chap1高頻電路基礎(chǔ)

第2章高頻電路基礎(chǔ)

2.1高頻電路中的元器件2.2簡(jiǎn)單振蕩回路2.3耦合振蕩回路2.4電子噪聲

2.1高頻電路中的元器件

高頻電路是由有源器件、無(wú)源元件和無(wú)源網(wǎng)絡(luò)組成。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)诟哳l使用時(shí)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(wú)源元件。

2.1.1

高頻電路中的元器件

1）高頻電阻一個(gè)實(shí)際的電阻器，

在低頻時(shí)主要表現(xiàn)為電阻特性，但在高頻使用時(shí)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(gè)電阻R的高頻等效電路如圖2—1所示，

其中，

CR為分布電容，

LR為引線電感，R為電阻。

圖2-1電阻的高頻等效電路

分布電容和引線電感越小，表明電阻的高頻特性越好。電阻器的高頻特性與制作電阻的材料、電阻的封裝形式和尺寸大小有密切的關(guān)系。

2）高頻電容由介質(zhì)隔開(kāi)的兩導(dǎo)體即構(gòu)成電容，高頻電容的阻抗可表示成電導(dǎo)和電納的并聯(lián)組合。一個(gè)電容器的等效電路如圖2-2（a）所示。①

理想電容器的阻抗1/(jωC)，如圖2-2（b）虛線所示，其中，

f為工作頻率，

ω=2πf。

(a)電容器的等效電路；

（b）電容器的阻抗特性圖2—2電容器的高頻等效電路

②但實(shí)際的電容器在高頻運(yùn)用時(shí)的阻抗頻率特性如圖2-2（b）實(shí)線所示，呈V型特性，而且其具體形式與電容的種類(lèi)和電容量的不同有關(guān)。由此可知，每個(gè)電容都有一個(gè)自身諧振頻率SRF。當(dāng)工作頻率小于自身諧振頻率時(shí)，電容器呈正常的電容特性，但當(dāng)工作頻率大于自身諧振頻率時(shí)，電容器將等效為一個(gè)電感。

3）高頻電感高頻電感主要用作諧振元件、濾波元件和阻隔元件。一般由導(dǎo)線繞制而成，在高頻電路中，電感線圈的損耗是不能忽略的。高頻電感器的電感量是其主要參數(shù)。感抗為jωL，其中，

ω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2—3所示。

圖2—3高頻電感器的自身諧振頻率SRF2.1.2高頻電路中的有源器件1）晶體二極管半導(dǎo)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。點(diǎn)接觸式二極管、表面勢(shì)壘二極管、變?nèi)荻O管。

2）晶體管與場(chǎng)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種場(chǎng)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(lèi)型：一類(lèi)是作小信號(hào)放大的高頻小功率管，

對(duì)它們的主要要求是高增益和低噪聲；

另一類(lèi)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(IC)

用于高頻的集成電路的類(lèi)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(zhuān)用型兩種。

2.2高頻振蕩回路高頻振蕩回路是高頻電路中應(yīng)用最廣的無(wú)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(hào)選擇等任務(wù)，

并可直接作為負(fù)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(gè)回路的振蕩電路稱(chēng)為簡(jiǎn)單振蕩回路或單振蕩回路。

2.2.1串聯(lián)諧振回路

圖2—4（a）是最簡(jiǎn)單的串聯(lián)振蕩回路。圖2—4串聯(lián)振蕩回路及其特性若在串聯(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(chēng)為諧振電流，

其值為（2—1）（2—2）（2—3）在任意頻率下的回路電流與諧振電流之比為(2—4)其模為其中，

（2—5）（2—6）稱(chēng)為回路的品質(zhì)因數(shù)，

它是振蕩回路的另一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)式（2-6）畫(huà)出相應(yīng)的曲線如圖2-5所示,稱(chēng)為諧振曲線。

圖2-5串聯(lián)諧振回路的諧振曲線圖2-6串聯(lián)回路在諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系在實(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(chēng)為失諧。當(dāng)ω與ω0很接近時(shí)，

（2—7）（2—8）

為廣義失諧，

則式（2—5）可寫(xiě)成(2—9)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(chēng)為回路的通頻帶，

也稱(chēng)回路帶寬，

通常用B來(lái)表示。令式（2—9）等于,則可推得ξ=±1,從而可得帶寬為：(2—10)2.2.2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）。當(dāng)頻率不是非常高時(shí)，并聯(lián)諧振回路應(yīng)用最廣。

圖2-7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(2—11)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)，

有當(dāng)時(shí)，。回路在諧振時(shí)的阻抗最大，為一純電阻R0（2—12）（2—13）（2—14）并聯(lián)回路通常用于窄帶系統(tǒng)，

此時(shí)ω與ω0相差不大，

式（2—13）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為式中，

Δω=ω-ω0。對(duì)應(yīng)的阻抗模值與幅角分別為（2—15）（2-16）（2-17）圖2-8表示了并聯(lián)振蕩回路中諧振時(shí)的電流、電壓關(guān)系。

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?

解：

(1)計(jì)算L值。由式(2—2)，可得將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

(2)回路諧振電阻和帶寬。由式(2—12)回路帶寬為

(3)求滿足0.5MHz帶寬的并聯(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

需要在回路上并聯(lián)7.97kΩ的電阻。

總結(jié)：串聯(lián)

并聯(lián)阻抗特性ω>ω0感性；ω<ω0容性；ω=ω0阻性；等效阻抗最小ω>ω0容性；ω<ω0感性；ω=ω0阻性；等效阻抗最大

諧振頻率帶寬

(1)串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路都具有選頻功能，對(duì)帶外頻率都具有一定的抑制能力。但單回路的諧振電路的選擇性不是很好，電路的選擇性和帶寬是一對(duì)矛盾。

(2)串聯(lián)諧振時(shí)，電壓電流同相位，回路阻抗呈純阻，阻抗最小，電流最大；當(dāng)信號(hào)頻率大于諧振頻率時(shí)，電路呈感性，而小于諧振頻率時(shí)，呈容性；電容和電感上的電壓大小相等，方向相反，且為激勵(lì)電壓的Q倍。

(2)并聯(lián)諧振時(shí)，電壓電流同相位，回路阻抗呈純阻，阻抗最大，電壓最大；當(dāng)信號(hào)頻率大于諧振頻率時(shí)，電路呈容性，而小于諧振頻率時(shí)，呈感性；電容和電感上的電流大小相等，方向相反，且為激勵(lì)電流的Q倍。2.2.3抽頭并聯(lián)振蕩回路

抽頭并聯(lián)振蕩回路：激勵(lì)源或負(fù)載與回路電感或電容部分聯(lián)接的并聯(lián)振蕩回路。采用抽頭回路，可以通過(guò)改變抽頭位置或電容分壓比來(lái)實(shí)現(xiàn)回路與信號(hào)源的阻抗匹配如圖2-9（a）、（b），或進(jìn)行阻抗變換如圖2-9（d）、（e）。抽頭系數(shù)（p）：與外電路相連的那部分電抗與本回路參與分壓的同性質(zhì)總電抗之比，又稱(chēng)為電壓比或變比。

圖2—9幾種常見(jiàn)抽頭振蕩回路

（2—18）（2—19）當(dāng)諧振時(shí)，輸入端呈現(xiàn)的電阻設(shè)為R，從功率相等的關(guān)系看，有（2—20）對(duì)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（2—21）（2—22）輸入阻抗電流關(guān)系

例2

如圖2—11，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)的表示式及回路帶寬。

2—11例2的抽頭回路

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)等效到回路兩端的電阻為回路兩端電壓u(t)與i(t)同相，

電壓振幅U=IR=2V，故輸出電壓為回路有載品質(zhì)因數(shù)回路帶寬2.3耦合振蕩回路在高頻電路中，

有時(shí)用到兩個(gè)互相耦合的振蕩回路，

也稱(chēng)為雙調(diào)諧回路。把接有激勵(lì)信號(hào)源的回路稱(chēng)為初級(jí)回路，

把與負(fù)載相接的回路稱(chēng)為次級(jí)回路或負(fù)載回路。圖2—12是兩種常見(jiàn)的耦合回路。圖2—12（a）是互感耦合電路，圖2—12(b)是電容耦合回路。主要功能：①用來(lái)進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換以完成高頻信號(hào)的傳輸；②形成比簡(jiǎn)單振蕩回路更好的頻率特性。

圖2—12兩種常見(jiàn)的耦合回路及其等效電路（2—24）對(duì)于圖2—12（b）電路，

耦合系數(shù)為（2—25）

圖2-12(a）2.4電子噪聲

噪聲：一切干擾和破壞有用信號(hào)的無(wú)用信號(hào)泛指為噪聲，它不僅影響有用信號(hào)的清晰度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)淹沒(méi)信號(hào)。外部產(chǎn)生的稱(chēng)為干擾，如天電干擾、其他電臺(tái)發(fā)射的電磁波、電源濾波不良、日光燈火花干擾以及相鄰電路串?dāng)_等；器件內(nèi)部產(chǎn)生為內(nèi)部噪聲。2.4.1內(nèi)部噪聲的來(lái)源

電阻熱噪聲

；晶體管噪聲；場(chǎng)效應(yīng)管噪聲

電阻熱噪聲：由于電阻體內(nèi)的自由電子在一定溫度下，總是處于無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種運(yùn)動(dòng)方向和速度都是隨機(jī)的，溫度越高，運(yùn)動(dòng)越劇烈。就一個(gè)電子來(lái)說(shuō)，它運(yùn)動(dòng)