第1章 CHAPTER 1 通信电子线路实践基础 电子元器件是高频电子电路的基本组成部分，是电路的基本单元。电子元件的选型及参数选择对通信电子线路的电气性能、可靠性、寿命周期等技术指标有很大的影响。因此，能正确有效地选择和使用电子元件是提高电子产品可靠性水平的重要工作。能正确地使用测量仪器，定性观察电路的动态过程，定量测量各种电参数，直接观察和真实显示被测信号波形，能正确处理实验测量中的大量数据等，是通信电子线路的实践基础，是从事电子信息科学研究和工程实践的基础。 1.1通信电子线路基础元器件的选型及 参数选择 1.1.1高频电容器 1. 高频电容器的类型 高频电容器按材质划分，可分为云母电容器、纸介电容器、陶瓷电容器和薄膜电容器等类型。 1） 云母电容器 一般是用金属箔和云母片交叠而成。新工艺上也有将铝或银粉喷涂在云母上，叠好，再在外面用胶木、塑料或瓷质等纯绝缘材料压紧、封固。这种电容器的优点是： 容量比较准确，漏电损耗小，温度稳定性好，绝缘电阻高，频率特性好，可用于中频、高频及要求耐压高的电路。缺点是： 价格较贵，容量范围小。 2） 纸介电容器 用两条长条形铝箔和两张条形绝缘纸交替叠好，卷成圆柱形，接出引线，经过浸蜡等工艺封固而成。这种电容器的优点是： 容量范围大，从几微法到几百微法都有，耐压程度一般也可满足要求，价格比较低廉。缺点是： 易损坏，使用年限较短。适用于频率小于0.5MHz的电路。 3） 陶瓷电容器 陶瓷电容由特殊陶瓷制成，分低介电常数型（Ⅰ型）、高介电常数型（Ⅱ型）和半导体型（Ⅲ型）3种。Ⅰ型容量不能做得太大，温度变化时容量也跟着线性变化，可以做成多种多样的温度系数； 容量偏差小，容量稳定； 绝缘电阻极高； 耐热，寿命长，体积小。Ⅱ型和Ⅲ型介电常数高，易做成容量大、体积小的产品。Ⅱ型、Ⅲ型与Ⅰ型特性基本相同，只不过它们没有温度系数线性和容量偏差小的特点。Ⅰ型产品主要用于对温度稳定性要求比较高的电路，如晶振、A/D转换和V/F转换电路的积分电容等，还可以用做温度补偿电容。Ⅱ型和Ⅲ型体积小，容量大，适宜作为高频滤波电容。 4） 薄膜电容器 介质用特殊塑料做成，如聚苯乙烯电容器、涤纶电容器。优点是： 耐压高、介质损耗小、绝缘电阻高、电容量比较稳定，可用于高、中频电路。缺点是： 不耐高温。 除了上述高频电容以外，在通信电子线路中也会用到铝电解电容器、钽电解电容器等。 2. 高频电容器的应用 1） 高频电容器的等效 由介质隔开的两导体即构成电容。片状电容在高频电路中的应用十分广泛，可以用于滤波器调频、匹配网络、晶体管的偏置等很多电路中。电容的高频等效电路如图1.1所示，其中LC为引线的寄生电感，描述介质损耗用一个并联的电阻RC。 图1.1电容的高频等效电路 由于存在介质损耗和有限长的引线，电容显示出与电阻同样的谐振特性。一个典型的1pF电容阻抗绝对值与频率的关系如图1.2所示。 图1.2典型电容阻抗绝对值与频率的关系 在高频时，电容中的电解质产生了损耗，造成电容器呈现的阻抗特征只有低频时才与频率成反比。 2） 旁路退耦电容器 旁路电容是把输入信号中的高频成分作为滤除对象。退耦电容是把输出信号的干扰作为滤除对象。退耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用，只是电容所处的位置不同。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1μF、0.01μF等，而退耦电容一般比较大。 在退耦网络的谐振频率之下，两个最重要的条件是： ①具有足够的电容以提供所需的瞬态电流； ②提供一个足够低的阻抗以短路IC所产生的噪声电流。 通过使用多电容网络，高频阻抗显著减小，低频阻抗没有减小，只是谐振下降的慢。实际上，在低频时，单一电容网络谐振时，使用多个电容时的阻抗通常高于使用单一电容时的阻抗。这是因为在0.1pF的情况下，总电容没有足够大到使网络呈现低阻抗。因此，使用大量等值电容是一个使低阻抗退耦网络在宽频带范围内实现的一个有效方法。这个方法在对大的IC退耦时非常有效。另外，不同值的多个电容，基于大电容将提供有效低频退耦，而基于小电容将提供有效高频退耦，有时建议用两个不同值的退耦电容。 为了减少器件产生的噪声干扰，退耦电容的取值根据退耦频率来确定，即 f=12πLC 式中，L为电路的分布电感； 高速芯片内部开关操作可能高达几吉赫，退耦电容同样需要有很好的高频特性。 3） 谐振回路电容器 谐振电容器是一种谐振电路元器件，往往是电容和电感并联或串联。当电容器放电时，电感开始产生一个逆向的反冲电流，电感充电； 当电感的电压达到最大时，电容放电完毕，之后电感开始放电，电容开始充电，这样的往复运作，称为谐振。而在此过程中电感由于不断地充放电，于是就产生了电磁波。在含有电容和电感并联的电路中，在某个很小的时间段内，电容的电压逐渐升高，而电流却逐渐减少； 与此同时，电感的电流逐渐增加，电感的电压却逐渐降低。而在另一个很小的时间段内，电容的电压逐渐降低，而电流却逐渐增加； 与此同时，电感的电流逐渐减少，电感的电压却逐渐升高。电压的增加可以达到一个正的最大值，电压的降低也可达到一个负的最大值，同样电流的方向在这个过程中也会发生正负方向的变化，此时称为电路发生电的振荡。 谐振电容器选择，一般用于10MHz以上的电路，谐振电容器的取值一般小于0.01μF。通过电容阻抗公式： XL=12πfC 工作频率越高、电容值越大，电容的阻抗越小。根据谐振频率，得 f0=12πLC 在谐振电路中，电容一般可以取10pF~0.01μF。由于引线和PCB布线的参数原因，实际上电容器也可以等效为电感和电容的并联电路。在LC并联谐振回路中，当工作频率大于谐振频率f0时，LC并联回路呈容性； 当工作频率小于谐振频率f0时，LC并联回路呈感性； 当工作频率等于谐振频率f0时，LC并联回路呈电阻性。 1.1.2高频电感器 1. 高频电感器的类型 高频电感器可分为天线线圈、振荡线圈和扼流线圈等类型。 1） 天线线圈 天线线圈是在磁棒上绕两组彼此不连接的线圈，构成了高频性质的变压器。作用是将空中的无线电波转换成高频电流传送到接收机的输入端，或将发射机的高频电流传送到发射天线辐射出去，具有选频、传送、匹配阻抗等作用。 2） 振荡线圈 振荡线圈分为中波振荡线圈、短波振荡线圈。振荡线圈的整个结构装在金属屏蔽罩内，下面有引出脚，上面有调节孔，磁帽和磁芯都是由铁氧体制成的。线圈绕在磁芯上，再把磁帽罩在磁芯上，磁帽上有螺纹，可在尼龙支架上旋上旋下，从而调节了线圈的电感量。 3） 共扼流线圈 将传输电流的两根导线按照图1.3的方法绕制。这时，两根导线中的电流在磁芯中产生的磁力线方向相反，并且强度相同，刚好抵消，所以磁芯中总的磁感应强度为0，因此磁芯不会饱和； 而对于两根导线上方向相同的共模干扰电流，则没有抵消的效果，会呈现较大的电感。由于这种电感只对共模干扰电流有抑制作用，而对差模电流没有影响，因此叫共模扼流圈。 图1.3共模扼流圈 2. 高频电感器的应用 1） 高频电感器的等效 电感通常由导线在圆导体柱上绕制而成，主要用于晶体管的偏置网络或滤波器中。电感除了考虑本身的感性特征，高频时还需要考虑导线的电阻以及相邻线圈之间的分布电容。电感的等效电路模型如图1.4所示。 图1.4电感的高频等效电路 电感的高频特性与理想电感的预期特性不同，其电抗特性如图1.5所示。当频率接近谐振点时，高频电感的阻抗迅速提高； 当频率继续提高时，寄生电容C成为主要的影响，线圈阻抗逐渐降低。 图1.5电感阻抗绝对值与频率的关系 在低频时电感的阻抗响应随频率的增加而呈线性增加。达到谐振点前开始偏离理想特征，最终变为呈电容性。 2） 高频电感的应用电路 在分频电路中，电感器与电容器组成分频网络，对高、低音进行分频，以改善频响效果。在接收机选频电路中，天线线圈与电容组成并联谐振网络，对磁棒天线接收到的无线电信号进行选频； 在振荡电路中，振荡线圈与电容组成振荡回路； 振荡信号与接收信号在晶体管内进行混频。混频后的信号从晶体管集电极输出，并由中频变压器送往中频放大器； 在电视接收机中，行振荡线圈与行振荡管组成振荡回路，经过自动频率控制电路，以达到行同步的目的。 图1.6所示是一种较典型的并联谐振回路匹配电路，在甚高频或大功率输出级，广泛利用LC变换网络来实现调谐和阻抗匹配。这种电路形式很多，就其结构来看，可概括为L形、T形、π形三类。图中RL是负载电阻，RS是信号源输出电阻。当电路用作级间匹配网络时，RL是下一级放大器的输入电阻，RS是前一级放器的输出电阻。当电路用在输入级或输出级时，RS，RL的具体含义视工作情况确定。 图1.6并联谐振回路匹配电路 1.1.3高频二极管 1. 高频二极管的类型 1） 快恢复二极管 快恢复二极管的内部结构与普通二极管不同，它是在P型、N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片。由于基区很薄，反向恢复电荷很小，不仅大大减小了反向恢复时间Trr值，还降低了瞬态正向压降，使管子能承受很高的反向工作电压。快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百纳秒，正向电流是几安至几千安，反向峰值电压可达几百到几千伏。超快恢复二极管SRD在快恢复二极管基础上发展而成的，其反向恢复时间Trr比FRD更短，是极有发展前途的电力、电子半导体器件。 2） 肖特基二极管 肖特基二极管是肖特基势垒二极管的简称。肖特基二极管是利用金属与半导体接触形成的金属半导体结原理制作的。因此，肖特基二极管也称为金属半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。SBD的结构及特点使其适合在低压、大电流输出场合用作高频整流，在非常高的频率下（如X波段、C波段、S波段和Ku波段）用于检波和混频，在高速逻辑电路中用作钳位。 3） 检波二极管 检波二极管又分为峰峰值检波二极管和平方律检波二极管，是用于把叠加在高频载波上的低频信号检出来的器件，它具有较高的检波效率和良好的频率特性。选用时，应根据电路的具体要求来选择工作频率高、反向电流小、正向电流足够大的检波二极管。检波和整流的原理是一样的，而整流的目的只是为了得到直流电，而检波则是从被调制波中取出信号成分（包络线）。高频电路中，检波二极管的结电容一定要小，通常为点接触二极管。为提高检波效率，要求正向电压降VF要小，所以通常采用正向压降比较低的锗材料。 4） 开关二极管 利用其单向导电特性使其成为一个较理想的电子开关。开关二极管导通时相当于开关闭合（电路接通），截止时相当于开关打开（电路切断），所以二极管可作开关用。开关二极管是专门用来做开关用的二极管，它由导通变为截止或由截止变为导通所需的时间比一般二极管短。开关二极管具有良好的高频开关特性（反向恢复时间较短），被广泛应用于各类高频电路中。 5） PIN型二极管 这是在P区和N区之间夹一层本征半导体（或低浓度杂质的半导体）构造的晶体二极管。PIN中的I是“本征”含义的英文缩略语。当其工作频率超过100MHz时，由于少数载流子的存储效应和“本征”层中的渡越时间效应，其二极管失去整流作用而变成阻抗元件，并且，其阻抗值随偏置电压而改变。在零偏置或直流反向偏置时，“本征”区的阻抗很高； 在直流正向偏置时，由于载流子注入“本征”区，而使“本征”区呈现出低阻抗状态。因此，可以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关（即微波开关）、移相、调制、限幅等电路中。 2. 高频二极管参数选择 1） 最大整流电流 二极管在长期稳定工作时，允许通过的最大正向平均电流。因为电流通过PN结会引起管子发热，电流太大，发热量超过限度，就会使PN结烧坏，所以在实际应用时工作电流通常小于IFM。 2） 最大可重复峰值反向电压 指所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是反向击穿电压VBR的一半。击穿时，反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至因过热而烧坏。 3） 反向恢复时间 当工作电压从正向电压变成反向电压时，电流不能瞬时截止，需延迟一段时间，延迟的时间就是反向恢复时间。Trr直接影响二极管的开关速度，在高频开关状态时，通常反向恢复时间越小越好。大功率开关管工作在高频开关状态时，此项指标尤为重要，Trr越小管子升温越小，效率越高。 4） 结电容 结电容包括势垒电容和扩散电容的总效果，它的大小除了与本身结构和工艺有关外，还与外加电压有关。在高频电路中，由于结电容的存在，随着信号频率的增高，其阻抗下降； 若结电容过大，就相当于在其两端并上一个可观的电容。由于电容的旁路作用，将降低二极管的高频响应。 5） 正向电压降 二极管通过额定正向电流时，在两极间所产生的电压降。通常硅材料的二极管VF>1V，锗材料、肖特基二极管为0.5V左右,根据需求进行选择。 6） 反向电流 指管子击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。反向电流IR与温度有密切联系，温度越高，反向电流IR会急剧增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。 1.1.4高频三极管 1. 高频三极管的类型 高频三极管一般应用在VHF、UHF、CATV、无线遥控、射频模块等高频宽带低噪声放大器上，这些使用场合大都用在低电压、小信号、小电流、低噪声条件下，其功率最大2.25W，集电极电流最大500mA。 高频三极管按照材质划分，可分为硅管材质的三极管和锗管材质的 三极管。按照结构划分，可分NPN型三极管和PNP型三极管。按照功能划分，可分为开关管、功率管、达林顿管、光敏管等。按照功率划分，可分为小功率管、中功率管、大功率管。按照工作频率分，可分为高频管、超频管。按照结构工艺分，可分为合金管、平面管。按照安装方式分，可分为插件三极管、贴片三极管。 1） 普通高频三极管 普通高频晶体管一般用于小信号处理（例如，图像中放、伴音中放、缓冲放大等）电路中。 2） 超高频低噪声功率管 超高频低噪声功率管是一种基于N型外延层的晶体管，具有高功率增益、低噪声的功率特性以及大动态范围和理想的电流特性。主要应用于VHF、UHF、CATV、无线遥控、射频模块等高频宽带低噪声放大器。 3） 中功率高频三极管 中功率高频三极管应用于彩色电视机中的行推动管，应选用中功率的高频晶体管。其耗散功率应大于或等于10W，最大集电极电流应大于150mA，最高反向电压应大于或等于250V。 4） 大功率高频三极管 大功率高频三极管应用于输出级，如彩色电视机中使用的行输出管属于高反压大功率晶体管，其最高反向电压应大于或等于1200V，耗散功率应大于或等于50W。 2. 高频三极管的参数选择 1） 电流放大系数 晶体管集电极电流IC与基极电流IB的比值称为电流放大系数，一般用β表示。当晶体三极管工作在低频段时，电流放大系数可以看成是常数βo； 但是工作在高频段时，晶体管的电流放大系数是频率的函数，随着工作频率的增加电流放大系数下降。 |β|=β01+ffβ2 其中，fβ=12πCb′erb′e。 高频电路的放大系数与特征频率、截止频率有关。fT为特征频率，即β值下降到1的频率，是表征晶体管在高频时放大能力的一个基本参量。fβ为截止频率，即共射放大电路中保持输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍，用频响特性来表述即为-3dB点处即为截止频率。 2） 耗散功率 耗散功率也叫集电极最大允许耗散功率PCM，是晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。它与晶体管的最高允许结温和集电极最大电流有密切关系，晶体管使用时，其实际耗散功率不允许超过PCM值，否则晶体管会因过载而损坏。PCM<1W的叫小功率晶体管，1W