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1、第二章高频电路基础第二章高频电路基础1第一页，本课件共有107页2.1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络无源网络组成组成的。的。高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的元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器件基本相同,但要注意它们在高频使用时的高频特性。但要注意它们在高频使用时的高频特性。高高频电路中的元件主要是频电路中的元件主要是电阻电阻(器器)、电容电容(器器)和电感和电感(器器),它它们都属于无源的线性元件们都属于无源的线性元件。一、高频电路中的元件1、电阻、电阻一一个个实实际际的的电电阻阻
2、器器,在在低低频频时时主主要要表表现现为为电电阻阻特特性性,但但在在高频使用时不仅表现有电阻特性的一面高频使用时不仅表现有电阻特性的一面,而且还表现有电抗特而且还表现有电抗特第二页，本课件共有107页性的一面。性的一面。电阻器的电阻器的电抗特性反映的就是其高频特性电抗特性反映的就是其高频特性。一一个个电电阻阻R的的高高频频等等效效电电路路如如图图2-1所所示示,其其中中,CR为为分布电容分布电容,LR为引线电感为引线电感,R为电阻。为电阻。通通常常，表表面面贴贴装装电电阻阻的的高高频频特特性性好好于于金金膜膜电电阻阻，金金膜膜电阻好于炭膜电阻，线绕电阻的高频特性最差。电阻好于炭膜电阻，线绕电阻
3、的高频特性最差。图2-1电阻的高频等效电路第三页，本课件共有107页2、电容、电容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。一个电容器的等一个电容器的等效电路却如图效电路却如图2-2（a）所示。）所示。理想电容器的阻抗理想电容器的阻抗1/(jC),如图如图2-2（b）虚线所示）虚线所示,其中其中,f为工作频率为工作频率,=2f。高频电路中常常使用片状电容和表面贴装电容，因高频电路中常常使用片状电容和表面贴装电容，因为其高频特性较好。为其高频特性较好。图2-2电容器的高频等效电路(a)电容器的等效电路;（b）电容器的阻抗特性自身谐振频率容性区容性区感性区感性区第四页，本课件共有1
4、07页3、电感、电感电感的作用电感的作用：谐振元件、滤波元件、阻隔元件。：谐振元件、滤波元件、阻隔元件。电电感感的的耗耗损损：电电感感一一般般都都是是由由导导线线绕绕制制的的，一一般般都都有有一一定定直直流流电电阻阻，同同时时由由于于存存在在涡涡流流、磁磁滞滞和和电电磁磁辐辐射射等等损损失失，所以电感就存在耗损。所以电感就存在耗损。品品质质因因素素：定定义义为为电电路路中中无无功功功功率率与与有有功功功功率率之之比比，是专门用来描述电路的能量耗损的。是专门用来描述电路的能量耗损的。高高频频电电感感器器与与普普通通电电感感器器一一样样,电电感感量量是是其其主主要要参参数数。电感量电感量L产生的感
5、抗为产生的感抗为jL,其中其中,为工作角频率。为工作角频率。第五页，本课件共有107页高高频频电电感感器器也也具具有有自自身身谐谐振振频频率率SRF。在在SRF上上,高高频频电感的阻抗的幅值最大电感的阻抗的幅值最大,而相角为零而相角为零,如图如图2-3所示。所示。图2-3高频电感器的自身谐振频率SRF感性区感性区容性区容性区第六页，本课件共有107页二、二、高频电路中的有源器件用于低频或其它电子线路的器件没有什么根本不同。用于低频或其它电子线路的器件没有什么根本不同。1、二极管、二极管二二极极管管的的作作用用：半半导导体体二二极极管管在在高高频频中中主主要要用用于于检检波波、调制、调制、解调及
6、混频等非线性变换电路中解调及混频等非线性变换电路中,工作在低电平。工作在低电平。常用高频二极管的类型：常用高频二极管的类型：(1)点触式二极管点触式二极管：其最高工作频率约：其最高工作频率约200300MHz(2)表表面面势势垒垒二二极极管管：其其最最高高工工作作频频率率约约200300MHz(3)变容二极管变容二极管：其电容随偏置电压变化而变化。：其电容随偏置电压变化而变化。第七页，本课件共有107页2、晶体管与场效应管（、晶体管与场效应管（FET）在在高高频频中中应应用用的的晶晶体体管管仍仍然然是是双双极极晶晶体体管管和和各各种种场场效效应应管管，通通常常这这些些管管子子比比用用于于低低频
7、频的的管管子子性性能能更更好好,在在外外形形结结构构方面也有所不同。方面也有所不同。高频晶体管有两大类型高频晶体管有两大类型:(1)一一类类是是作作小小信信号号放放大大的的高高频频小小功功率率管管,对对它它们们的的主主要要求是高增益和低噪声要要求是高增益和低噪声;(2)另另一一类类为为高高频频功功率率放放大大管管,除除了了增增益益外外,要要求求其其在在高频有较大的输出功率。高频有较大的输出功率。第八页，本课件共有107页3、集成电路、集成电路用用于于高高频频的的集集成成电电路路的的类类型型和和品品种种要要比比用用于于低低频频的的集成电路少得多集成电路少得多,主要分为通用型和专用型两种。主要分为
8、通用型和专用型两种。目目前前通通用用型型的的宽宽带带集集成成放放大大器器，其其增增益益可可达达5060dB甚至更高，其工作频率可达甚至更高，其工作频率可达100200MHz甚至更高。甚至更高。第九页，本课件共有107页本本节节将将介介绍绍高高频频电电路路中中常常用用的的基基本本（无无源源）电电路路，也也称称无无源源组组件件或或无无源源网网络络，这这些些无无源源组组件件或或无无源源网网络络主主要要包包括括：高高频频振振荡荡（谐谐振振）回回路路、高高频频变变压压器器、谐谐振振器器与与滤滤波波器器等等,它们它们完成信号的传输、完成信号的传输、频率选择及阻抗变换等功能。频率选择及阻抗变换等功能。2.2
9、高频电路中的基本电路第十页，本课件共有107页一、高频振荡回路高高频频振振荡荡回回路路是是高高频频电电路路中中应应用用最最广广的的无无源源网网络络,也也是是构构成成高高频频放放大大器器、振振荡荡器器以以及及各各种种滤滤波波器器的的主主要要部部件件,在在电电路路中中完完成成阻阻抗抗变变换换、信信号号选选择择等等任任务务,并并可可直直接接作作为为负负载载使使用。用。1、简单振荡回路、简单振荡回路(只有一个回路只有一个回路)振振荡荡回回路路就就是是由由电电感感和和电电容容串串联联或或并并联联形形成成的的回回路路。只有一个回路的振荡电路称为简单振荡回路或单振荡回路。只有一个回路的振荡电路称为简单振荡回
10、路或单振荡回路。(1)、并联谐振回路、并联谐振回路1）电路结构）电路结构第十一页，本课件共有107页图2-4并联谐振回路及其等效电路、阻抗特性和辐角特性(a)并联谐振回路;（b）等效电路;（c）阻抗特性;（d）辐角特性并联谐振回路的并联阻抗为阻抗为：RL+r/Rc(2-1)感性区感性区容性区容性区第十二页，本课件共有107页2）谐谐振振频频率率：定定义义使使感感抗抗与与容容抗抗相相等等的的频频率率为为并并联联谐谐振振频率频率0。令。令Zp的虚部为零的虚部为零,求解方程的根就是求解方程的根就是0,可得可得式中,Q为回路的品质因数品质因数,有：（2-4）（2-2）（2-3）第十三页，本课件共有10
11、7页4）谐谐振振电电阻阻：回路在谐振时的阻抗最大,为一纯电阻R0：（2-5）由前面分析可知，由前面分析可知，若电感的耗损电阻越小，回路的Q值越高，其谐振电阻R0越大。3）特征阻抗）特征阻抗：定义为（2-6）第十四页，本课件共有107页（2-7）（2-9）并联回路通常用于窄带系统,此时与0相差不大,式（2-13）可进一步简化为式中,=-0。称为广义失谐广义失谐。对应的阻抗模值与相角分别为5）阻抗特性）阻抗特性高Q时，由式(2-1)可得：第十五页，本课件共有107页（2-12）（2-14）图2-5表示了并联振荡回路中谐振时的电流、电压关系。第十六页，本课件共有107页6）通频带（半功率点频带）通频
12、带（半功率点频带）当当保保持持外外加加信信号号的的幅幅值值不不变变而而改改变变其其频频率率时时,将将回回路路电电流流值值下下降降为为谐谐振振值值的的时时对对应应的的频频率率范范围围称称为为回回路路的的通通频频带带,也也称称回回路路带带宽宽,通通常常用用B来来表表示示。令令式式（2-15）等等于于,则则可推得可推得=1,从而可得带宽为：从而可得带宽为：(2-10)此外，对于并联谐振回路，还有以下参数：第十七页，本课件共有107页7）矩矩形形系系数数：定定义义为为阻阻抗抗的的幅幅频频特特性性下下降降为为谐谐振振值值的的0.1时时的的频频带带宽宽度度与与阻阻抗抗的的幅幅频频特特性性下下降降为为谐谐振
13、振值值的的0.707时时的的频频带带宽度之比。即宽度之比。即其中：其中：B0.1谐振曲线下降为谐振值的谐振曲线下降为谐振值的0.1时的频带宽度时的频带宽度B0.707谐振曲线下降谐振曲线下降3dB的频带宽度的频带宽度矩矩形形系系数数是是大大于于1的的（理理想想时时为为1），矩矩形形系系数数越越小小，回回路路的的选择性越好。选择性越好。对于对于单级简单并联谐振回路单级简单并联谐振回路，可以计算出其矩形系数为：，可以计算出其矩形系数为：(2-11)第十八页，本课件共有107页需要说明的几点需要说明的几点：通过前面分析可知通过前面分析可知(1)(1)回回路路的的品品质质因因素素越越高高，谐谐振振曲曲
14、线线越越尖尖锐锐，回回路路的的通通频频带带越越狭狭窄窄，但但矩矩形形系系数数不不变变。因因此此，对对于于简简单单（单单级级）并联谐振回路，通频带与选择性是不能兼顾的。并联谐振回路，通频带与选择性是不能兼顾的。(2)(2)前前面面的的结结论论均均是是在在“高高Q”情情况况下下，如如果果Q值值较较低低，并并联联谐谐振振回回路路的的谐谐振振频频率率将将低低于于高高Q时时的的谐谐振振频频率率，并并使使谐谐振曲线和相位特性随着振曲线和相位特性随着Q值而偏离。波形偏移值而偏离。波形偏移(3)(3)以以上上所所知知品品质质因因素素均均是是指指回回路路没没有有外外加加负负载载时时的的值值，称称为为空空载载Q值
15、值或或Q0。当当回回路路有有外外加加负负载载时时，品品质质因因素素要要用用有有载载Q值或值或QL表示。其中的表示。其中的r为考虑负载后总的耗损电阻。为考虑负载后总的耗损电阻。第十九页，本课件共有107页例例3-13-1：设设一一放放大大器器以以简简单单并并联联振振荡荡回回路路为为负负载载,信信号号中心频率中心频率fs=10MHz,回路电容回路电容C=50pF,(1)试计算所需的线圈电感值。试计算所需的线圈电感值。(2)若若线线圈圈品品质质因因数数为为Q=100,试试计计算算回回路路谐谐振振电电阻阻及回路带宽。及回路带宽。(3)若若放放大大器器所所需需的的带带宽宽B=0.5MHz,则则应应在在回
16、回路路上上并联多大电阻才能满足放大器所需带宽要求并联多大电阻才能满足放大器所需带宽要求?解：解：(1)计算计算L值值。由式由式(2-4),可得可得第二十页，本课件共有107页将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)回路谐振电阻谐振电阻和带宽。由式(2-12)第二十一页，本课件共有107页回路带宽回路带宽为(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,故根据可得，回路总电阻为：第二
17、十二页，本课件共有107页需要在回路上并联7.97k的电阻。（2 2）串联谐振回路串联谐振回路串串联联谐谐振振回回路路适适用用于于电电源源内内阻阻为为低低内内阻阻（如如恒恒压压源源）的的情情况或低阻抗的电路（如微波电路）。况或低阻抗的电路（如微波电路）。图图2-4（a）是最简单的串联振荡回路）是最简单的串联振荡回路。第二十三页，本课件共有107页图2-6串联谐振回路及其特性第二十四页，本课件共有107页若若在在串串联联振振荡荡回回路路两两端端加加一一恒恒压压信信号号,则则发发生生串串联联谐谐振振时时因因阻阻抗抗最最小小,流流过过电电路路的的电电流流最最大大,称称为为谐谐振振电电流流,其值为其值
18、为（2-15）在任意频率下的回路电流在任意频率下的回路电流与谐振电流之比为与谐振电流之比为回路阻抗回路阻抗：谐振频率谐振频率：第二十五页，本课件共有107页串联谐振回路总结串联谐振回路总结：(1)在串联谐振回路的阻抗特性、幅频特性、相频特性与在串联谐振回路的阻抗特性、幅频特性、相频特性与并联谐振回路成对偶关系。如图并联谐振回路成对偶关系。如图2-6所示。所示。(2)谐振频率、品质因素、通频带、矩形系数等与并联谐谐振频率、品质因素、通频带、矩形系数等与并联谐振回路相同（高振回路相同（高Q时）。时）。第二十九页，本课件共有107页 2 2、抽头并联振荡回路抽头并联振荡回路在实际应用中，常用到激励源
19、或负载与回路电感或电容在实际应用中，常用到激励源或负载与回路电感或电容部分连接联结的并联振荡回路，称为抽头并联振荡回路。部分连接联结的并联振荡回路，称为抽头并联振荡回路。如图如图2-7所示。所示。(1)接入系数接入系数p：定义为定义为与外电路相连与外电路相连的那部分的那部分电抗电抗与本与本回路参与分压的回路参与分压的同性质总电抗同性质总电抗之比。也可定义为电压之比。之比。也可定义为电压之比。对于图对于图(2-7)(a)，若忽略两部分之间的互感，则抽头系数，若忽略两部分之间的互感，则抽头系数可直接用电感之比，也可近似用匝数之比。可直接用电感之比，也可近似用匝数之比。对于图对于图(2-7)(b)，
20、可得，可得(2-16)第三十页，本课件共有107页图2-7几种常见抽头振荡回路第三十一页，本课件共有107页下面以图下面以图2-7(a)、(b)为例分析抽头并联振荡回路的特性。为例分析抽头并联振荡回路的特性。(2)阻抗变换特性阻抗变换特性对于图对于图(2-7)(a)，考虑是窄带高，考虑是窄带高Q的实际情况，的实际情况，当谐振时当谐振时，输入端呈现的电阻设为输入端呈现的电阻设为R，从功率相等的关系，有：，从功率相等的关系，有：（2-17）（2-18）当当未谐振时未谐振时，输入端呈现的阻抗为：，输入端呈现的阻抗为：（2-19）第三十二页，本课件共有107页（2-21）（2-22）(3)电流、电压变
21、换特性电流、电压变换特性由式由式(2-16)可得：可得：对于图对于图(2-8)所示得电流源，利用能量守恒关系，容易所示得电流源，利用能量守恒关系，容易得到其折合关系为：得到其折合关系为：值得注意得是：值得注意得是：对于抽头并联振荡回路，对阻抗变换的变对于抽头并联振荡回路，对阻抗变换的变比为比为p2，而对信号源（电流、电压）的变比为，而对信号源（电流、电压）的变比为p。第三十三页，本课件共有107页(4)电路失谐时，电流的折合关系电路失谐时，电流的折合关系根根据据图图2-7(a)，谐谐振振时时的的回回路路电电流流IL和和IC与与I的的比比值值要要小些小些,而不再是而不再是Q倍。倍。由由图2-8电
22、流源的折合及第三十四页，本课件共有107页 例例2 2：如如图图2-11，抽抽头头回回路路由由电电流流源源激激励励,忽忽略略回回路路本本身身的固有损耗的固有损耗,试求回路两端电压试求回路两端电压u(t)的表示式及回路带宽。的表示式及回路带宽。（2-23）可得图2-11例2的抽头回路第三十五页，本课件共有107页 解解由由于于忽忽略略了了回回路路本本身身的的固固有有损损耗耗,因因此此可可以以认认为为Q。由图可知由图可知,回路电容为回路电容为谐振角频率为电阻R1的接入系数等效到回路两端的电阻为第三十六页，本课件共有107页回路两端电压回路两端电压u(t)与与i(t)同相同相,电压振幅电压振幅U=U
23、R=2V,故故输出电压为回路有载品质因数回路带宽第三十七页，本课件共有107页3、耦合振荡回路、耦合振荡回路在在高高频频电电路路中中,有有时时用用到到两两个个互互相相耦耦合合的的振振荡荡回回路路,也也称称为为双双调调谐谐回回路路。把把接接有有激激励励信信号号源源的的回回路路称称为为初初级级回回路路,把与负载相接的回路称为次级回路或负载回路。把与负载相接的回路称为次级回路或负载回路。在在高高频频电电路路中中，耦耦合合振振荡荡回回路路主主要要完完成成以以下下两两方方面面的的功能：功能：A、阻抗变换、阻抗变换B、提供比简单谐振回路更好的频率特性。、提供比简单谐振回路更好的频率特性。图图2-10是是两
24、两种种常常见见的的耦耦合合回回路路。图图2-10（a）是是互互感感耦合电路耦合电路,图图2-10(b)是电容耦合回路。是电容耦合回路。第三十八页，本课件共有107页图2-10两种常见的耦合回路及其等效电路第三十九页，本课件共有107页（2-24）对于图2-10（b）电路,耦合系数为（2-25）1）耦耦合合系系数数k：是是指指耦耦合合电电路路中中的的耦耦合合电电抗抗Zm与与初初次次级级中中与与Zm同性质两电抗的几何平均值之比。同性质两电抗的几何平均值之比。对于图2-10（a）电路,耦合系数为2）反反映映（射射）阻阻抗抗Zf：是是指指由由于于次次级级回回路路的的存存在在而而对对初初级级回回路路的的
25、影影响响，这这种种影影响响相相当当于于在在初初级级回回路路接接一一反反映映（射射）阻抗阻抗Zf。设有激励时，初级电流为，将会在次级回路形成一感应电动势，设次级回路阻抗为Z2，从而形成次级第四十页，本课件共有107页（2-26）电流，次级必然又会对初级产生反作用(即要在初级产生反电动势）。或第四十一页，本课件共有107页（2-27）（2-28）耦合因子耦合因子定义为：定义为：根据图2-10(c)容易求得，初次级串联阻抗可分别表示为耦合阻抗为：耦合阻抗为：3)耦合因子与转移阻抗耦合因子与转移阻抗4)设初、次级回路的参数相同，均为C、L、Q，其广义失谐为第四十二页，本课件共有107页由图2-10(c
26、)等效电路,转移阻抗为(2-29)由次级感应电势产生,有考虑次级的反映阻抗,则将上两式代入式(2-29),再考虑其它关系,经简化得第四十三页，本课件共有107页(2-30)根据同样的方法可以得到电容耦合回路的电容耦合回路的转移阻抗转移阻抗特性特性为（2-31）（2-32）以广义失谐为变量，对转移阻抗Z21求极值可知：当A1时有两个极大值，且在处有凹点，通通常常将将A1的的情情况况成成为为临临界界耦耦合合，此时的转移阻抗用|Z21|max表示。有第四十四页，本课件共有107页（2-35）（2-33）（2-34）式（2-32）与频率的关系称为耦合回路的频率特性见图2-11。在临界耦合时（A1）有：
27、我们将将A1（k1（kKc)的情况成为的情况成为过耦合过耦合。类似单谐振回路，可以求出回路带宽（当时）：通频带通频带：第四十五页，本课件共有107页图2-11耦合回路的频率特性第四十六页，本课件共有107页在在临临界界耦耦合合时时，其其矩矩形形系系数数为为3.15，显显然然比比简简单单谐谐振振回回路小的多。路小的多。二、二、高频变压器和传输线变压器1、高频变压器、高频变压器1）功能：）功能：高频变压器通常工作在几十兆赫兹的高频电路中，高频变压器通常工作在几十兆赫兹的高频电路中，用于传输信号、隔绝直流和阻抗变换等。用于传输信号、隔绝直流和阻抗变换等。矩形系数矩形系数第四十七页，本课件共有107页
28、2）结构特点）结构特点高频变压器的基本原理与低频变压器相同，也是靠磁高频变压器的基本原理与低频变压器相同，也是靠磁通交链通交链,或者说是靠互感进行耦合的。或者说是靠互感进行耦合的。(1)为了减少损耗为了减少损耗,高频变压器常用导磁率高频变压器常用导磁率高、高、高高频损耗小的软磁材料作磁芯，如铁氧体。频损耗小的软磁材料作磁芯，如铁氧体。(2)常用高频变压器的磁心结构如图常用高频变压器的磁心结构如图2-12所示。所示。(3)高频变压器一般用于小信号场合高频变压器一般用于小信号场合,尺寸小尺寸小,线圈线圈的匝数较少。的匝数较少。3）等效电路）等效电路高频变压器的等效电路如图高频变压器的等效电路如图2
29、-13(b)所示，其中所示，其中Ls为漏为漏感，感，Cs为分布电容。为分布电容。第四十八页，本课件共有107页图2-12高频变压器的磁芯结构（a）环形磁芯;(b)罐形磁芯;(c)双孔磁芯图2-13高频变压器及其等效电路(a)电路符号;(b)等效电路第四十九页，本课件共有107页4）带抽头高频变压器）带抽头高频变压器图图2-14(a)是是一一中中心心抽抽头头变变压压器器的的示示意意图图。初初级级为为两两个个等等匝匝数数的的线线圈圈串串联联,极极性性相相同同，设设初初次次级级匝匝比比n=N1/N2。作作为为理理想变压器看待想变压器看待,线圈间的电压和电流关系分别为：线圈间的电压和电流关系分别为：(
30、2-37)(2-36)图2-14中心抽头变压器电路（a）中心抽头变压器电路;（b）作四端口器件应用第五十页，本课件共有107页2、传输线变压器、传输线变压器传传输输线线变变压压器器就就是是利利用用绕绕制制在在磁磁环环上上的的传传输输线线而而构构成成的的高高频频变变压压器器，它它是是一一种种集集中中参参数数与与分分布布参参数数相相结结合合的的组组件件。图图2-15为其典型的结构和电路图。为其典型的结构和电路图。1）结构结构图2-15传输线变压器的典型结构和电路(a)结构示意图;（b）电路第五十一页，本课件共有107页图2-16传输线变压器的工作方式(a)传输线方式;(b)变压器方式2）工作方式（
31、模式）工作方式（模式）有两种工作模式：传传输输线线方方式式和变变压压器器方方式式，不同方式决定于不同的激励模式。如下图第五十二页，本课件共有107页传传输输线线的的原原理理特特点点：是利用两导线间（或同轴线内外导体间）的分布电容和分布电感形成一电电磁磁波波的的传传输输系系统统。它传输的频率范围很宽，可达及千兆赫。当传输线端接的负负载载电电阻阻与与特特性性阻阻抗抗（）相相等等时，传输线上传输行波，此时有最大的传输带宽有最大的传输带宽。行波的特点行波的特点：(1)传输线上任一点上，两导线上流过的电流大小相等、方向相反;(2)两导线上电流所产生的磁通只存在于两导线间，磁心中没有磁通和耗损；(3)两导
32、线间的电压（振幅）沿导线均匀分布。第五十三页，本课件共有107页（2-38）（2-39）3）主要参数）主要参数波速波长其中为传输线的相对介电常数相对介电常数，总是大于1的（一般24）。4）应用（见教材）应用（见教材）第五十四页，本课件共有107页图2-17传输线变压器的应用举例（a）高频反相器;（b）不平衡平衡变换器;（c）14阻抗变换器;(d)3分贝耦合器第五十五页，本课件共有107页三、石英晶体谐振器1、物理特性、物理特性石英晶体是石英晶体是SiO2的结晶体，在自然界中是以六角锥体的结晶体，在自然界中是以六角锥体出现，有三个对称轴：出现，有三个对称轴：z轴（光轴）、轴（光轴）、x轴（电轴）
33、和轴（电轴）和y轴轴（机械轴）。石英晶体谐振器是由天然或人工生成的石英（机械轴）。石英晶体谐振器是由天然或人工生成的石英晶体切片制成。晶体切片制成。正压电效应正压电效应：是指当晶体受外力作用而变形时，将在：是指当晶体受外力作用而变形时，将在它对应的表面产生正、负电荷，形成电压的现象。它对应的表面产生正、负电荷，形成电压的现象。（2-41）第五十六页，本课件共有107页负压电效应负压电效应：是指当在晶体两表面加以一定电压时，晶：是指当在晶体两表面加以一定电压时，晶体又会产生机械变形的现象。体又会产生机械变形的现象。2、等效电路及阻抗特性、等效电路及阻抗特性图图2-20是石英晶体谐振器的等效电路。
34、是石英晶体谐振器的等效电路。由由图图2-20(b)可可看看出出,晶晶体体谐谐振振器器是是一一串串并并联联的的振振荡荡回回路路,其串联谐振频率其串联谐振频率fq和并联谐振频率和并联谐振频率f0分别为分别为第五十七页，本课件共有107页18第五十八页，本课件共有107页19第五十九页，本课件共有107页图2-20晶体谐振器的等效电路(a)包括泛音在内的等效电路;(b)谐振频率附近的等效电路(2-41)(2-42)第六十页，本课件共有107页（2-43）图图2-22(b)所示的所示的等效电路的阻抗的一般表示式等效电路的阻抗的一般表示式为为在忽略在忽略rq后后,上式可化简为上式可化简为（2-44）或或
35、第六十一页，本课件共有107页图2-21晶体谐振器的电抗曲线（2-46）第六十二页，本课件共有107页总之，晶体谐振器与一般谐振回路比较，总之，晶体谐振器与一般谐振回路比较，有以下特点有以下特点：(1)晶体的晶体的谐振频率谐振频率fq和和f0非常稳定非常稳定，这是由晶体的物理特性决，这是由晶体的物理特性决定的，受外界影响很小。定的，受外界影响很小。(2)有非常高的品质因素有非常高的品质因素（一般（一般Q值可上万，而普通谐振回路值可上万，而普通谐振回路Q值只能达到值只能达到100200）。）。(3)接入系数非常小接入系数非常小，一般为，一般为10-3数量级，甚至更小。数量级，甚至更小。(4)晶体
36、在工作频率附近阻抗变化非常大，有晶体在工作频率附近阻抗变化非常大，有很高的并联谐振很高的并联谐振阻抗阻抗。第六十三页，本课件共有107页图2-24晶体滤波器的电路与衰减特性（a）滤波器电路;（b）衰减特性3、晶体谐振器的应用、晶体谐振器的应用(1)晶体振荡器晶体振荡器(2)高频窄带滤波器高频窄带滤波器第六十四页，本课件共有107页四、四、集中滤波器集中滤波器的引入：集中滤波器的引入：集集中中滤滤波波器器的的常常见见类类型型：LC式式集集中中选选择择滤滤波波器器、晶晶体体滤波器滤波器、陶瓷滤波器陶瓷滤波器和和声表面波滤波器声表面波滤波器。1、陶瓷滤波器、陶瓷滤波器压压电电陶陶瓷瓷：某某些些经经过
37、过特特殊殊处处理理（经经高高压压电电场场极极化化）后后的的陶陶瓷瓷具具有有与与石石英英晶晶体体类类似似的的压压电电效效应应，这这种种陶陶瓷瓷称称为为压压电陶瓷。压电陶瓷的等效电路与石英晶体类似。电陶瓷。压电陶瓷的等效电路与石英晶体类似。第六十五页，本课件共有107页压电陶瓷的特性压电陶瓷的特性：Q值：远大于值：远大于LC回路，远小于石英晶体回路，远小于石英晶体；带宽：小于带宽：小于LC回路，大于石英晶体回路，大于石英晶体；工作频率：工作频率：1100MHz相对带宽：相对带宽：0.1%10%图2-25陶瓷滤波器电路第六十六页，本课件共有107页2、声表面波滤波器、声表面波滤波器(1)声声表表面面
38、波波(SAW)：是是在在压压电电固固体体材材料料表表面面产产生生和和传传播播、且且振振幅幅随随深深入入固固体体材材料料的的深深度度增增加加而而迅迅速速减减小小的的弹弹性波。性波。(2)声声表表面面波波的的特特点点：A、能能量量密密度度高高，其其中中90%的的能能量集中在厚度等于一个波长的表面薄层中；量集中在厚度等于一个波长的表面薄层中；B、传传输输速速度度慢慢，约约为为纵纵波波速速度度的的45%，是横波速度的，是横波速度的90%。(3)声声表表面面波波器器件件：是是一一种种利利用用沿沿弹弹性性固固体体表表面面传传播播机机械振动波的器件。主要有滤波器、延迟线等。械振动波的器件。主要有滤波器、延迟
39、线等。第六十七页，本课件共有107页(4)声表面波滤波器的传输函数声表面波滤波器的传输函数图图2-26为声表面波滤波器结构示意图为声表面波滤波器结构示意图其的传输函数为其的传输函数为（2-47）第六十八页，本课件共有107页第六十九页，本课件共有107页(5)声表面器件的主要特性声表面器件的主要特性A、工作频率范围宽，可达、工作频率范围宽，可达1010000MHz；B、相对频带也较宽，一般可达、相对频带也较宽，一般可达1%50%；C、便于微型化和片式化；、便于微型化和片式化；D、带带内内插插入入衰衰减减大大，一一般般不不低低于于15dB最最突突出出的的不足；不足；E、矩形系数可做到、矩形系数可
40、做到1.12；如图；如图2-24.总总之之，声声表表面面波波器器件件与与其其他他滤滤波波器器相相比比，具具有有：频频率率特特性性好好、性性能能稳稳定定、体体积积小小、设设计计灵灵活活、可可靠靠性性高高，制造简单且重复性好，便于大批量生产。制造简单且重复性好，便于大批量生产。第七十页，本课件共有107页第七十一页，本课件共有107页五、衰减器与匹配器1、高频衰减器、高频衰减器高频衰减器的分类高频衰减器的分类：固定高频衰减器、可调高频衰减器。：固定高频衰减器、可调高频衰减器。高频衰减器的结构高频衰减器的结构：T型、型、型、型、O O型、型、L L型、型、U U型、桥型、桥T T型型等，其中等，其中
41、T型和型和型用的最广泛。型用的最广泛。高频衰减器的线路阻抗高频衰减器的线路阻抗：主要有：主要有50和和75两种两种。图2-25 T型和网络第七十二页，本课件共有107页2、高频匹配器、高频匹配器高频匹配器主要用于阻抗变换，由于在高频电路中，其高频匹配器主要用于阻抗变换，由于在高频电路中，其常用组件或电路的输入、输出阻抗要么是常用组件或电路的输入、输出阻抗要么是50的的，要么是，要么是75的，所以，常用的，所以，常用高频匹配器主要是高频匹配器主要是50和和75之间进行变换之间进行变换。T T型匹配器电路如下图所示。型匹配器电路如下图所示。图2-26T型电阻网络匹配器第七十三页，本课件共有107页
42、2.3电子噪声及其特性电子噪声及其特性一、概述1、干干扰扰（或或噪噪声声）的的概概念念（广广义义）：是是指指电电路路中中除除有有用用信信号号以以外外的的一一切切不不需需要要的的信信号号及及各各种种电电磁磁骚骚动动的的总总称称。因此，从广义上看干扰和噪声没有本质区别。因此，从广义上看干扰和噪声没有本质区别。2、干干扰扰（狭狭义义）：是是指指由由外外部部来来的的无无用用信信号号或或电电磁磁骚骚动的总称，通常又称外部干扰。动的总称，通常又称外部干扰。3、噪噪声声（狭狭义义）：是是指指由由与与电电路路或或系系统统内内部部产产生生的的各各种无用信号或电磁骚动的总称，通常又称内部噪声。种无用信号或电磁骚动
43、的总称，通常又称内部噪声。4、抑抑制制外外部部干干扰扰的的主主要要措措施施包包括括：消消除除干干扰扰源源、切切断断干扰传播途径和躲避干扰等。干扰传播途径和躲避干扰等。第七十四页，本课件共有107页在在高高频频电电路路中中内内部部噪噪声声主主要要是是电电子子噪噪声声，本本节节主主要要介介绍绍电电子噪声的有关情况。子噪声的有关情况。几个概念几个概念：功率谱密度功率谱密度：单位频带内噪声的功率。：单位频带内噪声的功率。电压谱密度电压谱密度：单位频带内噪声电压的均方值。：单位频带内噪声电压的均方值。电流谱密度电流谱密度：单位频带内噪声电压的均方值。：单位频带内噪声电压的均方值。高高斯斯噪噪声声：噪噪声
44、声电电压压概概率率密密度度满满足足正正态态（高高斯斯）分布的噪声。分布的噪声。白白噪噪声声：其其功功率率谱谱密密度度不不随随频频率率变变化化的的噪噪声声（如如电阻热噪声）。电阻热噪声）。第七十五页，本课件共有107页二、电子噪声的来源与特性 1.电阻热噪声电阻热噪声由由于于导导体体和和电电阻阻中中存存在在大大量量自自由由电电子子，这这些些自自由由电电子子将将作作不不规规则则的的热热运运动动，大大量量电电子子的的热热运运动动就就会会在在电电阻阻两两端端产产生生起起伏伏电电压压（电电势势），这这种种因因热热运运动动而而产产生生的的起起伏伏电电压压就就称称为为电阻的热噪声，电阻的热噪声，如图如图2-
45、27所示所示。27第七十六页，本课件共有107页1)热噪声电压和功率谱密度热噪声电压和功率谱密度（2-49）（2-50）上式为上式为奈奎斯特公式，奈奎斯特公式，式中式中k为波尔茨曼常数，为波尔茨曼常数，k=1.36*10-23，B为测量此电压时的带宽，为测量此电压时的带宽，K为绝对温度。为绝对温度。根据概率论，总的噪声电压服从根据概率论，总的噪声电压服从正态（高斯）分布正态（高斯）分布，其，其概概率密度为率密度为：噪声噪声电压均方值电压均方值：根据上式可得噪声电压根据上式可得噪声电压|un|4Un的概率小于的概率小于0.01%.第七十七页，本课件共有107页图2-28电阻热噪声等效电路（2-5
46、1）（2-52）电压谱密度电压谱密度：电流谱密度电流谱密度：等效等效根据上图可得电阻热噪声的根据上图可得电阻热噪声的最大输出功率最大输出功率为为kTB，其，其输出单位频输出单位频带内的最大噪声功率带内的最大噪声功率为为kT，它与观测的频带无关，因而属于，它与观测的频带无关，因而属于白噪白噪声。声。第七十八页，本课件共有107页2)线性电路中的热噪声线性电路中的热噪声（1）多个电阻的热噪声（以两个电阻串联为例，可得）多个电阻的热噪声（以两个电阻串联为例，可得）（2-53）(2-54)图2-29热噪声通过线路电路的模型即即只要各噪声源是相互独立的，多个电阻的热噪声满足均方电压只要各噪声源是相互独立
47、的，多个电阻的热噪声满足均方电压相加原则。相加原则。（2）热噪声通过线性电路热噪声通过线性电路其中：其中：Suo,Sui分别为网络的输出、输入端的分别为网络的输出、输入端的噪声电压谱密度噪声电压谱密度，Un2为为输出输出噪声电压均方值。噪声电压均方值。第七十九页，本课件共有107页图230并联回路的热噪声(2-55)例例：下下面面以以热热噪噪声声通通过过并并联联谐谐振振回回路路为为例例，来来进进一一步步分分析析热热噪噪声通过线性网络的情况：声通过线性网络的情况：上图(a)的等效四端网络(b)的传输函数为：第八十页，本课件共有107页并并联联回回路路可可以以等等效效为为Re+jXe（图图2-33
48、（c）,现现在在看看上述输出噪声谱密度与上述输出噪声谱密度与Re、Xe的关系。的关系。展开化简后得展开化简后得与式与式(2-55)对比对比,可得可得(2-56)第八十一页，本课件共有107页由式由式(2-55)和和(2-56)可得如下结论：可得如下结论：(1)对对于于二二端端线线性性电电路路，其其噪噪声声电电压压或或噪噪声声电电流流谱谱密密度度可可以用与以用与Re或或Ge来代替式来代替式(2-51)或或(2-52)中的中的R或或G。(2)电电阻阻热热噪噪声声通通过过线线性性电电路路后后，一一般般不不再再是是热热噪噪声声了了，也不再是白噪声了，因为其功率谱密度与频率有关。也不再是白噪声了，因为其
49、功率谱密度与频率有关。下面我们计算输出端的噪声电压均方值。下面我们计算输出端的噪声电压均方值。第八十二页，本课件共有107页根根据据式式(2-55)与与式式(2-56)可可以以求求出出输输出出端端的的均均方方噪噪声声电压为：电压为：第八十三页，本课件共有107页 3)3)噪声带宽噪声带宽噪声带宽的引入噪声带宽的引入：根据电阻热噪声的公式：根据电阻热噪声的公式(2-49):其中有一带宽因子其中有一带宽因子B，由于电阻，由于电阻.，(P47倒二段倒二段)图图2-29是是一一线线性性系系统统,其其电电压压传传输输函函数数为为H(j)。设设输输入入一一电电阻阻热热噪噪声声,均均方方电电压压谱谱为为SU
50、i=4kTR,输输出出均均方方电电压压谱谱为为SUo,则则输出均方电压输出均方电压U2n2为为设设|H(j)|的最大值为的最大值为H0,则可则可定义定义一一等效噪声带宽等效噪声带宽Bn,令令（2-57）第八十四页，本课件共有107页则则等效噪声带宽等效噪声带宽Bn为为（2-58）噪声带宽噪声带宽Bn的意义的意义：分析下图图2-31线性系统的等效噪声带宽第八十五页，本课件共有107页例例：现现以以图图2-30的的单单振振荡荡回回路路为为例例,计计算算其其等等效效噪噪声声带带宽宽。设设回回路路为为高高Q电电路路,设设谐谐振振频频率率为为f0，由由前前面面分分析析,再再考考虑虑到到高高Q条件条件,此