高頻基礎(chǔ)介紹

1、第2章 高頻電路基礎(chǔ) 第第1章章 高頻電路基礎(chǔ)高頻電路基礎(chǔ) 1.1 高頻電路中的元器件高頻電路中的元器件 1.2 簡單振蕩回路簡單振蕩回路 1.2 耦合振蕩回路耦合振蕩回路 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 1.1 高頻電路中的元器件高頻電路中的元器件 高頻電路是由有源器件、 無源元件和無源網(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, 但要注意它們在高頻使用時的高頻 特性。 高頻電路中的元件主要是電阻(器)、 電容(器) 和電感(器), 它們都屬于無源元件。 1.1.1 高頻電路中的元件高頻電路中的元件 1） 電阻 一個實際的電阻器, 在低頻時主要表現(xiàn)為電阻特性, 第2章

2、高頻電路基礎(chǔ) 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 其高頻特性。 一個電阻R的高頻等效電路如圖1 1所示, 其中, CR為分布電容, LR為引線電感, R為電阻。 LR CR R 圖 1 - 1 電阻的高頻等效電路 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 2） 電容 由介質(zhì)隔開的兩導體即構(gòu)成電容。 一個電容器的 等效電路卻如圖1 -2（a）所示。 理想電容器的阻抗 1/(jC), 如圖1-2（b）虛線所示. 其中, f為工作頻率, =2f。 (a) 電容器的等效電路; （b） 電容器的阻抗特性 圖1 2 電容器的高頻等效電路 LC RC C (a)

3、 阻抗 頻率 f (b) 0 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 3） 電感 高頻電感器的電感量是其主要參數(shù)。 感抗為jL, 其 中, 為工作角頻率。 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1 3所示。 阻抗與相角 阻抗 相角 頻率 f SRF 0 圖 1 3 高頻電感器的自身諧振頻率SRF 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 1.1.2 高頻電路中的有源器件高頻電路中的有源器件 1） 二極管 半導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。 2） 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

4、種場 效應(yīng)管，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。 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 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 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。 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。 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 1.2簡單振蕩回路簡單振蕩回路 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

5、為負載使用。 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。 1.2.1 串聯(lián)諧振回路。 圖2 4（a）是最簡單的串聯(lián)振蕩回路。 第2章 高頻電路基礎(chǔ) L r C X 0 0 容性感性 (a) (b) |ZS| r 0 0 (c) 0 /2 0 (d) /2 圖1 4 串聯(lián)震蕩回路及其特性 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 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 ) 1 ( 1 C Ljr Cj LjrZS （1 1） LC 1 0 （1 2） U r U I 0 （1

6、3） 在任意頻率下的回路電流 與諧振電流之比為 I 第2章 高頻電路基礎(chǔ) )(1 1 )(1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 jQ r L j r C L j Z r r U Z U I I S S (1 4) Crr L Q Q I I 0 0 2 0 0 2 0 1 )(1 1 其模為 其中, （1 5） （1 6） 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 稱為回路的品質(zhì)因數(shù), 它是振蕩回路的另一個重要參數(shù)。 根據(jù)式（1- 6）畫出相應(yīng)的曲線如圖1-5所示, 稱為諧振 曲線。 UL . UC . 0 U . I0 . I I0Q1 Q2 Q1 Q2 0 圖 1- 5 串聯(lián)諧振回路的諧振曲線 圖1 -

7、 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) 在實際應(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。 當與0很接近時, 00 0 00 0 2 0 2 0 0 2)( 2 )( f f （1 7） （1 8） 令 為廣義失諧, 則式（2 5）可寫成 2 01 1 I I (1 9) 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 當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（1 9） 等于 , 則可推得=1, 從而可得帶寬為. 21 21 Q f fB 0

8、2(1 10) 1.2.2 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）。 第2章 高頻電路基礎(chǔ) L r C C IC . IR . R0 IL . L 0 B 1 1/ 2 Q1 Q2 Q1 Q2 0 /2 /2 感性 Q2 Q1 Q1 Q2 容性 Z (a)(b)(c)(d) U . 0 |zp|/R0 I . 圖1 - 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 并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)阻抗為 Cj Ljr Cj Ljr 1 1 )( 0 (1 11) 第

9、2章 高頻電路基礎(chǔ) 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 Crr L Q QLC 0 0 2 0 1 1 1 1 式中, Q為回路的品質(zhì)因數(shù), 有 當 時, 。 回路在諧振時的阻抗最大, 為一 電阻R0 1Q LC 1 0 C Q LQ Cr L R 0 00 （1 12） 第2章 高頻電路基礎(chǔ) j R jQ R Z jQ Cr L Z p p 1 2 1 )(1 0 0 0 0 （1 13） （114） 并聯(lián)回路通常用于窄帶系統(tǒng), 此時與0相差不大, 式 （1 13）可進一步簡化為 式中, =-0。 對應(yīng)的阻抗模值與幅角分別為 2 0

10、 2 0 0 1 ) 2 (1 R Q R Z p（1 15） 第2章 高頻電路基礎(chǔ) arctan)2arctan( 0 Q Z（1 - 16） QIII CL （1 -17） IL . IC . 0 I . U . 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。 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 例例 1 設(shè)一放大器以簡單并聯(lián)振蕩回路為負載, 信號 中心頻率fs=10MHz, 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B=0.5 MHz, 則應(yīng)在回路上 并聯(lián)多大電阻才能滿足放大

11、器所需帶寬要求? 解解 (1) 計算L值。 由式(1 2), 可得 第2章 高頻電路基礎(chǔ) Cf L 2 0 22 0 )2( 11 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)橐粚嵱糜嬎愎? CfCf L 2 0 6 2 0 2 25330 10 1 ) 2 1 ( 將f0=fs=10 MHz代入, 得 uL07. 5 (2) 回路諧振電阻和帶寬。由式(1 12) k LQR 8 .31 1018. 31007. 5102100 467 00 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 回路帶寬為 kHz Q f B100 0 (3) 求滿足0.5 MHz帶寬的并

12、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。 由帶寬公式, 有 20 0 L L Q B f Q 此時要求的帶寬B=0.5 MHz, 故 回路總電阻為 0 R 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 2) 抽頭并聯(lián)振蕩回路 k R R R kLQ RR RR 97. 7 37. 6 37. 6 37. 61007. 510220 0 0 1 67 0 10 10 需要在回路上并聯(lián)7.97 k的電阻。 0 2 0 2 2 0 2 )( 22 RpR U U R R U R U U U p T T T （1 18） （1 19） 第2章 高頻電路基礎(chǔ) L C R0

13、 U UT (a) L C2 R0 U UT C1 (b) L R1 U C2 C1 (c) L R1 UT C1 C2 (e) U1 R1 UT (d) U1 LC UT I IL 圖1 9 幾種常見抽頭振蕩回路 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 0 0 2 2 21 Qj Rp ZpZ T （1 20） 對于圖2 9（b）的電路, 其接入系數(shù)p可以直接用 電容比值表示為 21 1 21 21 2 1 1 CC C CC CC C U U p T （1 21） pIIT （1 22） 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 諧振時的回路電流IL和IC與I的比值要小些, 而不再 是Q倍。 由 Ri L C RL RiT L

14、 C RL I IT 圖 1 10 電流源的折合 R U I R QU L U I TT L 0 及 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 例例 2 如圖1 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。 pQII Q R R U U I I L TL 0 （1 23） 可得 C2 C1 2000 pF 500 R1 2000 pF 10 H L i Icos 107t I1 mA u1(t) 圖 1 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, 因此可以認為 Q。 由圖可知, 回路電容為 pF CC CC C10

15、00 21 21 諧振角頻率為 srad LC /10 1 7 0 電阻R1的接入系數(shù) 2000 1 5 . 0 1 2 21 1 R p R CC C p 等效到回路兩端的電阻為 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 srad Q B L R Q tVtputu tVtu L L /105 20 100 2000 10cos)()( 10cos2)( 5 0 0 7 1 7 輸出電壓為 回路有載品質(zhì)因數(shù) 回路帶寬 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 1.3 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

16、號源的回路稱為初 級回路, 把與負載相接的回路稱為次級回路或負載回路。 圖 1 12 是兩種常見的耦合回路。 圖 1 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) L2C2 R2 L1C1 M R1 I . U1 . U2 . R1L1C1C2L2 R2 I . U1 . CC U2 . L2r2L1 C1 M r1 I2 . I1 . E . jC 1 I . r2 L1L2 C1C2 Cm r1 (a)(b) (c)(d) C2 E jL1I . 圖 1 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) 21 21 2 LL M LL

17、M k （1 24） 對于圖 2 12（b）電路, 耦合系數(shù)為 )( 21CC C CCCC C k （1 25） 2 22 2 2 Z M Z Z Z m f （1 26） 第2章 高頻電路基礎(chǔ) kQA Q r L 0 0 0 0 2)( （1 27） （1 28） 耦合因子 初次級串聯(lián)阻抗可分別表示為 MjZ jrZ jrZ m )1 ( )1 ( 22 11 耦合阻抗為 第2章 高頻電路基礎(chǔ) 由圖1 12（c）等效電路, 轉(zhuǎn)移阻抗為 E I CC ECj I Cj I U Z 2 21 2 1 2 22 21 1 1 (1 29) 由次級感應(yīng)電勢 產(chǎn)生, 有 2 Im ZI1 2 1 2 Z ZI I m 考