微波電子線路大作業(yè)

1、 微波電子線路大作業(yè) 第一部分1-1 噪聲系數(shù)定義一、表征單口網(wǎng)絡(luò)噪聲(噪聲源)的參數(shù)1. 熱噪聲功率，1928年，尼奎斯特在熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出電阻熱噪聲電壓均方值的表達(dá)式 (.1-1)式中，k=1.38×9-23(J/K)為玻耳茲曼常數(shù)；T為電阻溫度(K)；R為電阻值()；B為測(cè)試設(shè)備的通頻帶(Hz)。這就是尼奎斯特定理。表示在帶寬B內(nèi)，處于熱力學(xué)溫度T的電阻R所產(chǎn)生的熱噪聲開(kāi)路電壓均方值。若用等效源表示，可將一個(gè)熱噪聲電阻用等效為一個(gè)無(wú)噪聲電阻R與一個(gè)噪聲電壓源串聯(lián)而成的等效電壓源；或等效為一個(gè)無(wú)噪聲電導(dǎo)G與一個(gè)噪聲電流源并聯(lián)組成的等效電流源，。當(dāng)幾個(gè)電阻

2、串聯(lián)時(shí)，采用等效電壓源較方便；并聯(lián)時(shí)，采用等效電流源較方便。 當(dāng)接入負(fù)載電阻RL=R時(shí)，溫度為T(mén)的電阻R，在帶寬B內(nèi)產(chǎn)生的資用噪聲功率是 (.1-2) 熱噪聲是一種隨機(jī)過(guò)程，通過(guò)傅里葉分析知，其頻率分量是連續(xù)、均勻的頻譜分布，稱為白噪聲。由式(.1-2)得出資用熱噪聲功率的譜密度為 (W/Hz) (.1-3)上式表明，電阻輸出的單位帶寬資用噪聲功率只與熱力學(xué)溫度(K)二、表征雙口網(wǎng)絡(luò)(放大器、混頻器等)噪聲的參數(shù)理想網(wǎng)絡(luò)GReRiNiNeNoutT1T2圖.1-1 雙口網(wǎng)絡(luò)的噪聲等效電路1. 等效輸入噪聲溫度：一個(gè)實(shí)際雙端口網(wǎng)絡(luò)(線性或準(zhǔn)線性)，設(shè)網(wǎng)絡(luò)增益為G，其輸出端產(chǎn)生的總噪聲功率Nout

3、應(yīng)為網(wǎng)絡(luò)輸入端電阻Ri產(chǎn)生的噪聲功率Ni和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲功率在輸出端的貢獻(xiàn)之和。將實(shí)際網(wǎng)絡(luò)用理想網(wǎng)絡(luò)代替，把網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲折合到輸入端，用等效輸入噪聲功率Ne和等效輸入電阻Re來(lái)表示。則Ne通過(guò)理想網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)捷敵龆怂暙I(xiàn)的噪聲功率，將與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲功率在輸出端的貢獻(xiàn)相等。如圖.1-1所示。由此得出 (.1-7)由上式求出實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的等效輸入噪聲溫度為 (.1-8)式中Ti為網(wǎng)絡(luò)輸入端電阻(或等效輸入電阻)的噪聲溫度。由式(9.1-3)知，如果知道一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的等效輸入噪聲溫度，則它的輸出噪聲功率譜密度為已知，即。2. 噪聲系數(shù)：定義為當(dāng)規(guī)定輸入端溫度處于T0=290K時(shí)，網(wǎng)絡(luò)輸入端資用信號(hào)-噪聲功率比(

4、Si/Ni)與輸出端資用信號(hào)-噪聲功率比(Sout/Nout)之比值。其表達(dá)式為 (.1-9)由式(.1-7)得 或 (.1-10)令式(.1-7)中Ti=T0，代入(.1-9)得 或用dB表示 (.1-11)正比，與電阻的類型和阻值無(wú)關(guān)。三、級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù) 前面已得到，網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率為 (.1-12)可見(jiàn)輸出噪聲功率包括兩部分，其一為網(wǎng)絡(luò)輸入端的噪聲功率Ni經(jīng)網(wǎng)絡(luò)放大產(chǎn)生的輸出噪聲功率；其二是網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部噪聲折合到輸入端的噪聲功率(F-1)Ni經(jīng)網(wǎng)絡(luò)放大產(chǎn)生的輸出噪聲功率G(F-1)Ni。當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)時(shí)，設(shè)第一、第二個(gè)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)和增益分別是F1、G1和F2、G2，總噪聲系數(shù)和總增

5、益分別用Ft和Gt，則Gt=G1G2。 由式(.1-12)知，第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率為F1G1kTiB，可看作第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)的輸入噪聲功率。經(jīng)第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)放大后變成G2(F1G1kTiB)。第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部噪聲折合到輸入端的噪聲功率為(F2-1)kTiB，經(jīng)第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)放大后變成G2(F2-1)kTiB，所以兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)的總噪聲功率為所以 (.1-13)對(duì)于n個(gè)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，有 (.1-14a)或 (.1-14b)可見(jiàn)，對(duì)于級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如果第一級(jí)有足夠的增益，總噪聲主要來(lái)源于第一級(jí)的貢獻(xiàn)，故應(yīng)設(shè)法減小第一級(jí)的噪聲，并提高其增益。·2 噪聲系數(shù)的測(cè)量方法 測(cè)量網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的基本電路如圖9.2-1所示。

6、圖中噪聲發(fā)生器有“點(diǎn)燃”(熱態(tài)T2)與“熄滅”(冷態(tài)T1)兩個(gè)狀態(tài)。前者為噪聲功率輸出狀態(tài)，后者為將待測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入端接到冷態(tài)噪聲發(fā)生器的狀態(tài)。圖中的檢測(cè)指示器為匹配功率計(jì)或匹配平方律檢波器。.2-1 Y系數(shù) 冷態(tài)相當(dāng)于將待測(cè)網(wǎng)絡(luò)接在溫度為T(mén)1(室溫)的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)上。設(shè)此時(shí)測(cè)出的噪聲功率為Nout1。由式(.1-7)知 (.2-1) 熱態(tài)相當(dāng)于將待測(cè)網(wǎng)絡(luò)接在溫度為T(mén)2(噪聲發(fā)生器的等效噪聲溫度)的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)上，設(shè)此時(shí)測(cè)出的噪聲功率為Nout2。則 (.2-2)設(shè)Nout2與Nout1之比為Y，即 (.2-3)根據(jù)Y值可求出待測(cè)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度和噪聲系數(shù)，這樣測(cè)量噪聲的方法稱為Y系數(shù)法。 由

7、式(.2-3)可得等效輸入噪聲溫度為 (.2-4)噪聲系數(shù)為 (.2-5a)用dB表示有 (.2-5b)其中是室溫T1不等于標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度T0時(shí)的修正量，若T1=T0，則=0。上式變?yōu)?(.2-6)式(.2-5)和(.2-6)稱為Y系數(shù)方程。T1T2待測(cè)網(wǎng)絡(luò)F匹配功率計(jì)或檢波器匹 配噪聲發(fā)生器冷態(tài)T1熱態(tài)T2圖.2-1 噪聲測(cè)量基本電路2 測(cè)量方法與誤差 噪聲系數(shù)測(cè)量的基本方法是Y系數(shù)法。在具體測(cè)試中，按Y的取值不同分為直接比較法(任意倍數(shù)功率法)、等功率指示法和3dB法(Y=2，或稱功率倍增法，也稱二倍功率法)。下面分述之。一、直接比較法用直接法測(cè)定噪聲系數(shù)時(shí)，Y系數(shù)可以取任意值。測(cè)量方法是，

8、分別測(cè)出熱、冷兩態(tài)的噪聲功率比值Y(Y任意)，代入Y系數(shù)方程式(9.2-5b)或式(9.2-6)求出噪聲系數(shù)F。式中的是當(dāng)測(cè)試時(shí)室溫偏離290K時(shí)的修正值，一般可忽略不計(jì)。例如，ENR=18dB，Y=9，T1=300K時(shí)，僅約為-0.03dB。按圖.2-1的測(cè)量線路，設(shè)(1)在檢測(cè)帶寬內(nèi)，待測(cè)網(wǎng)絡(luò)為線性，它的資用功率增益Ga和等效輸入噪聲溫度Te為常數(shù)，且為單值響應(yīng)。(2)功率計(jì)在檢測(cè)帶寬內(nèi)為線性功率響應(yīng)，無(wú)噪聲，無(wú)反射。(3)噪聲發(fā)生器的T2、T1為已知常數(shù)，冷、熱兩態(tài)時(shí)的源阻抗與待測(cè)網(wǎng)絡(luò)匹配，則直接法的工作方程即為式(.2-4)和(.2-5)。由式(.2-4)和(.2-5)求偏微分得等效噪

9、聲溫度和噪聲系數(shù)的測(cè)量誤差方程分別為： (.2-7) (.2-8)在導(dǎo)出式(.2-8)時(shí)考慮了。 使用直接法應(yīng)注意，由于噪聲譜中含有在短周期內(nèi)幅度遠(yuǎn)大于均方噪聲功率的分量，所以，必須嚴(yán)格保持待測(cè)接收機(jī)不過(guò)載。其次，由于寬帶噪聲信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍很大，檢波規(guī)律的校準(zhǔn)很困難，采用標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)校準(zhǔn)檢波器的檢波律與采用噪聲功率校準(zhǔn)也不盡相同，而且當(dāng)Y值太大時(shí)，待測(cè)設(shè)備有可能因限幅而產(chǎn)生噪聲，這時(shí)應(yīng)選用下述的衰減等功率指示法。2-2 增益二端口功率增益的定義 功率增益可用增益變換功率增益3-3 BJT雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT）又稱為半導(dǎo)體三極管，它是通過(guò)一定

10、的工藝將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一起的器件，有PNP和NPN兩種組合結(jié)構(gòu)；外部引出三個(gè)極：集電極，發(fā)射極和基極，集電極從集電區(qū)引出，發(fā)射極從發(fā)射區(qū)引出，基極從基區(qū)引出（基區(qū)在中間）；BJT有放大作用，重要依靠它的發(fā)射極電流能夠通過(guò)基區(qū)傳輸?shù)竭_(dá)集電區(qū)而實(shí)現(xiàn)的，為了保證這一傳輸過(guò)程，一方面要滿足內(nèi)部條件，即要求發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度要遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，同時(shí)基區(qū)厚度要很小，另一方面要滿足外部條件，即發(fā)射結(jié)要正向偏置（加正向電壓）、集電結(jié)要反偏置；BJT種類很多，按照頻率分，有高頻管，低頻管，按照功率分，有小、中、大功率管，按照半導(dǎo)體材料分，有硅管和鍺管等；其構(gòu)成的放大電路形式有：共發(fā)射極、共基極和共集電極放大電路

11、。 4-4FET 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(xiě)(FET)）簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。根據(jù)三極管的原理開(kāi)發(fā)出的新一代放大元件，有3個(gè)極性，柵極，漏極，源極，它的特點(diǎn)是柵極的內(nèi)阻極高，采用二氧化硅材料的可以達(dá)到幾百兆歐，屬于電壓控制型器件。 特點(diǎn)具有輸入電阻高（108109）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者.作用場(chǎng)效應(yīng)管可應(yīng)用于放大電路，由于場(chǎng)效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容可以容量較小，不必使用電解電容器

12、.場(chǎng)效應(yīng)管還可以用作電子開(kāi)關(guān).場(chǎng)效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換.常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)作阻抗變換.場(chǎng)效應(yīng)管可以用作可變電阻.場(chǎng)效應(yīng)管可以方便地用作恒流源.分類信息按結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)管分為：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)（簡(jiǎn)稱JFET）、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)（簡(jiǎn)稱MOSFET）兩大類按溝道材料：結(jié)型和絕緣柵型各分N溝道和P溝道兩種.按導(dǎo)電方式：耗盡型與增強(qiáng)型，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管均為耗盡型，絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管既有耗盡型的，也有增強(qiáng)型的。場(chǎng)效應(yīng)晶體管可分為結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，而MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管又分為N溝耗盡型和增強(qiáng)型；P溝耗盡型和增強(qiáng)型四大類.見(jiàn)下圖 :主要參數(shù)Idss 飽和漏源電流.是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)

13、管中，柵極電壓UGS=0時(shí)的漏源電流.Up 夾斷電壓.是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管中，使漏源間剛截止時(shí)的柵極電壓.Ut 開(kāi)啟電壓.是指增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效管中，使漏源間剛導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓.gM 跨導(dǎo).是表示柵源電壓UGS 對(duì)漏極電流ID的控制能力，即漏極電流ID變化量與柵源電壓UGS變化量的比值.gM 是衡量場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù).BVDS 漏源擊穿電壓.是指柵源電壓UGS一定時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓.這是一項(xiàng)極限參數(shù)，加在場(chǎng)效應(yīng)管上的工作電壓必須小于BVDS.PDSM 最大耗散功率，也是一項(xiàng)極限參數(shù)，是指場(chǎng)效應(yīng)管性能不變壞時(shí)所允許的最大漏源耗散功率.使用時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)際功

14、耗應(yīng)小于PDSM并留有一定余量.IDSM 最大漏源電流.是一項(xiàng)極限參數(shù)，是指場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí)，漏源間所允許通過(guò)的最大電流.場(chǎng)效應(yīng)管的工作電流不應(yīng)超過(guò)IDSM管腳識(shí)別判定柵極G：將萬(wàn)用表?yè)苤罵×1k檔，用萬(wàn)用表的負(fù)極任意接一電極，另一只表筆依次去接觸其余的兩個(gè)極，測(cè)其電阻.若兩次測(cè)得的電阻值近似相等，則負(fù)表筆所接觸的為柵極，另外兩電極為漏極和源極.漏極和源極互換，若兩次測(cè)出的電阻都很大，則為N溝道；若兩次測(cè)得的阻值都很小，則為P溝道。判定源極S、漏極D：在源-漏之間有一個(gè)PN結(jié)，因此根據(jù)PN結(jié)正、反向電阻存在差異，可識(shí)別S極與D極。用交換表筆法測(cè)兩次電阻，其中電阻值較低（一般為幾千歐至十幾千歐）的一次為正向電阻，此時(shí)黑表筆的是S極，紅表筆接D極。比較場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件,而晶體管是電流控制元件.在只允許從信號(hào)源取較少電流的情況下，應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管；而在信號(hào)電壓較低，又允許從信號(hào)源取較多電流的條件下，應(yīng)選用晶體管.場(chǎng)效