通信電子線路ch3 小信號諧振放大器及電子噪聲

3.0概述3.1高頻晶體管3.2小信號諧振放大器3.3雙調(diào)諧共發(fā)射極調(diào)諧放大器3.4小信號諧振放大器的穩(wěn)定性3.5多級放大器及集中選擇性放大器3.6電子噪聲與噪聲系數(shù)第3章小信號諧振放大器及電子噪聲3.0概述高頻小信號放大器：放大高頻小信號(中心頻率在幾百KHz到幾十MHz的范圍內(nèi)）的放大器。放大器的分類：

按照所用器件：晶體管、場效應(yīng)管和集成電路放大器；

按照通過頻譜的寬窄：窄帶和寬帶放大器；

按照電路的形式：單級和級聯(lián)放大器；

按負載性質(zhì)：諧振放大器和非諧振放大器；小信號諧振放大器:采用諧振回路作為負載，放大微弱的高頻信號(中心頻率在幾百KHz到幾十MHz的范圍內(nèi)）的晶體管窄帶放大器。小信號諧振放大器在通信系統(tǒng)中的位置

高頻放大和中頻放大是高頻小信號放大器。小信號（接收機）：3.1高頻晶體管

晶體管在高頻線性應(yīng)用時，可用等效電路說明特性并分析。它常用到兩種等效電路：混合型交流等效電路Y參數(shù)等效電路3.１.1

晶體管的混合等效電路各元件意義和數(shù)值：

集電結(jié)勢壘電容，約為幾PF。它將輸出的交流電壓反饋一部分到輸入端（基極），可能引起放大器自激。（越小越好）。

發(fā)射結(jié)擴散電容。晶體管的混合等效電路的參數(shù)

基極體電阻：產(chǎn)生熱噪聲；損耗有用信號；在共基電路，會引起高頻負反饋。希望其盡量小。

互導(dǎo)表示由發(fā)射極擴散到集電極的電流與發(fā)射結(jié)電壓的比值。它的大小反映了發(fā)射結(jié)電壓對集電極電流的控制能力。

發(fā)射結(jié)結(jié)電導(dǎo)：

互導(dǎo)：晶體管的混合等效電路的參數(shù)

集電結(jié)電導(dǎo)：

集射極電導(dǎo)：可以忽略?？梢院雎浴?.1.2Y參數(shù)等效電路輸入導(dǎo)納：

輸出導(dǎo)納：

正向傳輸導(dǎo)納：

反向傳輸導(dǎo)納：對混合等效電路和Y參數(shù)等效電路的說明混合等效電路中的每一元件值都與晶體管內(nèi)發(fā)生的某種物理過程具有明顯的關(guān)系；而Y參數(shù)等效電路沒有牽涉晶體管的物理機構(gòu)和工作的物理過程。混合等效電路中的各參數(shù)與頻率無關(guān)，在手冊中可以查到晶體管的各混合參數(shù)，它適用于寬頻帶放大器的分析，但其電路復(fù)雜，計算麻煩；Y參數(shù)等效電路簡單，計算方便，但參數(shù)隨頻率而變，適用于小信號諧振放大器的分析。

yie=gie+jωCieyoe=goe+jωCoe[Coe≈Cb′C]yfe=|yfe|∠φfeyre=|yre|∠φre

gie:晶體管輸入電導(dǎo)

goe:晶體管輸出電導(dǎo)

Cie:晶體管輸入電容

Coe:晶體管輸出電容

混合等效電路和Y參數(shù)等效電路的參數(shù)可以互相轉(zhuǎn)換3.1.3晶體管的高頻參數(shù)①截止頻率定義：下降到低頻電流放大系數(shù)的倍時，所對應(yīng)的頻率稱為的截止頻率。②特征頻率定義：下降到1時，所對應(yīng)的頻率稱為的特征頻率。當(dāng)時，③最高振蕩頻率定義：晶體管的功率增益為時,所對應(yīng)的頻率稱為最高振蕩頻率表示一個晶體管所能適用的最高極限頻率，在此頻率，晶體管已不可能得到功率放大。④任意的的計算： 為了使電路工作穩(wěn)定,且有一定的功率增益,晶體管的實際工作頻率因為最高振蕩頻率的3.2小信號諧振放大器調(diào)諧放大器原理電路圖

、為直流偏置電阻；為直流反饋電阻；、為交流旁路電容；LC

組成并聯(lián)諧振回路小信號諧振放大器的分類1.按諧振頻率是否可調(diào)（1）調(diào)諧放大器：調(diào)諧回路隨外來信號頻率諧振，回路電容可調(diào)，見圖3-2-1P41（2）頻帶放大器：調(diào)諧回路基本不變。（中頻放大器）圖3-2-2P412.按諧振回路數(shù)目

（1）單調(diào)諧諧振放大器：放大器負載為單個諧振回路。（2）雙調(diào)諧諧振放大器：負載為兩個相互耦合的諧振回路。3.2.1諧振放大器在接收機中的作用基本作用：放大信號、選擇信號和抑制干擾。對于高頻放大器：（1）選擇信號：負載是諧振回路，具有選擇信號的能力，并在一定的頻率范圍內(nèi)調(diào)諧。（2）提高靈敏度；接收機靈敏度定義：當(dāng)接收機的輸出滿足一定的信號噪聲比和輸出的一定功率時，天線所需最小的感應(yīng)電動勢。與增益和內(nèi)部噪聲有關(guān)。為什么在變頻器前端加入高頻放大器可以提高靈敏度？（3）抑制本振能量的向外輻射；對于中頻放大器：（1）放大信號;

由于輸入信號的頻率低而且固定,易獲得較大的穩(wěn)定增益。檢波器以前的增益主要由中放承擔(dān)。（2）抑制臨道干擾； 負載回路不必重新調(diào)諧，可以采用較復(fù)雜的回路或選擇性好的濾波器，抑制臨道干擾。3.2.2對小信號諧振放大器的要求（1）增益要高 放大器輸出電壓（或功率）與輸入電壓（或功率）之比，稱為放大器的增益或放大倍數(shù)。用于各種接收機中的中頻放大器，其電壓放大倍數(shù)可達104～105，而電壓的增益為80～100dB,通常要靠多級放大器才能實現(xiàn)。（2）通頻帶符合要求 由于放大器所放大的一般是已調(diào)制的信號，而已調(diào)制的信號都包含一定的頻譜寬度，所以放大器必須有足夠?qū)挼耐l帶，讓必要的信號中的頻譜分量通過放大器。 放大器的電壓增益下降到最大值的0.7(即）時，所對應(yīng)的頻率范圍稱為放大器的通頻帶，用 表示。 放大器的通頻帶決定于回路的形式和回路的等效品質(zhì)因數(shù)。且放大器的總通頻帶，隨著級數(shù)的增加而變窄。)()()(000wwwajVjVv=放大器的通頻帶

通頻帶也稱為3dB帶寬，因為電壓增益下降3dB帶寬即等于下降至。根據(jù)不同用途，放大器的通頻帶差異較大。例如：收音機中放通頻帶約為6～8KHz；而電視接收機中放通頻帶約為6MHz；（3）頻率選擇性要好放大器從含有各種不同頻率的信號總和（有用的和有害的）中選出有用信號，排除有害（干擾）信號的能力，稱為放大器的選擇性。選擇性指標(biāo)——矩形系數(shù)Kr 理想的頻率響應(yīng)曲線：放大器對通頻帶以內(nèi)的的各種信號頻率分量有同樣的放大能力，對通頻帶以外的鄰近波道的干擾頻率分量，則應(yīng)完全抑制，其理想的頻響曲線應(yīng)該呈矩形。 實際的頻率響應(yīng)曲線：如圖。)()()(000wwwajVjVv=矩形系數(shù)：理想的與實際的頻率特性

矩形系數(shù)愈接近1，實際曲線愈接近理想矩形，一般在2～5范圍內(nèi)。（4）工作穩(wěn)定可靠 工作穩(wěn)定性是指放大器的工作狀態(tài)（直流偏置）、晶體管參數(shù)、電路元件參數(shù)等可能發(fā)生變化時，放大器的主要特性的穩(wěn)定程度。 一般的不穩(wěn)定現(xiàn)象：增益漂移、中心頻率偏移、通頻帶變化、選頻特性曲線變形等，極端情況下放大器可能發(fā)生自激。采取的穩(wěn)定措施：限制每級增益、選擇內(nèi)反饋比較小的晶體管、應(yīng)用中和或失配方法、采取必要工藝措施，使放大器遠離自激。

（5）噪聲低 放大器的噪聲性能可用噪聲系數(shù)表示。 一般希望噪聲越小越好，噪聲系數(shù)接近于1。在多級放大器中，最前面一、二級對整個放大器的噪聲起決定作用。采取的措施：采用低噪聲管，正確選擇工作點電流，選用合適的線路。

3.3單調(diào)諧共發(fā)射極諧振放大器

1.等效電路

信號源部分接入等效電路

gie

、goe:晶體管輸入、

輸出電導(dǎo)

Cie

、Coe:晶體管輸入、

輸出電容

晶體管Y參數(shù)

等效電路

見圖3-3-1P44說明:①首先畫出晶體管的Y參數(shù)等效電路，由于不考慮晶體管內(nèi)部反饋的影響,即yre=0，所以沒有yreuce這一項，得到圖3-1-1的（a）。②為計算方便，需要將晶體管等效電流源右邊的所有元件參數(shù)折合到輸出回路的兩端，包括晶體管等效電流源:

yfeUs。折合時，需要注意折合是從抽頭向回路，阻抗和導(dǎo)納的變比是P2，電流源的變比是P。③通常有，所以忽略，得到圖3-3-1的（b）。晶體管等效電流源yfeUs折算為p1yfeUs為并聯(lián)回路的導(dǎo)納2.電壓增益和功率增益可見，電壓增益是工作頻率f的函數(shù)。并聯(lián)回路兩端電壓：電壓增益：又：故：將表達式代入上式，得：諧振時：歸一化電壓增益：取得最大值：此時相對幅頻：功率增益：3.3.2通頻帶由相對幅頻特性：其中：稱為廣義失諧求通頻帶

由此可見，通頻帶與工作頻率成正比，與回路的有載品質(zhì)因數(shù)成反比。3.3.3放大器的選擇性——矩形系數(shù)

放大器的選擇性是用矩形系數(shù)這個指標(biāo)來表示的。

理想放大器的矩形系數(shù)應(yīng)等于1，單調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)遠大于1，就是說它的諧振曲線和矩形相差很遠，所以其選擇性不好，抑制鄰道干擾的能力很差。3.3.4帶寬與增益的關(guān)系單調(diào)諧放大器的帶寬和增益的乘積為:

可見，帶寬增益積是一常數(shù)，因此，要提高增益，必然要減小通頻帶。例題如圖3-2-1,設(shè)工作頻率f0=30MHZ,晶體管用3DG47型NPN高頻管.當(dāng),時,其y參數(shù)是:回路電感L=1.4uH求:單級放大器諧振時的電壓增益;通頻帶回路空載品質(zhì)因數(shù)回路電容C是多少值,才能使回路諧振?接入系數(shù)解:設(shè)暫不考慮的作用.因為所以回路總電導(dǎo)諧振時電壓增益為回路總電容為故外加電容C應(yīng)為通頻帶為:3.4雙調(diào)諧共發(fā)射極調(diào)諧放大器其中,3.4.1等效電路3.4.2增益一般取、滿足則：由等效電路圖，可以列出電流方程：其中：返回電流方程可化簡為：消去將,得：代入上式：電壓增益：

當(dāng)與取不同值時,上式有不同形式。

功率增益：3.4.3通頻帶

可見臨界耦合雙調(diào)諧放大器的通頻帶是單調(diào)諧放大器的倍.

3.4.4矩形系數(shù)

單調(diào)諧放大器中,,可見在時單級雙調(diào)諧放大器比單級單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)更接近1,這是雙調(diào)諧放大器的主要優(yōu)點.

則雙調(diào)諧放大器的諧振曲線是以為參變量,為自變量的函數(shù),曲線的形狀取決于,稱為諧振曲線的形狀因子.以為參數(shù)的雙調(diào)諧放大器諧振曲線圖①當(dāng)時，稱為臨界耦合，增益高,通頻帶與矩形系數(shù)介于與之間,調(diào)整容易.②當(dāng)時，稱為過耦合(或緊耦合)，特性曲線出現(xiàn)雙峰,。增益最高處出現(xiàn)在.通頻帶較寬,(愈大,通頻帶愈寬),矩形系數(shù)較小.調(diào)整較困難,采用較多.③當(dāng)時，稱為欠耦合(或松耦合)

，曲線較尖峰值小,增益較低,通頻帶較窄,矩形系數(shù)較大,很少采用。3.4.5帶寬與增益的關(guān)系①雙調(diào)諧放大器的帶寬增益積是一個常數(shù),與無關(guān),只與、和有關(guān)。②在電路參數(shù)相同的情況下，單調(diào)諧放大器的帶寬增益積是雙調(diào)諧放大器的倍。③從相同的穩(wěn)定性（增益相同）角度，雙調(diào)諧放大器的可以取得比單調(diào)諧小，以增大帶寬。雙調(diào)諧放大器總結(jié)①雙調(diào)諧放大器的優(yōu)點是矩形系數(shù)小，選擇性優(yōu)于單調(diào)諧放大器。②雙調(diào)諧放大器的缺點是反復(fù)調(diào)諧兩個回路比較麻煩，而且使兩個回路完全等Q也很困難，造成諧振曲線發(fā)生畸變。3.5小信號諧振放大器的穩(wěn)定性

放大器不穩(wěn)定的原因： 理想情況下，晶體管是一個單向化的器件，在分析時忽略了內(nèi)部反饋（即）。實際上，內(nèi)部反饋使放大器的負載回路與輸入端回路相互耦合，使輸出、輸入回路的調(diào)諧必須反復(fù)調(diào)整，嚴重時造成調(diào)整任何一級都將影響前后各級的工作。 另外，放大器的輸出電壓可通過在輸入端產(chǎn)生一個電壓，當(dāng)它與有用信號大小相等方向相同，會產(chǎn)生自激振蕩，造成放大器不穩(wěn)定。3.5.1共發(fā)射極放大器的最大穩(wěn)定增益穩(wěn)定系數(shù)S：

返回①當(dāng)S為正實數(shù)時，與同相，滿足自激振蕩相位條件。②當(dāng)時，，不滿足自激振幅條件，放大器不會自激。當(dāng)時，放大器不穩(wěn)定。③為使放大器遠離自激狀態(tài)而穩(wěn)定的工作，單級放大器通常選。最大穩(wěn)定增益當(dāng)工作頻率遠低于特征頻率時，

小信號放大器的晶體管選擇原則從工作的穩(wěn)定性角度，應(yīng)選擇小的管子；從頻率特性的角度，應(yīng)選擇；從靈敏度的角度，應(yīng)選擇噪聲系數(shù)小的管子；還應(yīng)正確選擇管子的工作點，以獲得高增益、低躁聲。3.5.2克服內(nèi)反饋的方法兩種途徑：（1）選擇小的晶體管，使反向?qū)Ъ{盡量?。唬?）增加外圍電路，將的作用抵消或減??；具體方法有失配法和中和法兩種。1.失配法原理 增大，可以使減小，若增大使增大，則放大器的穩(wěn)定系數(shù)將增大，高了放大器的穩(wěn)定性。 即輸出電壓的降低使反饋到輸入端的電壓也降低了，從而增加了穩(wěn)定性。返回

返回兩種典型電路 級聯(lián)電路和組合電路這樣，輸入端與輸出端互不影響。與

無關(guān)。與

無關(guān)。級聯(lián)電路克服內(nèi)反饋的分析電路組成（以CE-CB電路為例）

V1管為共發(fā)組態(tài)，V2為共基組態(tài)；兩管直接耦合，稱為級聯(lián)。

分析共基組態(tài)的輸入阻抗很小，放大器的輸入輸出回路相當(dāng)于中間有近似接地點，輸出電壓反饋在V2的輸入端近似短路到地，再反饋到V1輸入端的電壓就更小了，即輸出端對輸入端的影響很小，工作穩(wěn)定。級聯(lián)電路克服內(nèi)反饋的分析組合電路克服內(nèi)反饋的分析電路組成（以CC-CE電路為例）

V1管為共集組態(tài)，V2為共發(fā)組態(tài)；兩管阻容耦合，稱為組合。

分析

V1為射隨器，輸入阻抗高，輸出阻抗低，所以工作穩(wěn)定，不易自激。又由于V1輸出阻抗低，輸出電壓反饋在V2的輸入端近似短路到地，再反饋到V1輸入端的電壓就更小了，使電路工作穩(wěn)定。2.中和法中和法是在放大器電路中插入一個外加的反饋電路，使其作用恰好與晶體管的內(nèi)反饋相互抵消。

實現(xiàn)方法

當(dāng)采用自耦變壓器耦合的方式來接中和電容的時候，需要注意同名端的位置。

書P54圖3-5-6

將初級繞組抽頭移至非接地端，該端與次級接地端為同名端

失配法和中和法的優(yōu)缺點失配法性能穩(wěn)定，適于批量生產(chǎn)，但無論是級聯(lián)還是組合電路都是通過增加一個晶體管的代價來換取穩(wěn)定性和高增益，而中和法沒有靠犧牲增益來獲取穩(wěn)定性。中和法缺點：（1）只能在某一頻率點上完全中和。（2）不適于批量生產(chǎn)。（3）對于溫度等原因引起的參數(shù)變化沒有改善效果。3.6多級放大器與集中選擇性放大器3.6.1多級諧振放大器的特點

四個特點： （1）隨著級數(shù)的增加，總增益將增大。 （2）總的通頻帶將變窄。 （3）總的矩形系數(shù)將變小。

（4）總的穩(wěn)定性將變差。多級單調(diào)諧回路諧振放大器假設(shè)，放大器有n級，則總增益是各級增益的乘積。當(dāng)n級相同的放大器級聯(lián)時，它的諧振曲線為：它等于各單級諧振曲線的乘積。級數(shù)愈多，諧振曲線愈尖銳。矩形系數(shù)多級雙調(diào)諧回路諧振放大器對于較常用的臨界耦合的情況，當(dāng)n級相同的放大器級聯(lián)時，它的諧振曲線為：雙調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)比單調(diào)諧回路放大器的更接近于1。所以其選擇性也較好。雙參差調(diào)諧放大器諧振曲線參差調(diào)諧放大器三參差調(diào)諧放大器諧振曲線參差調(diào)諧放大器多級放大器的穩(wěn)定性高頻工作時，晶體管內(nèi)反饋和分布參數(shù)所產(chǎn)生的寄生反饋較強，多級放大器很容易自激。措施：如合理設(shè)計電路，限制每一級的增益，以及采取必要的工藝措施等。集中選頻放大器集中選頻放大器是一種采用集中濾波和集中放大相結(jié)合的非調(diào)諧式高頻放大器。放大作用：由寬帶高增益放大器完成。選頻作用：由專門的選頻濾波器來完成。常用的集中濾波器：晶體濾波器、陶瓷濾波器、聲表面波濾波器及機械濾波器等。3.7電子噪聲與噪聲系數(shù)干擾：有確定來源、有規(guī)律的外部與內(nèi)部的無用信號稱為干擾。如50HZ電源干擾，工業(yè)干擾及無線電波干擾等。噪聲：電子線路中的某些元器件產(chǎn)生的隨機起伏的電信號稱為噪聲。其主要來源電阻熱噪聲和半導(dǎo)體噪聲。3.7.1電阻的熱噪聲電阻熱噪聲是由電阻內(nèi)部自由電子的熱運動所產(chǎn)生。起伏噪聲電流起伏噪聲的電動勢

書P59圖3-7-1電阻熱噪聲特性：（1）噪聲電流（或電壓）表現(xiàn)為一隨機的電振動。（2）在一個較長的觀測時間內(nèi)，熱噪聲電流（或電壓）的平均值為零。（3）具有極寬的頻譜。

在單位頻帶（1Hz）內(nèi)，電阻R兩端的噪聲電壓均方值：噪聲電流均方值：電阻熱噪聲的功率譜密度（功率密度頻譜）Sv(f)、SI(f)分別稱為均方電壓譜密度和均方電流譜密度，也稱為電阻熱噪聲的電壓功率譜密度和電流功率譜密度，統(tǒng)稱為電阻熱噪聲的功率譜密度S(f)，簡稱為噪聲電壓譜密度和噪聲電流譜密度。（4）只有位于通頻帶內(nèi)的那部分噪聲功率才能對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。噪聲電壓均方值：噪聲電流均方值：均方根值：為噪聲電壓有效值。式中，為系統(tǒng)的等效噪聲帶寬，單位為Hz。等效噪聲帶寬示意圖：網(wǎng)絡(luò)輸出端的噪聲功率譜密度。對于單調(diào)諧并聯(lián)諧振回路：其中：雙調(diào)諧放大器在臨界耦合（）時：3.7.2電子器件的噪聲晶體管的噪聲1）熱噪聲即電阻熱噪聲。主要存在于基極電阻內(nèi)。2）散粒噪聲也叫散彈噪聲。它是由單位時間內(nèi)通過PN結(jié)的載流子數(shù)目隨機起伏而造成的。3）分配噪聲

是由發(fā)射極發(fā)出的載流子分配到基極和集電極的數(shù)量隨機變化而引起。3.7.2電子器件的噪聲4）閃爍噪聲

又叫低頻噪聲或1/f噪聲。

3.7.3噪聲系數(shù)與噪聲溫度1）噪聲系數(shù)信噪比: 電路中某一特定點上的信號功率與噪聲功率之比，稱為信噪比，用S/N表示。

即當(dāng)線性網(wǎng)絡(luò)輸入端接上一個標(biāo)準(zhǔn)信號源時，它的輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值，稱為噪聲系數(shù)。NA：網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲在輸出端產(chǎn)生的功率。標(biāo)準(zhǔn)信號源：指該信號源除了包含信號電壓和內(nèi)阻外，還包含由該內(nèi)阻所產(chǎn)生的熱噪聲電壓，并規(guī)定的溫度為T0=290K，稱為標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度?？梢?，NF與加到網(wǎng)絡(luò)上的信號無關(guān)。NF的另外一種表示：噪聲電壓均方值為：輸出噪聲功率由兩部分組成：NO=KpNi+NA1）KpNi：信號源內(nèi)阻Rs的熱噪聲功率通過網(wǎng)絡(luò)后在輸出端產(chǎn)生的噪聲功率，稱為外部噪聲。2）NA：網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲在輸出端產(chǎn)生的噪聲功率，稱為內(nèi)部噪聲。實際網(wǎng)絡(luò)總是有噪聲的，所以注：（1）噪聲系數(shù)的概念僅僅適用于線性或準(zhǔn)線性電路。（2）噪聲系數(shù)與工作頻率有關(guān)。2）噪聲溫度線性四端網(wǎng)絡(luò)

有噪線性四端網(wǎng)絡(luò)

無噪有噪網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫