高频电路基础

null第2章 高频电路基础第2章 高频电路基础2.1高频电路中的基本元器件 2.2高频电路中的基本电路 2.3 电子噪声及其特性 2.4 噪声系数和噪声温度 null*2.2 高频电路中的基本电路2.2.1 高频振荡回路 　　高频振荡回路是高频电路中应用最广的无源网络，也是构成高频放大器、振荡器以及各种滤波器的主要部件，在电路中完成阻抗变换、信号选择等任务，并可直接作为负载使用。下面分简单振荡回路、抽头并联振荡回路和耦合振荡回路三部分来讨论。null* 并联谐振回路 储能元件（电感和电容）并联 电流驱动，电压输出 传输函数具有阻抗的量纲 1.简单振荡回路串联谐振回路：电压驱动，电流输出LC谐振回路是最简单也是最基本的LC滤波器电路。 null*自由振荡现象：R、L、C电路具有自由振荡现象。1）R=0，等幅振荡; 2）R<0，增幅振荡; 3）R>0，减幅振荡（ R< ）; 4）R> ，没有振荡。null*为回路自然角频率。1）R=0，等幅振荡null*2）R>0，减幅振荡（ R< ）null*3）R<0，增幅振荡null*4）R> ，没有振荡。null*（1）电路特点 固有损耗也可等效表示为并联谐振电阻RP 回路电感元件的固有损耗电阻RS（包括电感线圈 导线的欧姆电阻、由趋肤效应引起的高频损耗电阻） null*传输函数（传输阻抗）谐振： 回路电压与输入激励电流同相位 回路呈纯阻特性其中null* 回路空载（固有）品质因数 Q （易测量） 意义：表征回路谐振过程中一个周期的电抗元件的储能与电阻元件耗能状况的比值。 回路谐振角频率：为回路无阻尼振荡角频率。 特性阻抗 ：null*使网络阻抗（ZP（jω））相等进行等效串联与并联回路Q值相同null*（2）并联回路端阻抗的模和相角随频率变化的关系为：null*并联回路的阻抗特性 = 0 ，呈纯电阻且阻值最大  > 0 ，呈容性  < 0 ，呈感性null*串联回路的阻抗特性 = 0 ，呈纯电阻且阻值最小  < 0 ，呈容性  > 0 ，呈感性null*（3）谐振特性并联回路谐振时，流过其电抗支路的电流IL、IC 比激励电流Ig大Q倍，故并联谐振又称电流谐振。所以品质因数 Q 易测量。 并联谐振时（ Q值很高），输出最大电压：★并联回路在谐振时的电流、电压相位关系如图所示。null* 串联回路谐振时，电抗上电压是激励电压的 Q 倍，故串联谐振又称电压谐振。所以品质因数 Q 易测量。 串联回路谐振时，回路呈纯电阻，且阻值最小，回路电流最大。★串联回路在谐振时的电流、电压相位关系如图所示。null*（4） 频率特性、通频带和谐波抑 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 频率特性： 以 　 = 　 时的输出电压 　 对 　 归一化，可得并联谐振回路的相对幅频特性与相频特性，其值分别如下：null*并联谐振回路的相对幅频特性和相对相频特性Q值增大→选择性更好Q值增大→斜率的绝对值增大单位谐振曲线可表示选择性好坏。null*串联谐振回路的相对幅频特性和相对相频特性Q值增大→选择性更好Q值增大→斜率的绝对值增大null* 广义失谐通频带（BW）：当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时, 将并联回路端电压值(串联回路电流值）下降为谐振值的 时对应的频率范围称为回路的通频带。 在实际应用中, 外加信号的频率ω与回路谐振频率ω0之差Δω=ω-ω0表示频率偏离谐振的程度, 称为失谐。 当ω与ω0很接近时,令：则：null*ξ=±1,则：则：令：null* 谐波抑制度 ϒ例：若Q=100，二次谐波抑制度null* 为了衡量实际幅频特性曲线接近理想幅频特性曲线的程度，提出了“矩形系数”这个性能指标。  矩形系数Ｋ0.1：为单位谐振曲线（）值下降到０.１时的频带范围ＢＷ0.1与通频带ＢＷ0.7之比， 即: 矩形系数Knull* Ｋ0.1是一个大于或等于１的数， 其数值越小， 则对应的幅频特性越理想。null*解： 取 用类似于求通频带ＢＷ0.7的方法可求得: 一个单谐振回路的矩形系数是一个定值,与其回路Ｑ值和谐振频率无关，且这个数值较大，接近１０， 说明单谐振回路的幅频特性不大理想。  例： 求并联谐振回路的矩形系数Ｋ0.1 。 null*（5） 信号源內阻和负载电阻对并联谐振回路的影响影响谐振回路谐振频率。减小 → 通频带加宽 → 选择性变坏。影响：null* 在有信号源內阻和负载电阻情况下，为了对并联谐振回路的影响小，需要应用阻抗变换电路。并联谐振回路希望用恒流源激励。结论：串联谐振回路希望用恒压源激励。null*(1) 全耦合变压器等效接入系数:2. 抽头并联振荡回路null*部分接入法：负载电阻 RL是通过双电容分压接入并联谐 振回路的,称为部分接入法。 令接入系数：(2) 双电容耦合电路 由低抽头向高抽头转换，阻抗提高。null*接入系数功率守恒null*(3) 双电感抽头耦合电路（忽略了互感M） 负载电阻RL是通过双电感抽头接入并联谐振回路的,为部分接入法。 令接入系数：，(P<1)null*(4) 应用部分接入法的选频电路接入系数： 结论: 采用部分接入法，电源及负载对回路有载品质因数影响明显减小。null* 上面分析了外接负载为纯阻的情况。而当外接负载包括电抗成分时，上述等效变换关系仍然适用。接入系数null* 阻抗电路的串—并联等效转换 由电阻元件和电抗元件组成的阻抗电路的串联形式与并联形式可以互相转换， 而保持其等效阻抗和Ｑ值不变。  null*  Zp=Rp‖jXp= Zs=Rs+jXs 要使Ｚp＝Ｚs，必须满足:  Rs= XS= null*串联电路的有效品质因数: 串联电路的有效品质因数等于并联电路表示的品质因数。 串联谐振回路与并联谐振回路元件参数对应相同时,回路储能与耗能的关系也相同。null*则：null* 当Q>>1时，则简化为： Rp ≈ Q2Rs Xp ≈ Xs结论：2）串联电抗变为同性质的并联电抗。1）小的串联电阻变为大的并联电阻。当品质因数足够高时null* 对于复杂的并联谐振回路，其谐振频率和谐振阻抗的计算一般更为繁琐。然而，当整个电路满足高Q条件时，计算可以大大化简。两个支路都有电阻 的并联回路并联电路的 广义形式null* 对于高Q值并联谐振回路，其谐振频率与串联谐振回路相近，谐振阻抗可以通过串联支路的串并联互换得到。null*当品质因数足够高时 对于高Q值并联谐振回路，其谐振频率与串联谐振回路相近，谐振阻抗可以通过串联支路的串并联互换得到。Endnull*null*null*null*null* 并联回路如下图所示。已知：L1= L2=5uH，(固有)Q=100。C1 =C2=8PF，信源内阻： Rg =40KΩ,负载电阻： RL=10KΩ。 提示:考虑电感本身的损耗。补充题 2：试求：无阻尼谐振频率； 等效谐振电阻 R ； 通频带 。 不接 ， 如何变？null* 耦合回路是由两个或两个以上的电路形成的一个网络，两个电路之间必须有公共阻抗存在，才能完成耦合作用。3. 耦合振荡回路null* 在耦合回路中接有激励信号源的回路称为初级回路，与负载相接的回路称为次级回路。 为了说明回路间的耦合程度，常用耦合系数ｋ来表示，它的定义是：耦合回路的公共电抗（或电阻）绝对值与初、次级回路中同性质的电抗（或电阻）的几何中项之比，即 耦合振荡回路在高频电路中的主要功用:一是用来进行阻抗转换以完成高频信号的传输; 一是形成比简单振荡回路更好的频率特性。 通常应用时都满足下述两个条件: 一是两个回路都对信号频率调谐; 另一个是都为高Q电路。null* 在高频电子线路中，常采用两种耦合回路。 （ａ）为互感耦合串联型回路；（ｂ）为电容耦合并联型回路。null*互感耦合回路的一般形式 由基尔霍夫定律得出回路电压方程为 式中，Z11为初级回路的自阻抗，即Z11=R11+jX11, Z22为次级回路的自阻抗，即Z22=R22+jX22。 null* 由基尔霍夫定律得出回路电压方程为解得null*初级等效电路 反射阻抗，又称为耦合阻抗，它的物理意义是：次级电流通过互感Ｍ的作用，在初级回路中感应的电动势对初级电流的影响，可用一个等效阻抗Zf1来表示。null*次级等效电路的两种形式null* 在次级回路中反射阻抗Zf2：次级等效电路的两种形式null*矩形选频特性与单回路谐振曲线null*次级回路电压(或电流) 归一化的频率响应曲线 一般采用稍大于1，这时在通带内放大均匀，而在通带外衰减很大，为较理想的幅频特性。null* 一般采用稍大于1，这时在通带内放大均匀，而在通带外衰减很大，为较理想的幅频特性。 >1:过耦合  =1:临界耦合  <1:欠耦合null*null*（1）声表面波（SAW）滤波器 声表面波滤波器是一种以铌酸锂、锆钛酸铅或石英等压电材料为基体构成的一种电声换能元件。叉指换能器（铝或金膜) 电信号 弹性波（声波）Surface Acoustic Wave （SAW）弹性形变（压电材料）2.2.4 集中滤波器null*null* 体积小、重量轻。 中心频率可达几MHz～几GHz，适合于高频、超高频工作。幅频特性接近理想矩形。 相对通频带有时可以达到50%，频率特性取决于压电基体材料及叉指换能器的指条数目、疏密和长度。 接入实际电路时，必须实现良好的匹配。 用与集成电路相同的平面加工工艺。制造简单、重复性好。例：新加坡AVX公司推出1.6×1.4×0.6mm尺寸的声表面滤波器 ，手机频段。声表面波（SAW）滤波器的特点：null*其它集中选频滤波器陶瓷滤波器 1) 陶瓷片的“压电效应”与“反压电效应” 2) 两端陶瓷滤波器（外形及符号）两个谐振频率：null* 3）三端陶瓷滤波器实物图：null*干扰（或噪声）：就是除有用信号以外的一切不需要的信号及各种电磁骚动的总称。 通信系统的基本任务是传送信息：有用信号＋干扰（或噪声） 干扰与噪声不同的表现形式 冲击窄脉冲，连续电振荡，随机噪声 随机噪声：外部和内部 外部：宇宙噪声、大气噪声 内部：放大器、电阻、电缆的热噪声 晶体管产生的噪声等 2.3 电子噪声及其特性2.3.1 高频振荡回路1. 电阻热噪声*1. 电阻热噪声电阻热噪声是通信系统内部噪声的主要来源 产生机理：自由电子的无规则热运动产生的 自由电子与晶格碰撞，产生持续时间 = 10-13-10-14 s的电脉冲 电阻热噪声是无数个电脉冲叠加的结果 电阻热噪声电流/电压可被视为是一个平稳随机过程 2.3.2 电子噪声的来源与特性（1）热噪声电压和功率谱密度*（1）热噪声电压和功率谱密度 热噪声电流/电压在不同时刻的方向、幅度和持续时间都是随机分布的，其幅度呈现正态分布； 在相当长的观测时间内，噪声电压或电流的平均值趋于零。 噪声电压均方值趋于一有限值 K为玻耳兹曼常数，T热力学温度 R为电阻器的电阻值， B为测量带宽 ——奈奎斯特公式null* 电阻热噪声的频率覆盖范围很宽，但单位频带的噪声功率很小。功率谱密度：单位频带的均方电压值 （噪声电压谱密度） ★ 功率与电压或电流的均方值成正比，电阻热噪声可看成噪声功率源。null* 白噪声：有效频带内功率谱不随频率变化（分布均匀） （光学中，白色光功率谱在可见光频带内均匀分布） 有色噪声：有效频带内功率谱分布不均匀 电阻器的热噪声的功率谱密度在很宽的频带范围内为常数，为白噪声。null* 噪声电流(功率)谱密度null*噪声电压均方根值（有效值）：null*在常温（T=290K）下工作的1k电阻，与带宽BW=100kHz的理想网络相连接，求该电阻的噪声电压均方值与噪声电压均方根值。 电阻热噪声相当微弱，一般电路可忽略。 接收机前级由于有用信号微弱，所以不可忽略 （LNA低噪声放大器）null*电阻器的噪声资用功率（额定功率） 有噪电阻与其它元件或电路连接时，所给出的最大噪声功率。R 电阻器的噪声资用功率，仅与工作温度和频带有关，与阻值无关（阻值匹配） 。多个电阻的热噪声*多个电阻的热噪声如果两个电阻的工作温度不同：（2）线性电路中的热噪声热噪声通过线性网络*热噪声通过线性网络null例：LC并联谐振回路　　 null若并联回路端阻抗等效为Re+jXe结论：1）对于二端线性电路，其噪声电压或噪声电流谱密度 可以用等效电阻Re(或Ge)来代替。 2）电阻热噪声通过线性电路后，一般不再是白噪声。null式中，R0为回路的并联谐振电阻。null* 求如图所示RLC网络的 噪声功率谱密度噪声功率谱密度为频率的函数，而非常数。null*广义奈奎斯特定理 含有多个电阻、电抗元件的二端口网络可用阻抗和一个噪声源的串联或并联电路来等效，噪声源则表示为阻抗中有功部分的噪声功率谱密度。null*（3）噪声带宽令：则等效噪声带宽Bn为：null　　对于上例并联回路，计算其等效噪声带宽。设回路为高Q电路，谐振频率为f0，此回路的|H(jω)|2可近似为 式中，Δf为相对于f0的频偏，由此可得等效噪声带宽为 null2. 晶体管的噪声*双极晶体管的噪声 电阻热噪声：电极体电阻 散粒噪声：电子流的不均匀性 分配噪声：IE=IC+IB 闪烁噪声（1/f 噪声）： 与半导体材料有关，f>1kHz时可忽略  2. 晶体管的噪声null*场效应管的噪声 沟道热噪声：导电沟道电阻 栅极散粒噪声：栅极电荷不规则起伏 （很小） 栅极感应噪声：沟道中的起伏噪声通过沟道与栅极之间的电容，在栅极上感应产生的噪声。与栅源电容成正比。 1/f 噪声：主要影响低频段（f<1kHz）（强于双极型三极管）FET不存在分配噪声，散粒噪声又很小， 通常情况下，噪声小于BJT2.4噪声系数和噪声温度*2.4噪声系数和噪声温度 但信噪比不能反映网络对信号质量的影响也不能 表示网络本身噪声性能的好坏 引入噪声系数来描述或评价一个网络的噪声性能。 一个实际网络的输出信号质量可以用输出信噪比来衡量 信噪比:信号噪声功率之比，是衡量信号质量优劣的指标null*定义：在 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 信号源激励下，网络输入信噪比与其输出信噪比的比值。 标准信号源 信号电压为vs 内阻为Rs 并仅含有由Rs产生的白噪声（或称为噪声指数）理想网络（NF＝1）2.4.1 噪声系数对噪声系数 的三种描述*对噪声系数 的三种描述a. 信噪比恶化程度 b. 网络输出噪声功率和输入噪声功率在输出端的比值null*c. 任何实际网络的噪声系数，都是在理想网络噪声系数的基础上加上一个增量 网络附加噪声的输出功率：null*对噪声系数的讨论（1）噪声系数定义中的噪声功率是按每单位频带内的噪声功率定义的，也就是按输出、输入功率谱密度定义的。此时噪声系数只是随指定的工作频率不同而不同，即表示为点频的噪声系数。 在实际应用中，若引入等效噪声带宽，即此定义中的噪声功率为系统内的实际功率，这时的噪声系数具有平均意义。null*（2）噪声系数与输入噪声功率Ni有关，如果不给Ni以明确的 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 ，则噪声系数就没有意义。为此，在噪声系数的定义中，规定Ni为信号源内阻RS的最大输出功率。表示为电压源的噪声电压均方值为 4kTBRS，输出的最大功率为kTB，与RS大小无关，并规定RS的温度为 290 K，此温度称为标准噪声温度。需要说明的是，Ni并不一定是实际输入线性系统的噪声功率，只是在输入端匹配时才相等。 null*(3) 输出端的阻抗匹配与否并不影响噪声系数的大小，即噪声系数与输出端所接负载的大小(包括开路或短路)无关。因此，噪声系数也可表示成输出端开路时的两均方电压之比或输出端短路时的两均方电流之比，即null*null*(4) 噪声系数的定义只适用于线性或准线性电路。对于非线性电路，由于信号与噪声、噪声与噪声之间的相互作用，将会使输出端的信噪比更加恶化，因此，噪声系数的概念就不能适用。所以，我们通常讲的接收机的噪声系数，实际上指的是检波器之前的线性电路，包括高频放大、变频和中放。变频虽然是非线性变换，但它对信号而言，只产生频率的搬移，可以认为是准线性电路。1.额定功率法*匹配：2.4.2 噪声系数的计算1.额定功率法null*输入信噪比与输入匹配无关null* 输出信噪比与输出匹配无关null* 额定功率是指信号源（包括噪声源）能够输出的最大功率（匹配）。 额定功率增益是指四端网络输入端和输出端分别匹配时的功率增益null*四端网络输入端和输出端分别匹配时的噪声系数为网络额定输出噪声功率等效到网络的输入端为无源网络噪声系数的计算* 无源网络输出端匹配时L：网络的衰减 无源网络的噪声系数等于网络的衰减。产生网络噪声的有损元件，是导致网络传输信号衰减的因素。无源网络噪声系数的计算null*2.级联四端网络的噪声系数*2.级联四端网络的噪声系数null*null*级联网络的噪声系数，主要由网络前级的噪声系数确定。前级的噪声系数越小，功率增益越高，则级联网络的噪声系数就越小。N级级联网络的噪声系数3.噪声系数与接收机的灵敏度*3.噪声系数与接收机的灵敏度 接收机的灵敏度：是指当接收端处于匹配时，为了保证一定的输出信噪比，接收端所要求的最小有用信号功率。null*最小可 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 信号电压：是与灵敏度功率相对应的、输入端处于匹配时有用信号的电压。null*例： 一个输入电阻为50的接收机，噪声系数为 6dB，通频带为1MHz。当要求输出信噪比为1，接收机的最小有用信号功率和电压各为多少？2.4.4 噪声温度*2.4.4 噪声温度实际网络用一无噪声网络和一噪声源等效。 设等效噪声电压是由信号源内阻Rs在一假想温度Te下产生的噪声电压 网络的噪声性能也可以用噪声温度来表示。 注意:网络的噪声温度不是该网络的实际物理温度，而是用以表征该网络噪声性能的一种假想温度。噪声温度与噪声系数*噪声温度与噪声系数网络的噪声温度与网络的噪声系数之间具有固定的转换关系 T0为系统的工作温度级联网络的等效噪声温度*级联网络的等效噪声温度当网络内部噪声较大时，用噪声系数表示比较方便；当网络内部噪声较小时，用噪声温度表示有较大的优越性 前级的噪声温度越小，功率增益越高，则级联网络的噪声温度就越小。 3.4天线噪声*天线噪声接收天线位于接收机的最前端，并作为接收机的信号源，其噪声大小对通信质量有极大的影响 接收机天线的噪声除了其损耗元件所产生的热噪声外，还包含来自天空、大气的各种外部噪声，而且一般来说，后者远大于前者。天线噪声特性一般用天线噪声温度描述对天线噪声的抑制*对天线噪声的抑制对噪声的抑制 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 低温 提高天线增益和方向性 调整天线方位，避免强噪声源 减小噪声系数的措施*减小噪声系数的措施选用低噪声器件和元件 选用rb´b小，f高，噪声系数小的晶体管 选用场效应管（GaAs FET） 谨慎选用电阻元件，选用金属膜电阻选择合适的信号源内阻 信源内阻有最佳值，使噪声系数最小减小噪声系数的措施（续）*减小噪声系数的措施（续）选用合适的放大电路 共发-共基放大器和共源-共栅放大器是低噪声电路（低噪声，高增益，高稳定度）正确选择晶体管放大器的直流工作点 对不同的信号源内阻，最佳工作点是不同的减小噪声系数的措施（续）*减小噪声系数的措施（续）选择合适的工作带宽 通频带尽量窄以减小噪声，通频带足够宽以保证信号的不失真 降低放大器工作温度 热噪声是主要来源之一，所以降低接收机前端主要器件的工作温度，对减小噪声系数是有意义的。 如卫星地面站接收机中的高放，设备被制冷到20K-80K 合适的级联