射频模拟电路 电子PPT教材 电子科技大学 2003年9月

绪论 第1章 选频放大器 第2章 线性功率放大器 第3章 波形发生与变换电路 第4章 频谱搬移电路 第5章 频谱的非线性变换 ——角度调制与解调 第6章 射频电子系统 第7章 射频电路集成芯片

绪 论 与“模拟电路基础”的不同： 大部分属非线性电子电路。 “高频” 在一个系统中是相对的概念。 绪 论 与“模拟电路基础”的不同： 大部分属非线性电子电路。 “高频” 在一个系统中是相对的概念。 杂散参数，如引线电感、分布电容对电路影响严重，甚至会引起电路的不稳定。 有源器件要看成双向器件，单向化模型在这里只能作近似分析。 分析方法不同，“非线性电路”的分析方法。

与“模拟电路基础”的共性 高频电路馈电及偏置电路的基本原理与方法和低频模拟电路相同，但必须更仔细地考虑高频电路的馈电电路的去耦及接地。为了防止分布电容形成寄生耦合及电感的电磁辐射产生的寄生耦合，高频电路还必须考虑良好、合理的屏蔽。电路的基本形式、基本工作原理、偏置方法、反馈、电路的稳定性、信号源的属性、放大电路的基本特性等都是相同的。

0.1 射频模拟电路在通信系统中的地位 射频模拟电路几乎包括了无线通信电路中的所有单元电路。图0—1为无线电发射机与无线电接收机的原理框图。从图中可见，射频电路几乎是无线电发射机和接收机的全部。石英晶体振荡器、缓冲放大、倍频、调制、功率放大、低噪声高频放大、混频、振荡、中频放大、检波等都是射频电路要讲述的内容。

（无线通信、有线通信） 通信：准确而迅速地传递信息。 1、语言与文字 （最基本的传输手段） 2、光通信 （远距离通信，迅速准确） 3、电通信 Maxwell 发现电磁场基本理论 Hertz 实验证明了电磁场理论 Morse 有线电报 Bell 有线电话 马克尼 无线通信

调制：装载信息的过程，让载波的某个特征量（振幅、频率和相位）按信息的变化规律而变化。 调制的方法：连续波调制、脉冲波调制 连续波调制包括：调幅、调频、调相 调制的目的： 从切实可行的天线出发 区别不同的音频信号 可实现的回路带宽

0.2 非线性电路的基本特点 严格来讲，任何器件，如晶体二极管、双结晶体管、场效应管，都是非线性的。这种非线性是指器件特性的非线性，不考虑时间的非线性。这种器件被称为时不变非线性器件。

时不变非线性器件的特点： 非线性 定义 点的直流电导 点切线的斜率定义为 点的交流电导（微分电导）： 非线性器件的 与 是不相等的。 与 不相等的不一定是非线性器件。

在 上叠加一个交变电压 电流波形与电压波形之间发生了严重的畸变，这就是非线性的结果。电流波形是周期的，可分解为无穷多个余弦信号之和：

不满足叠加原理

0.3 课程特点 工程性，着重培养学生的电子电路工程设计能力。 分析方法，如折线法、幂级数法、开关函数法、线性时变参数法等。   0.3   课程特点 工程性，着重培养学生的电子电路工程设计能力。 分析方法，如折线法、幂级数法、开关函数法、线性时变参数法等。 实践性，培养分析电路的能力。

第1章 选频放大器 1.1 谐振电路的基本特性 选频电路：选出有用信号，抑制其他无用信号、干扰 与噪声，提高系统的信号质量和抗干扰能力。 第1章 选频放大器 选频电路：选出有用信号，抑制其他无用信号、干扰 与噪声，提高系统的信号质量和抗干扰能力。 谐振放大器：负载为谐振回路。 谐振放大器包括：小信号调谐放大器 谐振功率放大器之分 1.1 谐振电路的基本特性 作用：选频、滤波、作负载、移相网络、 相频转换网络

1.串联谐振电路的基本特性 电感L与电容C串联构成了串联谐振电路。r代表电感L的损耗电阻。 阻抗 电抗 1.1.1简单串并联谐振电路的基本特性 1.串联谐振电路的基本特性 电感L与电容C串联构成了串联谐振电路。r代表电感L的损耗电阻。 阻抗 电抗

(初相角为零)， 。 回路电流 (复数) ： 模 相角

X＝0 串联谐振电路的谐振频率 谐振时 回路电抗X＝0 阻抗Z=r 最小 为纯阻 在其他频率上，回路电抗X≠0。 回路呈感性 回路呈容性 串联谐振时的电流： 谐振时回路电流最大，且与外加电压同相。

线圈L上的电压： 射频电路的工程实际中，总是满足 定义品质因数 电感线圈上的电压在谐振时为信号源电压的 倍。

电容C上的电压： 电容上的电压同样为信号源电压的 倍，仅相位与电感 上的电压相反，因此串联谐振称为电压谐振。

归一化抑制比 (复数) :串联谐振电路任意频率下的电流表达式与谐振时电流表达式之比 ： 归一化抑制比 (复数) :串联谐振电路任意频率下的电流表达式与谐振时电流表达式之比 ： 广义失谐:

电感L与电容C并联构成并联谐振回路(如图1—4所示),r是电感中的损耗电阻。 2．并联谐振回路的基本特性 电感L与电容C并联构成并联谐振回路(如图1—4所示),r是电感中的损耗电阻。

在工程中总是满足

并联谐振回路的谐振电阻 并联谐振回路的谐振频率

谐振时，回路阻抗 纯阻性，损耗r愈小， 愈大， , 。 谐振时的端电压 最大

并联振荡回路的阻抗只在谐振时才是纯电阻，并达到最大值。 失诣时，并联振荡回路的等效阻抗Z包括电阻和电抗。 回路等效阻抗中的电抗是容性 回路等效阻抗中的电抗是感性 这是由于，并联回路的合成总阻抗的性质总是由两个支路个阻抗较小的那个支路的阻抗性质决定的。

流过电容的电流 并联谐振回路的品质因数

流过电感线圈的电流

谐振时流经电感与电容的电流是信号源电流的Q倍，二者之间大小相等，方向相差 。似乎有一回路电流在电容与电感中流过，该电流常被称为回路电流( )。因此，并联谐振又称为电流谐振。

归一化 广义失谐 串联谐振回路与并联谐振回路具有相同的归一化表达式。

归一化后， 的值在 (谐振点)时取最大值1。 回路的品质因数愈高，曲线愈尖锐，对外加电压的选频作用愈显著，回路的选择性就愈好。 回路Q的大小可说明回路选择性的好坏。

3. 信号源内阻与负载电阻对谐振回路品质因数的影响

串联型谐振回路有载品质因数 并联型谐振回路有载品质因数 实际系统中考虑了信号源内阻及负载电阻影响后的有载品质因数

品质因数实际上描绘的是系统储能与耗能之间的关系。 特性阻抗 4．品质因数的物理意义 品质因数实际上描绘的是系统储能与耗能之间的关系。 特性阻抗

电容上的瞬时电压： 电容中储能（谐振时）

电感中储能（谐振时） 谐振时，电容上的储能和电感中的储能的最大值相等，仅在相位上相差 。 任何时刻，总的储能为常数。 电阻上消耗的功率：

一个周期中的耗能： 谐振回路的品质因数是系统中的总储能与一个周期中的耗能之比乘以 。

三分贝通频带(半功率点通频带) ：即 下降到0.707或 时的通频带。 5．串并联谐振回路的通频带与选择性 三分贝通频带(半功率点通频带) ：即 下降到0.707或 时的通频带。

在射频模拟电路的范畴内， (谐振回路一般用于窄带系统)。 在射频模拟电路的范畴内， (谐振回路一般用于窄带系统)。 绝对频移：

令 通频带 谐振回路的通频带与 成反比， 愈大，通频带愈窄。 矩形系数： 降到0.1时的通频带与降到0.707时的通频带之比。 总是大于1，理想矩形的 。 愈接近1，选择性愈好。

简单串并联回路的选择性很不好，它的矩形系数远大1。

6．谐振回路的相频特性—群延时特性 单音调幅波 载波角频率 调幅指数 调制信号频率 上边频 下边频 频带宽度

边频 ， 通过谐振回路后产生的相移为 。 单音调制调幅波通过谐振回路后仍然是调幅波，但是调幅指数下降为 是谐振回路对 呈现的阻抗的模 包络产生延时

定义群延时 谐振时 即是归一化相频特性通过点 的斜率，令

结论：回路品质因数 愈高，相频特性愈陡峭， 变大。如果 ，即 ，则各频率分量通过系统的延时都为 ，合成的信号包络也仅延时 ，波形包络的形状不变，不会产生相位失真。

1.1.2串并联阻抗等效互换

串联形式的有载品质因数： 并联形式的有载品质因数： 串并联互换前后的品质因数不会发生变化。

这个结果表明：串联电路转换成等效并联电路后，电抗X2的性质与X1相同，在QL较高的情况下，其电抗X基本不变，而并联电路的电阻R2比串联电路的电阻R1大 倍。 串联形式电路中的电阻愈大，则损耗愈大；并联形式电路中的电阻愈小，则分流愈大，损耗也愈大，反之亦然，所以二种电路是完全等效的。

采用部分接人的办法，可降低信号源内阻及负载电阻对谐振回路的影响，提高回路的有载品质因数，阻抗匹配。 2．回路抽头时阻抗的变比关系 采用部分接人的办法，可降低信号源内阻及负载电阻对谐振回路的影响，提高回路的有载品质因数，阻抗匹配。 接入系数

1.电感抽头改变阻抗变比关系 ab端看进去的阻抗 db端看进去的阻抗 （谐振时）

电感线圈的总电感 (忽略回路互感的影响) 并联电容为C 接入系数 电感线圈 的匝数 电感线圈 的匝数

令 变换前后的谐振频率不变 串并互换，设

部分接入可以完成阻抗变换 改变 改变 由低抽头向高抽头转换时，等效阻抗提高 倍。反之，由高抽头向低抽头转换时，等效阻抗降低至 倍。

未采用部分接入 采用部分接入 增大

2.电容分压阻抗变比关系

感性

3.电流源、电压源的变比折合

能量守恒

1.2高频小信号调谐放大器 1.2.1 高频小信号放大器的基本要求 高频小信号放大器是放大器最基本的一大类。 1.2.1 高频小信号放大器的基本要求 高频小信号放大器是放大器最基本的一大类。 频率范围：几百千赫到几千兆赫(凡是用集总参数分析的电路都包括在内)。 小信号：相对而言，信号电平处在放大器的“线性”范围内部可认为是“小”信号。 “线性”：指非线性项在这里起的作用很小，可以忽略。

高频小信号放大器的分类： 所用器件不同：晶体管、场效应管、集成电路放大器。 通过频谱的宽窄：窄带、宽带放大器。 电路形式：单级、级联放大器。 负载性质：谐振、非谐振放大器。

谐振放大器 用串联或并联谐振回路或耦合谐振回路作为放大器的负载。 谐振回路的谐振频率(考虑晶体管影响后)位于输入信号的中心频率。 信号带宽与谐振回路的通频带基本一致。 放大器对信号有极大的增益，信号带宽外，增益迅速减小。 谐振放大器具有很好的选频能力。

性能指标 ： 高频小信号放大器工作于放大器的线性区，放大器可用线性四端网络来等效，对线性网络的分析方法都适用于高频小信号放大器。 1．增益 电压增益 ：放大器的输出信号电压(负载上的电压) 与输入信号电压之比 。 功率增益 ：负载上输出信号功率与输入信号功率之 比 。

2．通频带与选择性

通频带：与谐振回路相同，决定于回路的形式和回路的等效品质因数QL。放大器的总通频带，随着级数的增加而变窄。并且，通频带愈宽，放大器的增益愈小。 三分贝带宽来定义 选择性：放大器从含有各种不同频率的信号总和(有用的和有害的)中选出有用信号排除有害(干扰)信号的能力，称为放大器的选择性。

选择性用矩形系数 或 ， 来定义： 显然，矩形系数 愈接近1，则实际曲线愈接近理想矩形，邻近波道选择性愈好，滤除邻近波道干扰信号的能力愈强。通常谐振放大器的矩形系数 ，约在2~5的范围内。

3．噪声系数：定义为放大器输入信噪比与输出信噪比之比。在放大器中，总是希望它本身产生的噪声愈小愈好。 4．工作稳定：工作稳定性是指放大器的工作状态(直流院置)、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定程度。一般的不稳定象是增益变化、中心频率偏移、通频带变化、谐振曲线变形等。不稳定状态的极端情况是放大器自激以致使放大思完全不能工作。

1.2.2 高频晶体管小信号等效电路模型与参数 1.高频晶体管网络参数模型 网络参数模型实质上是将晶体管看成是四端网络，用网络参数等效晶体管特性，晶体管的内部物理过程不予考虑。

输出短路时的输入导纳 输入短路时的反向传输导纳 输出短路时的正向传输导纳 输入短路时的输出导纳

短路导纳参数仅表示晶体管在输入端或输出端短路时的参数。它们是晶体管本身的参数只与晶体管的特性有关而与外电路无关所以又称内参数。晶体管构成放大器后，由于输入端、输出端都接有外电路晶体管和有关外电路被看成一个整体，于是得到相应的放大器y参数它们不仅与晶体管有关而且与外电路有关，故又称外参数。

2.高频晶体管的物理模型—混合 型等效电路

3．晶体管混合 型电路参数与网络参数之间的转换 3．晶体管混合 型电路参数与网络参数之间的转换

1.2.3 晶体管的高频参数 共射组态时 ，电流放大倍数 晶体管共射组态的截止频率,是 下降到 时对应的频率。

特性频率 ： 下降到l所对应的频率。

当晶体管共射组态时，工作于远大于 的工作频率时，电流放大倍数的模值可由上式计算。 例:MRF571， ， ，计算 时的 。

最高振荡频率 :晶体管功率增益 时的工 作频率 表示一个晶体管所能适用的最高极限频率。 实际工作频率应等于最高振荡频串的1/3~1/4。

1.2.4 晶体管高频小信号单调谐回路谐振放大器

1. 放大器的输入导纳 集电级C向右看进去的回路总导纳

放大器的输入导纳： 放大器的输入导纳不但与 有关，还与输出参数及 、 、 有关。 当 时， ，此时晶体管成为单向器件。

2．电压增益 并联谐振回路的空载品质因数 谐振电阻 谐振电导 谐振回路两端向右看进去的总导纳

令

放大器的调谐回路的谐振频率 工作频率对 的失谐 回路的有载品质因数 广义失谐

(谐振) 归一化 说明，高频小信号单调谐谐振放大器的归一化抑制比的表达式与简单谐振回路表达式完全一样，因此它们的3dB带宽和矩形系数完全一样。

放大器的电压增益大小与哪些因素有关

令 ，求得极值点 放大器的最大电压增益仅决定于晶体管参数 ， ， 以及谐振回路的性质 ，即 的比值。 越大越好，也就是说谐振回路的空载品质因数越高， 越大。

3．功率增益

输入电压的有效值 输入功率 输出功率

谐振时 令

结论： (1)谐振时， (2)失配损耗 ，表征的是负载与晶体管的失配程度，它的最大值为1。 时， 均小于1。 匹配情况

(3)插入损耗 ，它表征回路固有损耗使功率增益 降低的比例。 回路本身损耗为零， , ，表明回路对功率增益 无影响。一般情况下， 。 (4) 谐振状态时的最大增益 仅与晶体管本身的参数有关 (5) 表明失谐状态的程度对功率增益的影响。

4．小信号单调谐回路谐振放大器的通频带与选择性 3dB通频带与简单谐振回路相同

当晶体管选定，电路完全确定以后，放大器的带宽增益乘积 是一个常数，带宽愈窄，增益愈高，反之亦然。带宽增益乘积与 成反比， 愈小，带宽增益积愈大。 谐振回路电容取决于 不稳定 必须外接—定值的电容 矩形系数

1.2.5 高频小信号单调谐回路谐振放大器级联 1.级联放大器的电压增益 2．级联放大器的通频带与选择性 通频带 如每级放大器完全相同

等于各单级谐振曲线的乘积，级数越多，谐振曲线愈尖锐，选择性虽很好，通频带却变窄了。 为级联放大器3dB带宽的缩小因子

若总的通频带保持为单级原放大器通带 ，则级联后每级放大器的通带要增大 倍。 选择性 令

n增加时， 迅速减小，选择性得到改善。但n增加使 减小是有限的，即使 ， 也只能到2.56，这与理想情况的1还有极大的距离。

1．放大器稳定性分析 晶体管是双向器件， 是反应内反馈大小的参量。 放大器的输入导纳为： 1.2.7 高频小信号调谐放大器的稳定性 1．放大器稳定性分析 晶体管是双向器件， 是反应内反馈大小的参量。 放大器的输入导纳为：

某些频率上为 负值 负电导 回路的总电导减小，QL增加，通频带减小，增益因损耗的减小而增加。 相当于负电导 供给回路能量。 反馈到输入端回路的电导的负值恰好抵销了回路原有的电导 的正值; QL趋向无穷大，放大器失去放大性能，处于自激振荡状态。

振荡的临界条件为：

输出回路

设输入、输出回路相同，

自激振荡条件 稳定性系数 放大器稳定的临界状态 放大器稳定 放大器不稳定

设 反馈电容 输入、输出回路都是部分接入 接入系数

稳定性系数 是与放大器的电压增益相关联的。 晶体管选定后(即 和 给定) 工作频率确定 确定 电压增益 就被限定了 增益太高，会引起电路稳定性恶化。

为保证放大器的稳定，增益不能太高，为保证稳定的高增益，应选 大且 小的晶体管。 2．提高放大器稳定性的措施 为保证放大器的稳定，增益不能太高，为保证稳定的高增益，应选 大且 小的晶体管。 在晶体管选定后在电路上采取措施，抵消 的影响。 (1)中和法

即是外加的反馈电容，称为中和电容 (2)失配法 信号源内阻与负载不相等称为失配状态。假如负载导纳 很大，放大器处于失配状态 放大器的 ，近似认为晶体管为单向器件。

共基组态的输入导纳是前级共射阻态放大器的负载，共基阻态的输入导纳是很大的，将引起失配。共基组态的输出阻抗很高，可直接与谐振回路相连。由于使用了双管，两管总的增益比单级共射阻态放大器的增益略高。 可以证明复合管的y参数如下：

复合管的 变小，提高了稳定性 习题： 1-1， 1-2， 1-3， 1-4， 1-5， 1-8