第2章高频电路基础.ppt
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高频电子线路完整章节完整课件(胡宴如版)
第2章 小信号选频放大器
主要内容：
LC谐振回路
小信号谐振放大器
集中选频放大器
2.1 LC谐振回路—概述
LC 谐振回路是高频电路里最常用 的无源选频网络，包括并联回路和串联回路 两种结构类型。
利用LC谐振回路的幅（度）频（率） 特性和相（位）频（率）特性，不仅可以进 行选频，即从输入信号中选择出有用频率分 量而抑制掉无用频率分量或噪声（例如在选 频放大器和正弦波振荡器中），而且还可以
1.1、通信与通信系统
4）信道：信息的传送通道，又称传输媒介。信道 可分为无线信道和有线信道两大类；
5）接收机：把由信道传送过来的已调信号取出并 进行处理，得到与发送相对应的原基带信号， 把这一过程称为解调；
6）输出变换器：把基带信号恢复成原来形式的信 息。
1.1、通信与通信系统
通信系统按传输的基带信号不同，分为模拟通信系统和 数字通信系统两大类。 1）模拟通信系统：直接传输模拟信号（即基带信号为 模拟信号）的通信系统,称为模拟通信系统。 典型的模拟通信系统的发送设备的组成框图和接收 设备的组成框图分别如图2和图3所示。 图2为调幅发射机的组成框图。 图3为超外差式调幅接收机的组成框图。 2）数字通信系统：传输数字信号（即基带信号为数字 信号）的通信系统,称为数字通信系统。
2.1.1 并联谐振回路的选频特 性
谐振回路
谐振回路由电感线圈和电容器组成，它具有选择 信号及阻抗变换作用。
LC并联谐振回路
图2.1.1是电感L、电容C和外加信号源组成的
并联谐振回路。r是电感L的等效损耗电阻，电容的
.
损耗一般可以忽略。 I
S
为电流源，U
为并联回路两
O
端输出电压。
高频电子线路_ppt课件
需要注意： 回路的Q越高，
谐振曲线越尖锐，回 路的B0.707越窄，但其 Kr0.1并不改变。
这说明，对于简单并联谐振回路，回路Q 对回路的通频带和高的选择性的矛盾不能兼顾。
.
33
第2章 高频电路基础
1、简单振荡回路 （1）并联谐振回路
并联阻抗： 谐振频率： 品质因数： 并联谐振电阻：
通频带宽与矩形系数： 幅频特性与相频特性：
.
43
第2章 高频电路基础
2. 抽头并联振荡回路
在实际应用中，常用到激励源或负载与回路电感或电 容部分连接的并联振荡回路，即抽头并联振荡回路。
作用：实现回路与信号源的阻抗匹配或者进行阻抗变换。
（1）接入系数 p (或称抽头系数)：
与外电路相连的那部分电抗 与本回路参与分压的同性质总 电抗之比。
/0C
i2r
1
0Cr
Zp Cr R0并联谐振回路的等效电路？
.
22
第2章 高频电路基础
并联谐振回路的等效电路
等效电路
L
并联阻抗：ZP
r
C
j(L
1
)
谐振阻抗：
C
Zp
L Cr
R0
.
23
第2章 高频电路基础
(a)谐振频率 (b)特性阻抗 (c)品质因数
0L10C
L C
用 r 表示
Q0L 1 r 0Cr r
为射频扼流圈 RFC）。
高频等效电路：
电感线圈的损耗：在高频电路中是不能忽略的。
分布电容的影响：在分析一般的长、中、短波频段 电路时，通常可以忽略。
.
9
第2章 高频电路基础
2.1 高频电路中的元器件
3、高频电感
谐振曲线越尖锐，回 路的B0.707越窄，但其 Kr0.1并不改变。
这说明，对于简单并联谐振回路，回路Q 对回路的通频带和高的选择性的矛盾不能兼顾。
.
33
第2章 高频电路基础
1、简单振荡回路 （1）并联谐振回路
并联阻抗： 谐振频率： 品质因数： 并联谐振电阻：
通频带宽与矩形系数： 幅频特性与相频特性：
.
43
第2章 高频电路基础
2. 抽头并联振荡回路
在实际应用中，常用到激励源或负载与回路电感或电 容部分连接的并联振荡回路，即抽头并联振荡回路。
作用：实现回路与信号源的阻抗匹配或者进行阻抗变换。
（1）接入系数 p (或称抽头系数)：
与外电路相连的那部分电抗 与本回路参与分压的同性质总 电抗之比。
/0C
i2r
1
0Cr
Zp Cr R0并联谐振回路的等效电路？
.
22
第2章 高频电路基础
并联谐振回路的等效电路
等效电路
L
并联阻抗：ZP
r
C
j(L
1
)
谐振阻抗：
C
Zp
L Cr
R0
.
23
第2章 高频电路基础
(a)谐振频率 (b)特性阻抗 (c)品质因数
0L10C
L C
用 r 表示
Q0L 1 r 0Cr r
为射频扼流圈 RFC）。
高频等效电路：
电感线圈的损耗：在高频电路中是不能忽略的。
分布电容的影响：在分析一般的长、中、短波频段 电路时，通常可以忽略。
.
9
第2章 高频电路基础
2.1 高频电路中的元器件
3、高频电感
高频电子线路二版第二章.高频电路基础
次级回路自阻抗
M2
Zf1 Z22
初级回路自阻抗
M2
Zf2
Z11
Z22 次级回路自阻抗
Z11 初级回路自阻抗
广义失谐量： 0L ( 0 ) 2Q
r 0
0
耦合因子： A Q
临界耦合 A 1
欠耦合 A<1
过耦合 A>1
理相
1
0.7
实际
0.1
0
ω0
ω
② 选择性: 表征了对无用信号的抑制能力，
Q值越高，曲线越陡峭，选择性越好，但通频
带越窄。
③ 理想回路：幅频特性在通频带内应完全
平坦。是一个矩型.
矩型系数: 表征实际幅频特性与理想幅
频特性接近的程度.谐振曲线下降为谐振值( f0 处 )的0.1时对应的频带宽度B0.1与通频带B0.707 之比:
+
IS
RS
C
N1 N2 RL
+
R'L
IS
RS
C
L
分析：
由 N1:N2=1:n ，得 n = N2 / N1（接入系数）。利用ⅰ 的方法，也可求得负载RL等效到初级回路的等效电阻是：
பைடு நூலகம்RL
1 n2
RL
或 gL n2gL
ⅲ. 电容分压式阻抗变换电路
Ú
+
IS RS
L
C1 ÚT
C2
IS RS C L
C1 R'L
⑷ 分析几种常用的抽头并联谐振回路
ⅰ.自耦变压器阻抗变换电路
Ú1
+
IS
RS
C
N1 Ú2 L
N2
RL
第2章 高频电路基础
0
1 1 2 2 1 2 1 (Q )
0
f B 2f 0 Q
Z arctan(2Q
0
) arctan
并联回路谐振时的电流、 电压关系： . IC
I C jC U
.
.
. I 0
U IR0
. U
Q R0 Q0 L 0C
R
接入系数： p
U jL1 I L L1 (高Q回路，I L I , 忽略互感) UT jLI L L
（
U 2 输入端等效电阻：R ( ) R0 p 2 R0 UT
U ） 2 R0 2 R
2 T
U2
图（b）：
接入系数：
1 U C1 C2 p 1 UT C1 C2 CC 1 2 C1 C2
max
L R0 Cr
谐振特性：在并联振荡回路输入信号的频率为 0 时
（1）回路的阻抗最大、纯阻性 （2）回路两端电压最大
（3）电流、电压同相
谐振频率： 品质因数：
1 0 LC
0 L 1 Q0 0CR0 r 0Cr
L Q R0 Q0 L Cr 0C
谐振电阻：
功能： 频率选择 阻抗变换： 1）使信号源内阻和回路阻抗匹配 2）减小信号源和负载对谐振回路的影响
接入系数：与外电路相连的那部分电抗与本回路参与 分压的同性质总电抗之比 —— p
与外电路相连的那部分电抗上的电压与本 回路参与分压的同性质总电抗上的电压之比
p U UT
接入系数与阻抗变换公式: 图（a）：
输入端等效电阻：
U 2 R ( ) R0 p 2 R0 UT
高频电路基础
信息科学技术学院 电子信息科学与技术系 高频电子线路 第2章 5
3.高频电感
分布 电容 高频电感实际等效电路
损耗 电阻
高频电感 想模型 高频电感理想模型
电感损耗用品质因数Q表征：
Q
L
RL
电感损耗主要指交流损耗。在高 频电路中， 电感损耗比较大，不
高频电感阻抗特性
能忽略，分布电容可以忽略。
高频电子线路 第2章 6
绝对角频率偏移 0 表示(角)频率偏移谐振的程度(失谐)。
信息科学技术学院 电子信息科学与技术系 高频电子线路 第2章 12
阻抗Zp可化简为 Z p
R0 L Cr ，式中 2 1 j 1 jQ
f 广义失谐 2Q 2Q 0 f0
阻抗幅 Z p 频特性
信息科学技术学院 电子信息科学与技术系 高频电子线路 第2章 17
1 1/ 2 |zp|/R0 Q1>Q2 Q1 Q2
0
Z
π 2
感性 Q2
Q1
Q1>Q2
容性
0
0
π 2
空载品质因数：回路没有外加负载时的值，LC回路本身的品质 因数 称为空载Q值或Q0； 因数，称为空载 有载品质因数： 回路有外加负载 RL时的值，称为有载Q 值或 QL。
1 r j L jC 并联谐振阻抗 Z p 1 r j L jC
此时有 0 2 20
0
1 LC
L Cr 0 1 jQ 0
0 2 02
0 2 02 0 0 2 2 0 0 0 0 0
信息科学技术学院 电子信息科学与技术系 高频电子线路 第2章 7
3.高频电感
分布 电容 高频电感实际等效电路
损耗 电阻
高频电感 想模型 高频电感理想模型
电感损耗用品质因数Q表征：
Q
L
RL
电感损耗主要指交流损耗。在高 频电路中， 电感损耗比较大，不
高频电感阻抗特性
能忽略，分布电容可以忽略。
高频电子线路 第2章 6
绝对角频率偏移 0 表示(角)频率偏移谐振的程度(失谐)。
信息科学技术学院 电子信息科学与技术系 高频电子线路 第2章 12
阻抗Zp可化简为 Z p
R0 L Cr ，式中 2 1 j 1 jQ
f 广义失谐 2Q 2Q 0 f0
阻抗幅 Z p 频特性
信息科学技术学院 电子信息科学与技术系 高频电子线路 第2章 17
1 1/ 2 |zp|/R0 Q1>Q2 Q1 Q2
0
Z
π 2
感性 Q2
Q1
Q1>Q2
容性
0
0
π 2
空载品质因数：回路没有外加负载时的值，LC回路本身的品质 因数 称为空载Q值或Q0； 因数，称为空载 有载品质因数： 回路有外加负载 RL时的值，称为有载Q 值或 QL。
1 r j L jC 并联谐振阻抗 Z p 1 r j L jC
此时有 0 2 20
0
1 LC
L Cr 0 1 jQ 0
0 2 02
0 2 02 0 0 2 2 0 0 0 0 0
信息科学技术学院 电子信息科学与技术系 高频电子线路 第2章 7
高频电路基础
(3)谐振曲线
U i ( ) v 常数 R 1s Z. S 1 L U ZS C 1 j R R
.
C
S
L
回路电流幅值与外加电压频率之间的关系曲线。 R
I S I SO
U uS
iS
R
1 1 0 0L 0 1 j ( ) 1 jQ( ) 0 R 0
= o CRp
Rp
L CR
（请注意：R 与 RP 的关系）
1 j L ( 1 ) R CL Rp L o 1 j o ( ) R o Rp Rp Zp 2 1 j 1 jQ
o
Zp e
j p
Zp
Rp 1
2
p tg
1
(1) 当 < o ，
有 0
iS
RS
C
L R
p 0 并联
LC 谐振回路呈电感性。
(2) 当 > o ， 有 0
ZP
电感性
L C p 0 并联 LC 谐振回路呈电容性。 Z p R jX
Rp
电容性
Rp
L / RC 1 j L ( 1 ) R CL
第2章 高频电路基础
2.1 高频电路中的元件、器件和组件
2.2 电子噪声
2.1
基本元件
高频电路中的元器件
有源器件（二极管、晶体管和集成电路） 无源元件 （电阻、电容和电感）
无源网络（ 高频谐振回路、高频变压器、谐振器
与滤波器等）
主要作用: 有源器件 无源网络
完成信号的放大，非线性变换等功能。 完成信号的传输，阻抗变换、选频等功能。
高频电子线路 第2章-高频电路基础
1 1 L= 2 = ω0 C (2π ) 2 f 02C
以兆赫兹(MHz)为单位 Ｃ以皮法 为单位, 以皮法(pF)为单位 L以 为单位, 将f0以兆赫兹 为单位 为单位 以 微亨（ ）为单位， 上式可变为一实用计算公式： 微亨（µH）为单位， 上式可变为一实用计算公式：
1 2 1 25330 6 L = ( ) 2 × 10 = 2 2π f 0 C f0 C
(3) 求满足 求满足0.5 MHz带宽的并联电阻。 设回路上并联 带宽的并联电阻。 带宽的并联电阻 电阻为R 并联后的总电阻为R 电阻为 1, 并联后的总电阻为 1∥R0, 总的回路有载品 f0 质因数为Q 由带宽公式, 质因数为 L。 由带宽公式 有 Q =
L
B
此时要求的带宽B=0.5 MHz, 故 QL = 20 此时要求的带宽 回路总电阻为
主要包括电台、工业、空间电磁、天电等 主要包括电台、工业、空间电磁、
内部产生的一般称为噪声
人为:接地 回路耦合等 人为 接地,回路耦合等 接地 系统内:电阻 电子器件等的热噪声等 系统内 电阻,电子器件等的热噪声等 电阻
电子噪声：电子线路中普遍存在。 电子噪声：电子线路中普遍存在。指电子线路中的随 机起伏的电信号，与电子扰动有关。 机起伏的电信号，与电子扰动有关。 当噪声,干扰与信号可比拟时 称信号被噪声淹没 当噪声 干扰与信号可比拟时,称信号被噪声淹没 干扰与信号可比拟时 称信号被噪声淹没.
ωM M = 对于互感耦合: 对于互感耦合 k = 2 L1L2 ω L1L2
通常情况: 通常情况
M L1 = L2 = L 则 k = L
CC k= 对于电容耦合: 对于电容耦合 (C1 + CC )(C2 + CC )
高频电路原理与分析 第六版第2章
频率越高，电阻器的高频特性表现越明显。在实际使用 时，要尽量减小电阻器高频特性的影响，使之表现为纯电阻。
图 2-1 电阻的高频等效电路
2. 电容器 由介质隔开的两导体即构成电容。作为电路元件的电
容器一般只考虑其电容量值(标称值)，在理论上也只按电容 量来处理。但实际上一个电容器的等效电路却如图2-2(a)所 示。其中，电阻RC为极间绝缘电阻，它是由于两导体间的 介质的非理想(非完全绝缘)所致，通常用损耗角δ或品质因 数QC来表示; 电感LC为分布电感或(和)极间电感，小容量电 容器的引线电感也是其重要组成部分。
趋肤效应是指当频率升高时，电流只集中在导体的表面， 导致有效导电面积减小，交流电阻可能远大于直流电阻，从而 使导体损耗增加，电路性能恶化。辐射效应是指信号泄漏到空 间中，这就使得信号源或要传输的信号能量不能全部输送到负 载上，产生能量损失和电磁干扰。辐射效应还会引起一些耦合 效应，使得高频电路的设计、制作、调试和测量等都非常困难。
第2章 高频电路基础与系统问题
2.1 高频电路中的元器件 2.2 高频电路中的组件 2.3 阻抗变换与阻抗匹配 2.4 电子噪声与接收灵敏度 2.5 非线性失真与动太范围 2.6 高频电路的电磁兼容 思考题与习题
由上一章的介绍可知，各种无线电设备都包含有处理高频信 号的功能电路，如高频放大器、振荡器、调制与解调器等。虽然 这些电路的工作原理和实际电路都有各自的特点，但是它们之间 也有一些共同之处。这些共同之处就是高频电路的基础，主要包 括高频电路的基本元器件和基本组件等。各种高频电路基本上是 由无源元件、有源器件和高频基本组件等组成的，而这些元器件 和基本组件绝大部分是相同的，它们与用于低频电路的基本元器 件没有本质上的差异，主要需要注意这些元器件在高频运用时的 特殊性，当然也有一些高频电路所特有的器件。在高频多个单元 电路中常用的两个重要功能是选频滤波与阻抗变换，振荡回路、 石英谐振器与集中选频滤波器等组件都具有这两个功能，高频变 压器、传输线变压器及阻抗匹配器则具有较好的阻抗变换能力。
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2021/3/19
6
二、高频电路中的基本电路
高频电路中的基本电路(无源组件或无源网络)有很多， 本章主要介绍高频谐振 (振荡)回路、高频变压器、石英晶 体谐振器和集中滤波器四种无源组件。
其它基本电路(平衡调制器、正交调制器、移相器、匹配 器与衰减器等)在后续章节里介绍。
1、高频谐振 (振荡)回路 主要功能：作为高频放大器、振荡器和滤波器的主要部 件完成阻抗变换、信号选择的功能，也可以直接作为负载 来使用。 高频谐振回路的分类：简单谐振回路、抽头并联谐振回 路和耦合谐振回路。
0
f0
f
0
f
:f绝 0 : 绝 对对 角频 频率 率偏 偏移 移表示频率偏离谐振的程度,
称为失谐。
回路阻抗 Z p
1
R0
jQ 2
R0
1 j
,
Zp
0
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R0
12
,
z
arctg
10
归一化阻抗的幅频特性(谐振特性)：品 1 质因数越高，谐振曲线越尖锐。
1/ 2
3dB通频带(半功率通频带)：将阻抗 幅频特性下降为谐振值的0.707倍时 .
高频功率输出。 晶体管：工作频率可达几千MHz，噪声系数为几个分贝，
输出功率可达上百瓦。 场效应管：在同样的工作频率下，噪声系数要比双极晶体
管的更低。
3）集成电路(IC) 用于高频的集成电路分为通用IC和专用IC(ASIC)。 通用IC：宽带放大器、模拟乘法器。
ASIC：锁相环(PLL)、调频解调器、单片接收机以及电视 机专用集成IC等。
率小于SRF，电容器才呈现正常的电容特性。
高频特性好的电容：片状电容和表面贴装电容。
阻抗
RC LC
C (a)电容器的等效电路
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频率 f 0
(b)电容器的阻抗特性 虚线为理想电容特性
3
电感：一个电感器除了其电感特性和线圈损耗电阻外，在高 频电路中还要考虑其分布电容。因此高频电感器也有其SRF， 它的工作频率应小于这个SRF。 高频电感与传输线变压器：由小尺寸电感线圈与磁芯构成。
实际电阻的高频特性： 金属膜电阻好于碳膜电阻； 碳膜电阻好于绕线电阻； 表面贴装(SMD)电阻好于引线电阻； 小尺寸电阻好于大尺寸电阻。
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CR LR
R 电阻的高频等效电路 CR:分布电容； LR:分布电感
2
电容：对于非理想的电容器，除了电容特性外，还要考虑 它的两极间的绝缘电阻和分布电感。高频电容器都有一个 自身谐振频率SRF(Self Resonant Frequency) ，只有工作频
|Zp|/R0
Q1>Q2 Q1 Q2
对应的频率范围，简称回路带宽。
B0.707 2f
f0 Q
Q 2f
f0
1
0
0
B
B0.1 : 定义为谐振曲线下降为谐振值的0.1对应的频率范围
B0.1
102 1 f0 9.96 f0
Q
Q
矩形系数：描述谐振曲线接近理想带通(矩形)的程度。
K r 0.1
B0.1 B0.707
U R0 L
−
jL 1
r
jC jL 1
, r L
jC
上图是用R0表示的等效电路
L
1
L
C r jL
1
Cr 0
jC
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9
用广义失谐表示回路阻抗：
重写回路阻抗Z p
L C
r
1
jL
1
jC
1
R0
jQ
0
,
0
r L
定义广义失谐
Q
0
0
Q
2 02 0
Q
0
2
0
2Q 2Q f
1,
理想带通
9.96 1,并联谐振回路
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11
归一化阻抗的相频特性：
Z
arctg
Q
2 0
,
dZ d
0
2Q
0
f
f
0
:
Z
呈感性；
p
f f0 : Z p呈容性,Q越大,
相频特性斜率越大。
Z
0 感性 Q2
Q1 Q1>Q2
0 容性
谐振时电压电流关系：I为回路电流。
.
IC
IL IC QI
0
1 LC
1
1 Q2
1 ，Q 1 LC
一般电感线圈的Q 10 ~ 200
品质因数：Q 0L 1 1
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r 0Cr r
L ,
Cr
0L
8
回路谐振阻抗：谐振时阻抗最大，近似为一纯电阻。
R0
L Cr
Q0L
Q
0C
上式的推导：
(r jL) 1
Zp
r
jL
jC
1
jC
. I
.+ IR IL .
I.
U I
0
.
U
IC I I IL 90
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.
IL
12
例 2-1 设一放大器以简单并联振荡回路为负载，信号中心频率 fs=10MHz，回路电容C=50pF。
(a) 计算所需的线圈电感值；
(b) 若线圈品质因数(空载)为Q=100, 试计算R0及B； (c) 若放大器所需的带宽(有载)B=0.5 MHz, 则应在回路上并联多
SRF
相角
阻抗与相角
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阻抗 0
频率f
4
2. 高频电路中的有源器件：半导体二极管、晶体管和集成电路。 主要介绍有源器件在高频状态下的特性。
1）二极管 非线性变换二极管：用于调制、解调和混频电路中，工作在
低电平，结电容小、工作频率高。
举例：点触式二极管(如2AP系列) →工作频率100~200MHz。 表面势垒二极管→工作频率可以达到微波波段。
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7
（1) 简单谐振回路：只有一个回路的谐振回路称为简单谐振
回路，包括并联谐振回路和串联谐振回路两种。
串联谐振回路主要用在低阻抗电路(微波线路)中，而在中
波、短波和超短波线路中并联谐振回路用的比较广。
并联谐振回路：
(r jL) 1
回路阻抗：
Zp
r
jL
jC
1
jC
L C
谐振频率：令ZP的虚部为零，可得谐振频率。 r
第2章 高频电路基础
➢ 高频电路中的元器件 ➢ 高频电路中的基本电路 ➢ 电子噪声及其特性 ➢ 噪声系数与噪声温度
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1
一、高频电路中的元器件
高频电路中的元器件包括无源元件和有源器件。 1、无源元件：电阻、电容和电感 电阻：电阻器在高频状态下，除电阻特性外，还要考虑分
布电感和分布电容，这就是电阻的高频特性，它与制作电 阻的材料、封装形式与尺寸的大小有密切关系。
变容二极管：结电容随反偏电压变化而变化。主要用在电调 谐器、电压控制振荡器(VCO)、调频器等电路中。
PIN二极管：由P型、N型和本征(I型 )半导体组成。它的高频 等效电阻受正向直流电流的控制，主要用在电控的开关、限 幅、衰减和移相电路中。
2021/3/19
5
2）晶体管和场效应管(FET) 二者的主要用途：高频小信号放大器、高频功率放大器。 高频小信号放大管：要求高增益和低噪声。 高频功率放大管：除了高频增益要求外，还要求有较大的