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1、第二章 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和噪声温度第一节 高频电路中的元器件线性（无源元件）：电感线圈、电容器和电阻器，构成振荡回路和滤波器等线性电路非线性（有源器件）：二极管、晶体管和集成电路元器件非线性器件线性应用：小信号放大器非线性应用：大功率放大器、振荡器、调制、解调一、高频电路中的元件1.高频电阻（1）常用的电阻：金属膜电阻、碳膜电阻、线绕电阻（2）主要参数：电阻值、额定功率和稳定性 电阻值：高频时电阻值将增加；额定功率：在正常工作状态下电阻器容许消耗的功率；稳定性：电阻器的工作条件变化时（eg.温度升高或降低），其电阻值的变换应在容许的范围
2、内。金属膜电阻线绕电阻碳膜电阻贴片电阻（3）电阻的高频特性图2-1电阻的高频等效电路电抗特性分布电容引线电感：频率越高，感抗越大一个电阻R的高频等效电路如图2-1所示,其中,CR为分布电容,LR为引线电感,R为电阻。2.高频电容（1）主要参数：电容量、工作电压、损耗角、品质因数、SRF 在高频电子线路中所用的电容器的电容量从几个皮法到几百微法。工作电压：在很长时间内工作（小时以上），电容两端可以承受的最大电压。损耗角 ：电流超前电压的相角与90之间的差值，决定电容器品质的 优劣。理想 =？品质因数QC：理想QC=?(2)高频特性 由介质隔开的两导体即构成电容。一个电容器的等效电路如图2-2（a
3、）所示。理想电容器的阻抗1/(jC),如图2-2（b）虚线所示,其中,f为工作频率,=2f。图22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fSRF,感性3 高频电感（1）主要参数：电感量、分布电容、损耗、品质因数、SRF损耗：主要指交流电阻，用品质因数Q表征;品质因数Q：高频电感的感抗与其串联的损耗电阻之比。随频率的升高而下降。（2）高频特性：fSRF,容性图2-3高频电感器的自身谐振频率SRF第二节第二节 高频电路中的基本电路高频电路中的基本电路1.1.选频的基本概念选频的基本概念 所谓选频就是选出需要的频率分量并且滤除不所谓选频就是选出需要的频率分量并且滤除不需要
4、的频率分量需要的频率分量。2.2.选频网络的分类选频网络的分类简单振荡回路简单振荡回路简单振荡回路简单振荡回路耦合振荡回路耦合振荡回路耦合振荡回路耦合振荡回路振荡回路（由振荡回路（由振荡回路（由振荡回路（由L L L L、C C C C组成）组成）组成）组成）各种滤波器各种滤波器各种滤波器各种滤波器石英晶体谐振器石英晶体谐振器石英晶体谐振器石英晶体谐振器陶瓷滤波器陶瓷滤波器陶瓷滤波器陶瓷滤波器声表面波滤波器声表面波滤波器声表面波滤波器声表面波滤波器抽头并联振荡回路抽头并联振荡回路抽头并联振荡回路抽头并联振荡回路选频网络在本课程选频网络在本课程的用途的用途 前端选择性电路前端选择性电路 高频小信
5、号放大器负载高频小信号放大器负载 中频放大器负载中频放大器负载 高频功率放大器负载高频功率放大器负载 混频器负载混频器负载 正弦波振荡器回路正弦波振荡器回路 调制电路负载调制电路负载一、高频振荡回路一、高频振荡回路1.1.简单振荡回路简单振荡回路概述概述谐振及谐振条件谐振及谐振条件谐振特性谐振特性能量关系能量关系谐振曲线和通频带谐振曲线和通频带信号源内阻及负载对串联谐振回路的影响信号源内阻及负载对串联谐振回路的影响串联振荡回路并联振荡回路 由电感线圈和电容器组成的由电感线圈和电容器组成的单个振荡电路，称为简单振荡回单个振荡电路，称为简单振荡回路。信号源与电容和电感串接，路。信号源与电容和电感串
6、接，就构成串联振荡回路。就构成串联振荡回路。串联振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最串联振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最小值，而偏离这个特定频率的时候阻抗将迅速小值，而偏离这个特定频率的时候阻抗将迅速增大。单振荡回路的这种特性称为谐振特性，增大。单振荡回路的这种特性称为谐振特性，这个特定频率就叫做谐振频率。这个特定频率就叫做谐振频率。谐振回路具有选频和滤波作用。谐振回路具有选频和滤波作用。串联振荡回路串联振荡回路概述概述串联振荡回路串联振荡回路谐振及谐振条件谐振及谐振条件1.1.阻抗阻抗 当当 时时达到最大达到最大 当当 0 0时时,|Z|R,|Z|R，0 0 ，X X 0 0 呈感性，电
7、流滞后电压，呈感性，电流滞后电压，0 0 0 0，X X 0 0 呈容性，电流超前电压，呈容性，电流超前电压，0 R IsCL+RVo 谐振时的阻抗特性：谐振时的阻抗特性：因此回路谐振时：因此回路谐振时：并联振荡回路并联振荡回路谐振条件谐振条件谐振条件谐振条件:若若 不成立不成立谐振时谐振时Z Z为实数为实数,故故2.2.谐振频率谐振频率f f0 03.3.品质因数品质因数谐振时电感支路或者电容支路的电流幅值为外加电流源谐振时电感支路或者电容支路的电流幅值为外加电流源I IS S的的 QP倍。因此，倍。因此，并联谐振又称为电流谐振。并联谐振又称为电流谐振。一般一般Q为几十到几百，因此信号源的电
8、流不是很大，而支路内的电流却是很大。为几十到几百，因此信号源的电流不是很大，而支路内的电流却是很大。4.4.广义失谐广义失谐 表示回路失谐大小的量表示回路失谐大小的量 1.谐振曲线谐振曲线 串联回路用电流比来表示，并联回路用电压比来表示。串联回路用电流比来表示，并联回路用电压比来表示。回路端电压回路端电压 谐振时回路端电压谐振时回路端电压 由此可作出谐振曲线由此可作出谐振曲线 并联振荡回路并联振荡回路谐振曲线、相频特性和通频带谐振曲线、相频特性和通频带在小失谐时：在小失谐时：结论：结论：相角：相角：2.相频特性相频特性 串联电路里串联电路里 是指回路电流是指回路电流与信号源电压与信号源电压 的
9、相角差。而并的相角差。而并联电路是联电路是 是指回路端电压对信号源电流是指回路端电压对信号源电流I Is s的相角差。的相角差。=p p 时时 =0 =0 回路呈纯阻回路呈纯阻 p p 时时 0 0 回路呈回路呈容性容性 0 0 回路呈回路呈感性感性 相频曲线如图所示相频曲线如图所示 当回路端电压下降到最大值的当回路端电压下降到最大值的 时所对应的频率范围时所对应的频率范围 即即 通频带通频带3.通频带通频带并联振荡回路并联振荡回路信号源内阻和负载电阻对并联信号源内阻和负载电阻对并联谐振回路的影响谐振回路的影响 例例 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
10、路电容C=50 pF,(1)试计算所需的线圈电感值。(2)若线圈品质因数为Q=100,试计算回路谐振电阻及回路带宽。(3)若放大器所需的带宽B=0.5 MHz,则应在回路上并联多大电阻才能满足放大器所需带宽要求?解解 (1)计算L值。由式(2 2),可得将f0以兆赫兹(MHz)为单位,以皮法(pF)为单位,L以微亨（H）为单位，上式可变为一实用计算公式:将f0=fs=10MHz代入,得(2)回路谐振电阻和带宽。由式(212)回路带宽为(3)求满足0.5MHz带宽的并联电阻。设回路上并联电阻为R1,并联后的总电阻为R1R0,总的回路有载品质因数为QL。由带宽公式,有此时要求的带宽B=0.5MHz
11、,故回路总电阻为需要在回路上并联7.97k的电阻。例例1 1：有一并联谐振回路如图，并联回路的无载：有一并联谐振回路如图，并联回路的无载Q Q值值 Q Qp p=80=80，谐振电阻，谐振电阻 R Rp p=25k=25k，谐振频率，谐振频率f fo o=30MHz=30MHz，信号源电流幅度信号源电流幅度 I Is s(1)(1)若信号源内阻若信号源内阻R Rs s=10k=10k，当负载电阻，当负载电阻R RL L不接时，不接时，问通频带问通频带B B和谐振时输出电压幅度和谐振时输出电压幅度V Vo o是多少？是多少？(2)(2)若若R Rs s=6k=6k，R RL L=2k=2k，求此
12、时的通频带，求此时的通频带B B和和V Vo o 是多少？是多少？解解：(1)Rs=10k，而(2)故并联电阻愈小，即故并联电阻愈小，即Q QL L越低，通带愈宽。越低，通带愈宽。串联谐振回路并联谐振回路阻抗或导纳谐振频率品质因数Q通频带B=相频特性曲线 失谐时阻抗特性0，x0回路呈感性0，xp，B0回路呈容性p，B0回路呈感性谐振电阻最小=R最大有载Q值z=R+jx=R+j(L-)=广义失谐系数：谐振曲线：接入系数接入系数P P 即为抽头点电压与端电压的比即为抽头点电压与端电压的比根据能量等效原则：根据能量等效原则：由于由于 ,因此因此P P是小于是小于1 1的正数，即的正数，即 R1噪声系
13、数的定义噪声系数的定义噪声系数用dB表示：理想无噪系统的噪声系数为0dB1.1.用额定功率和额定功率增益表示的噪声系数用额定功率和额定功率增益表示的噪声系数放大器输入信号源电路如图所示。放大器输入信号源电路如图所示。任何信号源加上负载后，任何信号源加上负载后，其信噪比与负载大小无关其信噪比与负载大小无关，信噪比均为信号均方电压（或，信噪比均为信号均方电压（或电流）与噪声均方电压（或电流）之比。电流）与噪声均方电压（或电流）之比。放大器的噪声系数放大器的噪声系数NF为为 Psmi和和Psmo分别为放大器的输入和输出额定信号功率，分别为放大器的输入和输出额定信号功率，Nmi和和Nmo分别为放大器的
14、输入和输出额定噪声功率，分别为放大器的输入和输出额定噪声功率，Kpm为为放大器的额定功率增益。放大器的额定功率增益。以额定功率表示的噪声系数以额定功率表示的噪声系数二二.、噪声系数的计算噪声系数的计算 放大器的噪声系数放大器的噪声系数NF为为对于无源二端口网络，输出端匹配时，输出的额定噪声功率Nmo=kTB,所以噪声系数:因为Nmi=kTB,抽头回路的噪声系数将信号源电导等效到回路两端,为p2gS,等效到回路两端的信号源电流为pIS,输出端匹配时信号源的最大输出功率，即二端网络输出端最大功率为：输入端信号源的最大输出功率输入端信号源的最大输出功率,即二端网络最大输入功率为即二端网络最大输入功率
15、为：因此因此,网络的噪声系数为网络的噪声系数为例例1 求如图所示虚线所含网络噪声系数。方法一：额定功率增益法US方法二：开路电压法（戴维南定理）Un根据定义,级联后总的噪声系数为2.级联网络噪声系数级联网络噪声系数 式中,No为总输出额定噪声功率,它由三部分组成:经两级放大的输入信号源内阻的热噪声;经第二级放大的第一级网络内部的附加噪声;第二级网络内部的附加噪声,即 按噪声系数的表达式,Na1和Na2可分别表示为则将上式代入式（276）,得(277)用同样的方法不难推出多级级联网络的噪声系数的公式为(278)从式(278)可以看出,当网络的额定功率增益远大于1时,系统的总噪声系数主要取决于第一
16、级的噪声系数。越是后面的网络,对噪声系数的影响就越小,这是因为越到后级信号的功率越大,后面网络内部噪声对信噪比的影响就不大了。因此,对第一级来说,不但希望噪声系数小,也希望增益大,以便减小后级噪声的影响。例2-3下图是一接收机的前端电路,高频放大器和场效应管混频器的噪声系数和功率增益如图所示。试求前端电路的噪声系数(设本振产生的噪声忽略不计)。解解 将图中的噪声系数和增益化为倍数,有因此,前端电路的噪声系数为3 3 噪声系数与灵敏度噪声系数与灵敏度 噪声系数噪声系数是用来衡量部件是用来衡量部件(如放大器如放大器)和系统和系统(如接收机如接收机)噪声性能的。噪声性能的。而噪声性能的好坏，又决定了
17、输出端的信号而噪声性能的好坏，又决定了输出端的信号噪声功率比噪声功率比(当信号一定时当信号一定时)。同时，当要求一定的输出信同时，当要求一定的输出信噪比时，它又决定了输入端必需的信号功率，也就是说决噪比时，它又决定了输入端必需的信号功率，也就是说决定放大或接收微弱信号的能力。定放大或接收微弱信号的能力。对于接收机来说，接收微弱信号的能力，可以用一重对于接收机来说，接收微弱信号的能力，可以用一重要指标要指标灵敏度来衡量。灵敏度来衡量。所谓所谓灵敏度灵敏度就是保持接收机输就是保持接收机输出端信噪比一定时，接收机输入的最小电压或功率出端信噪比一定时，接收机输入的最小电压或功率(设接收设接收机有足够的
18、增益机有足够的增益)。例3 某电视接收机，正常接受时所需的最小信噪比为20dB，电视接收机的带宽为6MHz，接收机的前端噪声系数为10，若信号源内阻为75，问接收机前端输入的信号灵敏度应多大？解：一般接收机前端增益有1020dB，所以前端的噪声系数为接收机噪声系数10。据噪声系数的定义，可得：在多级网络级连中，信号的通频带近似等于噪声带宽，则输入的额定噪声功率为：则，要求输入的信号功率为：而，功率匹配时：讨论：提高灵敏度的方法降低接收机的噪声系数；降低接收机前端设备的温度T灵敏度（用功率表示）也可表示为：降低噪声系数的措施降低噪声系数的措施 根据上面所讨论的结果，有根据上面所讨论的结果，有3种
19、经常采用的减小噪声系数种经常采用的减小噪声系数的措施。的措施。1.选用低噪声器件和元件选用低噪声器件和元件2.正确选择晶体管放大级的直流工作点正确选择晶体管放大级的直流工作点3.选择合适的信号源内阻选择合适的信号源内阻本节讨论的内容是学习通信电子线路的重要基础。本节讨论的内容是学习通信电子线路的重要基础。1.各种形式的选频网络在通信电子线路中得到广各种形式的选频网络在通信电子线路中得到广泛的应用。它能选出我们需要的频率分量和滤除不泛的应用。它能选出我们需要的频率分量和滤除不需要的频率分量，因此掌握各种选频网络的特性及需要的频率分量，因此掌握各种选频网络的特性及分析方法是很重要的。分析方法是很重
20、要的。2.选频网络可分为两大类。第一类是由电感和电选频网络可分为两大类。第一类是由电感和电容元件组成的谐振回路，它又分为单振荡回路和耦容元件组成的谐振回路，它又分为单振荡回路和耦合振荡回路，第二类是各种滤波器，主要有合振荡回路，第二类是各种滤波器，主要有LC集中集中滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等。滤波器等。本本 节节 小小 结结3.串联谐振回路是指电感、电容、信号源三者串联谐振回路是指电感、电容、信号源三者串联；并联谐振回路是指电感、电容、信号源串联；并联谐振回路是指电感、电容、信号源三者并联。串并联谐振回路的共同点是：三者并联
21、。串并联谐振回路的共同点是：广义失谐都是表示回路失谐大小的量，用广义失谐都是表示回路失谐大小的量，用表示。表示。串联时：串联时：并联时：并联时：当当Q值很高时，谐振频率均为值很高时，谐振频率均为 特性阻抗均可表示为特性阻抗均可表示为串并联谐振回路的不同点是：串并联谐振回路的不同点是：品质因数的表示形式不同，品质因数的表示形式不同，串联谐振回路中：串联谐振回路中：并联谐振回路中：并联谐振回路中：串联谐振回路谐振时，其电感和电容上的电压串联谐振回路谐振时，其电感和电容上的电压 为信号源电压的为信号源电压的Q Q倍，称为电压谐振；并联谐振倍，称为电压谐振；并联谐振 回路谐振时其电感和电容支路的电流为
22、信号源回路谐振时其电感和电容支路的电流为信号源 电流的电流的Q Q倍，称为电流谐振。倍，称为电流谐振。通频带均可表示为通频带均可表示为 串联谐振回路失谐时，当串联谐振回路失谐时，当f f f f0 0时回路呈感性，时回路呈感性，f f f f0 0时回路呈容性，时回路呈容性，f f f f0 0时回路呈感性。时回路呈感性。串联谐振回路的频率特性串联谐振回路的频率特性 并联谐振回路的频率特性并联谐振回路的频率特性 4 4、串并联阻抗等效互换时：、串并联阻抗等效互换时：X串串=X并并，R并并=Q2R串串（Q较大时）较大时）5 5、回路采用抽头接入的目的是为了减少负载和信、回路采用抽头接入的目的是为
23、了减少负载和信号源内阻对回路的影响，由低抽头折合到回路的高号源内阻对回路的影响，由低抽头折合到回路的高端时，等效电阻提高了端时，等效电阻提高了 倍，等效导纳减小了倍，等效导纳减小了倍，即采用抽头接入时，回路倍，即采用抽头接入时，回路Q Q值提高了。值提高了。6 6、由相互间有影响的两个单振荡回路组成的回路称为耦合、由相互间有影响的两个单振荡回路组成的回路称为耦合回路。以耦合系数回路。以耦合系数K K表示耦合的强弱，耦合因数表示耦合的强弱，耦合因数 表示相对临表示相对临介耦合时的相对强弱。耦合回路中的反映阻抗是用来说明一介耦合时的相对强弱。耦合回路中的反映阻抗是用来说明一个回路对耦合的另一回路电
24、流影响。次级回路的电阻反映到个回路对耦合的另一回路电流影响。次级回路的电阻反映到初级回路仍为电阻，次级回路的电抗反映到初级回路仍为电初级回路仍为电阻，次级回路的电抗反映到初级回路仍为电抗，但抗的性质相反。抗，但抗的性质相反。7 7、选择性滤波器主要有、选择性滤波器主要有LCLC集中选择性滤波器、石英晶体滤波集中选择性滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷波波器和声表面波滤器。根据其各自特点应用到不器、陶瓷波波器和声表面波滤器。根据其各自特点应用到不同场合。其中石英晶体滤波器的同场合。其中石英晶体滤波器的Q Q值最高，选择性最好；声表值最高，选择性最好；声表面波滤波器工作频率高，抗辐射能力强，广泛用于通信设备面波滤波器工作频率高，抗辐射能力强，广泛用于通信设备中。中。