《高頻電路原理與應(yīng)用》課件第3章

第3章高頻小信號(hào)放大電路

3.1概述3.2晶體管高頻小信號(hào)等效電路與參數(shù)3.3單級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器3.4多級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器3.5雙調(diào)諧回路諧振放大器3.6諧振放大器的穩(wěn)定性3.7集成諧振放大電路和集中選頻放大器3.8放大器的噪聲本章小結(jié)思考題與習(xí)題3.1概述

高頻小信號(hào)放大電路是一種窄帶放大電路，它對(duì)中心頻率在幾百千赫茲到幾百兆赫茲、頻譜寬度在幾千赫茲到幾十兆赫茲內(nèi)的受干擾的微弱信號(hào)進(jìn)行不失真的放大，故不僅需要有一定的電壓增益，還需要有選頻功能。放大電路由晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管或集成電路等有源器件提供電壓增益，由LC諧振回路、聲表面波濾波器、陶瓷濾波器、石英晶體濾波器等實(shí)現(xiàn)選頻功能。放大器有兩種主要類(lèi)型：以分立元件為主的諧振放大器和以集成電路為主的集中選頻放大器。本章先重點(diǎn)分析以L(fǎng)C諧振回路為選頻網(wǎng)絡(luò)的晶體管高頻小信號(hào)放大電路，再討論集成諧振放大電路和集中選頻放大器。同時(shí)，晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管和電阻引起的電噪聲將直接影響放大器和整個(gè)電子系統(tǒng)的性能。本書(shū)將這部分內(nèi)容也放在這一章中討論。對(duì)晶體管高頻小信號(hào)放大電路來(lái)說(shuō)，由于信號(hào)較弱，可以認(rèn)為它工作在晶體管的線(xiàn)性范圍內(nèi)，故把晶體管看成線(xiàn)性元件，晶體管高頻小信號(hào)放大電路看成線(xiàn)性放大電路。y參數(shù)等效電路和混合Π型等效電路是分析晶體管高頻電路線(xiàn)性工作的重要工具。對(duì)高頻小信號(hào)放大電路的主要要求是：增益高、選頻特性好、噪聲系數(shù)低、通頻帶寬和工作穩(wěn)定性好等。放大器中的晶體管一般應(yīng)用在甲類(lèi)工作狀態(tài)。下面介紹高頻小信號(hào)放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)：

1.中心頻率f0

中心頻率就是調(diào)諧放大電路的工作頻率，一般為幾百千赫茲到幾百兆赫茲。它是調(diào)諧放大器的主要指標(biāo)，是根據(jù)設(shè)備的整體指標(biāo)來(lái)確定的。中心頻率是設(shè)計(jì)放大電路時(shí)選擇有源器件、計(jì)算諧振回路元件參數(shù)的依據(jù)。

2.增益

增益用來(lái)描述放大電路對(duì)有用信號(hào)的放大能力，它具有與諧振回路相似的諧振特性。通常用中心頻率點(diǎn)f0上的電壓增益和功率增益兩種方法表示。電壓增益：(3.1)

功率增益：(3.2)式中，Uo、Ui分別為放大電路在中心頻率點(diǎn)f0上的輸出、輸入電壓幅度；Po、Pi分別為放大器在中心頻率點(diǎn)f0上的輸出、輸入功率，通常增益用分貝(dB)表示。

3.通頻帶

無(wú)線(xiàn)電接收設(shè)備接收到的高頻小信號(hào)具有一定的頻帶寬度，為了保證頻帶信號(hào)無(wú)失真地通過(guò)放大電路，要求其增益的頻率響應(yīng)特性必須有與信號(hào)帶寬相適應(yīng)的平坦寬度，這個(gè)寬度通常用放大電路的通頻帶表示。放大電路電壓增益的頻率響應(yīng)特性由最大值下降3dB時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率寬度來(lái)衡量，故稱(chēng)為放大器的通頻帶。通常以B0.7或2Δf0.7表示，如圖3.1所示。通頻帶的大小取決于放大器諧振回路的Q值及其形式；多級(jí)級(jí)聯(lián)時(shí)隨著級(jí)數(shù)的增加會(huì)越來(lái)越窄。而且用途不同，對(duì)帶寬的要求也各不相同，如中頻廣播帶寬為6~8kHz，電視信號(hào)的為6MHz。圖3.1通頻帶的定義

4.選擇性

選擇性是指放大器從輸入信號(hào)中選出有用信號(hào)并加以放大，而對(duì)通頻帶之外的干擾信號(hào)加以衰減和有效抑制的能力，常用“矩形系數(shù)”和“抑制比”兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)來(lái)衡量。矩形系數(shù)用來(lái)評(píng)價(jià)實(shí)際放大器的諧振曲線(xiàn)與理想曲線(xiàn)的接近程度，其值越接近1，說(shuō)明其對(duì)有用信號(hào)的選擇性越好。抑制比用來(lái)說(shuō)明放大器對(duì)頻帶外某一特定干擾頻率fN信號(hào)的抑制能力，其定義為(3.3)式中，Auo(f0)是中心頻率點(diǎn)f0上的電壓增益；Au(fN)是特定干擾頻率fN上的電壓增益。

5.工作穩(wěn)定性

工作穩(wěn)定性是指當(dāng)放大電路的工作狀態(tài)、元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時(shí)，放大器主要性能的穩(wěn)定程度。不穩(wěn)定現(xiàn)象表現(xiàn)為增益變化、中心頻率偏移、通頻帶變窄、諧振曲線(xiàn)變形等。不穩(wěn)定狀態(tài)的極端情況是放大器的自激振蕩，發(fā)生自激振蕩會(huì)使放大器完全不能工作。引起放大器不穩(wěn)定的主要原因是由于晶體管的寄生反饋?zhàn)饔?。為消除或減少不穩(wěn)定現(xiàn)象，必須盡力找出寄生反饋的途徑，力圖消除一切可能產(chǎn)生反饋的因素。

6.噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)是用來(lái)描述放大器本身產(chǎn)生噪聲電平大小的一個(gè)參數(shù)，是放大器輸入端的信噪比Pi/Pni與輸出端的信噪比Po/Pno兩者的比值，即(3.4)式中，Pi為放大器輸入端的信號(hào)功率，Pni為輸入端的噪聲功率，Po為放大器輸出端的信號(hào)功率，Pno為輸出端的噪聲功率。放大器本身產(chǎn)生的噪聲對(duì)所傳輸?shù)男盘?hào)，特別是對(duì)微弱信號(hào)的影響是極其不利的。上述指標(biāo)之間既相互聯(lián)系又相互矛盾，如增益和穩(wěn)定性、通頻帶和選擇性等。在設(shè)計(jì)中，可根據(jù)實(shí)際需要決定參數(shù)間的主次，并進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與調(diào)整。

3.2晶體管高頻小信號(hào)等效電路與參數(shù)

在分析低頻放大電路時(shí)，晶體管作為放大器件可以用簡(jiǎn)單的交流等效電路來(lái)表示。在頻率較低的情況下，這種等效電路用晶體管的輸入電阻r和電流放大倍數(shù)β這兩個(gè)參數(shù)就可以了。但是當(dāng)信號(hào)的頻率較高時(shí)，晶體管的作用比較復(fù)雜，只用兩個(gè)參數(shù)就不能確切地表示它的放大作用。故晶體管在高頻運(yùn)用時(shí)，它的等效電路不僅包含著一些和頻率基本上沒(méi)有關(guān)系的電阻，還包含著一些電容，這些電容在高頻時(shí)的作用是不容忽略的。為了說(shuō)明晶體管放大的物理過(guò)程，我們引入它的高頻等效電路：y參數(shù)等效電路和混合Π型等效電路，并介紹反映晶體管高頻性能的高頻參數(shù)fβ、fT和fmax。3.2.1晶體管y參數(shù)等效電路

晶體管是非線(xiàn)性元件，一般情況下必須考慮其非線(xiàn)性特點(diǎn)。但是，在小信號(hào)運(yùn)用或者動(dòng)態(tài)范圍不超出晶體管特性曲線(xiàn)線(xiàn)性區(qū)的情況下，可視晶體管為線(xiàn)性元件，并可用線(xiàn)性元件組成的網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)模擬晶體管。把晶體管看成一個(gè)有源線(xiàn)性二端口網(wǎng)絡(luò)，列出電流、電壓方程式，擬定滿(mǎn)足方程的網(wǎng)絡(luò)模型。根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)的理論，在兩個(gè)端口的四個(gè)變量中可任選兩個(gè)作為自變量，由所選的不同自變量和參變量，可得到六種不同的參數(shù)系，但最常用的只有h、y、z三種參數(shù)系。在高頻電子電路中常采用y參數(shù)系等效電路。因?yàn)榫w管是電流受控元件，輸入和輸出都有電流，采用y參數(shù)較方便，另外導(dǎo)納的并聯(lián)可以直接相加而使運(yùn)算簡(jiǎn)單。晶體管y參數(shù)這種網(wǎng)絡(luò)模型的等效電路稱(chēng)為晶體管y參數(shù)等效電路。這種等效是一種形式上的等效，故又稱(chēng)晶體管y參數(shù)形式等效電路。在圖3.2所示的BJT共發(fā)射極組態(tài)有源二端口網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)參數(shù)中選擇電壓和為自變量，電流和為參變量，可得y參數(shù)系的約束方程為(3.5)式中,，為輸出短路時(shí)的輸入導(dǎo)納；，為輸出短路時(shí)的正向傳輸導(dǎo)納；，為輸入短路時(shí)的反向傳輸導(dǎo)納；圖3.2共發(fā)射極組態(tài)的二端口網(wǎng)絡(luò)，為輸入短路時(shí)的輸出導(dǎo)納。

yie、yre、yfe、yoe四個(gè)參數(shù)具有導(dǎo)納量綱，稱(chēng)為BJT共發(fā)射極組態(tài)的導(dǎo)納參數(shù)，即y參數(shù)。這些參數(shù)只與晶體管的特性有關(guān)，與外電路無(wú)關(guān)，故又稱(chēng)內(nèi)參數(shù)。根據(jù)式(3.5)可得出如圖3.3所示的y參數(shù)等效電路。圖3.3中，和是受控電流源。表示輸入電壓作用在輸出端引起的受控電流源，代表了晶體管的正向傳輸能力，yfe越大，則晶體管的放大能力越強(qiáng)；表示輸出電壓在輸入端引起的受控電流源，代表晶體管的內(nèi)部反饋?zhàn)饔?，yre越大，表明晶體管的內(nèi)部反饋越強(qiáng)。yre是放大器工作不穩(wěn)定的根源，它的存在會(huì)給實(shí)際工作帶來(lái)很大的危害，應(yīng)盡可能減少它的影響，使放大器工作穩(wěn)定。一般情況下yre的值很??；理想狀態(tài)時(shí)yre=0。在實(shí)際應(yīng)用中為了簡(jiǎn)化分析，通常忽略yre，其簡(jiǎn)化的共射極y參數(shù)等效電路如圖3.4所示。圖3.3共發(fā)射極組態(tài)y參數(shù)等效電路圖3.4簡(jiǎn)化的共發(fā)射極組態(tài)y參數(shù)等效電路晶體管的y參數(shù)可以通過(guò)測(cè)量得到。根據(jù)y參數(shù)方程，分別使輸出端或輸入端交流短路，在另一端加上直流偏壓和交流信號(hào)，然后測(cè)量其輸入端或輸出端的交流電壓和交流電流，代入式(3.5)中就可求得。也可通過(guò)查閱晶體管手冊(cè)得到各種型號(hào)晶體管的y參數(shù)。需要注意的是，y參數(shù)不但與靜態(tài)工作點(diǎn)的電壓值、電流值有關(guān)，而且是工作頻率的函數(shù)。例如當(dāng)發(fā)射極電流增加時(shí)，輸入與輸出電導(dǎo)都將加大。當(dāng)工作頻率較低時(shí)，電容效應(yīng)的影響逐漸減弱。所以無(wú)論是測(cè)量還是查閱晶體管手冊(cè)，都應(yīng)注意工作條件和工作頻率。在高頻工作時(shí)，由于晶體管結(jié)電容不可忽略，故y參數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)。為了分析方便，晶體管y參數(shù)中輸入導(dǎo)納和輸出導(dǎo)納通常用電導(dǎo)和電容表示，而正向傳輸導(dǎo)納和反向傳輸導(dǎo)納通常寫(xiě)成模值和相位的形式，即(3.6)對(duì)于共基組態(tài)的晶體管，其y參數(shù)用yib、yrb、yfb、yob表示。對(duì)于共集組態(tài)的晶體管，其y參數(shù)用yic、yrc、yfc、yoc表示。表3.1列出了晶體管三種組態(tài)的y參數(shù)換算關(guān)系。表3.1三種組態(tài)的y參數(shù)換算關(guān)系3.2.2混合Π型等效電路混合Π型等效電路是根據(jù)晶體管內(nèi)部發(fā)生的物理過(guò)程來(lái)擬定的模型。晶體三極管(BJT)由兩個(gè)PN結(jié)組成，且具有放大作用，其結(jié)構(gòu)如圖3.5(a)所示。如果忽略集電區(qū)和發(fā)射區(qū)體電阻rcc和ree，則電路如圖3.5(b)所示，稱(chēng)為混合Π型等效電路。這個(gè)等效電路考慮了結(jié)電容效應(yīng)，因此它適用的頻率范圍可以到高頻段。如果頻率再高，引線(xiàn)電感和載流子渡越時(shí)間不能忽略，這個(gè)等效電路就不適用了。一般來(lái)說(shuō)，它適用的最高頻率約為fT/5。圖3.5BJT結(jié)構(gòu)共射混合Π型等效電路示意圖下面闡述混合Π型等效電路中各元件參數(shù)的物理意義：(1)基極體電阻rbb′:是基區(qū)縱向電阻，其值為幾十歐姆至一百歐姆，甚至更大。

(2)有效基極到發(fā)射極間的電阻rb′e:是發(fā)射極電阻re折合到基極回路的等效電阻，反映了基極電流受控于發(fā)射極電壓的物理過(guò)程。當(dāng)晶體管工作于放大狀態(tài)時(shí)，發(fā)射極處于正向偏置，所以rb′e數(shù)值很小，一般在幾十歐姆到幾百歐姆之間。rb′e與re的關(guān)系可近似表示為rb′e=(1+β0)re≈β0re≈26β0/，β0為共射極組態(tài)晶體管的低頻電流放大系數(shù)，Ie為發(fā)射極電流，單位為mA。

(3)發(fā)射極電容Cb′e:包括發(fā)射極的勢(shì)壘電容CT和擴(kuò)散電容CD。由于發(fā)射極正偏，所以Cb′e主要是指擴(kuò)散電容CD，一般在100~500pF之間。

(4)集電極電阻rb′c:由于集電極反偏，因此rb′c很大，約在100kΩ~10MΩ之間。

(5)集電極電容Cb′c：由勢(shì)壘電容CT和擴(kuò)散電容CD兩部分組成，因?yàn)榧姌O反偏，所以Cb′c主要是指勢(shì)壘電容CT，其值一般為2~10pF。

(6)受控電流源gmUb′e:模擬晶體管放大作用。當(dāng)在有效基極b′到發(fā)射極e之間，加上交流電壓時(shí)，集電極電路就相當(dāng)于有一電流源存在。gm稱(chēng)為晶體管的跨導(dǎo)，它反映晶體管的放大能力，單位為S。即(3.7)

在低頻情況下：(3.8)

(7)集-射極間電阻rce：表示集電極電壓對(duì)集電極電流的影響，其值一般在幾十千歐以上。

(8)集-射極間電容Cce，這是由引線(xiàn)或封裝等結(jié)構(gòu)形成的分布電容，這個(gè)電容很小，一般在2~10pF之間。在高頻段工作時(shí)，通常滿(mǎn)足和RL<<rce，即可將rb′e和rce忽略，Cce并入負(fù)載回路電容中，則可得簡(jiǎn)化的混合Π型等效電路，見(jiàn)圖3.6。需要注意的是，Cb′c和rbb′的存在對(duì)晶體管的高頻運(yùn)用是非常不利的。Cb′c將輸出交流電流反饋到輸入端，降低了放大電路的穩(wěn)定性，甚至有可能引起放大器的自激。rbb′在共基電路會(huì)引起高頻負(fù)反饋，降低晶體管的電流放大系數(shù)?；旌夕靶偷刃щ娐返膬?yōu)點(diǎn)是各元件參數(shù)物理意義明確，在較寬的頻帶內(nèi)這些元件值基本上與頻率無(wú)關(guān)；其缺點(diǎn)是隨器件不同各元件參數(shù)也不同，分析和測(cè)量不便，且電路復(fù)雜，計(jì)算麻煩。因此，混合Π型等效電路比較適合分析寬頻帶放大器。3.2.3混合Π型等效電路參數(shù)與y參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系

同一個(gè)晶體管應(yīng)用在不同的場(chǎng)合可用不同的等效電路來(lái)表示，但不同的等效電路之間是相互等效的，各等效電路之間的參數(shù)是可以互換的。通常，當(dāng)晶體管直流工作點(diǎn)選定后，混合Π型等效電路的各參數(shù)就確定了。但在高頻小信號(hào)放大電路中，為了簡(jiǎn)化分析，常以y參數(shù)等效電路作為分析基礎(chǔ)。晶體管的y參數(shù)，除根據(jù)定義通過(guò)測(cè)量求出外，也可以通過(guò)混合Π型等效電路的參數(shù)來(lái)計(jì)算。例如求晶體管共發(fā)射極組態(tài)y參數(shù)與混合Π型參數(shù)間的關(guān)系。求yie時(shí)，將圖3.6輸出端短路，則通常,Cb′e>>Cb′c，則(3.9)由此可見(jiàn)，輸入導(dǎo)納yie是頻率ω的函數(shù)。同理，可以推導(dǎo)出：(3.10)共集電極組態(tài)的y參數(shù)和共基極組態(tài)的y參數(shù)可通過(guò)表3-1的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到。(3.11)(3.12)圖3.6簡(jiǎn)化的共射混合Ⅱ型等效電路3.2.4晶體管的高頻參數(shù)

為了分析和設(shè)計(jì)各種高頻等效電路，則必須了解晶體管的高頻特性。晶體管的高頻特性可由下列幾個(gè)高頻參數(shù)來(lái)表征。

1.截止頻率fβ

考慮晶體管的電容效應(yīng)后，晶體管的電流增益將是工作頻率的函數(shù)。β是晶體管共射短路電流放大系數(shù)，其值隨著工作頻率的升高而下降。截止頻率fβ就是當(dāng)|β|下降到低頻電流放大倍數(shù)β0的1/時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，又稱(chēng)為|β|截止頻率。根據(jù)β的定義，有：(3.13)由簡(jiǎn)化電路圖3.6，可求出：代入式(3.13)中，可得在頻率很低時(shí)，電路中Cb′e和Cb′c可以忽略，對(duì)應(yīng)的β=β0=gmrb′e，故(3.14)式(3.14)中，，是根據(jù)定義由推導(dǎo)得出的。由式(3.14)可知，|β|的值隨著頻率的升高而下降。

2.特征頻率fT

當(dāng)頻率升高使|β|下降至1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)為晶體管的特性頻率fT。令則由于大部分晶體管的β0>10，所以(3.15)(3.16)特征頻率fT的值既可以測(cè)得，也可以通過(guò)晶體管高頻小信號(hào)模型估算出。目前，先進(jìn)的硅半導(dǎo)體工藝已經(jīng)可以將雙極型晶體管的fT做到10GHz以上。另外，特性頻率還與工作點(diǎn)電流有關(guān)，它表示晶體管喪失電流放大能力的極限頻率。當(dāng)f>fT時(shí)，|β|<1，但這并不意味著晶體管已經(jīng)沒(méi)有放大作用了，實(shí)際放大器的電壓增益還有可能大于1(因?yàn)橥ǔ７糯笃鞯呢?fù)載阻抗比輸入阻抗要大)。晶體管的電流放大系數(shù)|β|的頻率特性如圖3.7所示。圖3.7|β|的頻率特性

3.最高頻率fmax

當(dāng)晶體管的功率增益AP=1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)為晶體管的最高振蕩頻率fmax。fmax表示一個(gè)晶體管所能適用的最高極限頻率。在此頻率工作時(shí)，晶體管已得不到功率放大。當(dāng)f>fmax時(shí)，無(wú)論用什么方法都不能使晶體管產(chǎn)生振蕩?？梢宰C明：(3.17)通常，為了使電路工作穩(wěn)定且有一定的功率增益，晶體管的實(shí)際工作頻率約為最高振蕩頻率的1/4～1/3。晶體管三個(gè)高頻參數(shù)的關(guān)系是：fmax最高、fT次之、fβ最低。3.3單級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器

晶體管諧振放大電路由晶體管和調(diào)諧回路兩部分組成。根據(jù)不同的要求，晶體管可以是雙極型晶體管，也可以是場(chǎng)效應(yīng)晶體管，或者是線(xiàn)性模擬集成電路。調(diào)諧回路可以是單諧振回路，也可以是雙耦合回路。本節(jié)先分析由雙極型晶體管和LC回路組成的單級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器。

3.3.1單調(diào)諧放大器的工作原理和等效電路

單調(diào)諧回路諧振放大器是小信號(hào)放大器最常用的形式。圖3.8是一個(gè)典型的共發(fā)射極高頻小信號(hào)諧振放大器的實(shí)際線(xiàn)路圖。圖3.8高頻小信號(hào)諧振放大器線(xiàn)路圖如果把圖3.8所示電路中的所有電容開(kāi)路、電感短路，可得該放大器的直流偏置電路，如圖3.9(a)所示。Rb1、Rb2為基極分壓式偏置電阻；Re為發(fā)射極負(fù)反饋偏置電阻，用來(lái)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)；Cb、Ce為高頻旁路電容。如果把圖3.8所示電路的旁路電容短路，直流電源UCC對(duì)地短路，可得到該放大器的交流等效電路，如圖3.9(b)所示。整個(gè)放大電路由輸入回路、晶體管V和輸出回路三部分組成，將晶體管用y參數(shù)等效，則如圖3.10所示。圖中，晶體管的內(nèi)參數(shù)yie和yoe采用式(3.6)的形式。整個(gè)放大電路的三個(gè)組成部分為：圖3.9高頻小信號(hào)諧振放大器直流偏置電路

(1)輸入回路：主要由輸入變壓器T1構(gòu)成，其作用是隔離信號(hào)源與放大器之間的直流聯(lián)系，耦合交流信號(hào)，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配與變換。此處若采用耦合電容，也可以實(shí)現(xiàn)隔直流通交流的作用，但耦合電容不能實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配與變換。(2)晶體管V是放大器的核心，起著電流控制和放大作用。(3)輸出回路。由LC并聯(lián)諧振回路、輸出變壓器T2及負(fù)載電導(dǎo)yL構(gòu)成，yL=gL+jωCL。電容C與變壓器T2的初級(jí)繞組電感L構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，起著選頻和阻抗變換的作用。多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)時(shí)，負(fù)載導(dǎo)納yL通常為下級(jí)放大器的輸入導(dǎo)納。為了實(shí)現(xiàn)晶體管輸出阻抗與負(fù)載之間的匹配，減小晶體管輸出阻抗與負(fù)載對(duì)諧振回路品質(zhì)因數(shù)的影響，負(fù)載與諧振回路之間采用了變壓器耦合形式，其接入系數(shù)為晶體管集射回路與諧振回路之間采用抽頭接入方式，接入系數(shù)為。N1、N2、N為輸出變壓器T2每個(gè)繞組的匝數(shù)。根據(jù)圖3.10所示的調(diào)諧放大器的高頻等效電路來(lái)分析放大器的性能參數(shù)。圖中的yi表示放大器的輸入導(dǎo)納，yo表示放大器的輸出導(dǎo)納。圖3.10調(diào)諧放大器的高頻等效電路3.3.2單調(diào)諧放大器的性能指標(biāo)分析單調(diào)諧放大器的性能指標(biāo)主要從增益、通頻帶與選擇性等方面來(lái)分析。

1.增益

增益要足夠高這是對(duì)高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的主要要求之一。高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的增益有電壓增益和功率增益之分。

1)放大器的電壓增益單級(jí)放大器的電壓增益定義為輸出電壓與輸入電壓的比值(3.18)在圖3.10中，輸入電壓為，輸出電壓為。所以(3.19)把晶體管集電極回路和負(fù)載都折合到諧振回路的兩端，如圖3.11(a)所示，再把諧振回路同性質(zhì)元件等效合并，如圖3.11(b)所示。在圖3.11(b)中，(3.20)圖3.11晶體管和負(fù)載折合到諧振回路兩端的等效電路式中，其中，gL為負(fù)載導(dǎo)納，CL為負(fù)載電容。

LC并聯(lián)諧振回路的空載諧振電導(dǎo)為把式(3.20)代入式(3.19)，得放大器的電壓增益為(3.21)式中，，為小信號(hào)調(diào)諧放大器的諧振頻率；，為諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù)。放大器諧振時(shí)，，即放大器的諧振頻率，此時(shí)有：(3.22)由式(3.22)可知，諧振時(shí)放大器的電壓增益與晶體管的正向傳輸導(dǎo)納yfe成正比，與諧振回路的總電導(dǎo)gΣ成反比。負(fù)號(hào)表示放大器的輸入與輸出電壓相位差為π。由于yfe是一個(gè)復(fù)數(shù)，有一個(gè)相角φf(shuō)e。故一般來(lái)說(shuō)放大器諧振時(shí)，輸入和輸出之間的相位差不是π，而是π+φf(shuō)e。只有當(dāng)工作頻率較低時(shí)，φf(shuō)e=0，輸入和輸出之間的相位差才是π。通常，在電路計(jì)算時(shí)，電壓增益用其幅度值來(lái)表示，即可表示為(3.23)

2)放大器的功率增益由于在非諧振點(diǎn)上計(jì)算功率增益非常復(fù)雜，一般用處不大，且放大器通常工作在諧振狀態(tài)，因此諧振放大器的功率增益一般指放大器諧振時(shí)的功率增益。諧振時(shí)的功率增益定義為式中，Pi為放大器的輸入功率，Po為放大器的輸出端負(fù)載gL上獲得的功率。諧振時(shí)的等效電路如圖3.12所示，從圖中可以推導(dǎo)出放大器的諧振功率增益為或(3.25)圖3.12諧振時(shí)的簡(jiǎn)化等效電路(3.26)式(3.26)說(shuō)明小信號(hào)調(diào)諧放大器的最大功率增益只與晶體管本身的參數(shù)yfe、gie、goe有關(guān)，而與回路元件無(wú)關(guān)。這個(gè)最大功率增益是放大器輸出端達(dá)到共軛匹配時(shí)，在給定工作頻率上放大能力的極限值。實(shí)際情況下，回路本身?yè)p耗g0不可忽略，考慮g0的作用，可推導(dǎo)出功率增益的最大值為(3.27)式中，，為回路的空載品質(zhì)因數(shù)；，為回路的有載品質(zhì)因數(shù)；為回路的插入損耗，表示回路存在損耗時(shí)增益下降的程度。

2.通頻帶與選擇性

調(diào)諧放大器除了具有放大功能外，還具有頻率選擇的功能。放大器頻率選擇性能的優(yōu)劣取決于放大器矩形系數(shù)的數(shù)值，矩形系數(shù)的數(shù)值以及通頻帶都和放大器的諧振曲線(xiàn)有關(guān)。

1)放大器的通頻帶放大器的諧振曲線(xiàn)表示放大器的相對(duì)電壓增益與輸入頻率的關(guān)系。由式(3.21)和式(3.22)可得放大器的相對(duì)電壓增益，即歸一化電壓增益為(3.28)取歸一化電壓增益的模值得出其幅頻特性為(3.29)由式(3.29)畫(huà)出放大器的幅頻特性曲線(xiàn)如圖3.13所示(自變量為廣義失諧因子ξ)。如果令則，得出放大器的通頻帶為(3.30)圖3.13放大器的幅頻特性曲線(xiàn)可見(jiàn)，單調(diào)諧放大器的幅頻特性與LC并聯(lián)諧振回路的幅頻特性是相同的。實(shí)際應(yīng)用中，常討論放大器的電壓增益與通頻帶之間的關(guān)系。由于回路的有載品質(zhì)因數(shù)，再根據(jù)式(3.30)可得代入式(3.22)并取模值，得諧振時(shí)放大器的電壓放大增益Au0的另一種表達(dá)式，即(3.31)上式表明，當(dāng)晶體管選定后(即yfe已確定)，在接入系數(shù)不變時(shí)，放大器的諧振電壓增益Au0只取決于回路的總電容CΣ和通頻帶B的乘積。電容CΣ越大，通頻帶B越寬，則電壓增益Au0越小。如果把式(3.31)寫(xiě)成，且當(dāng)|yfe|和CΣ為定值、接入系數(shù)不變時(shí)，放大器的諧振電壓增益和通頻帶的乘積等于常數(shù)。這說(shuō)明，在此情況下，通頻帶越寬，放大器的增益就越??；反之放大倍數(shù)越大。這個(gè)矛盾在設(shè)計(jì)寬頻帶放大器時(shí)特別突出。要想得到高增益，又保證足夠的帶寬，除了選用|yfe|較大的晶體管外，應(yīng)盡量減少回路的總電容CΣ，選用Cie、Coe小的晶體管或者減少回路的外接電容C。注意：減小回路的外接電容C對(duì)提高電壓增益是有益的，但過(guò)小的回路電容C會(huì)使得回路的總電容CΣ容易受其他雜散電容的影響，從而引起放大器諧振曲線(xiàn)的不穩(wěn)定，以致引起頻率失真。因此在選用回路電容C時(shí)要綜合考慮穩(wěn)定性和增益。

2)放大器的選擇性放大器頻率選擇性的優(yōu)劣是用放大器諧振曲線(xiàn)的矩形系數(shù)K0.1來(lái)表示的。令A(yù)u/Au0=0.1，即可得，放大器的矩形系數(shù)(3.32)上式表明，單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)與理想矩形相差較遠(yuǎn)，所以選擇性差。這正是單調(diào)諧放大器的缺點(diǎn)。

【例3.1】在圖3.14所示的兩級(jí)單調(diào)諧回路共發(fā)射極放大器中，已知工作頻率f0=30MHz，晶體管采用3DG47型NPN高頻管。當(dāng)UCC=6V，IEQ=2mA時(shí)，晶體管y參數(shù)在上述工作條件和工作頻率處的數(shù)值為：gie=1.2mS，Cie=12pF，goe=400μS，Coe=95pF，|yfe|=58.3mS，φf(shuō)e=－2.2°，|yre|=310μS，φre=－88.8°，回路電感L=1.4μH，接入系數(shù)p1=0.5、p2=0.3，回路空載品質(zhì)因數(shù)Q0=100，負(fù)載是另一級(jí)相同的放大器。求:

(1)單級(jí)放大器諧振時(shí)的電壓增益Au0；

(2)回路電容C取多少時(shí)，才能使回路諧振；

(3)通頻帶2Δf0.7。圖3.14兩級(jí)單調(diào)諧回路共發(fā)射級(jí)放大器

【解】由題意可知，|yre|=310μS，該值較小，可以暫不考慮(yre=0)。單級(jí)放大器的y參數(shù)微變等效電路如圖3.15(a)所示。圖3.15(b)是把晶體管集電極回路和負(fù)載都折合到諧振回路兩端后的等效電路。其中,當(dāng)下一級(jí)采用相同的晶體管時(shí)，由圖3.15(b)可得回路的總電導(dǎo)為圖3.15單級(jí)放大器的y參數(shù)微變等效電路及負(fù)載折合簡(jiǎn)化電路

(1)單級(jí)放大器諧振時(shí)的電壓增益為

(2)諧振時(shí)，回路的總電容為故外加電容為

(3)通頻帶為3.4多級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器

在實(shí)際運(yùn)用中，單級(jí)諧振放大器的增益一般不能滿(mǎn)足要求，需要采用多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)多級(jí)放大器中的每一級(jí)都調(diào)諧在同一頻率上時(shí)，則稱(chēng)為多級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器。假如放大器有m級(jí)級(jí)聯(lián)，各級(jí)電壓增益分別為Au1、Au2、

…、Aum，則m級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器的總電壓增益Am是各單級(jí)放大器電壓增益的乘積。即(3.33)而諧振時(shí)的電壓總增益為(3.34)如果多級(jí)放大器是由完全相同的單級(jí)放大器級(jí)聯(lián)而成的，即各單級(jí)放大器的參數(shù)及電壓增益都相等，則有(3.35)由m級(jí)相同的放大器級(jí)聯(lián)構(gòu)成的m級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器，其歸一化電壓增益為(3.36)它等于各單級(jí)諧振曲線(xiàn)的乘積。所以級(jí)數(shù)越多，諧振曲線(xiàn)越尖銳。令式(3.36)的表達(dá)式等于1/，可得m級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器的通頻帶(2Δf0.7)m為(3.37)由此可見(jiàn)，m級(jí)諧振放大器的通頻帶是單級(jí)放大器通頻帶(2Δf0.7)1的倍，稱(chēng)為帶寬縮減因子。因?yàn)閙是大于1的整數(shù)，故m級(jí)放大器的通頻帶比單級(jí)放大器的通頻帶要小，即級(jí)數(shù)越多，通頻帶越小。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)多級(jí)諧振放大器的帶寬確定后，級(jí)數(shù)越多，則要求每一級(jí)的帶寬越寬。多級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器的幅頻特性曲線(xiàn)如圖3.16所示。再來(lái)分析多級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器的選擇性。根據(jù)矩形系數(shù)的定義，可得(3.38)其中，(2Δf0.1)m可由式(3.36)求得，令A(yù)u/Au0=0.1，則(3.39)故m級(jí)單調(diào)諧振放大器的矩形系數(shù)為(3.40)圖3.16多級(jí)單調(diào)諧放大器的幅頻特性曲線(xiàn)可見(jiàn)級(jí)數(shù)越多，矩形系數(shù)越小。但矩形系數(shù)的改善是有限度的，一般級(jí)數(shù)越多，K0.1的改善越緩慢。當(dāng)m→∞時(shí)，K0.1也只有2.56，與理想的矩形仍然有一定的距離。表3.2列出了K0.1與級(jí)數(shù)m的關(guān)系。多級(jí)單調(diào)諧諧振回路放大器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，調(diào)試比較容易。其電壓增益比單級(jí)放大器的電壓增益提高了，而通頻帶比單級(jí)放大器的通頻帶縮小了，且級(jí)數(shù)越多，頻帶越窄。所以，增益和通頻帶的矛盾是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，特別是對(duì)于要求高增益寬頻帶的放大器來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題更為突出。表3.2K0.1與級(jí)數(shù)m的關(guān)系3.5雙調(diào)諧回路諧振放大器

為了克服單調(diào)諧回路放大器的選擇性較差、通頻帶與電壓增益之間矛盾較大的缺點(diǎn)，可采用雙調(diào)諧回路放大器。雙調(diào)諧回路放大器具有頻帶寬、選擇性較好的優(yōu)點(diǎn)，并能較好地解決電壓增益與通頻帶之間的矛盾，從而在通信接收設(shè)備中廣泛應(yīng)用。

1.雙調(diào)諧放大器的電路組成

雙調(diào)諧放大器是利用兩個(gè)相互耦合的單調(diào)諧回路作為選頻回路，并且兩個(gè)回路的諧振頻率都調(diào)諧在同一個(gè)中心頻率上。其電路原理圖如圖3.17(a)所示。在雙調(diào)諧諧振放大器中，被放大后的信號(hào)通過(guò)互感耦合回路加到下級(jí)放大器的輸入端，若耦合回路初、次級(jí)本身的損耗很小，則可忽略。設(shè)晶體管V1、V2的fT≥f，則雙調(diào)諧放大器的y參數(shù)交流等效電路如圖3.17(b)所示。從圖中可知，本級(jí)晶體管與下級(jí)晶體管都受接入回路的影響，其接入系數(shù)分別為p1與p2。在實(shí)際應(yīng)用中，一般前后級(jí)所用晶體管皆為對(duì)稱(chēng)的，并有初級(jí)回路與次級(jí)回路諧振于同一個(gè)工作頻率f0，將晶體管V1、V2的輸出與輸入分別折合至回路的兩端，則經(jīng)過(guò)變換后的等效電路如圖3.17(c)所示。為了分析簡(jiǎn)便，設(shè)初、次級(jí)回路的元件參數(shù)相同，即

L1=L2=L、CΣ1=CΣ2=CΣ=C、gΣ1=gΣ2=gΣ=g

其中，有載品質(zhì)因數(shù)為如圖3.17(d)所示。這樣就可以直接引用第2章2.4節(jié)耦合振蕩回路的結(jié)果，很容易地推導(dǎo)出雙調(diào)諧回路放大器的性能特點(diǎn)。圖3.17雙調(diào)諧回路及其等效電路

2.雙調(diào)諧放大器的性能特點(diǎn)

1)電壓增益由圖3.17(d)的等效電路，利用2.4節(jié)的結(jié)論，可推導(dǎo)出雙調(diào)諧回路放大器的電壓增益為(3.41)引入廣義失諧量、耦合系數(shù)及耦合因數(shù)η=KQL，則為(3.42)以廣義失諧量ξ為自變量，耦合因數(shù)η為參變量，畫(huà)出Au的曲線(xiàn)圖，如圖3.18所示。諧振時(shí)ξ=0，則有(3.43)由式(3.43)可以看出，雙調(diào)諧回路放大器的電壓增益也與晶體管的正向傳輸導(dǎo)納|yfe|成正比，與回路的電導(dǎo)g成反比，而且還和耦合參數(shù)有關(guān)。若調(diào)節(jié)初、次級(jí)之間的耦合系數(shù)K，使放大器處于臨界耦合狀態(tài)，即η=1，則Au0達(dá)到最大值，這是雙諧振回路最常用的情況。即(3.44)圖3.18雙調(diào)諧放大器的頻率特性

2) 通頻帶由式(3.42)與式(3.44)可得歸一化諧振曲線(xiàn)的表達(dá)式為(3.45)討論式(3.45)可得雙耦合放大器的頻率特性，參考圖3.18可知：

(1)弱耦合η<1時(shí)，K<1/QL，諧振曲線(xiàn)在諧振頻率f0處(ξ=0)出現(xiàn)單峰。峰點(diǎn)處。

(2)強(qiáng)耦合η>1時(shí)，K>1/QL，諧振曲線(xiàn)出現(xiàn)雙峰，可得兩個(gè)峰值點(diǎn)的位置為。峰點(diǎn)處。

(3)臨界耦合η=1時(shí)，K=1/QL，諧振曲線(xiàn)也是在諧振頻率f0處(ξ=0)出現(xiàn)單峰。峰點(diǎn)處。而此情況下歸一化諧振曲線(xiàn)為(3.46)從圖3.18可以看出，當(dāng)雙耦合諧振回路放大器在失諧較小(ξ很小)時(shí)，曲線(xiàn)比單調(diào)諧放大器的諧振曲線(xiàn)要平坦；而當(dāng)失諧較大時(shí)(ξ較大)，增益比的下降速率很快。因此，雙調(diào)諧回路放大器具有較寬的通頻帶和較小的矩形系數(shù)。令式(3.46)中，可得臨界耦合時(shí)，雙調(diào)諧放大器的通頻帶(3.47)顯然，它是單調(diào)諧回路通頻帶的倍。

3)選擇性式(3.46)中，令A(yù)u/Au0max=1/10，可得臨界耦合時(shí)則。所以臨界耦合時(shí)雙調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)Kr0.1為(3.48)可以看出，臨界耦合的雙調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)比單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)小，因此更接近于矩形，其選擇性也較好。綜上所述，雙調(diào)諧放大器在弱耦合時(shí)，其放大器的諧振曲線(xiàn)和單調(diào)諧放大器相似，通頻帶窄，選擇性差；強(qiáng)耦合時(shí)，通頻帶顯著加寬，矩形系數(shù)變小，但不足之處是諧振曲線(xiàn)的頂部出現(xiàn)凹陷，這就使回路通頻帶、增益的兼顧較難。解決的方法通常是在電路上采用雙—單—雙的方式，即用雙諧振回路展寬頻帶，用單調(diào)諧回路補(bǔ)償中頻段曲線(xiàn)的凹陷，使其增益在通頻帶內(nèi)基本一致。但在大多數(shù)情況下，雙調(diào)諧放大器是工作在臨界耦合狀態(tài)的。同樣，對(duì)于多級(jí)(m級(jí))臨界耦合雙調(diào)諧回路，放大器的歸一化電壓增益為(3.49)m級(jí)臨界耦合雙調(diào)諧回路放大器的通頻帶為(3.50)m級(jí)臨界耦合雙調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)為(3.51)表3.3給出了不同的m值及與之相對(duì)應(yīng)的(Kr0.1)m的值。與表3.2對(duì)比可知，多級(jí)雙調(diào)諧回路的矩形系數(shù)比多級(jí)單調(diào)諧回路的矩形系數(shù)要小得多，選擇性比較好，而且頻帶較寬，但它的調(diào)整相當(dāng)困難。表3.3(Kr0.1)m與級(jí)數(shù)m的關(guān)系3.6諧振放大器的穩(wěn)定性

增益、通頻帶和選擇性是調(diào)諧放大器的三項(xiàng)基本指標(biāo)。除此之外，在電路分析方面，其電路的穩(wěn)定性是放大器的重要指標(biāo)之一。下面分析影響諧振放大器的穩(wěn)定性因素以及如何改善諧振放大器的穩(wěn)定性而采取的措施。3.6.1影響諧振放大器穩(wěn)定性的因素

前面對(duì)放大器性能的分析，都是在假定晶體管的反向傳輸導(dǎo)納yre=0，即輸出電路對(duì)輸入端沒(méi)有影響，放大器工作于穩(wěn)定狀態(tài)下得出的結(jié)論。但實(shí)際上yre≠0，下面，討論內(nèi)反饋yre的影響。根據(jù)圖3.10所示的調(diào)諧放大器的高頻等效電路，可以推導(dǎo)出單調(diào)諧放大器的輸入導(dǎo)納，其中，調(diào)諧放大器的輸入導(dǎo)納Yi并不等于放大器中晶體管的輸入導(dǎo)納yie，而是包括兩部分：①晶體管的輸入導(dǎo)納yie；②輸出電路通過(guò)反饋導(dǎo)納yre的作用，在輸入電路產(chǎn)生的等效導(dǎo)納，此等效導(dǎo)納還與負(fù)載導(dǎo)納的折合導(dǎo)納有關(guān)。這個(gè)等效導(dǎo)納的存在，有可能使放大器工作不穩(wěn)定，甚至發(fā)生自激。同理，可以推導(dǎo)出單級(jí)放大器的輸出導(dǎo)納是信號(hào)源內(nèi)導(dǎo)納)。它也不等于晶體管的輸出導(dǎo)納yoe。由于晶體管的內(nèi)部反饋?zhàn)饔?，放大器的輸入和輸出?dǎo)納，分別與負(fù)載及信號(hào)源有關(guān)。這種關(guān)系會(huì)給放大器的調(diào)試帶來(lái)很多麻煩。在實(shí)際應(yīng)用中，采用單個(gè)晶體管作為放大器時(shí)，如果負(fù)載導(dǎo)納YL太大，則放大倍數(shù)Au會(huì)減少；如果YL太小，則放大器不穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)放大器時(shí)對(duì)增益和穩(wěn)定性這一對(duì)矛盾體應(yīng)該作全面的考慮。最好是確定放大器允許達(dá)到的最大穩(wěn)定增益界限，再考慮放大器的最大穩(wěn)定增益。為了分析方便，將圖3.10重畫(huà)為圖3.19所示。圖3.19調(diào)諧放大器的等效電路如果be兩端之間的總導(dǎo)納為零，即Ys+Yi=0，線(xiàn)路將產(chǎn)生自激振蕩(正弦波振蕩電路將講到)，其中Yi是放大器的輸入導(dǎo)納。線(xiàn)路產(chǎn)生自激振蕩的條件是(3.52)其中，令。式(3.52)中的四個(gè)導(dǎo)納Y1、Y2、yre、yfe都是復(fù)數(shù)，令φ1、φ2、φre和φf(shuō)e分別代表Y1、Y2、Yre和Yfe的相角，則下面兩式也應(yīng)成立：(3.54)放大器必須同時(shí)滿(mǎn)足上述兩個(gè)條件才能產(chǎn)生自激。如果僅滿(mǎn)足式(3.54)的相角條件，而式(3.53)中的第二項(xiàng)小于第一項(xiàng)，即由于晶體管內(nèi)部反饋而引起的負(fù)導(dǎo)納的絕對(duì)值小于Y1的絕對(duì)值時(shí)，放大器就不會(huì)自激。將式(3.53)中的第一項(xiàng)與第二項(xiàng)的比值稱(chēng)為穩(wěn)定系數(shù)S，即如果S≤1，放大器將產(chǎn)生自激振蕩；如果S>1，即反饋導(dǎo)納較小，放大器不會(huì)產(chǎn)生自激。S越大，放大器離自激條件就越遠(yuǎn)，工作就越穩(wěn)定。通常單級(jí)放大器取S=6。S確定后，根據(jù)晶體管的參數(shù)，就可以計(jì)算出Ys和。按照這樣的條件做成的放大器能夠保證有足夠的穩(wěn)定性。但S過(guò)大，放大器的增益將下降很多。通常情況下，S=5~10。(3.55)3.6.2改善諧振放大器穩(wěn)定性的措施

如前所述，由于晶體管內(nèi)存在yre的反饋，可能引起放大器工作的不穩(wěn)定。為了提高放大器的穩(wěn)定性，通常從兩個(gè)方面考慮。一是從晶體管本身想辦法，減少其反向傳輸導(dǎo)納yre的值。yre的大小取決于集電極與基極間的極電容Cb′c(由混合Π型等效電路圖可知，Cb′c跨接在輸入、輸出之間)，所以制作晶體管時(shí)應(yīng)盡量使其Cb′c減小，使反饋容抗增大，反饋?zhàn)饔脺p弱。由于晶體管制造工藝的進(jìn)步，這個(gè)問(wèn)題已得到較好的解決。二是從電路上想辦法，設(shè)法消除晶體管的反向作用，使其單向化。具體可分為中和法與失配法。

1.中和法

中和法是在放大器線(xiàn)路中插入一個(gè)外加的反饋電路，使它的作用恰好與晶體管的內(nèi)反饋相互抵消。圖3.20(a)是中和電路的工作原理圖，圖3.20(b)為某收音機(jī)實(shí)際電路。由于yre≈jω0Cb′c，因此晶體管內(nèi)反饋主要由集電極電容Cb′c決定。粗略地說(shuō)，集電極電壓通過(guò)Cb′c把反饋電流(相當(dāng)于

)注入基極。為了抵消這個(gè)電流，在回路次級(jí)線(xiàn)圈L2至基極之間插入了一個(gè)中和電容Cn，這樣就形成一中和電流從輸出端反饋回基極。因連線(xiàn)時(shí)使L1與L2的方向相反，集電極電壓與輸出電壓的極性正好相差180°，這樣就與方向相反。如果適當(dāng)?shù)卣{(diào)整Cn使中和電流與反饋電流大小相等。這樣，流入基極的兩個(gè)電流就相互抵消，放大器輸出對(duì)輸入的影響就隨之消除了。圖3.20中和電路以上粗略地說(shuō)明了中和電路的原理。由于yre是隨頻率變化的，所以固定的中和電容Cn只能在某一個(gè)頻率點(diǎn)起到完全中和的作用，對(duì)其他頻率只能起到部分中和作用；又因?yàn)閥re是一個(gè)復(fù)數(shù)，中和電路應(yīng)該是一個(gè)由電阻和電容組成的網(wǎng)絡(luò)，這會(huì)給設(shè)計(jì)和調(diào)試增加困難。另外，在高頻段如果再考慮到分布參數(shù)的作用和溫度變化等因素的影響，中和電路的效果是有限的，因此目前僅在收音機(jī)中采用中和法，而在要求較高的通信設(shè)備中一般不建議采用。

2.失配法

由諧振放大器的輸入導(dǎo)納Yi的表達(dá)式可以看出，如果負(fù)載折合導(dǎo)納YL′很大，則放大器的輸入導(dǎo)納(3.56)這樣,Yi就基本上與YL′無(wú)關(guān)了。即使YL′有變化，對(duì)Yi的影響也將變得很小,幾乎可以忽略。同理，當(dāng)信號(hào)源內(nèi)導(dǎo)納Ysyie時(shí)，放大器的輸出導(dǎo)納Yo變成(3.57)可知，Yo也與Ys無(wú)關(guān)，只取決于晶體管本身的參數(shù)。采用了以上措施后，晶體管除了具有我們希望的放大作用外，其輸出端與輸入端互不影響，從而達(dá)到了使晶體管單向化的目的。當(dāng)負(fù)載導(dǎo)納YL很大時(shí)，負(fù)載折合導(dǎo)納YL′也很大，再加上Ysyie，因此放大電路將嚴(yán)重失配，這時(shí)輸出電壓相應(yīng)減少，同時(shí)，反饋到輸入端的信號(hào)就大大減弱，對(duì)輸入電路的影響也隨之減小。一旦嚴(yán)重失配，放大器的增益也會(huì)嚴(yán)重下降。因此，采用失配法減小晶體管內(nèi)反饋是以犧牲放大器的增益為代價(jià)的用失配法實(shí)現(xiàn)晶體管單向化的方案很多，為滿(mǎn)足增益和穩(wěn)定性的要求，圖3.21所示的用兩只晶體管按照共射-共基方式級(jí)聯(lián)而成的復(fù)合管是常采用的一種方式。圖3.21共發(fā)-共基電路晶體管V1采用共發(fā)射極方式，它的負(fù)載導(dǎo)納YL就是第二級(jí)晶體管共基方式工作的晶體管V2的輸入導(dǎo)納Yib。因共基組態(tài)的晶體管輸入導(dǎo)納yib很大(yib=yie+yre+yfe+yoe)，所以復(fù)合管的輸入導(dǎo)納Yi≈yie。另外對(duì)V2而言，其信號(hào)源內(nèi)導(dǎo)納Ys等于V1管的輸出導(dǎo)納yoe，即Ys≈yoe。因yoeyib，所以對(duì)復(fù)合管而言，輸出導(dǎo)納，它取決于晶體管V2本身的參數(shù)，而與真正的信號(hào)源內(nèi)導(dǎo)納無(wú)關(guān)。這樣，復(fù)合管從整體上看就是單向化了。由于共基極電路的輸入導(dǎo)納較大，當(dāng)它和輸出導(dǎo)納較小的共發(fā)射極電路相連接時(shí)，相當(dāng)于增[大了共發(fā)射極電路的負(fù)載導(dǎo)納而使之失配，從而使共發(fā)射極晶體管的內(nèi)部反饋減弱，穩(wěn)定性大大提高。共發(fā)射極電路在負(fù)載導(dǎo)納很大的情況下，雖然電壓增益會(huì)減少，但電流增益仍然很大；雖然共基極電路的電流增益接近于1，但電壓增益很大。所以將二者級(jí)聯(lián)后，會(huì)相互補(bǔ)償，電壓增益和電流增益都會(huì)比較大。此外共射-共基級(jí)聯(lián)方式的上限頻率也較高。3.7集成諧振放大電路和集中選頻放大器前面介紹的諧振放大器中既有放大器件又有選擇性電路，可用于窄帶信號(hào)的選頻放大。為了獲得高增益，一般常采用多級(jí)放大電路。對(duì)于多級(jí)調(diào)諧放大電路，要求每級(jí)均有LC諧振回路，因而造成元件多，調(diào)諧不方便，且不易獲得較寬的通頻帶，選擇性也不夠理想。此外由于回路直接與有源器件連接，頻率特性常會(huì)受到晶體管參數(shù)及工作點(diǎn)變化的影響。另外，在高增益的多級(jí)放大器中，即使放大器內(nèi)部反饋很少，也可能由于布線(xiàn)之間的寄生反饋而產(chǎn)生自激，影響穩(wěn)定性和可靠性。故隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高增益寬頻帶的集成放大電路被廣泛應(yīng)用于選頻放大電路中，以適應(yīng)現(xiàn)代雷達(dá)、通信和電視等系統(tǒng)對(duì)寬頻帶的要求。高增益寬頻帶的集成放大電路可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是非選頻的高頻集成放大器，主要用于某些不需要選頻功能的設(shè)備中，通常以電阻或?qū)拵Ц哳l變壓器作負(fù)載；另一類(lèi)是選頻放大器，用于需要有選頻功能的場(chǎng)合，如接收機(jī)中的中放就是它的典型應(yīng)用。由于放大部分采用了寬帶集成電路，故簡(jiǎn)稱(chēng)為寬帶集成諧振放大電路。該集成電路具有可靠性高、性能好、體積小、重量輕、便于安裝調(diào)試和適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在各種無(wú)線(xiàn)電設(shè)備中。集成諧振放大電路把高頻放大器的兩大任務(wù)——放大和選頻功能分開(kāi)了。放大功能由寬帶集成電路完成，選頻功能常采用矩形系數(shù)較好的集中選頻濾波器，如前章介紹的石英晶體濾波器、陶瓷濾波器、聲表面波濾波器等來(lái)完成信號(hào)的選擇。所以也把這種電路稱(chēng)為集中選頻放大器。常采用的集中選頻放大器組成框圖如圖3.22所示。圖3.22集中選頻放大器組成框圖集成諧振放大電路以集中選頻代替逐級(jí)選頻，可減少晶體管參數(shù)的不穩(wěn)定性對(duì)選頻回路的影響，保證放大器的穩(wěn)定指標(biāo)，減少調(diào)試的難度，有利于發(fā)揮集成電路的優(yōu)勢(shì)。目前，寬帶集成諧振電路的型號(hào)很多，各自的性能和適用范圍也有所不同。使用時(shí)可根據(jù)放大器的技術(shù)指標(biāo)要求，查閱有關(guān)的集成放大電路手冊(cè)。圖3.23所示為彩色電視接收機(jī)的中放部分電路。包括外接前置中放、聲表面波濾波器SAWF和TA7680AP內(nèi)部中頻放大部分的電路圖。從電視機(jī)高頻調(diào)諧器送來(lái)的圖像、伴音中頻信號(hào)(載頻為38MHz、帶寬為8MHz)，由分立元件組成的前置寬帶放大器進(jìn)行預(yù)放大后，進(jìn)入聲表面波濾波器SAWF(SAWF作為一個(gè)帶通濾波器)，然后由TP7680AP的⑦、⑧腳雙端輸入，經(jīng)三級(jí)相同的具有AGC特性的高增益、寬頻帶直接耦合差動(dòng)放大器之后，送入TA7680AP內(nèi)的檢波電路。

TA7680AP內(nèi)每一級(jí)放大器均為雙端輸入雙端輸出，且由帶有射極跟隨器的差分電路組成。如第一級(jí)的射極跟隨器V1和V3起極間隔離和阻抗變換作用，提高差分放大器V2、V4的輸入阻抗。第三級(jí)的輸出通過(guò)V18、V19射極跟隨后，經(jīng)R43、R44送往解調(diào)電路。為了提高三級(jí)放大電路的穩(wěn)定性，引入了一條直流負(fù)反饋通路。從V18、V19的發(fā)射極輸出經(jīng)R45、R46、C1和C2組成的低通濾波網(wǎng)絡(luò)后，濾除圖像中頻信號(hào)，再經(jīng)R47、R48及⑥、⑨腳外接1000pF電容進(jìn)一步濾除殘余中頻信號(hào)，然后通過(guò)R1和R2加到第一級(jí)V1和V3的基極。為了降低整個(gè)放大電路的噪聲系數(shù)，并保證增益控制特性平穩(wěn)，中放自動(dòng)增益控制(AGC)采用逐級(jí)延遲方式，即首先使輸出幅度最大的第三級(jí)增益下降，這樣前兩級(jí)放大器的增益保持不變，總噪聲系數(shù)幾乎不會(huì)增大。若輸出電壓仍然很大，再陸續(xù)使第二級(jí)、第一級(jí)的增益下降。3.8放大器的噪聲

噪聲是一種隨機(jī)信號(hào)，其頻譜分布于整個(gè)無(wú)線(xiàn)電工作頻率范圍，因此它是影響各類(lèi)收信機(jī)性能的主要因素之一。放大器的噪聲，就是在放大器或電子設(shè)備的輸出端與有用信號(hào)同時(shí)存在的一種隨機(jī)變化的電流或電壓，即使沒(méi)有有用信號(hào)，它也存在。例如，收音機(jī)中常聽(tīng)到的“沙沙”聲；電視機(jī)圖像背景上的“雪花”斑點(diǎn)等，這些都是接收機(jī)或者放大器內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲。由于放大電路內(nèi)部具有噪聲，因此當(dāng)外來(lái)信號(hào)通過(guò)放大電路輸出的同時(shí)，也有內(nèi)部噪聲的輸出。如果外來(lái)信號(hào)小到一定值時(shí)，從放大器輸出的有用信號(hào)和噪聲大小則差不多，甚至比噪聲還小，那么在放大器的輸出端將無(wú)法識(shí)別有用信號(hào)。因此，噪聲分析是非常重要的，但是噪聲涉及的范圍很廣，計(jì)算也比較復(fù)雜，詳細(xì)的理論分析我們暫不考慮，下面只對(duì)噪聲問(wèn)題做一些簡(jiǎn)單的介紹和分析。3.8.1電子噪聲的來(lái)源及特性

在雷達(dá)、通信、廣播、電視和遙控遙測(cè)等無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中，接收機(jī)和放大器的輸出端除了有用信號(hào)外，還包含有害的噪聲。噪聲的種類(lèi)很多，有的是從無(wú)線(xiàn)電設(shè)備外部串?dāng)_進(jìn)來(lái)的，常稱(chēng)為外部干擾。外部干擾可分為自然的和人為的。自然干擾有天電干擾、宇宙干擾和大地干擾等，這些自然干擾會(huì)被無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的天線(xiàn)接收和輻射；人為干擾是人類(lèi)活動(dòng)所產(chǎn)生的各種干擾，主要有工業(yè)干擾和無(wú)線(xiàn)電干擾等。工業(yè)干擾來(lái)源于各種電氣設(shè)備，如開(kāi)關(guān)接觸噪聲、工業(yè)的點(diǎn)火輻射等；無(wú)線(xiàn)電干擾來(lái)源于各種無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)，如外臺(tái)干擾等。有的噪聲是電子設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲，通常稱(chēng)為內(nèi)部噪聲，如電阻一類(lèi)的導(dǎo)體中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱噪聲、電子管中電子的起伏發(fā)射或晶體管中載流子的起伏變化產(chǎn)生的散彈噪聲等。我們分析的主要是內(nèi)部噪聲，內(nèi)部噪聲源主要是電阻熱噪聲及有源器件的噪聲。熱噪聲、散彈噪聲及外部宇宙噪聲始終是存在的，是一種起伏噪聲，即一種連續(xù)波隨機(jī)噪聲，對(duì)其特性的表征采用隨機(jī)過(guò)程的分析方法。起伏噪聲的特點(diǎn)是具有相當(dāng)寬的頻帶，且在較寬的頻帶范圍內(nèi)噪聲的功率譜密度是平坦的，可以看成是常數(shù)。3.8.2噪聲的分類(lèi)、表示與計(jì)算方法

1.噪聲的分類(lèi)下面主要分析放大電路的內(nèi)部噪聲。內(nèi)部噪聲來(lái)源于包括輸入阻抗在內(nèi)的電阻熱噪聲和有源器件的噪聲。

1)電阻熱噪聲電阻熱噪聲是由電阻內(nèi)部自由電子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的。溫度越高，這種運(yùn)動(dòng)越劇烈，只有當(dāng)溫度下降到絕對(duì)零度時(shí)，運(yùn)動(dòng)才會(huì)停止。因?yàn)樽杂呻娮舆\(yùn)動(dòng)速度的大小和方向都是不規(guī)則的，所以通過(guò)導(dǎo)體任一截面的自由電子數(shù)目是隨時(shí)間變化的。即使在導(dǎo)體兩端不外加電壓，導(dǎo)體中也會(huì)有這種由于熱運(yùn)動(dòng)而引起的電流，這種電流呈雜亂起伏狀態(tài)，即起伏噪聲電流。起伏噪聲電流通過(guò)電阻本身就會(huì)在其兩端產(chǎn)生起伏噪聲電壓(對(duì)外電路而言則是起伏噪聲電動(dòng)勢(shì))。起伏噪聲電壓的瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)相位是隨機(jī)變化的，故無(wú)法確切地寫(xiě)出它的數(shù)學(xué)表達(dá)式。但大量的實(shí)踐和理論分析已經(jīng)得出了它們的規(guī)律性，其特性可以用概率特性，如功率譜密度來(lái)描述。例如，電阻的熱噪聲電壓un(t)具有很寬的頻譜，它從零頻率開(kāi)始，連續(xù)不斷地一直延伸到1013~1014以上的頻率，而且它的各個(gè)頻率分量的強(qiáng)度是相等的。其頻率與白噪聲的頻譜類(lèi)似，故熱噪聲是一種白噪聲。理論和實(shí)驗(yàn)證明，電阻熱噪聲的頻譜在極寬的頻帶內(nèi)具有均勻的功率譜密度。當(dāng)溫度為T(mén)(K)時(shí)，阻值為R的電阻，其熱噪聲電壓功率譜密度為

S(f)=4kTR

(V2/Hz)

(3.58)式中，k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10－23J/K；T為電阻的熱力學(xué)溫度，單位是K。因?yàn)楣β首V密度表示單位頻帶內(nèi)的噪聲電壓均方值，故噪聲電壓的均方值為(3.59)式中，G=1/R；Δfn為熱噪聲的等效噪聲帶寬，單位為Hz。由式(3.59)可知，頻帶越寬、溫度越高、阻值越大，噪聲電壓就越大。電阻的熱噪聲可以用一個(gè)均方值為的噪聲電壓源和一個(gè)理想無(wú)噪聲的電阻R串聯(lián)等效，也可以用一個(gè)噪聲電流源和無(wú)噪聲的理想電導(dǎo)并聯(lián)等效，如圖3.24所示。因功率與電壓或電流的均方值成正比，電阻熱噪聲也可以看成是噪聲功率源。圖3.24電阻熱噪聲的等效電路一般當(dāng)數(shù)個(gè)元件相串聯(lián)時(shí)，用電壓源等效電路比較方便，而當(dāng)數(shù)個(gè)元件并聯(lián)時(shí)，則采用電流源等效電路比較方便。實(shí)際電路中若包含多個(gè)電阻時(shí)，每一個(gè)電阻都將引入一個(gè)噪聲源。對(duì)于線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)的噪聲，適用疊加原則，總的噪聲輸出功率是每個(gè)噪聲源單獨(dú)作用在輸出端所產(chǎn)生的噪聲功率之和。

2)晶體三極管的噪聲晶體三極管噪聲是電子設(shè)備內(nèi)部固有噪聲的另一個(gè)重要來(lái)源。主要包括熱噪聲、散彈噪聲、分配噪聲和閃爍噪聲四個(gè)部分。

(1)熱噪聲。構(gòu)成晶體管發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的體電阻和引線(xiàn)電阻均會(huì)產(chǎn)生熱噪聲，其中以基區(qū)體電阻rbb′產(chǎn)生的噪聲為主。rbb′產(chǎn)生的熱噪聲用噪聲功率譜表示為

S(f)=4kTrbb′

(3.61)

(2)散彈噪聲。散彈噪聲是由單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)晶體管PN結(jié)的載流子數(shù)目隨機(jī)起伏流動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲。人們將這種現(xiàn)象比擬為靶場(chǎng)上大量射擊時(shí)子彈著點(diǎn)對(duì)靶心的偏離，故稱(chēng)為散彈噪聲。由于散彈噪聲是由大量載流子引起的，每個(gè)載流子通過(guò)PN結(jié)的時(shí)間很短，因此其噪聲功率譜與電阻熱噪聲類(lèi)似，在帶寬Δfn內(nèi)具有平坦的噪聲功率譜，屬于白噪聲。根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)表明，散彈噪聲引起的電流起伏均方根值與PN結(jié)的直流電流成正比，其電流的均方值為(3.62)式中，Io是通過(guò)PN結(jié)的平均電流值；q是每個(gè)載流子所載的電荷量，q=1.59×1019C。注意，在Io=0時(shí)，散彈噪聲為零，然而只要不是絕對(duì)零度，熱噪聲總是存在的。一般情況下，散彈噪聲大于電阻熱噪聲。晶體三極管中有發(fā)射極和集電極，發(fā)射極工作于正向偏置，結(jié)電流大；集電極工作于反向偏置，除了基極來(lái)的傳輸電流外，還存在反向飽和電流。因此發(fā)射極的散彈噪聲起主要作用，而集電極的散彈噪聲可以忽略。

(3)分配噪聲。晶體管發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的非平衡少數(shù)載流子，其中大部分經(jīng)過(guò)基區(qū)到達(dá)集電極，形成集電極電流；少部分在基區(qū)被基極流入的大多數(shù)載流子復(fù)合，產(chǎn)生基極電流。載流子復(fù)合時(shí)，其數(shù)量是隨機(jī)起伏的。分配噪聲就是集電極電流隨基區(qū)載流子復(fù)合數(shù)量的隨機(jī)變化所引起的噪聲。晶體管的電流放大倍數(shù)α、β只是反映平均意思上的分配比。這種因分配比起伏變化而產(chǎn)生的集電極電流、基極電流起伏噪聲，稱(chēng)為晶體管的分配噪聲。分配噪聲實(shí)際上也是一種散彈噪聲，但它的功率頻譜密度是隨頻率變化的，頻率越高，噪聲越大。理論與實(shí)踐證明，分配噪聲可用集電極噪聲電流的均方值表示，其值為(3.63)式中，ICQ為三極管集電極靜態(tài)電流；α0為低頻共基短路電流放大倍數(shù)；為高頻時(shí)共基短路電流放大倍數(shù)的復(fù)數(shù)值，其值為(3.64)式中，fo為晶體管共基截止頻率，f為晶體管工作頻率。

(4)閃爍噪聲。閃爍噪聲一般認(rèn)為是由于晶體管表面清潔處理不好或缺陷而引起的噪聲。它與晶體表面少數(shù)載流子的復(fù)合有關(guān)，表現(xiàn)為發(fā)射極電流的起伏，其電流噪聲功率譜密度與頻率近似成反比，故又稱(chēng)為1/f噪聲。其特點(diǎn)是頻率集中在低頻(幾千赫以下)范圍內(nèi)，且功率譜密度隨頻率降低而增大。在高頻工作時(shí)，除非考慮閃爍噪聲的調(diào)幅、調(diào)相作用，通常不考慮它的影響。晶體管內(nèi)部噪聲影響的大小用噪聲系數(shù)NF表示(噪聲系數(shù)的定義將在后面介紹)，一般晶體管的噪聲頻率特性如圖3.25所示?？梢钥闯?，在f1<f<f2的頻段內(nèi)，噪聲系數(shù)與頻率無(wú)關(guān)，這時(shí)的噪聲主要是散彈噪聲和熱噪聲；在f<f1的頻段內(nèi)，噪聲系數(shù)隨頻率的下降以接近1/f的變化規(guī)律迅速增大，這時(shí)主要是閃爍噪聲；在f>f2的頻段內(nèi)，噪聲系數(shù)隨頻率的升高以接近于6dB/倍頻程的變化規(guī)律迅速增大，這時(shí)的噪聲主要是分配噪聲。為獲得低噪聲性能的放大器，應(yīng)選用噪聲系數(shù)小的晶體三極管，同時(shí)使晶體三極管工作在f1~f2的頻段內(nèi)。圖3.25晶體管的噪聲頻率特性

3)二極管和場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲晶體二極管工作狀態(tài)分為正偏和反偏兩種。正偏使用時(shí)，主要是直流通過(guò)PN結(jié)時(shí)產(chǎn)生的散粒噪聲。相比散射噪聲而言，由半導(dǎo)體材料體電阻產(chǎn)生的熱噪聲可忽略。反偏使用時(shí)，因反向飽和電流很小，故其產(chǎn)生的散粒噪聲也小。但如果達(dá)到反向擊穿，又分為齊納擊穿和雪崩擊穿兩種情況：齊納擊穿二極管主要是散粒噪聲，個(gè)別的有閃爍噪聲；雪崩擊穿二極管除了有散粒噪聲，還有由于結(jié)片內(nèi)雜質(zhì)缺陷和結(jié)寬的變化所引起的多態(tài)噪聲，即其噪聲電壓在兩個(gè)或兩個(gè)以上不同電平上進(jìn)行隨機(jī)轉(zhuǎn)換，不同電平可能相差若干個(gè)毫伏。因此雪崩擊穿二極管的噪聲較大。通常，硅二極管工作電壓在4V以下是齊納二極管，7V以上是雪崩二極管，在4～7V之間時(shí)兩種二極管都有。為了降低噪聲，最好是選用低壓齊納二極管。場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲不同于晶體三極管的噪聲，其主要噪聲為溝道電阻產(chǎn)生的熱噪聲、溝道熱噪聲通過(guò)溝道與柵極電容耦合作用在柵極上產(chǎn)生的感應(yīng)噪聲以及閃爍噪聲。

4)接收天線(xiàn)噪聲無(wú)線(xiàn)電發(fā)射或接收系統(tǒng)中輻射或接收無(wú)線(xiàn)電波是由天線(xiàn)來(lái)完成的，天線(xiàn)輻射或接收電磁波的同時(shí)，也會(huì)輻射或接收噪聲，這種噪聲稱(chēng)為天線(xiàn)噪聲。它用天線(xiàn)的輻射電阻RA在溫度TA時(shí)產(chǎn)生的熱噪聲來(lái)表示，故歸于內(nèi)部噪聲處理。根據(jù)天線(xiàn)理論，輻射電阻是計(jì)算天線(xiàn)輻射功率大小的一個(gè)重要參量，與輻射電阻相比，天線(xiàn)的歐姆電阻通常是可以忽略的。接收天線(xiàn)端口呈現(xiàn)的噪聲有兩個(gè)來(lái)源：第一是歐姆電阻產(chǎn)生的熱噪聲(通?？梢院雎?；第二是接收外來(lái)噪聲能量，其一是周?chē)橘|(zhì)輻射的噪聲能量，因?yàn)槿魏螠囟却笥诮^對(duì)零度的物體都要輻射能量，顯然天線(xiàn)端口呈現(xiàn)噪聲的大小與周?chē)橘|(zhì)所處的溫度有關(guān)，其二是宇宙輻射干擾的能量。所以天線(xiàn)的噪聲是這些噪聲和干擾的綜合，且與周?chē)橘|(zhì)的溫度、天線(xiàn)的指向以及頻率有關(guān)。為了便于工程計(jì)算，統(tǒng)一規(guī)定用天線(xiàn)的輻射電阻RA在溫度TA時(shí)產(chǎn)生的熱噪聲來(lái)表示天線(xiàn)的噪聲性能。顯然，這一電阻是虛構(gòu)的，我們將TA稱(chēng)為“天線(xiàn)有效噪聲溫度”，可以通過(guò)測(cè)量得到，TA與天線(xiàn)周?chē)橘|(zhì)密度和溫度分布以及天線(xiàn)的方向性有關(guān)。當(dāng)天線(xiàn)和其周?chē)慕橘|(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，天線(xiàn)的噪聲電壓均方值可表示為(3.65)例如，有一根輻射電阻為200Ω的接收天線(xiàn)，用帶寬為104Hz的儀器測(cè)得其端口的噪聲電壓有效值為0.1μV，則用式(3.65)算得所以，此天線(xiàn)的噪聲等效為200Ω電阻在溫度90.6K時(shí)產(chǎn)生的熱噪聲。除此之外，還有來(lái)自太陽(yáng)、銀河系及月球等的無(wú)線(xiàn)電輻射的宇宙噪聲，這種噪聲在空間的分布是不均勻的，且與時(shí)間(晝夜)和頻率有關(guān)。通常，銀河系的輻射較強(qiáng)，其影響主要在米波及更長(zhǎng)波，長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)表明，這種影響是穩(wěn)定的。太陽(yáng)的影響最大且極不穩(wěn)定，它與太陽(yáng)黑子及日輝(太陽(yáng)爆發(fā))有關(guān)。

2.噪聲的表示方法及計(jì)算在高頻電路中，為了使放大器能夠正常工作，除了要滿(mǎn)足增益、通頻帶、選擇性等要求之外，還應(yīng)對(duì)放大器的內(nèi)部噪聲進(jìn)行限制。下面分析描述放大器噪聲的幾個(gè)性能指標(biāo)。

1)等效噪聲頻帶寬度電阻熱噪聲是均勻頻譜的白噪聲，通過(guò)線(xiàn)性二端口網(wǎng)絡(luò)后，噪聲將怎樣變化？例如，放大電路具有一定的頻率特性，噪聲通過(guò)放大電路后，輸出噪聲是否也是均勻頻譜呢？設(shè)二端口網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸系數(shù)為A(f)，輸入端的噪聲功率頻譜密度為Si(f)，輸出端的噪聲功率譜密度為So(f)。根據(jù)信號(hào)與線(xiàn)性系統(tǒng)的結(jié)論可知：

So(f)=|A(f)|2Si(f)

(3.66)因此，作用于輸入端的均勻功率譜密度為Si(f)的白噪聲，通過(guò)傳輸系數(shù)為|A(f)|2的線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)后，如果|A(f)|2不是常系數(shù)，則輸出端的噪聲功率譜密度就不再是均勻的了。在這種情況下如何獲得輸出端噪聲電壓的均方值呢？由于起伏噪聲電壓的均方值與功率譜密度之間存在的關(guān)系為對(duì)于線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，輸出端的噪聲電壓均方值可寫(xiě)成(3.67)可用So(f)曲線(xiàn)與橫坐標(biāo)軸f之間的面積來(lái)表示。等效噪聲帶寬是按噪聲功率相等(幾何意義即面積相等)來(lái)等效的。圖3.26中，虛線(xiàn)表示的寬度為Δfn、高度為So(fo)的矩形面積與曲線(xiàn)So(f)下的面積相等，So(fo)表示輸出端特定頻率點(diǎn)fo處的噪聲功率譜密度。Δfn即為等效噪聲帶寬。由于面積相等，所以起伏噪聲通過(guò)這樣兩個(gè)特性不同的網(wǎng)絡(luò)后，具有相同的輸出電壓均方值。根據(jù)功率相等的條件，可得(3.68)將式(3.67)代入式(3.68)中，可得(3.69)圖3.26等效噪聲帶寬示意圖故線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)輸出端的噪聲電壓均方值為(3.70)因?yàn)镾i(f)=4kTR，所以(3.71)通常，|A(fo)|2是已知的。所以，只要能求出Δfn，就很容易算出。對(duì)于其他噪聲源來(lái)說(shuō)，只要噪聲功率譜密度是白噪聲，都可以應(yīng)用Δfn來(lái)計(jì)算其通過(guò)線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)后輸出噪聲電壓的均方值。必須指出，線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲帶寬Δfn與信號(hào)通頻帶2Δf0.7是不同的兩個(gè)概念。前者是從噪聲的角度引出來(lái)的，而后者是對(duì)信號(hào)而言的，但二者之間有一定的關(guān)系?？梢宰C明：對(duì)于常用的單調(diào)諧并聯(lián)回路來(lái)說(shuō)：(3.72)隨著回路級(jí)數(shù)m的增加，等效噪聲帶寬與信號(hào)通頻帶的差別越來(lái)越小。

2)噪聲系數(shù)如果放大器內(nèi)部不產(chǎn)生噪聲，當(dāng)輸入信號(hào)與噪聲通過(guò)它時(shí)，二者都得到同樣的放大，那么放大器輸出端信號(hào)功率與噪聲功率的比值(稱(chēng)為信噪比)應(yīng)該和輸入端信號(hào)功率與噪聲功率的比值相等。但實(shí)際放大器是由晶體管和電阻等元器件組成，它們都會(huì)產(chǎn)生噪聲，所以輸出信噪比總是小于輸入信噪比。為了衡量放大器噪聲性能的好壞，提出了噪聲系數(shù)這一性能指標(biāo)。放大電路的噪聲系數(shù)的定義為：放大電路的輸入端信噪比Si/Ni=Psi/Pni與輸出端信噪比So/No=Pso/Pno的比值，用NF表示為(3.73)用分貝數(shù)表示為(3.74)它表示信號(hào)通過(guò)放大器后，信噪比變差的程度。如果放大電路是理想無(wú)噪聲的線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)，那么其輸入的信號(hào)和噪聲會(huì)得到同樣的放大。而輸出信噪比與輸入信噪比相同，噪聲系數(shù)NF=1。若放大電路本身有噪聲，則輸出噪聲功率等于放大后的輸入噪聲功率和放大電路本身噪聲功率之和。顯然，經(jīng)放大后，輸出端的信噪比降低，即NF>1。式(3.73)是噪聲系數(shù)的基本定義。若將它作適當(dāng)?shù)淖儞Q，可有另一種表示形式：(3.75)式中，AP=Pso/Psi為放大電路的功率增益。

APPni表示信號(hào)源產(chǎn)生的噪聲通過(guò)放大電路放大后在輸出端所產(chǎn)生的噪聲功率，可用Pnoi表示，則式(3.75)可寫(xiě)成(3.76)上式表明，噪聲系數(shù)NF僅與輸出端的兩個(gè)噪聲功率Pno、Pnoi有關(guān)，而與輸入信號(hào)的大小無(wú)關(guān)。實(shí)際上，放大電路的輸出噪聲功率Pno由兩部分組成：一部分是Pnoi=APPni；另一部分是放大電路本身產(chǎn)生的噪聲在輸出端呈現(xiàn)的噪聲功率，用Pnon表示，即Pno=Pnoi+Pnon。所以，噪聲系數(shù)又可寫(xiě)成(3.77)由此可以看出噪聲系數(shù)與放大電路內(nèi)部噪聲的關(guān)系。應(yīng)該指出，噪聲系數(shù)的概念僅僅適用于線(xiàn)性電路，可用功率增益來(lái)描述。對(duì)非線(xiàn)性電路，信號(hào)與噪聲、噪聲與噪聲之間會(huì)相互作用，即使電路本身不產(chǎn)生噪聲，輸出端的信噪比也和輸入端的不同，因此噪聲系數(shù)的概念就不適用。為了計(jì)算和測(cè)量的方便，噪聲系數(shù)可用額定功率和額定功率增益來(lái)表示。當(dāng)信號(hào)源內(nèi)阻(用Rs表示)與放大電路的輸入電阻(用Ri表示)相等，即輸入端匹配時(shí)，信號(hào)源有最大功率輸出。這個(gè)最大功率稱(chēng)為額定輸入信號(hào)功率。其值為(3.78)而額定輸入噪聲功率為(3.79)由此看出，不管信號(hào)源內(nèi)阻如何，它產(chǎn)生的額定噪聲功率是相同的，均為kTΔfn，與電阻值大小無(wú)關(guān)，只與電阻所處的環(huán)境溫度和系統(tǒng)帶寬有關(guān)。但信號(hào)源額定功率隨著內(nèi)阻的增加而減小。當(dāng)Ri≠Rs時(shí)，額定信號(hào)功率和額定噪聲功率的數(shù)值不變。但這時(shí)的額定功率不表示實(shí)際的功率。同理，對(duì)輸出端來(lái)說(shuō)，當(dāng)放大電路的輸出電阻Ro和負(fù)載電阻RL相等，即輸出端匹配時(shí)，輸出端的功率為額定信號(hào)功率為Pso′和額定噪聲功率P

no′。當(dāng)Ro≠RL時(shí)，Pso′和Pno′的數(shù)值不變，但不表示輸出端的實(shí)際功率。額定功率增益是指放大電路的輸入和輸出都匹配時(shí)(即Ri=RL，Ro=RL時(shí))的功率增益，即APH=Pso′/Psi′。額定功率增益的概念在放大電路不匹配時(shí)也是存在的，因此，噪聲系數(shù)也可以定義為(3.80)這是噪聲系數(shù)的又一種表示形式。用此式進(jìn)行計(jì)算和測(cè)量噪聲比較方便。

3)多級(jí)放大器的噪聲系數(shù)