高频电路
高频电路基本上是由无源元件、有源器件和无源网络组成的。高频电路中使用的元器件与低频电路中使用的元器件频率特性是不同的。高频电路中无源线性元件主要是电阻(器)、电容(器)和电感(器)。
高频电路是电子、信息、通信类等专业重要的技术基础课,主要讲述模拟通信功能电路的基本原理及实现方法。各个功能电路虽然经历了电子管、晶体管、场效应、集成电路及大规模集成系统等不同的实现过程,但是各个功能电路输入信号与输出信号的频谱变换关系是没有变化的,即基本原理是不变。高频电路是研究模拟通信功能电路的工作原理与分析方法。培养学生能在电子信息科学与技术、计算机科学与技术及相关领域从事科学研究、教学、科技开发、产品设计工作的能力。主要内容包括:选频网络;高频小信号放大器;噪声与干扰;正弦波振荡器;非线性电路与时变电路,高频功率放大器;模拟调制和解调;反馈控制系统AGC、AFC、PLL;频率合成技术等单元电路的分析与设计。
“高频电路”是一门工程性和实践性很强的专业基础课程,随着现代通信技术和无线电技术的发展,高频电路的教学内容不断充实、教学体系不断更新。
七十年代,以清华大学为代表,肖华庭教授组织编写了高频电路课程,本书特点:深入浅出,对于理论分析,既注重讲清物理概念,又注意使分析计算过程较为详细和连贯。把过去分散于电子技术各个领域的内容系统于此教材中,是一本好的高频电路教材。
七十年代后期,多年从事电子技术教学的武汉大学张肃文教授,努力用辩证唯物主义观点阐明科学规律,精简内容,讲清基本概念,基本原理和基本方法,贯彻理论联系实际的原则,培养学生分析和解决问题的能力,编写了高频电路。
八、九十年代,国家建立了电子电工学实验基地,遵循加强基础,优选内容,理论联系实际,培养学生综合素质的原则,各种新教材不断出现。其中哈尔滨工程大学阳昌汉教授主编的高频电路和西安电子科技大学曾兴文老师主编的《高频电路原理与分析》,都带有明显的时代特点和各自的长处。高频电路得到迅速发展。目前高频电路理论仍在不断充实与发展,越来越多的应用到其他学科领域。因此,掌握高频电路德基本知识有重要意义。
高频电路主要讲述模拟通信功能电路的基本原理及实现方法。各个功能电路虽然经历了电子管、晶体管、场效应、集成电路及大规模集成系统等不同的实现过程,
(1)广泛应用于各类通讯系统中,目前随着3G时代的到来,各大通讯公司都投入了大量的人力和财力研制和开发用于移动通讯、光通讯及计算机通讯中的高速和射频电路。
(2)多种电子仪器设备中也以高频电子中的单元电路为基础,而这些仪器设备对当前的科技发展和科学研究起了至关重要的作用;
(3)高频电路在计算机技术领域也有广泛应用,在当今高速数字信号系统中,为了传输、处理高速、大容量的数字信号,不但要求电路的工作频率越来越高,而且系统的通频带变得更宽,对高频电路的理论提出了更高的要求。
(4)在移动通讯和光通讯系统中,高频技术仍然是瓶颈,随着现代通讯的发展,对高频电路提出了许多新的研究课题。
(5)高频电子线路发展的趋势也是集成化,不但要实现单元电路的集成,随着技术的发展,必将走向系统集成,提高系统的可靠性、稳定性,降低成本。
现今是电子时代,不懂电子技术的人材是不完全的。我们的目标的是:通过努力早日将高频电路课程建设成全国精品课程。
(一)电阻
一个实际的电阻器,在低频时主要表现为电阻特性,但在高频使用时不仅表现有电阻特性的一面,而且还表现有电抗特性的一面。电阻器的电抗特性反映的就是其高频特性。
一个电阻R的高频等效电路,其中,CR为分布电容,LR为引线电感,R为电阻。
(二)电容
由介质隔开的两导体构成电容。一个理想电容器的容抗为1/(jωC),电容器的容抗与频率的关系如图1—2(b)虚线所示,其中f为工作频率,ω=2πf。
一个实际电容C的高频等效电路如图所示,其中Rc为损耗电阻,Lc为引线电感。容抗与频率的关系如图1—2(b)实线所示,其中f为工作频率,ω=2πf。
(a)电容器的等效电路;(b)电容器的阻抗特性。
(三)电感
理想高频电感器L的感抗为jωL,其中ω为工作角频率。
实际高频电感器存在分布电容和损耗电阻,自身谐振频率SRF。在SRF上,高频电感阻抗的幅值最大,而相角为零。
设计高频电路用电路板有许多注意事项,尤其是GHz等级的高频电路,更需要注意各电子组件pad与印刷pattern的长度对电路特性所造成的影响。最近几年高频电路与数字电路共享相同电路板,构成所谓的混载电路系统似乎有增加的趋势,类似如此的设计经常会造成数字电路动作时,高频电路却发生动作不稳定等现象,其中原因之一是数字电路产生的噪讯,影响高频电路正常动作所致。为了避免上述问题除了设法分割两电路block之外,设计电路板之前充分检讨设计构想,才是根本应有的手法,基本上设计高频电路用电路板必需掌握下列三大原则:高质感。 不可取巧。 不可仓促抢时间。
(a)印刷pattern的长度会影响电路特性。
尤其是传输速度为GHz高速数字电路的传输线路,通常会使用strip line,同时藉由调整配线长度补正传输延迟时间,其实这也意味着电子组件的设置位置对电路特性具有绝对性的影响。
(b)Ground作大better。
铜箔面整体设置ground层,而连接via的better ground则是高频电路板与高速数字电路板共同的特征,此外高频电路板最忌讳使用幅宽细窄的印刷pattern描绘ground。
(c)电子组件的ground端子,以最短的长度与电路板的ground连接。
具体方法是在电子组件的ground端子pad附近设置via,使电子组件能以最短的长度与电路板的ground连接。
(d)信号线作短配线设计。不可任意加大配线长度,尽量缩短配线长度。
(e)减少电路之间的结合。尤其是filter与amplifier输出入之间作电路分割非常重要,它相当于audio电路的cross talk对策。
高频电路板的设计步骤大致上可整理成如下:
1.根据外筐尺寸的限制,决定电路板的大小。
2.制作印刷电路板外形,与library的data。
3.决定高频电路单元与信号处理单元的封装位置。
基本上高频电路单元与模拟/数字信号处理单元必需分开封装,分割方式有两种分别如下:
(a).将电路板正面与反面的的高频电路单元与数字信号处理单元分开,主要原因是数字电路的噪讯很容易流入高频电路单元,高频电路单元的背面设置数字电路时,必需避免两者的封装在相同角落上。
(b).将电路板对分成高频电路单元与数字信号处理单元各占一半的场合,高频电路单元的控制信号线回绕长度如果过过长时,很容易受到数字电路噪讯的影响。
4.电路板设置电子组件。组件设置作业对设计高频电路板而言具有决定性的影响,尤其是包含ground via与连接via的面积,以及如何确保电子组件之间的space等设计非常的重要,例如电子组件之间的space设计不当的话,将招致无法设置ground via,以及无法连接via等严重后果,也就是说电子组件的配置是否适宜,会使高频电路的性能产生重大变化。
5.设计配线:除了印刷pattern的配线之外,同时还需要调整line的阻抗(impedance),并设置ground via。
6.检查配线:完成电路板data之后必需检查设计规范(rule),尤其是检查print out的配线是否有任何设计上的疏失,如果电路板有正、反面辨识上的需求时,可提出数据数据要求厂商制作。
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[2] 电子技术支持网 http://www.8ttt8.com/d/w1971.htm
[3] 技术网 http://www.pcbtech.net/article/design/061344N2007/4478.html
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