联谐振时（Q Q值很高），输出最大电压：并联回路在谐振时的电流、电压相位关系如图所示。17 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础 串联回路谐振时，电抗上电压是激励电压的 Q Q 倍，故串联谐振又称电压谐振。所以品质因数 Q Q 易测量。串联回路谐振时，回路呈纯电阻，且阻值最小，回路电流最大。串联回路在谐振时的电流、电压相位关系如图所示。18 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础（4）频率特性、通频带和谐波抑制度 频率特性：以 =时的输出电压 对 归一化，可得并联谐振回路的相对幅频特性与相频特性，其值分别如下：19 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础并联谐振回路的相对幅频特性和相对相频特性Q Q值增大选择性更好Q Q值增大斜率的绝对值增大单位谐振曲线可表示选择性好坏。20 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础串联谐振回路的相对幅频特性和相对相频特性Q Q值增大选择性更好Q Q值增大斜率的绝对值增大21 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础 广义失谐n通频带（BW）：当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时,将并联回路端电压值(串联回路电流值）下降为谐振值的 时对应的频率范围称为回路的通频带。在实际应用中,外加信号的频率与回路谐振频率0 0之差=-0 0表示频率偏离谐振的程度,称为失谐。当与0很接近时,令：则：22 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础=1,则：则：令：23 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础n 谐波抑制度 例：若Q=100，二次谐波抑制度24 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础为了衡量实际幅频特性曲线接近理想幅频特性曲线的程度，提出了“矩形系数”这个性能指标。矩形系数0.1：为单位谐振曲线（）值下降到.时的频带范围0.1与通频带0.7之比，即:n 矩形系数K25 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础 0.1是一个大于或等于的数，其数值越小，则对应的幅频特性越理想。26 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础解：取 用类似于求通频带0.7的方法可求得:一个单谐振回路的矩形系数是一个定值,与其回路值和谐振频率无关，且这个数值较大，接近，说明单谐振回路的幅频特性不大理想。例：求并联谐振回路的矩形系数0.1。27 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础（5）信号源內阻和负载电阻对并联谐振回路的影响影响谐振回路谐振频率。减小 通频带加宽 选择性变坏。有载品质因数影响：28 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础 在有信号源內阻和负载电阻情况下，为了对并联谐振回路的影响小，需要应用阻抗变换电路。并联谐振回路希望用恒流源激励。结论：串联谐振回路希望用恒压源激励。29 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础(1)(1)全耦合变压器等效从功率等效角度证明：理想变压器无损耗：接入系数:2.抽头并联振荡回路30 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础部分接入法：负载电阻 RL是通过双电容分压接入并联谐 振回路的,称为部分接入法。令接入系数：可得：(2)(2)双电容耦合电路u 由低抽头向高抽头转换，阻抗提高。31 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础接入系数功率守恒32 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础(3)(3)双电感抽头耦合电路（忽略了互感M M）负载电阻R RL L是通过双电感抽头接入并联谐振回路的,为部分接入法。令接入系数：得：，(P1时，则简化为：Rp Q2Rs Xp Xs结论：2）串联电抗变为同性质的并联电抗。1）小的串联电阻变为大的并联电阻。当品质因数足够高时40 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础 对于复杂的并联谐振回路，其谐振频率和谐振阻抗的计算一般更为繁琐。然而，当整个电路满足高Q条件时，计算可以大大化简。两个支路都有电阻两个支路都有电阻的并联回路的并联回路并联电路的并联电路的广义形式广义形式41 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础损耗电阻 对于高Q值并联谐振回路，其谐振频率与串联谐振回路相近，谐振阻抗可以通过串联支路的串并联互换得到。42 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础当品质因数足够高时 对于高Q值并联谐振回路，其谐振频率与串联谐振回路相近，谐振阻抗可以通过串联支路的串并联互换得到。43 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础44 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础45 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础46 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础补充题1 1：串联回路如下图所示。信号源频率 F=1MHz,电压有效值 V=0.1V。将1-1端短接，电容C 调到100PF时谐振。此时，电容 C 两端电压有效值为10V。如1-1端开路再串接一阻抗 Z（电阻和电容串联），则回路失谐，电容 C 调到200PF时重新谐振。此时，电容 C 两端的电压有效值为2.5V。试求：线圈的电感 L，串接阻抗Z前后的回路品质因数 Q 以及未知阻抗 Z。47 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础 并联回路如下图所示。已知：L1=L2=5uH，(固有)Q=100。C1=C2=8PF，信源内阻：Rg=40K,负载电阻：RL=10K。提示:考虑电感本身的损耗。补充题 2 2：试求：无阻尼谐振频率；等效谐振电阻 R；通频带 。不接 ，如何变？48 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础 耦合回路是由两个或两个以上的电路形成的一个网络，两个电路之间必须有公共阻抗存在，才能完成耦合作用。3.耦合振荡回路49 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础 在耦合回路中接有激励信号源的回路称为初级回路，与负载相接的回路称为次级回路。说明回路间的耦合程度，常用耦合系数来表示，它的定义是：耦合回路的公共电抗（或电阻）绝对值与初、次级回路中同性质的电抗（或电阻）的几何中项之比，即 耦合振荡回路在高频电路中的主要功用:一是用来进行阻抗转换以完成高频信号的传输;一是形成比简单振荡回路更好的频率特性。通常应用时都满足下述两个条件:一是两个回路都对信号频率调谐;另一个是都为高Q电路。50 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础 在高频电子线路中，常采用两种耦合回路。（）为互感耦合串联型回路；（）为电容耦合并联型回路。51 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础互感耦合回路的一般形式互感耦合回路的一般形式由基尔霍夫定律得出回路电压方程为 式中，Z11为初级回路的自阻抗，即Z11=R11+jX11,Z22为次级回路的自阻抗，即Z22=R22+jX22。52 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础由基尔霍夫定律得出回路电压方程为解得53 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础初级等效电路初级等效电路 反射阻抗，又称为耦合阻抗，它的物理意义是：次级电流通过互感的作用，在初级回路中感应的电动势对初级电流的影响，可用一个等效阻抗Zf1来表示。54 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础次级等效电路的两种形式次级等效电路的两种形式55 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础在次级回路中反射阻抗Zf2：次级等效电路的两种形式次级等效电路的两种形式56 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础矩形选频特性与单回路谐振曲线矩形选频特性与单回路谐振曲线57 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础次级回路电压次级回路电压(或电流或电流)归一化的频率响应曲线归一化的频率响应曲线 一般采用 稍大于1 1，这时在通带内放大均匀，而在通带外衰减很大，为较理想的幅频特性。58 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础 一般采用 稍大于1 1，这时在通带内放大均匀，而在通带外衰减很大，为较理想的幅频特性。1:过耦合 =1:临界耦合 1kHzf1kHz时可忽略 f Wi(f)3dB/十倍频（1/f 噪声占优）6dB/十倍频（分配噪声占优）白噪声（电阻热噪声和散粒噪声占优）2.2.2.2.晶体管的噪声晶体管的噪声86 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础场效应管的噪声沟道热噪声：导电沟道电阻栅极散粒噪声：栅极电荷不规则起伏 （很小）栅极感应噪声：沟道中的起伏噪声通过沟道与栅极之间的电容，在栅极上感应产生的噪声。与栅源电容成正比。1/f 1/f 噪声：主要影响低频段（f1kHzf1kHz）（强于双极型三极管）FET不存在分配噪声，散粒噪声又很小，通常情况下，噪声小于BJT87 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础2.4噪声系数和噪声温度 但信噪比不能反映网络对信号质量的影响也不能表示网络本身噪声性能的好坏引入噪声系数来描述或评价一个网络的噪声性能。n 一个实际网络的输出信号质量可以用输出信噪比来衡量n信噪比:信号噪声功率之比，是衡量信号质量优劣的指标88 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础定义：在标准信号源激励下，网络输入信噪比与其输出信噪比的比值。n标准信号源n信号电压为vsn内阻为Rsn并仅含有由Rs产生的白噪声（或称为噪声指数）理想网络（NF1）2.4.1 噪声系数89 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础对噪声系数对噪声系数的三种描述的三种描述a.信噪比恶化程度b.网络输出噪声功率和输入噪声功率在输出端的比值功率增益：网络输出与输入信号功率比值90 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础c.任何实际网络的噪声系数，都是在理想网络噪声系数的基础上加上一个增量:网络附加噪声的输出功率91 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础匹配：2.4.2 2.4.2 噪声系数的计算1.1.额定功率法额定功率法92 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础输入信噪比与输入匹配无关93 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础 输出信噪比与输出匹配无关94 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础n 额定功率是指信号源（包括噪声源）能够输出的最大功率（匹配）。额定功率增益是指四端网络输入端和输出端分别匹配时的功率增益95 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础四端网络输入端和输出端分别匹配时的噪声系数为网络额定输出噪声功率,等效到网络的输入端为96 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础97对噪声系数的讨论（1 1）噪声系数定义中的噪声功率是按每单位频带内的噪声功率定义的，也就是按输出、输入功率谱密度定义的。此时噪声系数只是随指定的工作频率不同而不同，即表示为点频的噪声系数。在实际应用中，若引入等效噪声带宽，即此定义中的噪声功率为系统内的实际功率，这时的噪声系数具有平均意义。97 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础98（2 2）噪声系数与输入噪声功率N Ni i有关，如果不给N Ni i以明确的规定，则噪声系数就没有意义。为此，在噪声系数的定义中，规定N Ni i为信号源内阻R RS S的最大输出功率。表示为电压源的噪声电压均方值为 4 4kTBRkTBRS S，输出的最大功率为kTBkTB，与R RS S大小无关，并规定R RS S的温度为 290 K290 K，此温度称为标准噪声温度。需要说明的是，N Ni i并不一定是实际输入线性系统的噪声功率，只是在输入端匹配时才相等。98 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础99(3)(3)输出端的阻抗匹配与否并不影响噪声系数的大小，即噪声系数与输出端所接负载的大小(包括开路或短路)无关。因此，噪声系数也可表示成输出端开路时的两均方电压之比或输出端短路时的两均方电流之比，即99 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础100式中，和分别是网络输出端开路和短路时总的输出均方噪声电压和电流;和分别是网络输出端开路和短路时理想网络的输出均方噪声电压和电流。这两种计算噪声系数的方法分别称为开路电压法和短路电流法。噪声系数的大小与四端网络输入端的匹配情况有关。输入端的阻抗匹配情况决定于信号源内阻与四端网络输入阻抗之间的关系。在不同的匹配情况下，网络内部产生的附加噪声及功率放大倍数是不同的，这当然要影响噪声系数。至于如何影响将取决于电路中噪声源的具体情况，比如，设计低噪声放大器时，就应考虑最佳的阻抗关系(噪声匹配)。100 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础101(4)(4)噪声系数的定义只适用于线性或准线性电路。对于非线性电路，由于信号与噪声、噪声与噪声之间的相互作用，将会使输出端的信噪比更加恶化，因此，噪声系数的概念就不能适用。所以，我们通常讲的接收机的噪声系数，实际上指的是检波器之前的线性电路，包括高频放大、变频和中放。变频虽然是非线性变换，但它对信号而言，只产生频率的搬移，可以认为是准线性电路。101 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础n 无源网络输出端匹配时L：网络的衰减 无源网络的噪声系数等于网络的衰减。产生网络噪声的有损元件，是导致网络传输信号衰减的因素。无源网络噪声系数的计算无源网络噪声系数的计算102 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础103 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础2.2.级联四端网络的噪声系数级联四端网络的噪声系数104 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础105 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础n级联网络的噪声系数，主要由网络前级的噪声系数确定。前级的噪声系数越小，功率增益越前级的噪声系数越小，功率增益越高，则级联网络的噪声系数就越小。高，则级联网络的噪声系数就越小。N N级级联网络的噪声系数106 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础3.3.3.3.噪声系数与接收机的灵敏度噪声系数与接收机的灵敏度n 接收机的灵敏度：是指当接收端处于匹配时，为了保证一定的输出信噪比，接收端所要求的最小有用信号功率。107 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础n最小可检测信号电压：是与灵敏度功率相对应的、输入端处于匹配时有用信号的电压。为信号源内阻108 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础例：一个输入电阻为5050 的接收机，噪声系数为 6dB6dB，通频带为1MHz1MHz。当要求输出信噪比为1 1，接收机的最小有用信号功率和电压各为多少？109 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础2.4.4 噪声温度实际网络用一无噪声网络和一噪声源等效。设等效噪声电压是由信号源内阻R Rs s在一假想温度T Te e下产生的噪声电压n网络的噪声性能也可以用噪声温度来表示。注意:网络的噪声温度不是该网络的实际物理温度，而是用以表征该网络噪声性能的一种假想温度。110 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础噪声温度与噪声系数网络的噪声温度与网络的噪声系数之间具有固定的转换关系n T0为系统的工作温度111 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础级联网络的等效噪声温度当网络内部噪声较大时，用噪声系数表示比较方便；当网络内部噪声较小时，用噪声温度表示有较大的优越性 前级的噪声温度越小，功率增益越高，则级联网络的前级的噪声温度越小，功率增益越高，则级联网络的噪声温度就越小。噪声温度就越小。112 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础天线噪声接收天线位于接收机的最前端，并作为接收机的信号源，其噪声大小对通信质量有极大的影响接收机天线的噪声除了其损耗元件所产生的热噪声外，还包含来自天空、大气的各种外部噪声，而且一般来说，后者远大于前者。n天线噪声特性一般用天线噪声温度描述113 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础对天线噪声的抑制对噪声的抑制措施低温提高天线增益和方向性调整天线方位，避免强噪声源 114 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础减小噪声系数的措施选用低噪声器件和元件选用r rbbbb小，f f 高，噪声系数小的晶体管选用场效应管（GaAs FETGaAs FET）谨慎选用电阻元件，选用金属膜电阻n选择合适的信号源内阻n信源内阻有最佳值，使噪声系数最小115 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础减小噪声系数的措施（续）选用合适的放大电路共发-共基放大器和共源-共栅放大器是低噪声电路（低噪声，高增益，高稳定度）n正确选择晶体管放大器的直流工作点n对不同的信号源内阻，最佳工作点是不同的116 高高 频频 电电 子子 线线 路路第二章 高频电路基础减小噪声系数的措施（续）选择合适的工作带宽通频带尽量窄以减小噪声，通频带足够宽以保证信号的不失真降低放大器工作温度热噪声是主要来源之一，所以降低接收机前端主要器件的工作温度，对减小噪声系数是有意义的。如卫星地面站接收机中的高放，设备被制冷到20K-80K20K-80K合适的级联117