通信電子線路電子CHPPT學習教案

1、會計學1通信電子線路電子通信電子線路電子CH2.1 高頻電路中的有源器件任務(wù)：完成信號的放大、非線性變換等主要功能。2.1 有源器件：二極管：檢波、調(diào)制、解調(diào)、混頻等 變?nèi)荻O管，PIN管等。BJT、FET：高頻應(yīng)用集成電路：通用集成寬帶放大電路， 專用高頻集成電路。第1頁/共37頁2.1.1 BJT的高頻小信號模型一、混合等效電路CbeCbcebmUg ebU +_beecb+_beU+_ceUbIcI混合型等效電路mvIrrrgEQeebem2611 )( 第2頁/共37頁二、三極管的Y參數(shù)等效電路 三極管處在小信號線性放大狀態(tài)時，可以近似為線性器件。因此，我們避開三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將其看

2、成一個線性二端口網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示，從而可以用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等效電路來等效三極管。Uce+beceIbIcUbe+_（a）_yoeyfeUbe（b）IbIc+_UbeUce+yieyreUceY參數(shù)等效電路三極管的二端口模型第3頁/共37頁已知線性二端口網(wǎng)絡(luò)的y參數(shù)方程為：22212122121111UyUyIUyUyI 將其移植到上圖（a）中，得到三極管共發(fā)射極接法的y參數(shù)電流方程：ceoebefeccerebeiebUyUyIUyUyI 并由這個電流方程畫出三極管的交流Y參數(shù)等效電路如圖：_yoeyfeUbeIbIc+_UbeUce+yieyreUce第4頁/共37頁是輸入端交流短路時的輸出導納，

3、即受控電流源的內(nèi)導納。 0ceUbebieUIy0beUcebreUIy0ceUbecfeUIy0beUcecoeUIy是輸出交流短路時的輸入導納； 是輸入交流短路時的反向傳輸導納，這是造成三極管輸入回路與輸入回路耦合的主要因數(shù)，也稱為反饋導納；其中： 是輸出端交流短路時的正向傳輸導納，這是體現(xiàn)三極管電流控制作用的參數(shù)，其作用相當于H參數(shù)等效電路中的；混合等效電路和Y參數(shù)等效電路所反映的是同一只三極管，所以兩種等效電路之間存在著確定的關(guān)系，根據(jù)Y參數(shù)的上述定義，從混合等效電路可以推導出： 第5頁/共37頁)(1)(cbebebbbcbebebieCCjgrCCjgy ebebrg1)(1cbe

4、bebbbcbreCCjgrCjy )(1cbebebbbcbmfeCCjgrCjgy )(1)(1 cbebebbbcbebmbbcboeCCjgrCjggrCjy ，第6頁/共37頁三點結(jié)論：1)Y參數(shù)與靜態(tài)工作點有關(guān)，在這點上與H參數(shù)一樣；2)Y參數(shù)與三極管的工作頻率有關(guān)。在下一章將要討論的小信號諧振放大器中，由于電路的通頻帶很窄，三極管的工作頻率被局限在一個較小的范圍內(nèi)，Y參數(shù)在此可以近似看成常數(shù)；ebcbebgCCj)( 1)(cbebebCCrj 3)如果工作頻率對三極管來講不是特別高，即滿足：Y參數(shù)均為容性參數(shù)，為了今后分析電路方便，我們將Y參數(shù)記為： ieieUbebieCjg

5、UIYce 0oeoeUcecoeCjgUIYbe 0rereUcebreCjgUIYbe 0mUbecfegUIYce 0第7頁/共37頁CgdCgsgsmUggsU+gssdrgs_+_dsUrDCJ2.1.2 二極管和場效應(yīng)管的高頻小信號模型一、二極管的高頻小信號模型DTJDDCCCImVr 26室室溫溫條條件件下下：二、FET的高頻小信號模型第8頁/共37頁2.2 無源諧振網(wǎng)絡(luò)任務(wù)：信號傳輸、頻率選擇和阻抗變換等。一、LC串聯(lián)諧振回路：r是L和C的損耗之和CLrZS)(CLjrCjLjrzs 11 LC10 （1）串聯(lián)諧振頻率：（2）品質(zhì)因數(shù)：回路諧振時無功功率 與損耗功率之比CrrL

6、Q001 第9頁/共37頁（3）特性阻抗： 諧振時容抗或感抗的值 （4）廣義失諧：能夠清楚的反映失諧的大小)()1()(1)(1)1(11)1(0000000 QjrjQrrLjrCLrjrCLjrzs其中，其中，CLCL 001 為感性阻抗為感性阻抗，為容性阻抗；為容性阻抗；，電路失諧；，電路失諧；時，時，當當，電路諧振，電路諧振時，時，當當ZZrZrZ0000 通信電路中用到的諧振電路多為窄帶電路，即與0很接近，則有，令，令因為因為 00000002)()(QQ是失諧量是失諧量，其中，其中則則 0022ffQQ第10頁/共37頁a、并聯(lián)諧振頻率LCfLCoo 211 或或b、品質(zhì)因數(shù)Lgg

7、CQooo 001 c、廣義失諧0002)( QQ二、并聯(lián)諧振回路CLrIy+U-CLgoIy+U-1、基本概念： LC理想，g0是L和C的損耗之和。)1()(1)(1)1(11)1(10000000000000 jgjQggCjgLCgjgLCjgLjCjgy 第11頁/共37頁2、并聯(lián)諧振回路的幅頻特性和相頻特性d、 通頻帶ooooQffBWQBW227 . 07 . 0或 e、 矩形系數(shù)95. 97 . 01 . 01 . 0BWBWKzo/2-/2相頻特性幅頻特性UoU00.707U0BW0.70.7221)2(1 ooooUQUU arctgQarctgooz )2(曲線越窄，選頻特

8、性越好，定義當U下降到U0的 時，對應(yīng)的頻率范圍為通頻帶BW0.721第12頁/共37頁f、直接接入信號源和負載的LC并聯(lián)諧振回路CLrCLRLRssIRoCLCLRLRssICLRosI諧振頻率：CLfo 21(C=C+CL)諧振阻抗：Re=Rs/Ro/RL)CQLQR(ooooo 有載品質(zhì)因數(shù)：CRLRQoeoee 通頻帶：eoQfBW7 . 0第13頁/共37頁例：已知并聯(lián)振蕩回路的 fo=465KHz，C=200pF，BW=8kHz，求: (1) 回路的電感L和有載QL； (2) 如將通頻帶加寬為10kHz，應(yīng)在回路兩端并 接一個多大的電阻？解:（1） HCfLo 5802121255

9、8.BfQoL 諧振時的阻抗： Ro=QLoL 98.4K（2）設(shè)要并接的電阻為RL，由題意知546.BfQoL KLQRRgoLLo8 .78/10 KRRRRoLoL6 .3951/11第14頁/共37頁3、部分接入的并聯(lián)振蕩回路目的：實現(xiàn)阻抗匹配；減小負載對諧振回路的影響CLRLCLRLRLU1U2設(shè)接入系數(shù)為：n=U2/U1，則：RL=n2RL信號源的阻抗匹配 Rs = Ri負載的阻抗匹配 RL = R0阻抗匹配CLrRLRssIRiRo第15頁/共37頁a、自耦變壓器部分接入電路 接入系數(shù)：LMLUUnT 22S/RnRRss ：折算到諧振回路兩端時折算到諧振回路兩端時當將當將部分到

10、全部增大0200RnRR 折折算算到到信信號號源源兩兩端端時時：當當將將全部到部分減小R0信號源的匹配: Rs=R0L1N1N2L2MRSR01323NNn 緊耦合：n=M/L2緊耦合：21NNn 第16頁/共37頁R接入系數(shù):2112121211CCCCCCCCUUnTb、電容抽頭部分接入電路第17頁/共37頁負載部分接入電路實現(xiàn)阻抗變換接入系數(shù)：1323NNn LLLRnRR21 ：折折算算到到諧諧振振回回路路兩兩端端時時將將接入系數(shù)：211CCCn LLLRnRR21 ：折折算算到到諧諧振振回回路路兩兩端端時時將將第18頁/共37頁例：圖示電路是一電容抽頭的并聯(lián)振蕩回路，信號角頻率=10

11、106rad/s。試計算諧振時回路電感L和有載QL值（設(shè)線圈Qo值為100）；并計算輸出電壓與回路電壓的相位差。解：由題意知s/rado61010 FCCCCC 802121HCLo 12512 KLQCQRooooo1252 . 0211 CCCn KRnRLL50125728.C)R/R(LR/RQoLooLoL 112221221111111CjCCRRCjRCjRCjCjRCjRUULLLLLLo 71510111121.arctgCCRCarctgL 第19頁/共37頁三、耦合諧振回路雙調(diào)諧回路1、單調(diào)諧回路中通頻帶和選擇性問題 單調(diào)諧回路中Q值越高，諧振曲線越尖銳，通頻帶越窄，選擇

12、有用信號的能力越強即選擇性越好。但在需要保證一定通頻帶的條件下，又要選擇性好，對于單調(diào)諧回路來說是難以勝任的。采用耦合振蕩回路就可以解決單調(diào)諧回路中通頻帶和選擇性的矛盾。第20頁/共37頁耦合系數(shù)反映兩回路的相對耦合程度。定義為耦合元件電抗的絕對值與初、次級回路中同性質(zhì)元件電抗值的幾何平均值之比。21LLMk C2C1CCCCCCk 耦合系數(shù)k通常在01之間，k0.05稱為強耦合； k=1稱為全耦合。2、耦合諧振回路及特性分析a、兩個概念耦合因數(shù)表示耦合與Q共同對回路特性造成的影響。21rrMkQQ 電路中：電路中：在等振等在等振等第21頁/共37頁b、頻率特性分析 0221211ZIZIEZ

13、IZImm設(shè)：初級回路總阻抗為Z1，次級回路總阻抗為Z2，兩回路之間的耦合阻抗為Zm，則兩回路方程為：L1L2C1r1C2r2+_I2EI1整理上式，得右式為了簡化分析，只討論等振、等Q電路。等振：指初、次級回路諧振頻率相等；等Q：指初、次級回路Q相等。12212212)(IZZZZZZZImmm 第22頁/共37頁得到歸一化幅頻特性： 222max22412 II21max22201rrEII 達到最大值，為達到最大值，為時，時，當當 的的表表達達式式，可可以以得得到到，代代入入，222222111112100201)1()1(),1()1(IMjZjrCLjrZjrCLjrZQQQmee

14、2222124)1 ( rrEI第23頁/共37頁不同值時的頻率特性曲線：=11110max22II =1，稱為臨界耦合， 曲線為單峰。Qf2Bo7 . 0 15. 3K1 . 0 1，稱為過耦合， 曲線為雙峰。 =2.41時Qf1 . 3Bo7 . 0 34. 2K1 . 0 222max22412 II第24頁/共37頁2.2.2 無源固體組件(固體濾波器)一、石英晶體諧振器1、電器特性 利用石英晶體的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)可以將其制成晶體諧振器。通常把基頻諧振稱為基音諧振，把高次諧波上的諧振稱為泛音諧振。 一般的用圖示的LC諧振回路來模擬石英晶體的電特性。CqLqrqC0JTXffs0fp

15、容性感性）（串串串串并并串串0000112121CCfCCfCCCCLfCLfqsqsqqqpqqs 2、應(yīng)用：振蕩器 高頻窄帶濾波器Z1Z2RL1122差接橋式帶通濾波器具有高Q，通帶極窄第25頁/共37頁二、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器1、陶瓷濾波器（帶通濾波器）321工藝：由壓電陶瓷制成。但Q值低于石英晶體，約為幾百，高于LC諧振電路。優(yōu)點：體積小、成本低、通帶衰耗小和矩形系數(shù)小等。缺點：一致性差。頻率特性離散性大，通頻帶不夠?qū)挕?、聲表面波濾波器聲表面波傳播方向RsUsRL聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)圖依靠基片變形激起表面超聲波實現(xiàn)選頻特性：當叉指換能器的幾何參數(shù)以及發(fā)端換能器的距離一定時，它就具

16、有選擇某一頻率信號輸出的能力。特點：可滿足多種頻率特性、性能穩(wěn)定、工作頻率高、體積小、可靠性高等。第26頁/共37頁一千兆赫幾百兆赫幾十兆赫最高工作頻率可達50%可達10%小于1%相對帶寬可小于1.2可小于4矩形系數(shù)可滿足多種頻率特性、性能穩(wěn)定、工作頻率高可靠性高、性能穩(wěn)定、成本低、工作頻率較高頻率穩(wěn)定、Q值高、相對帶寬窄特點符號三端兩端聲表面濾波器陶瓷濾波器晶體濾波器濾波器名稱二、總結(jié)第27頁/共37頁2.3 干擾和噪聲 通信電子線路處理的信號，多數(shù)是微弱的小信號，因而很容易受到內(nèi)部和外界一些不需要的電壓、電流及電磁騷動的影響，這些影響稱為干擾（或噪聲），當干擾（或噪聲）的大小可以與有用信號

17、相比較時，有用信號將被它們所“淹沒”。為此，研究干擾問題是電子技術(shù)的一個重要課題。 一般來講，除了有用信號之外的任何電壓或電流都叫干擾（或噪聲），但習慣上把外部來的稱為干擾，內(nèi)部固有的稱為噪聲。2.3.1 外部干擾一、外部干擾的來源 外部干擾分為自然干擾和人為干擾。自然干擾是大氣中的各種擾動。人為干擾是各種電器設(shè)備和電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾。 第28頁/共37頁二、消除外部干擾的方法1、電源干擾的抑制方法 供電電源因濾波不良所產(chǎn)生的100Hz紋波干擾是主要的電源干擾，電源內(nèi)阻產(chǎn)生的寄生耦合干擾也是主要的電源干擾。對于高增益的小信號放大器，寄生耦合有時可能造成放大器自激振蕩。解決100Hz電源干擾和寄

18、生耦合的方法是對每個電路的供電電源單獨進行一次RC濾波，叫做RC去耦電路，如果電路的工作頻率較高，而供電電流又比較大，則可以用電感代替電阻，構(gòu)成LC去耦電路，電感L稱為扼流圈。因為大容量的電解電容都存在串聯(lián)寄生電感，在高頻時寄生電感的感抗會很大，使電容失去濾波的作用，所以電路中都并聯(lián)一小容量的電容，就可消去寄生電感的影響。C1C2RR0UCC+放大整流穩(wěn)壓電源C1C2LR0UCC+放大整流穩(wěn)壓電源第29頁/共37頁 工廠里的大型用電設(shè)備產(chǎn)生的電火花干擾能沿著電力線進入電子設(shè)備。除此之外，電力線還起著天線的作用接收天空中的雜散電磁波，并將其傳送到電子設(shè)備中形成干擾。這些干擾的特點是：突發(fā)性強，干

19、擾往往以脈沖電壓形式出現(xiàn)；頻率高，通常為幾百kHz幾MHz；干擾會同時出現(xiàn)在電力線的兩根導線上，其大小和相位相同，這種性質(zhì)的干擾稱為共模干擾。 消除電網(wǎng)共模干擾的方法是在交流市電的輸入端插入一個濾波器，下圖電路為某電視機的交流電源濾波器，在每根電源線與地之間均構(gòu)成一個 型濾波器，電容C的容量在幾千pF到0.01F之間選取，電感L繞制在高頻磁芯上，約10圈左右，導線直徑要根據(jù)設(shè)備的交流輸入功率來選擇。220V輸出CCCCTP801TP802220V輸入第30頁/共37頁2、電路接地不當?shù)母蓴_及消除 電路中接地不當會形成嚴重的干擾，消除這些干擾的方法是正確的接地，即在電路中要采用一點接地、數(shù)字電路

20、的地線和模擬電路的地線要完全分開，有條件時在多層印制板中要分別安排數(shù)字地層和模擬地層。三、電磁兼容性和空間電磁耦合干擾 空間電磁耦合對電路的影響分為靜電耦合干擾和交變磁場耦合干擾，防止這兩種干擾的基本方法是：接地、濾波、隔離、電磁屏蔽。下圖是電路中常用的電磁屏蔽示意圖。圖（a）為靜電屏蔽，（b）為交變磁場屏蔽。 微弱信號的傳輸導線易受到干擾，通常采用屏蔽線作為引線，使用屏蔽線時，切忌將網(wǎng)狀金屬層當成導線使用，即不能將金屬網(wǎng)兩端都接地，只能取一端接地。屏蔽罩電路干擾磁力線C1屏蔽罩C2電路干擾源（a）（b）第31頁/共37頁2.3.2 內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲分為人為噪聲和固有噪聲兩類 固有噪聲是一種起

21、伏型噪聲，它存在于所有的電子線路中，其主要來源是電阻熱噪聲和半導體器件的噪聲。一、電阻熱噪聲1、電阻熱噪聲的基本概念 當溫度大于300K時，作隨機運動的自由電子，穿越電阻的運動過程，會在電阻兩端產(chǎn)生的隨機的起伏噪聲電壓，下圖是電阻起伏噪聲電壓波形的示意圖。tEn0起伏噪聲電壓是時間上連續(xù)的隨機過程，根據(jù)概率統(tǒng)計理論，起伏電壓的強度可以用其均方值表示。電阻R兩端起伏噪聲電壓的均方值和均方根值為 TnTnfkTRdteE0224limfkTREn 4第32頁/共37頁 功率譜密度定義是：單位頻帶內(nèi)噪聲電壓（或電流）的均方值： 噪聲電壓的功率譜密度SU=4kTR噪聲電流的功率譜密度SI=4kTGSU

22、常用在串聯(lián)電路中計算噪聲，SI常用在并聯(lián)電路中計算噪聲 2、電路中電阻熱噪聲的計算（1）單個電阻的熱噪聲強度（2）多個電阻的熱噪聲強度 RR(理想)R(理想)2nE2nIR1R2R1R2R1+R221nE22nE2221nnEE R1R2R1R2R1/R22222nnII 21nI22nI第33頁/共37頁3、二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲和等效噪聲帶寬 當噪聲通過線性二端口網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)絡(luò)輸出端的噪聲將發(fā)生變化，設(shè)二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)為H(jf)，輸入端噪聲源用噪聲電壓功率譜密度Sui表示，則輸出噪聲電壓功率譜密度Suo為:uiuoSjfHS2)( 輸出噪聲電壓均方值為: 000222)()(dfjfHSdfjfHSdfSEuiuiuon 設(shè)f=f0時， H(jf) =H0，對于諧振式網(wǎng)絡(luò)，f0為諧振頻率；對于非諧振式網(wǎng)絡(luò)， f0為網(wǎng)絡(luò)通頻帶的