高頻電子線路(第五版)

高頻電子線路

教學參考書：

高頻電子線路（第五版）

張肅文主編

講授余連德→0第一章緒論

§1.1無線電通信發(fā)展簡史

1864年

麥克斯韋預言電磁波的存在

1887年

赫茲實驗證實電磁波的存在

1895年

電磁波進行通信成功

火化發(fā)射機→→粉末檢波器

1907年

發(fā)明電子管

1948年

發(fā)明晶體管三個里程碑

20世紀六十年代集成電路§1.2無線電信號傳輸原理

1、基本通信系統(tǒng)示意圖

2、無線電報發(fā)射方式及波形

發(fā)送設備傳輸媒介接收設備信號輸出鍵控管放大強放電源振蕩器緩沖圖1.2.5t3、目前常用的發(fā)射信號調制方式

連續(xù)調制(音、像信號)

脈沖調制(常用于控制信號---遙控器)

調幅

(1)連續(xù)調制調頻

調相

(2)調幅發(fā)射機的組成

圖1.2.84、無線電信號的接收

(1)簡易接收機

圖1.2.9

(2)直接放大式接收機

圖1.2.10

(3)超外差式接收機

圖1.2.11

§1.3通信的傳輸媒質

有線通信:電纜、光纖

無線電通信:自由空間(受大氣層影響

------電離層影響)

天波、地波

第二章選頻網絡

§2.3串聯(lián)、并聯(lián)阻抗等效互換與回路抽

頭時的阻抗變換

1

、串、并聯(lián)阻抗等效互換

得

Xs、Xp

為電感或電容

3

、抽頭式并聯(lián)回路的阻抗等效變換

設

----阻抗比=接入系數的平方----接入系數(抽頭比)接入系數

§2.4耦合回路

1、耦合回路概述

互感耦合——圖2.4-2(a)

電容耦合——圖2.4-2(a)

2、定義耦合系數

f矩形特性耦合耦合元件電抗初、次級回路中與X12同性質的總電抗對于:電容耦合——互感耦合——§2.5

濾波器的其它形式

2.5.1LC集中選擇性濾波器2.5.2石英晶體濾波器2.5.3陶瓷濾波器2.5.4聲表面波濾波器第三章高頻小信號放大器

§3.1概述

高頻小信放大器:幾百KHZ~幾百MHZ

小信號、晶體管工作在線

性范圍.

諧振放大器

非諧振放大器

主要指標：

1，

增益

2，

通頻帶

3，

選擇性（兩個基本指標）

（1）矩形系數——對鄰近頻道干擾抑制能力

Kr表示f10.70.1理想理想情況:

一般要求:

（2）抑制比（或抗拒比）——對干擾信

號抑制能力

4、穩(wěn)定性

5、噪聲系數f干擾§3.2晶體管高頻小信號等效電路

與參數

3.2.1形式等效電路(網絡參數等效電路)

晶體管四端網絡圖（3.2.1）以y參數表示，則有由上兩式可得晶體管的y參數等效電路兩式或寫成

其中：

——輸出短路時的輸入導納——輸入短路時的反向傳輸導納——輸出短路時的正向傳輸導納——輸入短路時的輸出導納根據以上還可得到

晶體管放大電路的y參數等效電路圖3.2.3列出相應方程：即電壓增益為(3.2.10)式由(1)、(2)、(3)式可得輸入導納輸入導納與輸出負載有關，是內部反饋的作用。將輸入信號取零（電流源開路），消去、可得輸出導納輸入導納與信號源有關，也是內部反饋的作用。3.2.2混合π等效電路

考慮到晶體管的內部反饋

圖3.2.43.2-3混合π等效電路參數與形式等效

電路y參數的轉換

當晶體管工作點選定后，混合π電路中參數則可確定。

高頻分析中使用y參數等效分析較簡便。

π→y?圖3.2.5對于π電路有

節(jié)點b'

節(jié)點c

上三式整理得

IbIyb’e-Iyb’c

與對比得（3.2.18)~~(3.2.21)式復數表示

以上8個參數均可手冊查得

輸入電導輸入電容輸出電導輸出電容3.2-4晶體管高頻參數

1)截止頻率fβ

fβ為當β下降到時的頻率2)特征頻率fT

fT

為當β

下降到時的頻率

顯然，當

則有

通常

時3)最高振蕩頻率fmax

當晶體管的功率增益時的工作頻率---

fmax

當時，晶體管將不能振蕩。

一般取實際工作頻率為

§3.3單調諧回路諧振放大器

3.3.1單級調諧放大器

一、電壓增益

1、常用基本共射電路圖3.3.1(a)

y參數等效電路

y參數等效電路

(參照圖3.2.3得下圖)本圖結合3.2.10式的推導2、考慮輸出回路的實際電路圖3.3.1(b)即有∴基本電路的電壓增益為即3.3.1式則有

Y’L為1、2端看負載回路側的等效導納，而Y’則為LC回路a、b端看的總等效導納。

而此時電壓增益應為為集電極電壓如圖3.3.2圖中:圖3.3.2由圖可見

又由圖3.3.2可見

諧振時（通常工作在諧振狀態(tài)）

則當與負載匹配時,條件為

即有

可得最大電壓增益為

若忽略二、功率增益圖4.3.3

諧振時因此

若使用相同晶體管，

則有可得最大功率增益為通頻帶與選擇性

前面(一）可知f10.7可得通頻帶為令上式

諧振特性曲線3.3.4級間耦合網絡

圖3.3.4

§3.4多級單調諧回路諧振放大器

電壓增益

多級相同時

諧振特性曲線為f10.7此時通頻帶寬應滿足

解得

或

即級數增多，頻帶變窄?？s減因子<1§3.5雙調諧回路諧振放大器

單級CoeCie常設

則有

1.電壓增益

由(2.4.17)式及得f式中

電壓增益為

因諧振時

則有

------耦合系數------廣義失諧當有

2.通頻帶

由式(1)(3)可得通頻帶為

當時,常用(臨界耦合),臨界耦合弱界耦合強耦合令即

得

而單調諧時通頻帶為

可見雙調諧時通頻帶加寬到倍矩形系數

當時,代入(4)式有

解得

矩形系數為

§3.6諧振放大器的穩(wěn)定性與穩(wěn)定措施

3.6.1穩(wěn)定性分析

1.不穩(wěn)定的原因

實用上,因晶體管內部存在,

使輸出電壓產生反饋——可能自激。前面知等效電路反饋導納----（即3.2.6式)得輸入導納為（3.6.1式)當輸入電路接有諧振回路時,如圖

其中:

輸入諧振回路均為頻率的函數,圖3.6.2引起失諧影響QL圖3.6.3

gF在某些頻率上可能為負值，呈負電導，

使gs+gi

被抵消。

自激。有反饋無反饋圖3.6.3圖3.6.22.不產生自激的條件

能量損耗被抵消,電納部分也抵消，

即放大器產生自激，此時應有輸入諧振回路總導納為當時，可得當yre

愈大，上式愈接近于1，放大器愈不穩(wěn)定。

以復數表示（如圖）——自激條件

式中：或表示為

同理，得輸出回路關系式為

設：輸入、輸出回路相同，即

（1）、(2)代入自激條件式得

即要求分別滿足——相位條件于是有表明只有當yre

足夠大時，等式左邊才減小到1而滿足自激振幅條件。

通常?。ǚ€(wěn)定條件）遠離1為穩(wěn)定工作范圍。穩(wěn)定系數3.6.2單向化

晶體管——雙向元件

單向化——消除yre的作用（變?yōu)閱蜗颍?/p>

1.失配法

采用共射—共基級聯(lián)電路圖3.6.4

Yre反饋中和法（不適于現(xiàn)代生產的發(fā)展，少用。）方法失配法輸入阻抗低輸出阻抗高相當于共射級的負載導納很大，即

(2)很大時，共射的負載阻抗很低，電壓增益很小，但電流增益仍大，后面共基電路有較大電壓增益補償，則級聯(lián)后功率增益較大。根據，則yre的反饋作用被抵消YF分析

共射—共基級聯(lián)電路的等效為復合管。

等效y

參數為一般工作頻率范圍內

等效反向傳輸導納變小了許多§3.7諧振放大器的常用電路和集成電路

諧振放大器

3.7.1諧振放大器的常用電路舉例

圖3.7.13.7.23.7.3

3.7.2集成電路諧振放大器

圖3.7.7(圖像中放電路）§3.9放大器中的噪聲

一.概述

自然干擾（天電、宇宙、大地干擾）

人為干擾（工業(yè)、無線電臺干擾）干擾（外部）噪聲（內部）自然噪聲（熱噪聲、散粒噪聲）

人為噪聲（交流聲、感應噪聲、接觸噪聲）本節(jié)主要討論自然噪聲二.內部噪聲的特點和來源

內部噪聲——隨機過程，帶電粒子

無規(guī)則運動，遵循統(tǒng)計規(guī)律。起伏噪聲圖3.9.1tv三.非周期噪聲電壓的頻譜

起伏噪聲——帶電粒子無規(guī)則熱運動，由無

數持續(xù)時間極短的脈沖疊加。

設非周期脈沖函數為則富氏積分表示為對于寬度為τ的單位窄脈沖，有

其第一個零值點在處。當τ

很?。é印?),零值點→∞遠。而且，對于無線電頻率范圍，τ

遠小于信號周期T即則有頻譜幅值基本不變第四章非線性電路、時變參量電路和變頻器

§4.1概述

嚴格講，所有元件均為非線性。但一定條件下非線性可略——線性元件。

如：電阻、電容、空心電感、小信號工作的晶體管等。

非線性電路——含非線性元件組成的電路，如功率放大器、振蕩、變頻、調制、解調電路等。無線電工程技術中

§4.2非線性元件的特性

4.2.1.非線性元件的工作特性

如：

二極管的伏安特性

隧道二極管的伏安特性非線性求解法圖解法解析法（借助非線性元件的特性）圖4.2.3圖4.2.2AB段為負阻區(qū)4.2.2非線性元件的頻率變換作用設二極管的特性近似為當輸入兩個信號電壓為所得電流為可見，非線性變換產生新的頻率。

4.2.3.非線性電路不滿足疊加原理。直流和頻差頻諧波諧波§4.3非線性電路分析法

4.3.1.冪級數分析法

設非線性元件特性函數為則展為冪級數有通常取前三項近似為拋物線取前兩項近似為直線若在工作點V0

附近各階導數存在，則在V0

附近展開為冪級數有例：冪級數展開為三次多項式近似輸入電壓為

代入上式并三角變換得4.3.11式。

從上式見得到各種新的頻率分量。

4.3.2.折線分析法

用于大信號時轉移特性用折線近似

集電極電流脈沖波輸入信號集電極電流脈沖表達式當

傅氏級數展開，得各頻率分量為有(1)、（2）式相比，得諧波分解系數各頻率分量振幅

§4.4線性時變參量電路分析法

時變參量元件——其參數隨時間變化。

（如：晶體管在大信號作用下，Q點隨時間變化，跨導gm隨時間變化）

4.4.1時變跨導電路分析

已知晶體管

大幅值信號即

若gm為周期函數，則上式為兩三角函數的

乘積項——必有和頻、差頻。

設當時，在兩個輸入信號作用下，靜態(tài)工作點可變工作點對（1）式泰勒展開（vB點上），得因vs很小，取兩項近似，有以（2）式代入上式得，乘積項將產生差頻、和頻4.4.4式4.4.2模擬乘法器電路分析

差分對模擬乘法器——便于集成，工作穩(wěn)定。

T1、T2對稱，有則或同理有令則有以作曲線——歸一化因子

v1很小時（v1<26mV，常溫T=300K,Z<1)，特性才是線性的。對ic1、ic2

取偏導，當Z很小時，由于電路對稱,Rc1=Rc2=Rc,則有T3管的跨導當Re足夠大時，兩輸入信號的乘積項4.4.4開關函數分析法

非線性元件受大信號控制——開關狀態(tài)設(大信號）§4.5變頻器的工作原理

接收機中常把某一頻率變換為另一頻率。圖5.5.1變頻波形混頻外來接收本振中頻輸出變頻前后的頻譜變頻器的主要質量指標

1）變頻增益電壓增益功率增益2)失真和干擾3）選擇性——4）噪聲系數主要有產生組合頻率交叉調制互相調制等頻率失真非線性失真中頻輸出電壓振幅中頻輸入電壓振幅§5.6晶體管混頻器較大幅值本振信號圖5.6.1基極注入射極注入1、本信號注入方式2、分析方法圖5.6.2近似定量分析為的周期函數（前所述設偏置在處泰勒展開，得動點，瞬間視為不變vBE=VB+v0時的跨導小信號可略vBE=VB+v0時的電流大信號v0作用下前面5.4.4式知其中差頻項振幅為可見，中頻電流振幅與vs的振幅成正比。-------中頻電流跨導的基波分量跨導函數g(t)-----隨v0作周期變化當輸入信號vs為調幅波時，振幅為則中頻電流為中頻電流也是調幅波定義----------變頻跨度跨導函數g(t)工程上，圖解求g1

圖5.6.3v0作用下(線性范圍內）圖解得而Q點上顯然，當時，變頻跨度實驗證明-------5.6.8式實際電路收音機自激式變頻器電路§5.7二極管混頻器

晶體管混頻器的

優(yōu)點——變頻增益較高

缺點——動態(tài)范圍小、組合頻率干擾

嚴重、噪聲大、本振輻射等

二極管混頻器的優(yōu)缺點與以上相反。5.7.1二極管混頻器大信號作用——二極管為開關狀態(tài)§5.8差分對模擬乘法器混頻器第六章高頻功率放大器功率放大器分類——按工作點（導通角）甲類電流流通角360°

(低頻）乙類--------------180°

(低頻）丙類-------------<180°(高頻常用，效率高）丁類戊類-------------更小(高頻開關狀態(tài)）§6.2諧振功率放大器的工作原理6.2.1獲得最高效率所需的條件高頻功率放大器的主要技術指標：輸出功率、效率圖6.2.1由能量守恒定律有效率為可見，提高效率主要在減小PC

,當PC不超過規(guī)定時，提高效率，將使PO大大增加，即圖6.2.2

iC

為脈沖電流，失真很大，但諧振回路電流仍為正弦波（基波電流）。

iC的最大值出現(xiàn)在vc

的最小值處。6.2.2功率關系圖6.2.1回路諧振于基頻，呈純電阻RP。§6.3晶體管諧振功率放大器的折線近似

分析法6.3.1晶體管特性曲線的理想化及其解析式輸出特性折線化近似圖6.3.1理想實際圖6.3.2斜率為常數轉移特性近似為一條直線跨導（幾十~幾百ms)該直線稱為理想化靜態(tài)特性適用于時6.3.2集電極余弦脈沖電流的分解丙類工作狀態(tài)，ic為尖頂余弦脈沖。1、尖頂余弦脈沖的解析式理想實際轉移特性斜率gc2、尖頂余弦脈沖的傅氏分解

尖頂余弦脈沖分解系數3、分解系數曲線圖6.3.4

6.3.3高頻功率放大器的動態(tài)特性與負載特性1、動態(tài)特性

vB、vC同時變化時，iC

~vC的動態(tài)關系曲線（負載線或工作路），一般不是直線。2、動態(tài)特性直線的作法3、RP不同時動態(tài)特性及波形

臨界線RP增加靜態(tài)特性圖6.3.6（1）RP較小時，動態(tài)曲線1較陡，VCm較小，（動態(tài)特性與靜態(tài)特性交點為A1）——欠壓狀態(tài)，iC為尖頂余弦脈沖。

（2）RP增大時，動態(tài)特性線2，斜率值減小，交點為A2，VCm

增大，——臨界狀態(tài)，iC仍為尖頂余弦脈沖。

（3）RP繼續(xù)增大時，動態(tài)特性線3，交點為A3

，VCm

更大，但iC為下凹狀態(tài)，——過壓狀態(tài)。

4、負載特性圖6.3.7

6.3.4各極電壓對工作特性的影響欠壓狀態(tài)過壓狀態(tài)圖6.3.8(a)欠壓狀態(tài)過壓狀態(tài)圖6.3.8(b)§6.4晶體管功率放大器的高頻特性（b）高頻特性脈沖（a）低頻特性脈沖圖6.4.1圖6.4.2§6.5高頻功率放大器的電路組成電源的提供方式：串聯(lián)饋電、并聯(lián)饋電對直流等效6.5.1饋電線路---------電源的提供對基頻電流等效對高次電流等效基本原則：符合下面等效電路的要求1、集電極電路的饋電圖6.5.22、基極電路的饋電圖6.5.33、自生基極偏壓的方法圖6.5.46.5.2輸出、輸入與級間耦合回路§6.8寬帶高頻功率放大器§6.10晶體管倍頻器主振放大或倍頻放大或倍頻2~4MHz2~4MHz2~8MHz4~8MHz8~16MHz圖6.10.1一、倍頻的概念倍頻----輸出頻率是輸入頻率的整數倍。優(yōu)點：

1）主振頻率可降低，有利于頻率穩(wěn)定；

2）有利于采用石英主振；

3）中間級可工作于放大或倍頻，由此擴展發(fā)射機波段；

4）輸出與輸入頻率不同，減小寄生耦合提高穩(wěn)定性；石英片不能太高頻率不擴展主振頻率的情況下圖6.10.15）對于調頻（調相）發(fā)射機，可用倍頻加大頻移（相移）-----調制度；

6）超高頻段難以獲得足夠功率，采用參量倍頻將低頻大功率變?yōu)楦哳l大功率。

二、倍頻器主要形式丙類倍頻參量倍頻（兩類）第8章三、工作分析

設電路工作于二次諧波倍頻（丙類放大器）圖6.2.1回路諧振于二次諧波各極電壓與電流關系圖6.10.2瞬時集、基電壓回路諧振于二次諧波第七章正弦波振蕩器按工作原理分反饋式振蕩器負阻式振蕩器工作狀態(tài)：通常為丙類狀態(tài)，是非線性的（分析很困難）。實際上近似用甲類線性工作來分析。§7.3LC振蕩器基本工作原理構成電路振蕩的條件：1.一套振蕩回路（LC回路）；

2.一個能量補充的來源（電源VCC）；

3.一個控制設備（有源器件）。例：調集型振蕩電路為例圖7.3.1振蕩電路的組成（三個環(huán)節(jié)）：（1）放大環(huán)節(jié)（2）反饋環(huán)節(jié)（3）選頻環(huán)節(jié)§7.9負阻振蕩器1.負阻特性負電阻正電阻當電壓減小時，電流增大曲線斜率得到數為負值，即——呈負電阻性（對交流）此時R的電位升方向與電流同向，相當于發(fā)電機作用，向外輸出功率。從直流電源轉換而得具有負阻的器件電壓控制型電流控制型電子四極管隧道二極管雙基極二極管晶體管雪崩擊穿時AB段為負阻特性電流控制型電壓控制型負阻振蕩器

(1)原理設-rn

為負阻器件的等效電阻，有電路類型

串聯(lián)性

隧道二極管負阻振蕩器圖7.9.5起振條件并聯(lián)型圖7.9.4§7.11集成電路振蕩器

互感耦合差分對振蕩器

圖7.11.17.11.27.11.3

第八章參量現(xiàn)象與時變電抗電路§8.1概述利用非線性電阻特性的電路變頻電路功放電路振蕩電路等利用非線性電抗特性也可實現(xiàn)以上電路非線性電抗器件可分兩類1有磁芯的非線性電感2非線性電容（變容二極管體積小、結構簡單）前面介紹的§8.2參量放大器8.2.1變容二極管的非線性電抗特性變容二極管的結電容Cj

與所加反向電壓vR

的關系8.2.2參量放大的物理過程C拉開C靠近電容器儲能圖8.2.28.2.3非線性電抗中的能量關系遵循門雷——羅威關系式將頻率為fs

的信號和頻率為fP

的泵源信號電壓同時加到無損耗單值非線性電容上，除有Fs、

fP及它們的各次諧波外，還會產生新的組合頻率證明略信頻功率泵頻功率取m=1；n=0，n=-1取n=1;m=0，m=-1前面證明知，能量轉換時要有三組頻率，即：fs、fP

與和頻或差頻所以，參量放大器除有fs、fP

兩回路外，還應有一個fi諧振（空閑）回路。令并在門——羅公式中分別取m=1；n=0，n=-1及n=1；m=0,m=-1則有參量放大器實際電路圖8.2.48.3.1參量混頻原理§8.3參量混頻器輸入輸出泵源8.3.2參量混頻電路圖8.3.2第九章振幅調制與解調

§9.1概述

調制——將信息攜帶與高頻載波上調制方式調幅——振幅調制調頻調相脈沖調制——角度調制解調——調制的逆過程檢波——對應于調幅鑒頻——對應于調頻鑒相——對應于調相調幅波§9.2調幅波的性質圖9.2.29.2.1調幅波的表達式與頻譜1.調幅波的表達式2.調幅波的頻譜——上邊頻——下邊頻邊頻幅值9.2.2調幅波中的功率關系將調幅波作用在電阻為R的負載上，則有載頻功率為下邊頻功率為同理，上邊頻功率為因此，調幅波的總功率（輸出功率）為未調幅時,100%調幅時,即可見，載波功率占總功率的（但不帶信息）?！?.3平方律調幅9.3.1工作原理+非線性器件帶通濾波器設：輸入電壓為非線器件特性為以vi

代入上式得——————直流——————載波——————調制信號基波——上、下邊頻經濾波選取上式第4項得并可知，調幅度為調幅作用產生于項——平方律調幅

9.3.2平衡調幅器二極管平衡調幅器（兩個平方律調幅組成）§9.4斬波調幅不含載波項——抑制了載波§9.5模擬乘法器調幅前面第五章（5.4.2）討論過，簡單模擬乘法器的輸出電壓為缺點：（1）當

v2小時，誤差大

（2）vo與溫度有關

（3）只能工作在兩象限

v2>0實用上雙差分模擬乘法器圖9.5.1模擬乘法器調幅為幅平衡調幅（抑制載波調幅）§9.6單邊帶信號的產生§9.7殘留邊帶調幅§9.8高電平調幅§9.9包絡檢波9.9.1包絡檢波器的工作原理充放9.9.2包絡檢波器的質量指標1）電壓傳輸系數（檢波效率）輸出電壓振幅輸入包絡振幅2）等效輸入電阻輸入高頻基波電流振幅3）失真

（1）惰性失真（對角線失真）原因：RC太大，通常要求：圖9.9.2（2）負峰切割失真（底部切割）圖9.9.3充放圖9.9.4原因：耦合電容Cc的存在而且較大時,由于Cc的電壓Vc在R上有分壓VR，可能出現(xiàn)調幅波包絡負半周低于VR的情況而導致D截止。(3)非線性失真（4）頻率失真由二極管非線性引起，又濾波電容、耦合電容引起§9.10同步檢波1.應用乘法器的同步檢波相乘低通濾波包絡檢波器2.應用包絡檢波器的同步檢波兩種方法：討論乘法器工作第十章角度調制與解調角度調制調頻調相載波的頻率或相位隨調制信號改變§10.1概述§10.2調角波的性質10.2調頻波和調相波的數學表示式設：調制信號為載波信號為調頻時，不變，但隨調制信號線性變化變化也適用即有頻移頻偏（最大頻移）調頻波的數學表示式調相波的數學表示式——調頻指數——調相指數10.2.3調頻波和調相波的頻譜與帶寬調頻波和調相波相似，以討論調頻波帶寬為例。對調頻波展開得1.將及展為傅氏級數，并用第一類貝塞爾函數表示10.2.22式、10.2.23式2.用貝塞爾函數曲線表示——圖10.2.4

mf值不同，則Jn(mf)不同，即每個頻率分量振幅不同。對于調頻：mf可大于1，可小于1。（與調幅不同）3.頻帶寬度——與mf值有關一定，改變(a)有效帶寬改變有效帶寬有效帶寬(b)mf一定,§10.3調頻方法概述調頻方法可分兩類：1.直接調頻2.間接調頻調制信號直接控制載波瞬時頻率先將調制信號積分，再對載波調相，從而得到調頻10.3.1直接調頻原理調制信號直接改變影響振蕩頻率的元件或電路的參數，使瞬時頻率隨調制信號線性變化——直接調頻。多諧振蕩器調頻脈沖頻率與基極偏置電壓有關10.3.2間接調頻原理由調頻波表達式相角改變量——相移