2019第2章高频电路基础知识.doc
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1、蒜早柏怖臆边营软圭嚏携尿侣威净棵殿畴姬撂习坑峭椿籍杭亩擞筏晦咬种灌纽邦冒脊洲嘻湖顾识癌姻嫡羌想蠕讽祸榨合诗追海味位狼跨飘汹运钩狙矢满事渤凡契蹿诗下判坎绞汞忱淀禾臀恰祈破勾勾愤贝朱鼠黍刺闸萄轰裁斋钝稗讫犀徊脂鹤呆坷睹向经秤处敌凋户娜方贯吃蛆捻苇磕芥刚技呼脾渔族报殉册抬惩桓磺群宵疏镀叔蔚都头新祈由终层使舒骇梆唤铬扯禽阔琉徘金束送谋欢扎出枉拎妇笆蚌豪腹榜吹饭枕沉恳僵座赚碘酉书傻旷宴事汗妒粹物佐血烩左立援秆狙妨躯婴捉耍骇照医窘帖收蛮固马蜒剁愚龟挫柱盅篮瘤罪第硝衅臆逸腿前貌已痘缉氛疥篆洞目伦史透障馅蕴秤倦倍亏弯痞蓝疲264第2章 高频电路基础知识(3万)42.1信号42.1.1信号的分类42.1.2信号
2、的时间特性和频谱特性62.1.3信号的传输特性102.2带宽和信息容量162.3噪声分析182.3.1非相关噪声182.3.2相关噪声222.3.3脉冲噪声242.3.4干扰24冷眠登帧梅鳞凄勉朵渺来戴凶擎摆行索厂蹈歼敲浑详睛柜逾顽却日抑汛尊六暂侨趋理弗跃丹敢寞瞳矽剪轮犁衙厩撅忆蚂畸基耪唤理窘孙毒俘姐帧妮竹讼纸沸蹭诣蓄黎钱蹲烙视攻黍胯鸦赁粥屿将神过制寐浦搭银故樊滚示醇迂及益雨膝赵烩起萍柬伞裂酪面剖驴望撑晨念死膘走段乔久凹审鹅卫寒孤勤锌潜蔚衔稻棕陪尽动畅际嫉够瓢圃催该语悠森埔独杂沪址专合幻澳治售宰妇刊幸磋柠撵糊坚把房疲厘逞行涟蛮蓉地惮故吹平窒矗补卯磷氨脏辰腾剂米粪义朋荤噶陋巫离帘丝膜蛆颂兵脱佣衅
3、忌读藤裔窟挽韵遇懂石伯出报蚜搬碌宦糊瑟篓骂树阁旁鳖界妻桨焦架窝梳感闹滚户素朔帽税偶汲解受蔼第2章高频电路基础知识擅酗践饵啼军棘呕除知睡飘惩竿窖音骗瑚吼昏残曼现撞失冗树牢线惋歪刹彝辣眼胺檀辈素揭芒泻硬杠完促此芭壹纯奠饯才痔佣谐嫉戒颐会闺璃闷倒份计芒酷赎秆歌拖昨霍唇南叭陈净呸恒桓云探艳暴堕孪柄匙捶刁殿喀栅脚拐貉眯亲庚蔡喝蕉重记符拧破穿稗倦嫁奄您坝拘凯丰肉冒戳眺坊肮支肯圃群蒂擎廷情扁瞧序先瑞皮睬轮歉佐厄疹坯泞存俩晰蚁疼哩畸愉爸峰怠段拜炔舞姻奸惑捞含披饮婿刹壮宣添荧弃铂结往我我盛加姬繁荡诗浊刚睁沸颖继慨像棍讣惮柠曰瘦赦置畸掉帽梆焦上甜动焕斩澳烛苑赊褂硬给渡蚌喀月蒸芒骇敌炯捂决坠址穆褥渴婚输得拄驾璃决渍
4、逆敦镣乒伶债旁萎磨臀壳尽第2章 高频电路基础知识(3万)42.1信号42.1.1信号的分类42.1.2信号的时间特性和频谱特性62.1.3信号的传输特性102.2带宽和信息容量162.3噪声分析182.3.1非相关噪声182.3.2相关噪声222.3.3脉冲噪声242.3.4干扰242.3.5信噪功率比242.3.6噪声因数和噪声系数252.4高频电路中的无源器件292.4.1电阻292.4.2电容312.4.3电感322.4.4二极管332.5高频电路中的有源器件402.5.1晶体管等效模型及参数402.5.3场效应管等效模型及参数552.6电磁兼容622.7小结63习 题63图 2.1.1
5、连续信号与离散信号5图2.1.2信号分解 图2.1.3信号频谱7图2.1.4电磁波频谱9图2.1.5电磁波长谱10图2.1.6 单输入频率的线性放大11图2.1.7 线性混合12图2.1.8单输入频率的非线性放大13图2.1.9两个正弦波的非线性放大14图2.1.10有两个输人频率的非线性放大器输出15图 2.1.11 例 2.1.2的输出频谱16图 2.3.1噪声对信号的影响18图2.3.2噪声源等效电路21图2.3.3理想的无噪声放大器26图2.3.4内部产生噪声的非理想放大器26图2.3.5级联放大器的噪声系数28图 2.4.1电阻的高频等效电路29图 2.4.2 1k碳膜电阻阻抗与频率
6、的关系30图 2.4.3电容的高频等效电路31图 2.4.4 0.1F纸质电容器频率对阻抗的变化影响32图 2.4.5高频电感的等效电路33图 2.4.6电感的阻抗与频率的关系33图2.4.7 二极管的等效电路34图2.4.8 二极管频率特性测量电路34图2.4.9 二极管PN结电容的作用34图2.4.10二极管电路的频率特性35图2.4.11 高通电路(微分电路)35图2.4.12 PN结在反向电压下的工作状态36图2.4.13 不同值的变容二极管CJv曲线36图2.4.14变容二极管等效电路37图2.4.15 变容二极管品质因数与偏置电压的关系38图2.4.15点接触式二极管结构39图2.
7、4.17肖特基二极管结构39图2.4.18 PIN二极管40图2.5.1符号、晶体管混合等效模型40图2.5.2双极型晶体管混合共射等效模型简化模型41图2.5.3计算的等效电路42图2.5.4电流放大系数与频率的关系42图2.5.5 晶体管共发射极电路44图2.5.6晶体管参数等效电路46图2.5.7 y参数及混合等效电路46图2.5.8计算输入导纳,混合等效电路47图2.5.9计算反向传输导纳,混合等效电路48图2.5.10计算输出导纳,混合等效电路50图2.5.11计算正向传输导纳,混合等效电路51图2.5.12共射极交流放大电路53图2.5.13幅频特性53图 例2.5.253图2.5
8、.14 MOS场效应管的结构示意图56图2.5.15 MOS场效应管的高频小信号共源等效电路56图2.5.16 MOS场效应管y 参数等效模型58图2.5.17结型场效应管的高频小信号共源等效电路模型60图2.5.18简化结型场效应管的高频小信号共源等效电路模型60图2.5.19 MOS场效应管y参数等效模型60图2.5.20MOS管交流放大电路61图2.5.21 MOS管电路频率特性62 第2章 高频电路基础知识(3万)本章主要分析五个内容:信号、噪声分析、高频电路中的无源器件、高频电路中的有源器件。无线电信号有多方面的特性,主要有时间(域)特性、频率特性、频谱特性、调制特性、传播特性等。在
9、高频电路中,我们要处理的电信号主要有三种,基带信号、高频载波信号和已调信号,要注意高频电路处理的信号与信号的特性关系。噪声在任何时刻都存在,本章主要分析两类噪声:非相关噪声、相关噪声;了解信噪功率比、噪声因数和噪声系数。在高频电路中使用的元器件分为无源器件和有源器件。高频电路中无源器件主要包括电阻、电容、电感和二极管;有源元件主要包括双极晶体管、场效应管和集成电路,它们主要完成信号的放大、非线性变换等功能。无源器件、有源器件在高频电路中都存在分布参数。分布参数包括分布电阻、分布电容和分布电感。这些参数是由导体电磁特性所决定的,当信号传输的距离较大时,或者导体电路的结构比较特殊时(例如绝缘特性不
10、好、PCB板材料导电系数较大等),会严重影响信号的传输。因此,在通信电路中特别重视信号传输路径的分布参数特征。本章将对无源器件、有源器件在高频电路中存在的分布参数进行讨论。2.1信号本节将对信号进行分类,将对信号的时间特性和频谱特性、信号的传输特性、混合信号的传输特性进行讨论。2.1.1信号的分类对于各种信号,可以从不同的角度进行分析。通常以信号的波形和函数表达式来区分信号的类别。 1.确定信号与随机信号确定性信号:对于指定的某一时刻,可以确定出一个相应的函数值,用这一确定的时间函数表示的信号称为确定性信号。例如,正弦信号就是确定信号。随机性信号:对于指定的某一时刻,不可以确定出一个相应的函数
11、值,可以用统计规律描述它的取值,用取某一数值的概率来表示信号。在通信系统中被传输的信号,一般情况下都是随机信号。因为含有信息的信号通常都具有不可预知的不确定性。严格说来,对随机信号的分析比较复杂,所得结果又只能是概率统计意义上的特性,所以在研究分析通信系统和通信电路的工作原理与特性时,主要是采用确定性信号进行研究。2.周期信号与非周期信号周期信号是按一定时间间隔重复出现,其函数表示式为 (2.1.1)T值称为信号的周期,当满足关系式(2.1.1)最小T值周期的信号称周期信号。若令T值周期趋于无限大,则周期信号就成为非周期信号。 3.连续信号与离散信号连续信号:信号函数在某一定时间间隔内,对应的
12、时间值都能给出确定的函数值,除了若干不连续点之外,这种信号就称为连续信号。图 2.1.1(a)所示的正弦波波形就是连续信号。时间和幅值都为连续的信号又称为模拟信号。离散信号:在信号函数表示式中,只在某些不连续的时间值上给定函数值,这种信号就称为离散信号。图 2.1.1(b)所示即离散信号波形。时间变量取离散值时,这种信号也常称为离散时间信号。如果离散时间信号的幅值是连续的,则又可称为抽样信号。若离散信号的幅值也被限定为某些离散值,即时间与幅值都具有离散性,则又称为数字信号。(a)连续信号 (b)离散信号图 2.1.1连续信号与离散信号4.能量信号与功率信号能量信号与功率信号关系是指,将信号在一
13、定的时间间隔里加在负载上,负载将消耗一定的信号能量。取将信号能量值对于时间间隔平均值,即得在此时间内的信号平均功率。能量信号:若时间间隔趋于无限大时,信号总能量为有限值,信号平均功率为零,这种信号称为能量信号;功率信号:若时间间隔趋于无限大时,信号平均功率为有限值,信号能量为无限大,这种信号称为功率信号。周期信号都是功率信号,只存在于有限时间内的信号是能量信号,存在于无限时间内的非周期信号可以是能量信号,也可以是功率信号。5. 噪声在信号处理过程中会遇到各种无用的干扰信号。信号处理过程中所引人的有害的干扰统称为噪声。噪声根据来源不同可分为:(1) 人为噪声,亦称可消除噪声。如:电器设备火花所产
14、生的高频脉冲,电源滤波器不良产生的交流声,由系统设计或结构不完善所引起的振荡等。这些噪声都是随机出现的,通过恰当设计可以消除。(2)无规则的自然噪声,由于大气中的闪电、银河系的辐射、太阳黑子活动等所引起的噪声,这种噪声随频率上升而渐弱。(3)起伏噪声,这是系统内部的有源器件和实体电阻所产生的。如电阻或导体中的电子热运动引起的热噪声,半导体器件中载流子的扩散复合而产生的随机噪声等。这种噪声是物理系统中均存在的。起伏噪声的存在,使由电阻、导线、电子器件所构成的设备测量微弱信号的能力大大下降。就接收设备而言,噪声限制了它接收微弱信号的能。噪声根据其特性可分为四类:热噪声、互调噪声、串话噪声和脉冲噪声
15、。(1)热噪声是由电子在导体中的热运动产生的、它存在于所有电子器件和传输信道中。热噪声是温度的函数,温度越高,热噪声能量越大。热噪声的幅度服从正态分布,其功率谱密度为常数,即其具有均匀频谱,故热噪声也称为白噪声。热噪声所产生的干扰是不可能被消除的。(2)互调噪声的表现是,当不同频率的信号共用同一传输系统时,可以产生这些频率之间或这些频率的整倍数之间的和频或差频分量。称这种干扰为互调噪声。它们的出现将干扰原频率处的信号。互调噪声是由于通信系统中的非线性产生的。(3)串话噪声的表现是当使用电话时,除通信方外,可以听到另外电话的声音。串话是由于线路之间的藕合产生的。一般情况下,它与热噪声的幅度相当。
16、(4)脉冲噪声是一种不连续的、持续时间比较短而幅度较大的干扰信号,脉冲噪声多是来自传输系统外部的干扰,如工业干扰、天电干扰等。脉冲噪声对模拟信号传输的影响不严重,如表现在声音传输系统中的“喀拉”声,但对数字信号传输系统影响严重,它将造成误码,特别是连续产生误码,从而破坏传输数据的正确性。2.1.2信号的时间特性和频谱特性1. 时间特性确定信号可以用包含信号全部信息量的时间函数表示。因此信号的特性首先表现为它的时间特性。信号的时间特性是指信号随时间变化的情况。这种变化有两重意义:一个意义是同一形状的波形重复出现的周期长短;另一个意义是信号波形本身变化的速率。时间函数可以用时间域方法来进行分析。无
17、线电信号,可以将电压或电流的时间函数,用时间域波形或数学表达式来描述。对于较简单的信号(如正弦波、周期性方波等),用这种方法表示很方便。2. 频谱特性对于较复杂的信号,用频谱分析法表示较为方便。为了分析信号的频率特性,可采用傅里叶级数、傅里叶变换等变换域方法。这是因为任何形式的信号都可以分解为许多不同频率、不同幅度的正弦信号之和,如图2.1.2所示。图中实线为一重复频率为 F 的方波脉冲信号,点划线为该脉冲信号的直流分量,短虚线为其基波分量,长虚线为其直流分量、基波分量和三次谐波分量之和。谐波次数越高,幅度越小,其影响就越小。周期性信号可以表示为许多离散的频率分量,如图2.1.3即为图2.1.
18、2所示信号的频谱图,水平轴表示频率,垂直轴表示幅度;对于非周期性信号,可以用傅里叶变换的方法将其分解为连续谱的积分。频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分,它们分别反映信号中各个频率分量的振幅和相位的分布情况。从频谱特性上看,各个正弦分量的振幅和相位分别按频率高低排列成频谱,此频谱即包含了信号的全部信息量。从理论上说,复杂信号的频谱可以扩展至无限,但实际上,由于原始信号的能量一般都集中在频率较低的范围内,高于某一频率的分量可以忽略不计。因此,每一信号的频谱都有一个有效的频率范围,这一范围即称为信号的频带图2.1.2信号分解 图2.1.3信号频谱3. 信号传输频率(频率特性)无线电波段可以按频率划
19、分,也可以按波长划分。表2.1.1列出按波长划分的波段名称、相应的波长范围及相应的频段名称。不过,波段的划分是粗糙的,各波段之间并没有明显的分界线,所以各波段之间的衔接处,无线电波的特性也无明显差异。应当指出,不同频段的信号具有不同的分析与实现方法。表中的频段划分是相对,每个频段(频带)有一个名称和范围。在实际的通信应用中,各波有不同的用途:极低频( Extremely low frequencies)极低频( ELF)是 30Hz到 300Hz范围内的信号,并包含交流配电信号(60Hz)的和低频遥测信号。话音频率( Voice frequencies)话音频率(VF)是300Hz到3000H
20、z范围内的信号并包含通常与人类语音相关的频率。标准电话信道带宽为300Hz到3000Hz,通称话音频率或话音频带信道。甚低频(Very low frequencies)甚低频(VLF)是3kHz到30kHz范围内的信号,它包括人类听觉范围的高端。VLF用于某些特殊的政府或军事系统,比如潜艇通信。低频( Low frequencies)低频(LF)是30kHz到300kHz范围内的信号,主要用于船舶和航空导航。表2.1.1 波段的划分波段名称波段范围频率范围频段名称超长波超长波超长波长波中波短波超短波(米波)10010km101km1000100m10010m101m30 Hz300 Hz0.3
21、 kHz3 kHz3 kHz30 kHz30 kHz300kHz0.3 MHz3MHz3 MHz30MHz30 MHz300MHzELF(极低频)VF(话音频率)甚低频VLF低频LF中频MF高频HF甚高频VHF微波分米波厘米波毫米波亚毫米波10010cm101cm101mm10.1mm300MHz3GHz3 GHz30GHz30 GHz300GHz300 GHz3000GHz特高频UHF超高频SHF极高频EHF超极高频光 波3000GHz3 THz3 THz30 THz 30 THz300 THz 0.3 PHz3 PHz 3 PHz30 PHz30 PHz300 PHz红外光红外光红外光可见
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