高频电路基础部分课件.ppt
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1、高频电子线路高频电路基础部分2 这部分是学习后面内容的准备,重点需要复习以下知识:这部分是学习后面内容的准备,重点需要复习以下知识:n并联谐振回路的谐振特性、谐振频率、品质因数、通频带、阻抗特性(幅度和相角)、选择性等,以及这些特性之间相互的关系。n特别强调抽头(部分接入)并联谐振回路的阻抗变换关系。从低抽头向高抽头转换时:n等效阻抗增大1/p2倍,注意电感、电容、电阻(电导)值大小的变化n电流源减小了P倍n电压源增大1/p倍n串并联阻抗的等效互换n注意等效噪声带宽、噪声系数等概念。n了解声表面波器件的特点。说明3主要内容n高频电路中的元件、器件和组件概述n高频振荡回路n简单振荡回路n串联谐振
2、(振荡)回路n并联谐振(振荡)回路nLC 串、并联谐振回路比较n抽头并联谐振回路n耦合振荡回路n串并联阻抗的等效互换n声表面波滤波器n作业4高频电路中的元件、器件和组件概述 高频电路中的元器件:n各种高频电路基本上是由有源器件、无源元件和无源网络组成的。n高频电路中的有源器件主要是二极管、晶体管和集成电路,用以完成信号的放大、非线性变换等功能。n高频电路中使用的元器件与低频电路中使用的元器件基本相同,但要注意它们的高频特性。5高频电路中的电阻l一个实际的电阻器,在低频时主要表现为电阻特性,但在高频使用时,还表现有电抗特性的一面。l电阻器的高频特性与制作电阻的材料、电阻的封装形式和尺寸大小有密切
3、关系。l一个电阻R的高频等效电路如下图所示,其中,CR为分布电容,LR为引线电感,R为电阻。LRCRR 图 1 电阻的高频等效电路 6LCRCC(a)阻抗频率 f(b)0 图2 电容器的高频等效电路 (a)电容器的等效电路;(b)电容器的阻抗特性 高频电路中的电容l电容定义电容定义:由介质隔开的两导体即构成电容由介质隔开的两导体即构成电容。l每个电容器都有一个自身谐振频率SRF(Self Resonant Frequency)。当工作频率小于自身谐振频率时,电容器呈正常的电容特性,但当工作频率大于自身谐振频率时,电容器将等效为一个电感。参见高频电路原理与分析高频电路原理与分析(P10)理想特性
4、7高频电路中的电感l高频电感器一般由导线绕制(空心或有磁芯、单层或多层)而成(也称电感线圈)。l品质因数Q定义为高频电感器的感抗与其串联损耗电阻之比。Q值越高,表明该电感器的储能作用越强,损耗越小。因此,在中短波波段和米波波段,高频电感可等效为电感和电阻的串联或并联。若工作频率更高,等效电路应考虑电感两端总的分布电容,它应与电感并联。l高频电感器也具有自身谐振频率SRF,在SRF上,高频电感的阻抗的幅值最大,而相角为零。如图3所示。l RFCs(RF coils)高频扼流线圈8阻抗与相角阻抗相角频率 fSRF0 图 3 高频电感器的自身谐振频率SRF 高频电路中的电感(续1)9高频电路中的有源
5、器件n高频电路中的有源器件主要是各种二极管、晶体管以及半导体集成电路。n从原理上看,用于高频电路的各种有源器件与低频或其它电子线路的器件没有什么根本不同。只是由于工作在高频范围,对器件的某些性能要求更高。n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件。10二极管l类型(1)非线性变换二极管。主要用于调制、检波(解调)及混频等电路中,一般工作于低电平。它们的极间(结)电容小,工作频率高。常用点接触式(如2AP系列)和表面势垒式(肖特基)两种形式。(2)变容二极管。它的主要特点是其节电容随所加的反偏电压而变化。工作于反偏状态。多用于调谐
6、、振荡、混频与倍频等电路中。VCO:变容管若用于振荡器中,可以通过改变其反偏电压来改变振荡信号的频率。这种振荡器称为压控振荡器(VCO)(3)PIN二极管。PIN二极管是在PN结中间增加了一层本征(I)半导体,因此具有较强的正向电荷储存能力。其主要特点是高频等效电阻受正向电流的控制。是一电可调电阻。一般用于开关、限幅、衰减和移相电路中。11三极管(类型)n类型n双极晶体管n高频小功率管n高频大功率管n场效应管n小信号场效应管n功率场效应管 高频小信号(功率)晶体管或场效应管高频小信号(功率)晶体管或场效应管(FET)主要用于小信号的放大、振荡、调制/解调和混频电路中。对它的主要要求是高增益和低
7、噪声。功率管功率管主要用于功放电路,除了要求增益外,还要有大的输出功率。12三极管(等效电路)n混等效电路与参数n混参数在一定频率范围内与频率无关,只与工作点关,因此可用于宽带分析。nY参数等效电路nY参数不仅与工作点有关,而且与频率有关,因此只适用于窄带分析。nY参数是在输入或输出交流短路时所得到的,它只代表晶体管本身的特征,而与外电路无关。n在低频电路中晶体管用h参数等效。13集成电路(IC)n用于高频电路的集成电路分为通用型IC和专用型IC(ASIC)。n通用型IC主要是宽带集成放大器和模拟乘法器。ASIC主要是集成锁相环(PLL)、FM信号解调器、单片接收机等。另外还有一些功放的组件或
8、模块。14高频电路中的组件高频电路中的组件n高频电路中的无源组件或无源网络主要有高频振荡(谐振)回路、高频变压器、谐振器与滤波器等。它们完成信号的传输、频率选择及阻抗变换信号的传输、频率选择及阻抗变换等功能等功能。n高频电路中的其它组件:平衡调制(混频)器、正交调制(混频)器、移相器、匹配器与衰减器、分配器与合路器、定向耦合器、隔离器与缓冲器、高频开关与双工器等。15高频振荡回路 振荡回路就是由电感和电容串联或并联形成的回路。是高频电路中应用最广应用最广的无源网络,也是构成高频放大器和振荡器的主要部件,在电路中完成阻抗变换、信号选择(选频)等任务,并可作为负载。n简单振荡回路n阻抗变换及抽头振
9、荡回路的阻抗变换n耦合振荡回路16简单振荡回路简单振荡回路由电感线圈和电容电感线圈和电容组成的单个振荡回路称为简单振荡回路或单振荡回路。分为:1.串联谐振(振荡)回路2.并联谐振(振荡)回路3.LC 串、并联谐振回路比较谐振特性:简单振荡回路的阻抗阻抗在某一特定频率上具有最大或最小值的特性称为谐振特性,这个特定频率称为谐振频率。简单振荡回路具有谐振特性和频率选择作用谐振特性和频率选择作用,这是它在高频电子线路中得到广泛应用的重要原因。17一、串联谐振回路一、串联谐振回路 串联振荡回路:由电压源与电容、电感串联构成的振荡回路。2222)C1L(RXRZRCLarctgRXarctg1LC21fL
10、C10C1LX0X0000令当 时0RvIIs0达到最大:回路谐振 z=R+jx=R+j(L )c1jez 阻抗Z(Zs )IVsI18串联谐振回路(特性曲线)串联谐振回路(特性曲线)当 0时|z|R,0,x0呈容性,电流超前电压,z 0,x0呈感性,电流滞后电压,z0 =0 ,|z|=R,x=0达到串联谐振,阻抗为纯阻R。当回路谐振时的感抗或容抗,称之为特性阻抗。用表示x容性x=LO感性L1C01CzR0 z 0 O 2 2 2 CLC1LXX00CL0019 谐振特性谐振特性n1)n2)谐振时电流最大且与电源同相UL.UC.0U.I0.串联回路在谐振时的电流、电压关系图00X时为最小值,且
11、为纯电阻RZ 呈现感性且,CLXX00X时呈现容性且,CLXX00X时RVIS020谐振特性续谐振特性续1n3)电感及电容两端电压模值相等,且等于外加电压的Q倍21谐振时回路感抗值(或容抗值)与回路电阻R的比值称为回路的品质因数,以Q表示,它表示回路损耗的大小。当谐振时:因此串联谐振时,电感L和电容C上的电压达到最大值且为输入信号电压的Q倍。Q值一般可以达到几十或者几百,故串联谐振也称为电压谐振。在实际应用的时候要预先注意回路元件的耐压问题。QVRVRVIsssoCoLovvCLRRcRRLQ11oocLoo1n品质因数品质因数Q定义定义谐振特性续谐振特性续222信号源内阻及负载对串联谐振回路
12、的影响信号源内阻及负载对串联谐振回路的影响为空载时的品质因数为有载时的品质因数可见QQQQLL结论:串联谐振回路通常适用于信号源内阻Rs很小 (恒压源)和负载电阻RL也不大(如微波电路)的情况Rs+CVsRLLRLS0LRRRLQ通常把没有接入信号源内阻和负载电阻时回路本身的Q值叫做无载Q(空载Q值),如式把接入信号源内阻和负载电阻的Q值叫做有载Q值,用QL表示:其中R为回路本身的损耗,RS为信号源内阻,RL为负载 ooQRLQ23广义失谐系数广义失谐系数 广义失谐是表示回路失谐大小的量,广义失谐是表示回路失谐大小的量,其定义为其定义为:oo1)(RLRCLRXo失谐时的电抗oooQ当当 0即
13、失谐不大时即失谐不大时:当谐振时当谐振时:=0。0000ff2Q2Q24谐振曲线谐振曲线串联谐振回路中电流幅值与外加信号源频率之间的关系曲线称为谐振曲线谐振曲线。可用N(f)表示谐振曲线的函数。Q值不同即损耗R不同时,对曲线有很大影响,Q值大曲线尖锐,选择性好,Q值小曲线钝,通带宽。)1()1()(ssCLjRRRCLjRIIfNvvo谐振点电流失谐处电流jRCL11111 N (f)f f0 Q1 Q2 Q1 Q2 25通频带通频带 当回路外加电压的幅值不变时,改变频率,回路电流I下降到Io 的 时所对应的频率范围称为谐振回路的通频带用B表示,当 而 所以也可用频率f0表示,即 B=1270
14、127022fffBB.或时21112oII1o2QQ0702Qff.0702 N(f)(f)0(f0)Q1 Q2 Q1 Q2 N(f)=0II 1 2 21 1 2 21126相频特性曲线相频特性曲线 回路电流的相角随频率变化的曲线。回路电流的相频特性曲线为 v回路电流的相角为阻抗幅角的负值=,回路电流的相角是与外加电压相比较而言的。若超前,则 0;若滞后,则 Q2。arctg2arctgarctgarctgoooQQRx 0 2 2 Q1 Q2 jjjjoeIeIezeIm)(msmsozvv 27能量关系能量关系谐振时tsinIim0tVtICidtCvCmomccos)90sin(11
15、02022222211212121msmsmcmLIVCLRCVCQCVtccW22cm2ccos2121vv222cm2121smcmQccWvvwtLIW22omccos21CLRQ1LIWcm2om21tLILiW22om2Lsin2121LIW2omLm212om22om22omCL21cos21sin21LItLItLIWWWicvLwCw28电感上储存的瞬时能量的最大值与电容上储存的瞬时能量 的最大值相等。能量W是一个不随着时间变化的常数,这说明整个回路中储存 的能量保持不变,只是在线圈和电容器之间相互转换,电 抗元件不消耗外加电源的能量。外加电源只是提供回路电阻所消耗的能量,以维
16、持回路的 等幅振荡,谐振时振荡器回路中的电流最大。能量关系(续)能量关系(续)29谐振回路Q与能量的关系电路R上消耗的平均功率为:2omRI21P 每一周期时间内消耗在电阻上的能量为:每周耗能回路储能2Qo2om2omR12121fRITRITPWQRLRLffRILIWWW212112121ooo2om2omRLC30例例1 1:串联回路串联回路如下如下图所示。图所示。信号源频率信号源频率F=1MHzF=1MHz。电压。电压振幅振幅V=0.1VV=0.1V。将。将1-11-1端短接,端短接,电容电容C C调到调到100PF100PF时谐振。时谐振。此时,电容此时,电容C C两端的电压为两端的
17、电压为10V10V。如如1-11-1端开路再串接一阻抗为端开路再串接一阻抗为Z Z(电阻和电容串联),则回路(电阻和电容串联),则回路失谐,电容失谐,电容C C调到调到200PF200PF时重新谐振。此时时重新谐振。此时,电容电容C C两端两端的电压为的电压为2.5V2.5V。试求:线圈的电感试求:线圈的电感L L,回路品质因数,回路品质因数Q Q以及未知阻抗以及未知阻抗Z Z。1MHz0.1V11LRCVZ返回返回 131二、并联谐振回路二、并联谐振回路概述:概述:对于信号源内阻和负载比较大的情况,宜采用并联谐振回路。结构:结构:电感线圈、电容C、外加信号源相互并联的振荡回路。如图所示:其中
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