第2章高頻電路基礎

2.1高頻電路中的元器件2.2簡單振蕩回路2.3耦合振蕩回路2.4電子噪聲

2.1高頻電路中的元器件

高頻電路是由有源器件、無源元件和無源網絡組成。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)，它們都屬于無源元件。

2.1.1

高頻電路中的元器件

1）高頻電阻一個實際的電阻器，

在低頻時主要表現為電阻特性，但在高頻使用時不僅表現有電阻特性的一面，

而且還表現有電抗特性的一面。電阻器的電抗特性反映的就是其高頻特性。一個電阻R的高頻等效電路如圖2—1所示，

其中，

CR為分布電容，

LR為引線電感，R為電阻。

圖2-1電阻的高頻等效電路

分布電容和引線電感越小，表明電阻的高頻特性越好。電阻器的高頻特性與制作電阻的材料、電阻的封裝形式和尺寸大小有密切的關系。

2）高頻電容由介質隔開的兩導體即構成電容，高頻電容的阻抗可表示成電導和電納的并聯組合。一個電容器的等效電路如圖2-2（a）所示。①

理想電容器的阻抗1/(jωC)，如圖2-2（b）虛線所示，其中，

f為工作頻率，

ω=2πf。

(a)電容器的等效電路；

（b）電容器的阻抗特性圖2—2電容器的高頻等效電路

②但實際的電容器在高頻運用時的阻抗頻率特性如圖2-2（b）實線所示，呈V型特性，而且其具體形式與電容的種類和電容量的不同有關。由此可知，每個電容都有一個自身諧振頻率SRF。當工作頻率小于自身諧振頻率時，電容器呈正常的電容特性，但當工作頻率大于自身諧振頻率時，電容器將等效為一個電感。

3）高頻電感高頻電感主要用作諧振元件、濾波元件和阻隔元件。一般由導線繞制而成，在高頻電路中，電感線圈的損耗是不能忽略的。高頻電感器的電感量是其主要參數。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，

如圖2—3所示。

圖2—3高頻電感器的自身諧振頻率SRF2.1.2高頻電路中的有源器件1）晶體二極管半導體二極管在高頻中主要用于檢波、調制、解調及混頻等非線性變換電路中，工作在低電平。點接觸式二極管、表面勢壘二極管、變容二極管。

2）晶體管與場效應管（FET）

在高頻中應用的晶體管仍然是雙極晶體管和各種場效應管，這些管子比用于低頻的管子性能更好，

在外形結構方面也有所不同。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(IC)

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。

2.2高頻振蕩回路高頻振蕩回路是高頻電路中應用最廣的無源網絡，

也是構成高頻放大器、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，

并可直接作為負載使用。振蕩回路就是由電感和電容串聯或并聯形成的回路。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。

2.2.1串聯諧振回路

圖2—4（a）是最簡單的串聯振蕩回路。圖2—4串聯振蕩回路及其特性若在串聯振蕩回路兩端加一恒壓信號，

則發生串聯諧振時因阻抗最小，

流過電路的電流最大，

稱為諧振電流，

其值為（2—1）（2—2）（2—3）在任意頻率下的回路電流與諧振電流之比為(2—4)其模為其中，

（2—5）（2—6）稱為回路的品質因數，

它是振蕩回路的另一個重要參數。根據式（2-6）畫出相應的曲線如圖2-5所示,稱為諧振曲線。

圖2-5串聯諧振回路的諧振曲線圖2-6串聯回路在諧振時的電流、電壓關系在實際應用中，

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ω與ω0很接近時，

（2—7）（2—8）

為廣義失諧，

則式（2—5）可寫成(2—9)當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。令式（2—9）等于,則可推得ξ=±1,從而可得帶寬為：(2—10)2.2.2并聯諧振回路

串聯諧振回路適用于電源內阻為低內阻（如恒壓源）的情況或低阻抗的電路（如微波電路）。當頻率不是非常高時，并聯諧振回路應用最廣。

圖2-7并聯諧振回路及其等效電路、阻抗特性和輻角特性

(a)并聯諧振回路；（b）等效電路；（c）阻抗特性（d）輻角特性并聯諧振回路的并聯阻抗為(2—11)定義使感抗與容抗相等的頻率為并聯諧振頻率ω0，

令Zp的虛部為零，

求解方程的根就是ω0，可得式中，

Q為回路的品質因數，

有當時，。回路在諧振時的阻抗最大，為一純電阻R0（2—12）（2—13）（2—14）并聯回路通常用于窄帶系統，

此時ω與ω0相差不大，

式（2—13）可進一步簡化為式中，

Δω=ω-ω0。對應的阻抗模值與幅角分別為（2—15）（2-16）（2-17）圖2-8表示了并聯振蕩回路中諧振時的電流、電壓關系。

例1

設一放大器以簡單并聯振蕩回路為負載，

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)若線圈品質因數為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，則應在回路上并聯多大電阻才能滿足放大器所需帶寬要求?

解：

(1)計算L值。由式(2—2)，可得將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，上式可變為一實用計算公式:將f0=fs=10MHz代入,得

(2)回路諧振電阻和帶寬。由式(2—12)回路帶寬為

(3)求滿足0.5MHz帶寬的并聯電阻。設回路上并聯電阻為R1，并聯后的總電阻為R1∥R0，總的回路有載品質因數為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7.97kΩ的電阻。

總結：串聯

并聯阻抗特性ω>ω0感性；ω<ω0容性；ω=ω0阻性；等效阻抗最小ω>ω0容性；ω<ω0感性；ω=ω0阻性；等效阻抗最大

諧振頻率帶寬

(1)串聯和并聯諧振電路都具有選頻功能，對帶外頻率都具有一定的抑制能力。但單回路的諧振電路的選擇性不是很好，電路的選擇性和帶寬是一對矛盾。

(2)串聯諧振時，電壓電流同相位，回路阻抗呈純阻，阻抗最小，電流最大；當信號頻率大于諧振頻率時，電路呈感性，而小于諧振頻率時，呈容性；電容和電感上的電壓大小相等，方向相反，且為激勵電壓的Q倍。

(2)并聯諧振時，電壓電流同相位，回路阻抗呈純阻，阻抗最大，電壓最大；當信號頻率大于諧振頻率時，電路呈容性，而小于諧振頻率時，呈感性；電容和電感上的電流大小相等，方向相反，且為激勵電流的Q倍。2.2.3抽頭并聯振蕩回路

抽頭并聯振蕩回路：激勵源或負載與回路電感或電容部分聯接的并聯振蕩回路。采用抽頭回路，可以通過改變抽頭位置或電容分壓比來實現回路與信號源的阻抗匹配如圖2-9（a）、（b），或進行阻抗變換如圖2-9（d）、（e）。抽頭系數（p）：與外電路相連的那部分電抗與本回路參與分壓的同性質總電抗之比，又稱為電壓比或變比。

圖2—9幾種常見抽頭振蕩回路

（2—18）（2—19）當諧振時，輸入端呈現的電阻設為R，從功率相等的關系看，有（2—20）對于圖2—9（b）的電路，

其接入系數p可以直接用電容比值表示為（2—21）（2—22）輸入阻抗電流關系

例2

如圖2—11，抽頭回路由電流源激勵，

忽略回路本身的固有損耗，

試求回路兩端電壓u(t)的表示式及回路帶寬。

2—11例2的抽頭回路

解由于忽略了回路本身的固有損耗，

因此可以認為Q→∞。由圖可知，

回路電容為諧振角頻率為電阻R1的接入系數等效到回路兩端的電阻為回路兩端電壓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因數回路帶寬2.3耦合振蕩回路在高頻電路中，

有時用到兩個互相耦合的振蕩回路，

也稱為雙調諧回路。把接有激勵信號源的回路稱為初級回路，

把與負載相接的回路稱為次級回路或負載回路。圖2—12是兩種常見的耦合回路。圖2—12（a）是互感耦合電路，圖2—12(b)是電容耦合回路。主要功能：①用來進行阻抗轉換以完成高頻信號的傳輸；②形成比簡單振蕩回路更好的頻率特性。

圖2—12兩種常見的耦合回路及其等效電路（2—24）對于圖2—12（b）電路，

耦合系數為（2—25）

圖2-12(a）2.4電子噪聲

噪聲：一切干擾和破壞有用信號的無用信號泛指為噪聲，它不僅影響有用信號的清晰度，嚴重時會淹沒信號。外部產生的稱為干擾，如天電干擾、其他電臺發射的電磁波、電源濾波不良、日光燈火花干擾以及相鄰電路串擾等；器件內部產生為內部噪聲。2.4.1內部噪聲的來源

電阻熱噪聲

；晶體管噪聲；場效應管噪聲

電阻熱噪聲：由于電阻體內的自由電子在一定溫度下，總是處于無規則的熱運動狀態，這種運動方向和速度都是隨機的，溫度越高，運動越劇烈。就一個電子來說，它運動