高频电子线路第1章谐振回路课件.ppt
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1、第第1 1章章 谐振回路谐振回路1.11.1 高频电路中的元器件高频电路中的元器件1.1.11.1.1 高频电路中的元件高频电路中的元件1.1.2 1.1.2 高频电路中的有源器件高频电路中的有源器件1.21.2 简单谐振回路简单谐振回路1.2.1 1.2.1 串联谐振回路串联谐振回路1.2.21.2.2 并联谐振回路并联谐振回路1.2.31.2.3 耦合回路耦合回路1.31.3 滤波器滤波器 1.3.11.3.1 石英晶体谐振器石英晶体谐振器 1.3.21.3.2 集中滤波器集中滤波器 1.3.3 1.3.3 衰减器与匹配器衰减器与匹配器本章小结本章小结内容提要内容提要 谐振回路在高频电路中
2、即为谐振回路在高频电路中即为选频网络选频网络,它能选出我们,它能选出我们需要的频率分量和滤除不需要的频率量。需要的频率分量和滤除不需要的频率量。在高频电子线路中应用的选频网络分为两大类:在高频电子线路中应用的选频网络分为两大类:第一类是由电感和电容元件组成的振荡回路(也称第一类是由电感和电容元件组成的振荡回路(也称谐谐振回路振回路),它又可分为单谐振回路和耦合谐振回路;),它又可分为单谐振回路和耦合谐振回路;第二类是各种第二类是各种滤波器滤波器,如,如LC集中参数滤波器,石英晶集中参数滤波器,石英晶体滤波器,陶瓷滤波器和声表面波滤波等。体滤波器,陶瓷滤波器和声表面波滤波等。1.11.1高频电路
3、中的元器件高频电路中的元器件 各种高频电路基本上是由各种高频电路基本上是由有源器件有源器件、无源元件无源元件和和无源网无源网络络组成的。组成的。高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的元器件高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的元器件基本相同,但是注意它们在高频使用时的高频特性。基本相同,但是注意它们在高频使用时的高频特性。高频电路中的元件主要是电阻(器)、电容(器)和电高频电路中的元件主要是电阻(器)、电容(器)和电感(器)感(器),它们都属于无源的线性元件。高频电路中完成信它们都属于无源的线性元件。高频电路中完成信 号的放大,非线性变换等功能的有源器件主要是二极管,晶号的放大,非线性
4、变换等功能的有源器件主要是二极管,晶体管和集成电路。体管和集成电路。1.1.11.1.1高频电路中的元件高频电路中的元件 1.1.电阻器电阻器 一个实际的电阻器,在一个实际的电阻器,在低频低频时主要表现为电阻特性,但时主要表现为电阻特性,但在在高频高频使用时不仅表现有使用时不仅表现有电阻特性电阻特性的一面,而且还表现有的一面,而且还表现有电电抗特性抗特性的一面。电阻器的电抗特性反映的就是高频特性。的一面。电阻器的电抗特性反映的就是高频特性。一个电阻一个电阻R的高频等效电路如图所示,其中的高频等效电路如图所示,其中CR为分布电为分布电容,容,LR为引线电感,为引线电感,R为电阻。为电阻。电阻的高
5、频等效电路电阻的高频等效电路CRRLR 2.2.电感线圈的高频特性电感线圈的高频特性 电感线圈在高频频段除表现出电感电感线圈在高频频段除表现出电感L的特性外,还具有的特性外,还具有一定的一定的损耗电阻损耗电阻r和和分布电容分布电容。在分析一般长、中、短波频。在分析一般长、中、短波频段电路时,通常忽略分布电容的影响。因而,电感线圈的等段电路时,通常忽略分布电容的影响。因而,电感线圈的等效电路可以表示为电感效电路可以表示为电感L和电阻和电阻r串联,如图所示。串联,如图所示。电感线圈的串联等效电路电感线圈的串联等效电路rL电阻电阻r随频率增高而增加,这主要是随频率增高而增加,这主要是集肤效应集肤效应
6、的影响。的影响。所谓所谓集肤效应集肤效应是指随着工作频率的增高,流过导线的交流电是指随着工作频率的增高,流过导线的交流电流向导线表面集中这一现象,当频率很高时,导线中心部位流向导线表面集中这一现象,当频率很高时,导线中心部位几乎完全没有电流流过,这相当于把导线的横截面积减小为几乎完全没有电流流过,这相当于把导线的横截面积减小为导线的圆环面积,导电的有效面积较直流时大为减小,电阻导线的圆环面积,导电的有效面积较直流时大为减小,电阻r增大。工作频率越高,圆环的面积越小,导线电阻就越大。增大。工作频率越高,圆环的面积越小,导线电阻就越大。(演演 示示)设流过电感线圈的电流为设流过电感线圈的电流为I,
7、则电感,则电感L上的无功功率为上的无功功率为I2L,而线圈的损耗功率,即电阻,而线圈的损耗功率,即电阻r的消耗功率为的消耗功率为I2r,故由,故由式(式(1.1.1)得到电感的品质因数)得到电感的品质因数有功功率无功功率Q(1.1.1)rLrILIQ22(1.1.2)Q值是一个比值,它是感抗值是一个比值,它是感抗L与损耗电阻与损耗电阻r之比,之比,Q值值越高损耗越小,一般情况下越高损耗越小,一般情况下,线圈的线圈的Q值通常在几十到一二值通常在几十到一二百左右。百左右。在无线电技术中通常不是直接用等效电阻在无线电技术中通常不是直接用等效电阻r,而是引入线,而是引入线圈的圈的品质因数品质因数这一参
8、数来表示线圈的损耗性能。这一参数来表示线圈的损耗性能。品质因数定义为品质因数定义为无功功率无功功率与与有功功率之比有功功率之比:在电路分析中,为了计算方便,有时需要把电感与电阻在电路分析中,为了计算方便,有时需要把电感与电阻串联形式的线圈等效电路转换为电感与电阻的并联形式。串联形式的线圈等效电路转换为电感与电阻的并联形式。下下图中的图中的LP、R表示并联形式的参数。表示并联形式的参数。pLjRLjr11)(1(1.1.3)电感线圈串、并联等效电路电感线圈串、并联等效电路 根据等效电路的原理,在左图中根据等效电路的原理,在左图中1-2两端的导纳应等于右两端的导纳应等于右图中图中1-2两端的导纳,
9、即两端的导纳,即rL12RLP12 由上式,并用式由上式,并用式(1.1.2)就可以得到就可以得到 )1(2QrR(1.1.4)211QLRrLrQR222LLp 由上述结果表明,由上述结果表明,一个高一个高Q Q电感线圈,其等效电路可以电感线圈,其等效电路可以表示为串联形式表示为串联形式,也可以表示为并联式行。在两种形式中,也可以表示为并联式行。在两种形式中,电感值近似不变,串联电阻与并联电阻的乘积等于感抗的平电感值近似不变,串联电阻与并联电阻的乘积等于感抗的平方。方。当当Q 1时,则时,则由式由式(1.1.4)看出,看出,r越小越小R就越大,即损耗小,反之,就越大,即损耗小,反之,则损耗大
10、。则损耗大。一般地,一般地,r为几欧的量级,变换成为几欧的量级,变换成R则为几十到几则为几十到几百千欧。百千欧。Q 也可以用并联形式的参数表示。也可以用并联形式的参数表示。由式由式(1.1.4)有有 上式代入上式代入(1.1.2)得得 上式表明,上式表明,若以并联形式表示若以并联形式表示Q时,则为并联电阻与时,则为并联电阻与感抗之比。感抗之比。RLr22pLRLRQ3.3.电容器的高频特征电容器的高频特征一个实际的电容器除表现电容特性外,也具有损耗电一个实际的电容器除表现电容特性外,也具有损耗电阻和分布电感。阻和分布电感。在分析一般米波以下频段的谐振回路时,在分析一般米波以下频段的谐振回路时,
11、常常只考虑电容和损耗。常常只考虑电容和损耗。电容器的等效电路也有两种形式,电容器的等效电路也有两种形式,如图所示。如图所示。电容器的串、并联等效电路电容器的串、并联等效电路rCRCp 为了说明电容器损耗的大小,引入为了说明电容器损耗的大小,引入电容器的品质因数电容器的品质因数Q,它等于容抗与串联电阻之比它等于容抗与串联电阻之比 CrrCQ11(1.1.5)RCCRQPP1(1.1.6)电容器损耗电阻的大小主要由介质材料决定。电容器损耗电阻的大小主要由介质材料决定。Q值可值可达几千到几万的数量级,与电感线圈相比达几千到几万的数量级,与电感线圈相比,电容器的损耗常电容器的损耗常常忽略不计。常忽略不
12、计。若以并联等效电路表示,则为并联电阻与容抗之比。若以并联等效电路表示,则为并联电阻与容抗之比。)1(2CQrRCQCp2111 同理,可以推导出上图串、并联电路的变换式同理,可以推导出上图串、并联电路的变换式:当当Q 1时,它们近似式为时,它们近似式为rCCrQR2212CCp 上面分析表明,上面分析表明,一个实际的电容器,其等效电路可以一个实际的电容器,其等效电路可以表示为串联形式,也可以表示为并联形式。表示为串联形式,也可以表示为并联形式。两种形式中电两种形式中电容值近似不变,串联电阻和并联电阻的乘积等于容抗的平容值近似不变,串联电阻和并联电阻的乘积等于容抗的平方。方。1.1.21.1.
13、2高频电路中的有源器件高频电路中的有源器件 从原理上看,用于高频电路的各种有源器件,与用于低从原理上看,用于高频电路的各种有源器件,与用于低频或其他电子线路的器件没有根本不同。频或其他电子线路的器件没有根本不同。只是由于工作在高频范围,对器件的某些性能要求更高。只是由于工作在高频范围,对器件的某些性能要求更高。随着半导体和集成电路技术的高速发展,能满足高频应用要随着半导体和集成电路技术的高速发展,能满足高频应用要求的器件越来越多,也出现了一些专门用途的高频半导体器求的器件越来越多,也出现了一些专门用途的高频半导体器件。件。1.1.二极管二极管 半导体二极管在高频中主要用于检波、调制、解调及混半
14、导体二极管在高频中主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中,工作在低电平。因此主要用点接触频等非线性变换电路中,工作在低电平。因此主要用点接触式二极管和表面势垒二极管式二极管和表面势垒二极管(又称肖特基二极管又称肖特基二极管)。两者都利。两者都利用多数载流子导电机理,它们的极间电容小,工作频率高。用多数载流子导电机理,它们的极间电容小,工作频率高。变容二极管的记忆电容变容二极管的记忆电容Cj与外加反偏电压与外加反偏电压U之间呈非线之间呈非线性关系。变容二极管在工作时处于反偏截止状态,基本上不性关系。变容二极管在工作时处于反偏截止状态,基本上不消耗能量,噪声小,功率高。消耗能量,噪声小,
15、功率高。将它用于振荡回路中,可以做将它用于振荡回路中,可以做成电调谐器,也可以构成自动调谐电路等。成电调谐器,也可以构成自动调谐电路等。变容管若用于振荡器中,可以通过改变电压来改变振变容管若用于振荡器中,可以通过改变电压来改变振荡信号的频率。这种振荡器称为压控振荡器荡信号的频率。这种振荡器称为压控振荡器(VCO),压控振,压控振荡器是锁相环路的一个重要部件。荡器是锁相环路的一个重要部件。电调谐器和压控振荡器也广泛用于电视接收机的高频头电调谐器和压控振荡器也广泛用于电视接收机的高频头中。具有变容效应的某些微波二极管中。具有变容效应的某些微波二极管(微波变容器微波变容器)还可以进还可以进行非线性电
16、容混频、倍频。行非线性电容混频、倍频。还有一种以还有一种以P型,型,N型和本征型和本征(I)型三种半导体构成的型三种半导体构成的PIN二极管,它具有较强的正向电荷储存能力。它的高频等效电二极管,它具有较强的正向电荷储存能力。它的高频等效电阻受正向直流电流的控制,是一种可调电阻。它在高频及微阻受正向直流电流的控制,是一种可调电阻。它在高频及微波电路中可以用做电可控开关、限幅器、电调衰减器或电调波电路中可以用做电可控开关、限幅器、电调衰减器或电调移相器。移相器。2.2.晶体管与场效应管晶体管与场效应管 在高频中应用的晶体管仍然是双极晶体管和多种场效应在高频中应用的晶体管仍然是双极晶体管和多种场效应
17、管,这些管子比用于低频的管子性能更好,在外形结构方面管,这些管子比用于低频的管子性能更好,在外形结构方面也有所不同。也有所不同。高频晶体管有两大类型:高频晶体管有两大类型:一类是做小信号放大的高频小一类是做小信号放大的高频小功率管,对它们的主要要求是高增益和低噪声;另一类为高功率管,对它们的主要要求是高增益和低噪声;另一类为高频功率放大管,除了增益外,要求其在高频有较大的输出功频功率放大管,除了增益外,要求其在高频有较大的输出功率。率。3.3.集成电路集成电路 用于高频的集成电路的类型和品种要比用于低频的集成用于高频的集成电路的类型和品种要比用于低频的集成电路少得多电路少得多,主要分为通用型和
18、专用型两种。主要分为通用型和专用型两种。目前通用型的宽带集成放大器,工作频率可达一、二百目前通用型的宽带集成放大器,工作频率可达一、二百兆赫兹,增益可达五、六十分贝,甚至更高。兆赫兹,增益可达五、六十分贝,甚至更高。用于高频的用于高频的晶体管模拟乘法器,工作频率也可达一百兆赫兹以上。晶体管模拟乘法器,工作频率也可达一百兆赫兹以上。1.21.2简单谐振回路简单谐振回路 谐振回路由谐振回路由电感线圈和电容电感线圈和电容组成,当外界授予一定能组成,当外界授予一定能量,电路参数满足一定关系时,可以在回路中产生电压和电量,电路参数满足一定关系时,可以在回路中产生电压和电流的周期振荡回路。若该电路在某一频
19、率的交变信号作用下流的周期振荡回路。若该电路在某一频率的交变信号作用下,能在电抗原件上产生最大的电压或流过最大的电流,即具有能在电抗原件上产生最大的电压或流过最大的电流,即具有谐振特性,故该电路又称谐振特性,故该电路又称谐振回路谐振回路。谐振回路按电路的形式分为:谐振回路按电路的形式分为:1.串联谐振回路串联谐振回路2.并联谐振回路并联谐振回路3.耦合谐振回路耦合谐振回路用途:用途:1.利用他的选频特性构成各种谐振发大器利用他的选频特性构成各种谐振发大器2.在自激振荡器中充当谐振回路在自激振荡器中充当谐振回路3.在调制、变频、解调充当选频网络在调制、变频、解调充当选频网络 本章讨论各种谐振回路
20、在正弦稳态情况下的谐本章讨论各种谐振回路在正弦稳态情况下的谐 振特性和振特性和频率特性。频率特性。1.2.1 串联谐振回路 下图是最简单的串联回路。下图是最简单的串联回路。图中图中r是电感线圈是电感线圈L中的电阻,中的电阻,r通常很小,可以忽略,通常很小,可以忽略,C为电容。为电容。振荡回路的谐振特性可以从它们的阻抗频率特性看出来。振荡回路的谐振特性可以从它们的阻抗频率特性看出来。当信号角频率为当信号角频率为时,其串联阻抗为:时,其串联阻抗为:)1(1CLjrCjLjrsZ(1.2.1)rLC 回路阻抗的模回路阻抗的模|Zs|和幅角随和幅角随变化的曲线分别如下图所示:变化的曲线分别如下图所示:
21、r|Zs|O0/2/20O 当当r;当当0时,回路呈感性,时,回路呈感性,|Zs|r;当当0时,感抗与容抗相等,时,感抗与容抗相等,|Zs|最小,并为纯电阻最小,并为纯电阻r,我们称此时发生了我们称此时发生了串联谐振串联谐振,且串联谐振角频率,且串联谐振角频率0为为:LC10(1.2.2)XO0容性容性感性感性 串联谐振频率串联谐振频率0是串联振荡回路的一个重要参数。是串联振荡回路的一个重要参数。若在若在串联振荡回路两端加一恒压信号串联振荡回路两端加一恒压信号U,则发生串联谐振时因,则发生串联谐振时因阻阻抗最小抗最小,流过电路的,流过电路的电流最大电流最大,称为,称为谐振电流谐振电流,其值为,
22、其值为 rUI.0 在任意频率下的回路电流在任意频率下的回路电流I与谐振电流之比为与谐振电流之比为)(111110000.rLjrCLjZrrUZUIISS)(1100jQ(1.2.3)其模为其模为其中其中22)(11000QIICrrLQ001(1.2.4)Q被称为回路的被称为回路的品质因数品质因数,它是振荡回路的另一个重要,它是振荡回路的另一个重要参数。参数。根据式(根据式(1.2.3)画出相应的曲线如图所示,称为谐振)画出相应的曲线如图所示,称为谐振曲线。曲线。Q2Q1Q1Q20I/I0 由图可知回路的由图可知回路的品质因数越高,谐振曲线越尖锐,回路品质因数越高,谐振曲线越尖锐,回路选择
23、性越好选择性越好。在实际应用时,外加的频率在实际应用时,外加的频率与回路谐振频率与回路谐振频率0之差之差=-0表示频率表示频率偏离谐振频率偏离谐振频率0的程度,称为失谐。的程度,称为失谐。当当与与0很接近时很接近时0000000022202 在串联回路中,电阻、电感、电容上的电压值与电抗值在串联回路中,电阻、电感、电容上的电压值与电抗值成正比,因此串联谐振时电感及电容上的电压为最大,其值成正比,因此串联谐振时电感及电容上的电压为最大,其值为电阻上电压值的为电阻上电压值的Q倍,也就是恒压源的电压值的倍,也就是恒压源的电压值的Q倍。倍。发发生谐振的物理意义是,此时生谐振的物理意义是,此时电容和电感
24、中储存的最大能量相电容和电感中储存的最大能量相等等。令令 为广义失谐量,则式为广义失谐量,则式(1.2.3)可写成可写成0022ffQQ2110IIQffB07.02 当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时,将回路电当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时,将回路电流值下降为谐振值的流值下降为谐振值的1/2时所对应的频率范围称回路的通频带,时所对应的频率范围称回路的通频带,亦称回路带宽,通常用亦称回路带宽,通常用B表示。表示。令上式等于令上式等于1/2,则可以推得,则可以推得=1,从而可得带宽为,从而可得带宽为 串联振荡回路的相位特性与其辐角特性相反。串联振荡回路的相位特性与其辐角特性相反。在谐
25、振在谐振时回路中的电流、电压关系如图所示。时回路中的电流、电压关系如图所示。图中图中 与与 同相,同相,和和 分别为电感和电容上的电压。分别为电感和电容上的电压。由图可知,由图可知,和和 反相。反相。CU0ILUUCULULUCU0IU1.2.2 1.2.2 并联谐振回路并联谐振回路 串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻的情况或低阻抗串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻的情况或低阻抗电路。电路。当频率不是非常高时,并联谐振回路应用最广。当频率不是非常高时,并联谐振回路应用最广。1.1.并联谐振回路原理并联谐振回路原理 并联谐振回路是与串联谐振回路对偶的电路,其等效电并联谐振回路是与串联谐振回路对偶
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