會計學(xué)1高頻電子線路高頻電路基礎(chǔ)本章作業(yè)3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、3.18第2頁/共94頁

2.1高頻電路中的元件、器件和組件

無源器件：電阻、電容、電感有源器件：二極管、晶體三極管、場效應(yīng)管、集成電路選頻回路阻抗變換網(wǎng)絡(luò)

第3頁/共94頁 各種高頻電路基本上是由有源器件、無源元件和無源網(wǎng)絡(luò)組成的。高頻電路中使用的元器件與在低頻電路中使用的元器件基本相同,但要注意它們在高頻使用時的高頻特性。高頻電路中的元件主要是電阻(器)、電容(器)和電感(器),它們都屬于無源的線性元件。1．高頻電路中的元件

1）電阻一個實際的電阻器,在低頻時主要表現(xiàn)為電阻特性,第4頁/共94頁但在高頻使用時不僅表現(xiàn)有電阻特性的一面,而且還表現(xiàn)有電抗特性的一面。電阻器的電抗特性反映的就是其高頻特性。一個電阻R的高頻等效電路如下圖所示,其中,CR為分布電容,LR為引線電感,R為電阻。

電阻的高頻等效電路第5頁/共94頁2）電容由介質(zhì)隔開的兩導(dǎo)體即構(gòu)成電容。一個電容器的等效電路卻如圖（a）所示。理想電容器的阻抗1/(jωC),如圖（b）虛線所示,其中,f為工作頻率,ω=2πf。

電容器的高頻等效電路

(a)電容器的等效電路;（b）電容器的阻抗特性

第6頁/共94頁3）電感高頻電感器與普通電感器一樣,電感量是其主要參數(shù)。電感量L產(chǎn)生的感抗為jωL,其中,ω為工作角頻率。高頻電感器也具有自身諧振頻率SRF。在SRF上,高頻電感的阻抗的幅值最大,而相角為零,如下圖所示。

高頻電感器的自身諧振頻率SRF

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2．高頻電路中的有源器件用于低頻或其它電子線路的器件沒有什么根本不同。

1）二極管半導(dǎo)體二極管在高頻中主要用于檢波、調(diào)制、解調(diào)及混頻等非線性變換電路中,工作在低電平。點接觸式，表面勢壘，變?nèi)荩琍IN2）晶體管與場效應(yīng)管（FET）在高頻中應(yīng)用的晶體管仍然是雙極晶體管和各種場效應(yīng)管，這些管子比用于低頻的管子性能更好,在外形結(jié)構(gòu)方面也有所不同。

高頻晶體管有兩大類型:一類是作小信號放大的高頻小功率管,對它們的主要要求是高增益第8頁/共94頁

和低噪聲;另一類為高頻功率放大管,除了增益外,要求其在高頻有較大的輸出功率。

3）集成電路用于高頻的集成電路的類型和品種要比用于低頻的集成電路少得多,主要分為通用型和專用型兩種。

第9頁/共94頁第10頁/共94頁2.1.2

高頻電路中的組件 高頻電路中的無源組件或無源網(wǎng)絡(luò)主要有高頻振蕩（諧振）回路、高頻變壓器、諧振器與濾波器等,它們完成信號的傳輸、頻率選擇及阻抗變換等功能。第11頁/共94頁2.2選頻網(wǎng)絡(luò)諧振特性、選頻特性諧振特性、選頻特性串并聯(lián)互換公式諧振頻率、諧振阻抗、回路Q值第12頁/共94頁

高頻振蕩回路是高頻電路中應(yīng)用最廣的無源網(wǎng)絡(luò),也是構(gòu)成高頻放大器、振蕩器以及各種濾波器的主要部件,在電路中完成阻抗變換、信號選擇等任務(wù),并可直接作為負(fù)載使用。振蕩回路就是由電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)形成的回路。只有一個回路的振蕩電路稱為簡單振蕩回路或單振蕩回路。高頻振蕩回路主要有：串聯(lián)諧振回路、并聯(lián)諧振回路、耦合諧振回路。

第13頁/共94頁諧振特性諧振定義、諧振頻率、諧振阻抗、輸出電流、支路電流、特性阻抗ρ、品質(zhì)因數(shù)Q、選頻特性頻率響應(yīng)、幅頻特性、帶寬、阻抗特性、電抗特性、阻抗的相頻特性第14頁/共94頁1、諧振及諧振條件當(dāng)外加電壓振蕩頻率等于串聯(lián)回路自然諧振頻率時，電路發(fā)生諧振。此時，回路電流最大，回路阻抗呈純阻性。諧振頻率第15頁/共94頁

若在串聯(lián)振蕩回路兩端加一恒壓信號,則發(fā)生串聯(lián)諧振時因阻抗最小,流過電路的電流最大,稱為諧振電流,其值為

稱為諧振電路的特性阻抗第16頁/共94頁2、諧振特性

串聯(lián)諧振回路電抗特性第17頁/共94頁串聯(lián)諧振又稱為電壓諧振，Q稱為品質(zhì)因數(shù)第18頁/共94頁3、能量關(guān)系回路諧振時，電感線圈中的磁能與電容器中的電能周期性的轉(zhuǎn)換。電抗元件不消耗外加電動勢。外加電動勢只提供回路電阻所消耗的能量，以維持等幅振蕩，所以諧振時回路中電流最大。品質(zhì)因數(shù)第19頁/共94頁4、諧振曲線和通頻帶在任意頻率下的回路電流與諧振電流之比為其模為：其中,歸一化諧振電流歸一化諧振電流振幅第20頁/共94頁

串聯(lián)諧振回路的諧振曲線Q為回路的品質(zhì)因數(shù),它是振蕩回路的另一個重要參數(shù)。根據(jù)上式畫出相應(yīng)的曲線如下圖所示,該曲線稱為諧振曲線。第21頁/共94頁

在實際應(yīng)用中,外加信號的頻率ω與回路諧振頻率ω0之差Δω=ω-ω0表示頻率偏離諧振的程度,稱為失諧。當(dāng)ω與ω0很接近時,

為廣義失諧,則歸一化諧振電流振幅表達式可寫成第22頁/共94頁當(dāng)保持外加信號的幅值不變而改變其頻率時,將回路電流值下降為諧振值的時對應(yīng)的頻率范圍稱為回路的通頻帶,也稱回路帶寬,通常用B來表示。令歸一化電流振幅表達式等于,則可推得ξ=±1,從而可得帶寬。

這種帶寬計算方式僅適用于窄帶情況，即的情況。

或者說的情況。第23頁/共94頁串聯(lián)諧振回路的通頻帶第24頁/共94頁5.相頻特性曲線Q值越大，電流相頻特性曲線在諧振頻率附近的變化越陡峭。第25頁/共94頁第26頁/共94頁6、信號源內(nèi)阻及負(fù)載對串聯(lián)諧振回路的影響定義有載品質(zhì)因數(shù)與此相對應(yīng)的定義為空載品質(zhì)因數(shù)第27頁/共94頁顯然，,這使得串聯(lián)回路通頻帶變寬，選擇性變差。串聯(lián)諧振回路適用于電源內(nèi)阻為低內(nèi)阻（如恒壓源）的情況或低負(fù)載阻抗的電路（如微波電路）。第28頁/共94頁諧振特性諧振定義、諧振頻率、諧振阻抗、輸出電流、支路電流、特性阻抗ρ、品質(zhì)因數(shù)Q、選頻特性頻率響應(yīng)、幅頻特性、帶寬、阻抗特性、電抗特性、阻抗的相頻特性并聯(lián)諧振回路的等效電路信號源內(nèi)阻與負(fù)載對回路的影響第29頁/共94頁1、諧振特性

并聯(lián)諧振回路及其等效電路、阻抗特性和輻角特性(a)并聯(lián)諧振回路（b）等效電路（c）諧振特性曲線（d）電抗特性第30頁/共94頁

定義使感抗與容抗相等的頻率為并聯(lián)諧振頻率ω0,令Zp的虛部為零,求解方程的根就是ω0,可得

式中,Q為回路的品質(zhì)因數(shù),有當(dāng)時,?；芈吩谥C振時的阻抗最大,為一電阻R0并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)阻抗為第31頁/共94頁并聯(lián)回路通常用于窄帶系統(tǒng),此時ω與ω0相差不大,式（2—13）可進一步簡化為式中,Δω=ω-ω0。對應(yīng)的阻抗模值與幅角分別為?第32頁/共94頁上圖表示了并聯(lián)振蕩回路中諧振時的電流、電壓關(guān)系。并聯(lián)回路諧振時，表現(xiàn)為電流諧振。第33頁/共94頁2、選頻特性在任意頻率下的回路電壓與諧振電壓之比為由此可得如右圖所示的并聯(lián)諧振回路選頻特性曲線第34頁/共94頁與串聯(lián)諧振回路類似，我們可以得到并聯(lián)諧振回路的帶寬為如右下圖所示第35頁/共94頁并聯(lián)諧振回路的相頻特性曲線如下圖所示：感性容性第36頁/共94頁3、并聯(lián)諧振回路的等效回路實際電路等效電路第37頁/共94頁串并聯(lián)等效互換其中第38頁/共94頁4、信號源內(nèi)阻與負(fù)載

對回路的影響有載Q值其中第39頁/共94頁信號源內(nèi)阻和負(fù)載電阻的引入，使得回路等效品質(zhì)因數(shù)下降，通頻帶增寬，選擇性變差信號源內(nèi)阻和負(fù)載電阻越小，有載品質(zhì)因數(shù)下降越多，影響越嚴(yán)重第40頁/共94頁

例1

設(shè)一放大器以簡單并聯(lián)振蕩回路為負(fù)載,信號中心頻率fs=10MHz,回路電容C=50pF,(1)試計算所需的線圈電感值。

(2)若線圈品質(zhì)因數(shù)為Q=100,試計算回路諧振電阻及回路帶寬。

(3)若放大器所需的帶寬B=0.5MHz,則應(yīng)在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿足放大器所需帶寬要求?

解

(1)計算L值。由可得：第41頁/共94頁將f0以兆赫茲(MHz)為單位,Ｃ以皮法(pF)為單位,L以微亨（μH）為單位，上式可變?yōu)橐粚嵱糜嬎愎?

將f0=fs=10MHz代入,得(2)回路諧振電阻和帶寬。第42頁/共94頁回路帶寬為(3)求滿足0.5MHz帶寬的并聯(lián)電阻。設(shè)回路上并聯(lián)電阻為R1,并聯(lián)后的總電阻為R1∥R0,總的回路有載品質(zhì)因數(shù)為QL。由帶寬公式,有此時要求的帶寬B=0.5MHz,故回路總電阻為

需要在回路上并聯(lián)7.97kΩ的電阻。第43頁/共94頁耦合振蕩回路不做要求，請有興趣的同學(xué)自學(xué)！第44頁/共94頁

第45頁/共94頁耦合諧振回路諧振特性1部分諧振調(diào)整初級回路參數(shù)，保持互感M和次級回路參數(shù)不變，使初級回路滿足串聯(lián)諧振的條件；同理也存在次級回路部分諧振。2復(fù)諧振在部分諧振的條件下，調(diào)整互感M使初級回路或次級回路滿足最大功率傳輸條件，即反射電阻等于回路自電阻。3全諧振與最佳全諧振初次級回路同時調(diào)諧到信號源頻率上，使初次級回路同時發(fā)生諧振，此時稱為全諧振。在此條件下，如果調(diào)整互感M使得初次級回路滿足匹配條件，稱為最佳全諧振，此時的耦合狀態(tài)稱為臨界耦合狀態(tài)。4最佳全諧振狀態(tài)下的互感M，耦合系數(shù)K和通頻帶B。第46頁/共94頁1)物理特性石英晶體諧振器是由天然或人工生成的石英晶體切片制成。 它的主要特征有壓電效應(yīng)，固有諧振頻率，溫度系數(shù)，拐點溫度，基音諧振器與泛音諧振器。2)等效電路及阻抗特性fq和并聯(lián)諧振頻率f0分別為第47頁/共94頁第48頁/共94頁第49頁/共94頁(a)包括泛音在內(nèi)的等效電路;(b)諧振頻率附近的等效電路第50頁/共94頁在忽略rq后,上式可化簡為第51頁/共94頁第52頁/共94頁 我們通過一組晶體諧振器的參數(shù)來了解一下晶體諧振器的幾個重要特點：某晶體的參數(shù)如下：Lq=4.00HCq=0.0063pFRq=100~200ΩC0=2~3pF1品質(zhì)因數(shù)非常大。Lq很大，Cq=0.0063pF2f0與fq相差不大。C0>>Cq3等效電路接入系數(shù)P很小，與外電路的耦合很弱。C0>>Cq，在應(yīng)用中常常在晶體兩端并聯(lián)一個電容CL稱其為負(fù)載電容。4晶體在工作頻率附近的阻抗變化率很大，并聯(lián)諧振阻抗很大。5石英晶體兩個諧振頻率之間的寬度決定了石英晶體濾波器的通帶寬度。第53頁/共94頁（a）濾波器電路;（b）衰減特性第54頁/共94頁

集中選頻濾波器

1)陶瓷濾波器

第55頁/共94頁第56頁/共94頁2)聲表面波濾波器圖2—26(a)中的聲表面波濾波器的傳輸函數(shù)為

第57頁/共94頁第58頁/共94頁2.3阻抗變換Π型和T型變換網(wǎng)絡(luò)

窄帶阻抗變換網(wǎng)絡(luò)第59頁/共94頁部分接入與全接入自耦變壓器耦合雙電容耦合變壓器耦合抽頭系數(shù)與電壓源之間的變比關(guān)系抽頭系數(shù)與電流源之間的變比關(guān)系第60頁/共94頁

幾種常見抽頭振蕩回路

第61頁/共94頁1、部分接入與全接入抽頭接入系數(shù)定義為與外電路相接的電抗與諧振回路中與該電抗同性質(zhì)的總電抗的比值。第62頁/共94頁12R負(fù)載R要如何連接至選頻回路才能獲得全接入呢？第63頁/共94頁2、自耦變壓器耦合接入系數(shù)全接入電阻線圈匝數(shù)由功率等效推導(dǎo)而來abc第64頁/共94頁3、雙電容耦合接入系數(shù)全接入電阻第65頁/共94頁4、變壓器耦合接入系數(shù)全接入電阻初級線圈匝數(shù)次級線圈匝數(shù)第66頁/共94頁5、電壓源的折合接入系數(shù)全接入電壓源線圈匝數(shù)第67頁/共94頁6、電流源的折合接入系數(shù)全接入電流源第68頁/共94頁7、小結(jié)接入系數(shù)p是在的條件下得出的,若不能滿足這個條件，則只能用串并聯(lián)阻抗變換的方法進行計算。由低抽頭到高抽頭折合時，等效電阻提高，這使得回路品質(zhì)因數(shù)提高。第69頁/共94頁

例1u(t)的表示式及回路帶寬。

第70頁/共94頁

解由于忽略了回路本身的固有損耗,因此可以認(rèn)為Q→∞。由圖可知,回路電容為

諧振角頻率為電阻R1的接入系數(shù)等效到回路兩端的電阻為回路諧振諧振電阻第71頁/共94頁

回路兩端電壓u(t)與i(t)同相,電壓振幅U=IR=2V,故輸出電壓為

回路有載品質(zhì)因數(shù)回路帶寬第72頁/共94頁L型阻抗變換網(wǎng)絡(luò)是一種無源窄帶變換網(wǎng)絡(luò)。它由兩個不同性質(zhì)的電抗元件組成。它即能完成阻抗變換功能也能完成濾波功能。第73頁/共94頁L型網(wǎng)絡(luò)的兩種形式變換網(wǎng)絡(luò)變換網(wǎng)絡(luò)信號源內(nèi)阻為，負(fù)載電阻為，電路工作頻率為，選用合適的L型網(wǎng)絡(luò)，將變換為，并求出匹配網(wǎng)絡(luò)中L和C的值。第74頁/共94頁L型匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計（1）

——問題描述已知：信號源內(nèi)阻和負(fù)載電阻，工作頻率求：L型匹配網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)第75頁/共94頁L型匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計（2）

——確定結(jié)構(gòu)此時，應(yīng)當(dāng)由并聯(lián)形式向串聯(lián)形式變換，或者把由串聯(lián)形式向并聯(lián)形式變換。并串變換以為例第76頁/共94頁L型匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計（3）

——確定濾波器性質(zhì)選用低通濾波器，為電感，為電容第77頁/共94頁L型匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計（4）

——計算參數(shù)由此，可求得L和C阻抗匹配諧振條件第78頁/共94頁L型匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計（5）

——小結(jié)L型網(wǎng)絡(luò)僅在工作頻率處發(fā)生諧振，電抗抵消，完成了兩電阻間的阻抗變換，因此它是一個窄帶阻抗變換網(wǎng)絡(luò)。與部分接入阻抗變換相比，L型匹配網(wǎng)絡(luò)不需要滿足Q值很大的條件。L型匹配網(wǎng)絡(luò)的回路Q值為可見，因此其Q值是不能選擇的。L型網(wǎng)絡(luò)不能同時滿足變換前后阻值相差不大，且Q值較高的條件。此時應(yīng)使用T型或π網(wǎng)絡(luò)。第79頁/共94頁Π型和T型網(wǎng)絡(luò)可以解決L型網(wǎng)絡(luò)解決不了的阻抗變換比例和濾波性能之間的矛盾。Π型和T型網(wǎng)絡(luò)均可以看做是兩個L型網(wǎng)絡(luò)的組合。Π型網(wǎng)絡(luò)阻抗變換的特點是高—低—高。T型網(wǎng)絡(luò)阻抗變換的特點是低—高—低。第80頁/共94頁Π型網(wǎng)絡(luò)的計算（1）

——問題描述已知：信號源內(nèi)阻和負(fù)載電阻，工作頻率信號源端或者負(fù)載端的Q值求：Π型匹配網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)第81頁/共94頁Π型網(wǎng)絡(luò)的計算（2）

——求解思路可以將一個Π型網(wǎng)絡(luò)分解為兩個L型網(wǎng)絡(luò)，它們的Q值分別為Q1和Q2，這樣和進行并串轉(zhuǎn)換后得到的等效電阻應(yīng)當(dāng)是相等的，該電阻記為。并且，和中較大的那一個所在的支路應(yīng)當(dāng)具有較大的Q值。第82頁/共94頁Π型網(wǎng)絡(luò)的計算（3）

——計算過程信號源側(cè)負(fù)載側(cè)假定Q1已知，可得到如下結(jié)論：第83頁/共94頁Π型網(wǎng)絡(luò)的計算（4）

——計算過程應(yīng)用條件：第84頁/共