高頻小信號(hào)諧振放大器

1、第一章 高頻小信號(hào)諧振放大器,1.1 LC選頻網(wǎng)絡(luò),1.2 高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器,1.3 集中選頻放大器,1.4 電噪聲,1.1 LC選頻網(wǎng)絡(luò),1.1.1 選頻網(wǎng)絡(luò)的基本特性,1.1.2 LC 選頻回路,*1.1.4 雙耦合諧振回路及其選頻特性,1.1.3 LC 阻抗變換網(wǎng)絡(luò),LC選頻網(wǎng)絡(luò)由電感線圈和電容組成，當(dāng)外界授予一定能量，電路參數(shù)滿足一定關(guān)系時(shí)，可以在回路中產(chǎn)生電壓和電流的周期振蕩回路。若該電路在某一頻率的交變信號(hào)作用下,能在電抗原件上產(chǎn)生最大的電壓或流過(guò)最大的電流，即具有諧振特性，故該電路又稱諧振回路。,諧振回路按電路的形式分為：,1.串聯(lián)諧振回路 2.并聯(lián)諧振回路 3.耦合諧振回路

2、,1.1 LC選頻網(wǎng)絡(luò),用途：,1.利用他的選頻特性構(gòu)成各種諧振發(fā)大器 2.在自激振蕩器中充當(dāng)諧振回路 3.在調(diào)制、變頻、解調(diào)充當(dāng)選頻網(wǎng)絡(luò),本章討論各種諧振回路在正弦穩(wěn)態(tài)情況下的諧 振特性和頻率特性。,1.1.1 選頻網(wǎng)絡(luò)的基本特性,要求選頻電路的通頻帶寬度與傳輸信號(hào)有效頻譜寬度相一致。理想的選頻電路通頻帶內(nèi)的幅頻特性,通頻帶外的幅頻特性應(yīng)滿足,理想的幅頻特性應(yīng)是矩形，既是一個(gè)關(guān)于頻率的矩形窗函數(shù)。,矩形窗函數(shù)的選頻電路是一個(gè)物理不可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，實(shí)際選頻電路的幅頻特性只能是接近矩形,矩形窗函數(shù)的選頻電路是一個(gè)物理不可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，實(shí)際選頻電路的幅頻特性只能是接近矩形,定義矩形系數(shù)K0.1表示選擇

3、性：,2f0.7稱為通頻帶 ：,顯然，理想選頻電路的矩形系數(shù)K0.1=1，而實(shí)際選頻電路的矩形系數(shù)均大于1。,另外，為不引入信號(hào)的相位失真，要求在通頻帶范圍內(nèi)選頻電路的相頻特性應(yīng)滿足,即理想條件下信號(hào)有效頻帶寬度內(nèi)的各頻率分量都延遲一個(gè)相同時(shí)間，這樣才能保證輸出信號(hào)中各頻率分量之間的相對(duì)關(guān)系與輸入信號(hào)完全相同。,實(shí)際選頻回路的相頻特性曲線并不是一條直線，所以回路的電流或端電壓對(duì)各個(gè)頻率分量所產(chǎn)生的相移不成線性關(guān)系，這就不可避免地會(huì)產(chǎn)生相位失真，使選頻回路輸出信號(hào)的包絡(luò)波形產(chǎn)生變化,1.1.2 LC 選頻回路,串聯(lián) LC諧振回路,串聯(lián)LC諧振回路,仿真,電容性,電感性,同樣定義串聯(lián)諧振回路端電流

4、的相位為,+ uC -,+ uL -,+ ui -,+ uR -,仿真,矩形系數(shù):,=9.96,仿真,并聯(lián)LC諧振回路,并聯(lián) LC諧振回路,仿真,+ ui -,電感性,電容性,仿真,同樣定義并聯(lián)諧振回路端電壓的相位為,+ ui -,仿真,仿真,例1 設(shè)一并聯(lián)諧振回路，諧振頻率f0=10MHz，回路電容C50pF，試計(jì)算所需的線圈電感L。又若線圈品質(zhì)因素為Q100，試計(jì)算回路諧振電阻及回路帶寬。若放大器所需的帶寬為0.5MHz,則應(yīng)在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿足要求？,解：（1）計(jì)算L值,（2）回路的諧振電阻和帶寬,（3）求滿足0.5MHz帶寬的并聯(lián)電阻,設(shè)回路并聯(lián)電阻為 ，回路有載品質(zhì)因數(shù)為,將

5、已知條件帶入，可得：,返回,+ ui -,電感性,電容性,電容性,電感性,Q2 Q1,O,Q1,Q2,或,同樣定義并聯(lián)（串聯(lián)）諧振回路端電壓（電流）的相位為,+ ui -,+ uC -,+ uL -,+ ui -,+ uR -,例2(習(xí)題1.2)：串聯(lián)回路如下圖所示。,信號(hào)源頻率 f=1MHz。,電壓振幅 V=0.1V。 將1-1端短接，電容C 調(diào)到 100pF時(shí)諧振。此時(shí)，電容 C 兩端的電壓為10V。,如1-1端開(kāi)路再串接一阻抗 Z （電阻和電容串聯(lián)），則回路 失諧，電容 C 調(diào)到200pF時(shí)重新諧振。此時(shí)，電容 C 兩端 的電壓為2.5V。 試求：線圈的電感 L，回路品質(zhì)因數(shù) Q 以及未

6、知阻抗 Z 。,解：（1）計(jì)算L值,（2）空載品質(zhì)因數(shù)和有載品質(zhì)因數(shù),電容：,（3）計(jì)算阻抗,回路的諧振電阻,1.1.3 LC 阻抗變換網(wǎng)絡(luò),二 變壓器阻抗變換電路,假設(shè)初級(jí)電感線圈的圈數(shù)為N1，次級(jí)圈數(shù)為N2，且初次間全耦合(k=1)，線圈損耗忽略不計(jì)，則等效到初級(jí)回路的電阻RL上所消耗的功率應(yīng)和次級(jí)負(fù)載RL上所消耗功率相等,從功率等效角度證明：,理想變壓器無(wú)損耗：,二 變壓器阻抗變換電路,可通過(guò)改變 比值調(diào)整RL的大小。,三 回路抽頭的阻抗變換,+ ucb -,+ uab -,+ udb -,+ uab -,+ ucb -,+ uab -,+ udb -,+ uab -,iLiS ； iC

7、 iR,例4 應(yīng)用部分接入法的選頻電路,接入系數(shù),對(duì)回路有載品質(zhì)因數(shù),影響明顯減小。,仿真,例5 如圖， 抽頭回路由電流源激勵(lì), 忽略回路本身的固有損耗, 試求回路兩端電壓u(t)的表示式及回路帶寬。,解 由于忽略了回路本身的固有損耗, 因此可以認(rèn)為Q。 由圖可知, 回路電容為,諧振角頻率為,電阻R1的接入系數(shù),等效到回路兩端的電阻為,由于回路兩端電壓u(t)與i(t)同相, 電壓振幅U=IR=2 V, 故,輸出電壓為,回路有載品質(zhì)因數(shù),回路帶寬,例6 如圖所示并聯(lián)諧振回路，信號(hào)源與負(fù)載都為部分接入。已知RS、RL，并知回路參數(shù)L、C1、C2和空載品質(zhì)因數(shù)Q0，求（1）fo與B ；（2）RL不

8、變，要求總負(fù)載與信號(hào)源匹配，如何調(diào)整回路參數(shù)？,題意分析：并聯(lián)諧振回路是高頻電路中的最基本、最重要的電路之一，掌握其基本參數(shù)與特性非常重要。對(duì)這些內(nèi)容一定要十分熟練。本題的主要目的就是考查這部分內(nèi)容。另外，題目考查的內(nèi)容還有抽頭接入回路、接入系數(shù)、阻抗變換和匹配的概念。在求帶寬（通頻帶）時(shí)還要注意有載QL值和空（無(wú)）載Q0值的區(qū)別。,計(jì)算fo與B,再考慮有載時(shí)的情況。這里先不考慮信號(hào)源，設(shè)RL對(duì)回路的接入系數(shù)為p2 ，則:,把RL折合到回路兩端，變?yōu)?對(duì)于 ，先考慮空載時(shí)的情況：,解：,回路本身的并聯(lián)諧振電阻,因此，有載QL值為,iS ,RS ,L,C,Rp,a,b,若要使Rp與Rs匹配，即R

9、p=Rs，需調(diào)整Rp。由于RL不變，Rp中可調(diào)整的參數(shù)有p1、p2、Q0和L。但實(shí)際上L及Q0一般不變，而且回路f0也不能變。,2. 設(shè)信號(hào)源對(duì)回路的接入系數(shù)為p1，則總負(fù)載折合到信號(hào)源處為：,討論：一般地，阻抗變換時(shí)，由回路的低端折合到高端（部分接入到全接入）電阻增加，即除以p2（因?yàn)閜通常不大于1）。反之，乘以p2。計(jì)算這類題目時(shí)，要特別注意所有負(fù)載對(duì)Q值、通頻帶等參數(shù)的影響。,因此，可通過(guò)調(diào)整p1和p2來(lái)實(shí)現(xiàn)。調(diào)整p1就是調(diào)整L的抽頭位置，調(diào)整p2就是調(diào)整C1和C2。需要注意的是，調(diào)C1和C2時(shí)要保持C不變。,*1.1.4 雙耦合諧振回路及其選頻特性,仿真,us,us,is,is,is,

10、is,+ u2m -,+ u2m -,1.2 高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器（high frequency small signal amplifiers）,概述,1.2.1 晶體管的高頻小信號(hào)等效模型,1.2.2 高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器,1.2.3 高頻調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性,1.2.1 晶體管的高頻小信號(hào)等效模型,+ u1 -,+ u2 -,二 Y參數(shù)等效電路,+ ube -,+ uce -,1.2.2 高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器,仿真,+ u54 -,+ u31 -,+ u21 -,+ u54 -,+ u31 -,+ u21 -,yL,+ u54 -,+ u31 -,+ u31 -,p1yfeube,p1yf

11、eube,+ u31 -,+ u31 -,解：（1）由于,為回路的總電容，R為回路的總電阻。,R包括三個(gè)部分組成：回路本身的損耗以及三極管輸出電阻和后級(jí)輸入阻抗等效到回路中的損耗?；芈繁旧淼膿p耗，即回路本身的并聯(lián)諧振電阻為,晶體管輸出電阻折合到回路兩端的電阻為,下一級(jí)輸入電阻折合到回路兩端的電阻為,則回路兩端總電阻為,同樣，可以求得回路總電容為：,因此,（2）諧振時(shí)的電壓增益為,討論：本題中回路中的總電容是由回路本身的電容C以及三極管的輸入電容、輸出電容分別折合到回路中構(gòu)成的，應(yīng)注意電容的折合與電阻、電感是不同的；回路的總電阻包括回路本身的諧振電阻以及三極管的輸入電阻、輸出電阻分別折合到回路中

12、三個(gè)部分。在不同的應(yīng)用時(shí)，等效所包含的內(nèi)容是不一樣的，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析。,（3）,三、多級(jí)單調(diào)諧放大器,（2）n級(jí)放大器的矩形系數(shù),圖示電路為一單調(diào)諧回路中頻放大器，晶體管3DG6C 的直流工作點(diǎn)是 V CE 8V， I E 2 mA；工作頻率 f 0 10.7 MHz；調(diào)諧回路采用中頻變壓器L 13 4H， Q 0 100，其抽頭為 N 12 5 圈， N 13 = 20圈， N 45 = 5圈。已知晶體管參數(shù)如下： g ie 2860 S； C ie 18 pF ；goe 200S； C oe 7pF； y fe 45mS； fe 54 o；y re 0.31 mS； re 88.5 o

13、 試計(jì)算放大器的： 1）單級(jí)電壓增益 A v0 ；2）單級(jí)通頻帶2 f 0.7 ；3）四級(jí)的總電壓增益（A V0 ）4 4）四級(jí)的總通頻帶 （2 f 0.7）4 5）如四級(jí)的總通頻帶 保持和單級(jí)的通頻帶2f 0.7 相同， 則單級(jí)的通頻帶應(yīng)加寬多少？四級(jí)的總電壓增益下降多少？此時(shí)，單級(jí)放大器的負(fù)載回路應(yīng)并聯(lián)上一個(gè)多大的電阻？,1.2.3 高頻調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性,實(shí)際上yre0，即輸出電壓可以反饋到輸入端，引起輸入電流的變化，從而可能使放大器工作不穩(wěn)定。如果這個(gè)反饋?zhàn)銐虼?，且在相位上滿足正反饋條件，則會(huì)出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象。,1. 共發(fā)射極放大器的最大穩(wěn)定增益,ube,uce,由于內(nèi)反饋的存在，在放

14、大器的輸入端將產(chǎn)生一個(gè)反饋電壓ube，定義穩(wěn)定系數(shù)S:,Sube(j)ube(j),ube(j)= - yreuce/ (YS+ yie)= - yreuce/ y1 uce(j)= - yfeube/ (yL+ yoe)= - yfeube/ y2,Sube(j)ube(j)= y1 y2/ yfeyre,當(dāng)晶體管的工作頻率遠(yuǎn)低于特征頻率fT時(shí):,yfe|yfe|gm ,yrejCbc，re90o,經(jīng)推導(dǎo)得放大器的電壓增益與穩(wěn)定系數(shù)S的平方根成反比:,當(dāng)取S=1時(shí)，稱為臨界穩(wěn)定，其電壓增益稱為臨界穩(wěn)定電壓增益。,實(shí)際中常取S=5，此時(shí)電壓增益稱為最大穩(wěn)定增益。即為,Sube(j)ube(j)

15、= y1 y2/ yfeyre,當(dāng)S為正實(shí)數(shù)時(shí)，表明ube(j)ube(j)同相，滿足自激振蕩的相位條件。,當(dāng)|S |1時(shí)，|ube(j)| ube(j)|，不滿足振幅條件，放大器不會(huì)自激；當(dāng)|S |1時(shí)，放大器不穩(wěn)定。,為使放大器遠(yuǎn)離自激狀態(tài)而穩(wěn)定地工作，單級(jí)放大器通常選|S |510。,2. 提高放大器的穩(wěn)定性的方法,一是從晶體管本身想辦法，減小其反向傳輸導(dǎo)納yre的值。,二是從電路上設(shè)法消除晶體管的反向作用，使它單向化，具體方法有中和法與失配法。,中和法通過(guò)在晶體管的輸出端與輸入端之間引入一個(gè)附加的外部反饋電路(中和電路)，來(lái)抵消晶體管內(nèi)部參數(shù)yre的反饋?zhàn)饔谩?具體線路：,用一個(gè)電容C

16、N來(lái)抵消yre的虛部(反饋電容)的影響，就可達(dá)到中和的目的。,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)其它頻率只能有部分中和作用。中和電路的效果很有限。,電橋平衡時(shí)，CD兩端的回路電壓 不會(huì)反映到AB兩端, 即對(duì)應(yīng)兩邊阻抗之比相等。,例,失配法,信號(hào)源內(nèi)阻不與晶體管輸入阻抗匹配，晶體管輸出端 負(fù)載阻抗不與本級(jí)晶體管的輸出阻抗匹配。,原理：由于阻抗不匹配，輸出電壓減小，反饋到輸入 電路的影響也隨之減小。使增益下降，提高穩(wěn)定性。,使Yi = yie，即使后項(xiàng)0，則必須加大YL,晶體管實(shí)現(xiàn)單向比，只與管子本身參數(shù)有關(guān)，失配法 一般采用共發(fā)一共基級(jí)聯(lián)放大.,則,中和法與失配法比較 中

17、和法： 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，增益高 缺點(diǎn)： 只能在一個(gè)頻率上完全中和，不適合寬帶 因?yàn)榫w管離散性大，實(shí)際調(diào)整麻煩，不適于 批量生產(chǎn)。 采用中和對(duì)放大器由于溫度等原因引起各種參 數(shù)變化沒(méi)有改善效果。 失配法： 優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，能改善各種參數(shù)變化的影響； 頻帶寬，適合寬帶放大，適于波段工作； 生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)需調(diào)整，適于大量生產(chǎn)。 缺點(diǎn)：增益低。,1.3 集中選頻放大器,1.3.1 集中選頻放大器的組成,第二種形式,第一種形式,1.3.2 集中選頻濾波器,1） 石英晶體的物理特性： 石英是礦物質(zhì)硅石的一種（也可人工制造），化學(xué)成分是SiO2，其形狀為結(jié)晶的六角錐體。圖(a)表示自然結(jié)晶體，圖(b)表示晶體的

18、橫截面。為了便于研究，人們根據(jù)石英晶體的物理特性，在石英晶體內(nèi)畫(huà)出三種幾何對(duì)稱軸，連接兩個(gè)角錐頂點(diǎn)的一根軸ZZ，稱為光軸，在圖(b)中沿對(duì)角線的三條XX軸，稱為電軸，與電軸相垂直的三條YY軸，稱為機(jī)械軸。,1 石英晶體濾波器,沿著不同的軸切下，有不同的切型，X切型、Y切型、AT切型、BT、CT等等。 石英晶體具有正、反兩種壓電效應(yīng)。當(dāng)石英晶體沿某一電軸受到交變電場(chǎng)作用時(shí)，就能沿機(jī)械軸產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，反過(guò)來(lái)，當(dāng)機(jī)械軸受力時(shí)，就能在電軸方向產(chǎn)生電場(chǎng)。且換能性能具有諧振特性，在諧振頻率，換能效率最高。,石英晶體和其他彈性體一樣，具有慣性和彈性，因而存在著固有振動(dòng)頻率，當(dāng)晶體片的固有頻率與外加電源頻率相

19、等時(shí)，晶體片就產(chǎn)生諧振。,2）石英晶體振諧器的等效電路和符號(hào),石英片相當(dāng)一個(gè)串聯(lián)諧振電路，可用集中參數(shù)Lq、Cq、rq來(lái)模擬，Lq為晶體的質(zhì)量（慣性），Cq 為等效彈性模數(shù)，rg 為機(jī)械振動(dòng)中的摩擦損耗。,右圖表示石英諧振器的基頻等效電路。 電容C0稱為石英諧振器的靜電容。其容量主要決定于石英片尺寸和電極面積。 一般C0在幾PF 幾十PF。式中 石英介電常數(shù)，s 極板面積，d 石英片厚度,C,0,r,q,C,q,L,q,J,T,b,a,r,q,L,q,C,q,C,o,a,b,石英晶體的特點(diǎn)是： 等效電感Lq特別大、等效電容Cq特別小，因此，石英晶 體的Q值 很大，一般為幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)。這是 普通

20、LC電路無(wú)法比擬的。 由于 ，這意味著等效電路中的接入系數(shù)很小, 因此外電路影響很小。,3）. 石英諧振器的等效電抗（阻抗特性） 石英晶體有兩個(gè)諧振角頻率。一個(gè)是左邊支路的串聯(lián)諧振角頻率q，即石英片本身的自然角頻率。另一個(gè)為石英諧振器的并聯(lián)諧振角頻率p。 串聯(lián)諧振頻率 并聯(lián)諧振頻率,顯然,接入系數(shù)p很小，一般為10-3數(shù)量級(jí)，所以p與q很接近。,上式忽略 rq 后可簡(jiǎn)化為 當(dāng) = q時(shí)z0 = 0 Lq、Cq串諧諧振，當(dāng) = p，z0 = ，回路并諧諧振。 當(dāng) 為容性。 當(dāng) 時(shí),jx0 為感性。其電抗曲線如上圖所示。,并不等于石英晶體片本身的等效電感Lq。 石英晶體濾波器工作時(shí)，石英晶體兩個(gè)諧

21、振頻率之間感性區(qū)的寬度決定了濾波器的通帶寬度。,必須指出，在q與p的角頻率之間，諧振器所呈現(xiàn)的等效電感,2.陶瓷濾波器 利用某些陶瓷材料的壓電效應(yīng)構(gòu)成的濾波器，稱為陶瓷濾波器。它常用鋯鈦酸鉛Pb(zrTi)O3壓電陶瓷材料（簡(jiǎn)稱PZT）制成。,這種陶瓷片的兩面用銀作為電極，經(jīng)過(guò)直流高壓極化之后具有和石英晶體相類似的壓電效應(yīng)。 優(yōu)點(diǎn)：容易焙燒，可制成各種形狀；適于小型化；且耐熱耐濕性好。 它的等效品質(zhì)因數(shù)QL為幾百，比石英晶體低但比LC濾波高。,1) 陶瓷片的“壓電效應(yīng)”與“反壓電效應(yīng)”,2) 兩端陶瓷濾波器（外形及符號(hào)）,兩個(gè)諧振頻率：,3）三端陶瓷濾波器,實(shí)物圖：,3 聲表面波濾波器(SAW

22、F),實(shí)物圖：,聲表面波濾波器應(yīng)用實(shí)例：,V1是預(yù)中放部分，起前置放大作用； Z1為SAWF起集中選頻作用； TA7680AP為彩電圖像中頻放大器IC。,1.4 電噪聲,1.4.1 概述 1.4.2 噪聲的來(lái)源和特點(diǎn) 1.4.3 噪聲系數(shù)計(jì)算方法,1.4.1 概 述,噪聲是一種隨機(jī)信號(hào)，其頻譜分布于整個(gè)無(wú)線電工作頻率范圍，因此它是影響各類收信機(jī)性能的主要因素之一。 干擾與噪聲的分類如下： 干擾一般指外部干擾，可分為自然的和人為的干擾。 自然干擾有天電干擾、宇宙干擾和大地干擾等。 人為干擾主要有工業(yè)干擾和無(wú)線電器的干擾。 噪聲一般指內(nèi)部噪聲，也可以分為自然的和人為的噪聲。 本章主要討論自然噪聲，

23、對(duì)工業(yè)干擾和天電干擾只做簡(jiǎn)略的說(shuō)明。,1.4.2 噪聲的來(lái)源和特點(diǎn),理論上說(shuō)，任何電子線路都有電子噪聲，但是因?yàn)橥ǔｋ娮釉肼暤膹?qiáng)度很弱，因此它的影響主要出現(xiàn)在有用信號(hào)比較弱的場(chǎng)合，在電子線路中，噪聲來(lái)源主要有兩方面： 電阻熱噪聲和半導(dǎo)體管噪聲，兩者有許多相同的特性。,1 電阻的熱噪聲,電阻由導(dǎo)體等材料組成，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在一定的溫度下總是處于“無(wú)規(guī)則”的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種熱運(yùn)動(dòng)的方向和速度都是隨機(jī)的。 自由電子的熱騷動(dòng)在導(dǎo)體內(nèi)形成非常弱的電流。,由于en呈現(xiàn)正態(tài)分布，所以又稱其為高斯噪聲,電阻熱噪聲作為一種起伏噪聲，具有極寬的頻譜，從零頻一直延伸到10-13Hz以上的頻率，而且它的各個(gè)頻率分量

24、的強(qiáng)度是相等的。 這種頻譜與白色光的光譜類似，因此將具有均勻連續(xù)的噪聲叫做白噪聲，電阻的熱噪聲就是一種白噪聲。,1) 熱噪聲電壓和功率譜密度,在單位頻帶內(nèi)，電阻所產(chǎn)生的熱噪聲電壓的均方值為,噪聲功率譜密度,式中，k為玻耳茲曼常數(shù)，為1.3810-23 J/K；T為熱力學(xué)溫度，單位為K，,電阻熱噪聲等效電路,2) 線性電路中的熱噪聲,電阻熱噪聲通過(guò)兩電阻串聯(lián), 熱噪聲通過(guò)線路電路,結(jié)論：對(duì)于線性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的熱噪聲功率譜密度等效為網(wǎng)絡(luò)的總等效電阻產(chǎn)生的熱噪聲功率譜密度。,例：并聯(lián)回路的熱噪聲,并聯(lián)回路可以等效為Re+jXe（圖（c）,現(xiàn)在看上述輸出噪聲譜密度與Re、 Xe的關(guān)系。,展開(kāi)化簡(jiǎn)后得,對(duì)比

25、, 可得,結(jié)論：對(duì)于線性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的熱噪聲功率譜密度等效為網(wǎng)絡(luò)的總等效電阻產(chǎn)生的熱噪聲功率譜密度。,輸出端的均方噪聲電壓為,例9 求如圖所示網(wǎng)絡(luò)輸出至負(fù)載電阻RL上的噪聲功率和額定噪聲功率。,題意分析：本題所涉及的網(wǎng)絡(luò)為純電阻網(wǎng)絡(luò)，討論噪聲問(wèn)題肯定是熱噪聲問(wèn)題。從題意來(lái)看，是要求純電阻網(wǎng)絡(luò)的熱噪聲功率。熱噪聲功率與噪聲均方電壓或均方電流有關(guān)，計(jì)算十分簡(jiǎn)單。需要注意的是，均方噪聲電壓或電流是交流形式的均方值另外，ES為信號(hào)源而非噪聲源。,解：網(wǎng)絡(luò)總的等效電阻為,討論：（1）對(duì)于純電阻網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)電阻產(chǎn)生的熱噪聲大小等效為網(wǎng)絡(luò)的總等效電阻產(chǎn)生的熱噪聲（包括均方噪聲電壓、電流或功率）。 （2）純電阻網(wǎng)絡(luò)

26、或電阻產(chǎn)生的最大噪聲功率，即額定噪聲功率為kTB。 （3）對(duì)于線性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的熱噪聲功率譜密度等效為網(wǎng)絡(luò)的總等效電阻產(chǎn)生的熱噪聲功率譜密度，其均方噪聲電壓帶寬由線性系統(tǒng)的帶寬決定。,網(wǎng)絡(luò)輸出的噪聲功率為,2 二極管的噪聲,晶體二極管工作狀態(tài)可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)生散粒噪聲。 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，如果達(dá)到反向擊穿（如穩(wěn)壓管），又分兩種情況： 齊納擊穿二極管主要是散粒噪聲，個(gè)別的有1/f噪聲(閃爍噪聲)。 雪崩擊穿二極管的噪聲較大，除有散粒噪聲，還有多態(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

27、若干個(gè)毫伏。 這種多電平工作是由于結(jié)片內(nèi)雜質(zhì)缺陷和結(jié)寬的變化所引起。 硅二極管工作電壓在4V以下是齊納二極管，7V以上的是雪崩二極管，4V7V之間兩種二極管都有。 為了低噪聲使用，最好選用低壓齊納二極管。,3 晶體三極管的噪聲,晶體三極管的噪聲是設(shè)備內(nèi)部固有噪聲的另一個(gè)重要來(lái)源。 一般說(shuō)來(lái)，在一個(gè)放大電路中，晶體三極管的噪聲往往比電阻熱噪聲強(qiáng)得多，在晶體三極管中，除了其中某些分布，如基極電阻rbb會(huì)產(chǎn)生熱噪聲外，還有以下幾種噪聲來(lái)源。,1).散彈（粒）噪聲 在晶體管的PN結(jié)中（包括二極管的PN結(jié)），每個(gè)載流子都是隨機(jī)地通過(guò)PN結(jié)的（包括隨機(jī)注入、隨機(jī)復(fù)合）。 大量載流子流過(guò)結(jié)時(shí)的平均值（單位時(shí)

28、間內(nèi)平均）決定了它的直流電流I0，因此真實(shí)的結(jié)電流是圍繞I0起伏的。 這種由于載流子隨機(jī)起伏流動(dòng)產(chǎn)生的噪聲稱為散彈噪聲，或散粒噪聲。,因?yàn)樯椩肼暫碗娮锜嵩肼暥际前自肼?，前面關(guān)于熱噪 聲通過(guò)線性系統(tǒng)的分析對(duì)散彈噪聲也完全適用。 這包括均 方相加的原則，通過(guò)四端網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算以及等效噪聲帶寬等。 晶體管中有發(fā)射結(jié)和集電結(jié)，因?yàn)榘l(fā)射結(jié)工作于正偏， 結(jié)電流大。 而集電結(jié)工作于反偏，除了基極來(lái)的傳輸電流 外，只有反向飽和電流（它也產(chǎn)生散彈噪聲）。 因此發(fā)射 結(jié)的散彈噪聲起主要作用，而集電結(jié)的噪聲可以忽略。,晶體管中通過(guò)發(fā)射結(jié)的少數(shù)載流子，大部分由集電極收集，形成集電極電流，少數(shù)部分載流子被基極流入的多數(shù)載

29、流子復(fù)合，產(chǎn)生基極電流。 由于基極中載流子的復(fù)合也具有隨機(jī)性，即單位時(shí)間內(nèi)復(fù)合的載流子數(shù)目是起伏變化的。 晶體管的電流放大系數(shù)、只是反映平均意義上的分配比。 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，稱為晶體管的分配噪聲。 分配噪聲本質(zhì)上也是白噪聲，但由于渡越時(shí)間的影響，響當(dāng)三極管的工作頻率高到一定值后，這類噪聲的功率譜密度將隨頻率的增加而迅速增大。,2). 分配噪聲,3). 閃爍噪聲 由于半導(dǎo)體材料及制造工藝水平造成表面清潔處理不好 而引起的噪聲稱為閃爍噪聲。 它與半導(dǎo)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，其電流噪聲譜密度 與頻率近似成反比，又稱1/f噪聲。

30、因此，它主要在低頻 （如幾千赫茲以下）范圍起主要作用。 這種噪聲也存在于 其他電子器件中，某些實(shí)際電阻器就有這種噪聲。 晶體管 在高頻應(yīng)用時(shí)，除非考慮它的調(diào)幅、調(diào)相作用，這種噪聲的 影響也可以忽略。,4 場(chǎng)效應(yīng)管噪聲 在場(chǎng)效應(yīng)管中，由于其工作原理不是靠少數(shù)載流子的運(yùn) 動(dòng)，因而散彈噪聲的影響很小。 場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲有以下幾個(gè)方面的來(lái)源： 溝道電阻產(chǎn)生的熱噪聲，溝道熱噪聲通過(guò)溝道和柵極電容的耦合作用在柵極上的感應(yīng)噪聲，閃爍噪聲。 必須指出，前面討論的晶體管中的噪聲，在實(shí)際放大器 中將同時(shí)起作用并參與放大。 有關(guān)晶體管的噪聲模型和晶體管放大器的噪聲比較復(fù)雜，這里就不討論了。,研究噪聲的目的在于如何減少

31、它對(duì)信號(hào)的影響。 因此，離開(kāi)信號(hào)談噪聲是無(wú)意義的。 從噪聲對(duì)信號(hào)影響的效果看，不在于噪聲電平絕對(duì)值的大小，而在于信號(hào)功率與噪聲功率的相對(duì)值，即信噪比，記為SN（信號(hào)功率與噪聲功率比）。 即便噪聲電平絕對(duì)值很高，但只要信噪比達(dá)到一定要求，噪聲影響就可以忽略。 否則即便噪聲絕對(duì)電平低，由于信號(hào)電平更低，即信噪比低于1，則信號(hào)仍然會(huì)淹沒(méi)在噪聲中而無(wú)法辨別。 因此信噪比是描述信號(hào)抗噪聲質(zhì)量的一個(gè)物理量。,1.4.3 噪聲系數(shù)計(jì)算方法,1 噪聲系數(shù)的定義,噪聲系數(shù)可由下式表示,設(shè)Pi為信號(hào)源的輸入信號(hào)功率，Pni為信號(hào)源內(nèi)阻RS產(chǎn)生的噪聲功率，Po和Pno分別為信號(hào)和信號(hào)源內(nèi)阻在負(fù)載上所產(chǎn)生的輸出功率和

32、輸出噪聲功率,Pna表示線性電路內(nèi)部附加噪聲功率在輸出端的輸出。,描述放大器噪聲系數(shù)的等效圖,要描述放大系統(tǒng)的固有噪聲的大小，就要用噪聲系數(shù)，其定義為,已知噪聲功率是與帶寬B相聯(lián)系的。 噪聲系數(shù)與輸入信號(hào)大小無(wú)關(guān)。定義：Pni為信號(hào)源內(nèi)阻Rs的最大輸出功率，為kTB 噪聲系數(shù)的大小與四端網(wǎng)絡(luò)輸入端的匹配情況無(wú)關(guān) 噪聲系數(shù)的定義只適用于線性或準(zhǔn)線性電路,信噪比與負(fù)載的關(guān)系,設(shè)信號(hào)源內(nèi)阻為RS，信號(hào)源的電壓為US（有效值），當(dāng)它與負(fù)載電阻RL相接時(shí)，在負(fù)載電阻RL上的信噪比計(jì) 算如下：,信號(hào)源內(nèi)阻噪聲在RL上的功率,在負(fù)載兩端的信噪比結(jié)論： 信號(hào)源與任何負(fù)載相接本不影響其輸入端信噪比，即無(wú)論負(fù)載為

33、何值，其信噪比都不變，其值為負(fù)載開(kāi)路時(shí)的信號(hào)電壓平方與噪聲電壓均方值之比。,在負(fù)載兩端的信噪比,信號(hào)源在RL上的功率,用額定功率和額定功率增益表示的噪聲系數(shù),放大器輸入信號(hào)源電路如圖所示。 任何信號(hào)源加上負(fù)載后，其信噪比與負(fù)載大小無(wú)關(guān)，信噪比均為信號(hào)均方電壓（或電流）與噪聲均方電壓（或電流）之比。,放大器的噪聲系數(shù)NF為,Pasi和Pao分別為放大器的輸入和輸出額定信號(hào)功率，Pani和Pano分別為放大的輸入和輸出額定噪聲功率，Gpa為放大器的額定功率增益。,以額定功率表示的噪聲系數(shù),2. 噪聲系數(shù)的計(jì)算,額定功率, 又稱資用功率或可用功率, 是指信號(hào)源所能輸出的最大功率, 它是一個(gè)度量信號(hào)源

34、容量大小的參數(shù), 是信號(hào)源的一個(gè)屬性, 它只取決于信號(hào)源本身的參數(shù)內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì), 與輸入電阻和負(fù)載無(wú)關(guān), 如圖所示。,（a） 電壓源; （b） 電流源,放大器的噪聲系數(shù)NF為,對(duì)于無(wú)源二端口網(wǎng)絡(luò)，輸出端匹配時(shí)，輸出的額定噪聲功率Pano= kTB, 所以噪聲系數(shù):,因?yàn)镻ani= kTB,抽頭回路的噪聲系數(shù),將信號(hào)源電導(dǎo)等效到回路兩端, 為p2gS, 等效到回路兩端的信號(hào)源電流為pIS, 輸出端匹配時(shí)信號(hào)源的最大輸出功率，即二端網(wǎng)絡(luò)輸出端最大功率為：,輸入端信號(hào)源的最大輸出功率,即二端網(wǎng)絡(luò)最大輸入功率為 ：,因此, 網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)為,例10 求如圖所示虛線所含網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)。,方法一：額定功率增

35、益法, US ,方法二：開(kāi)路電壓法（戴維南定理）, Un ,根據(jù)定義, 級(jí)聯(lián)后總的噪聲系數(shù)為,3. 級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù),式中, Pno為總輸出額定噪聲功率, 它由三部分組成: 經(jīng)兩級(jí)放大的輸入信號(hào)源內(nèi)阻的熱噪聲; 經(jīng)第二級(jí)放大的第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的附加噪聲; 第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的附加噪聲, 即,按噪聲系數(shù)的表達(dá)式, Pna1和Pna2可分別表示為,則,將上式代入定義，得,多級(jí)放大器噪聲系數(shù)的計(jì)算,多級(jí)放大器噪聲系數(shù)計(jì)算等效圖,多級(jí)放大器的總噪聲系數(shù)計(jì)算公式為：,從上式可以看出, 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的額定功率增益遠(yuǎn)大于1時(shí), 系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要取決于第一級(jí)的噪聲系數(shù)。 越是后面的網(wǎng)絡(luò), 對(duì)噪聲系數(shù)的影響就越小, 這

36、是因?yàn)樵降胶蠹?jí)信號(hào)的功率越大, 后面網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲對(duì)信噪比的影響就不大了。 因此, 對(duì)第一級(jí)來(lái)說(shuō), 不但希望噪聲系數(shù)小, 也希望增益大, 以便減小后級(jí)噪聲的影響。,多級(jí)放大器的總噪聲系數(shù)計(jì)算公式為：,例11 下圖 是一接收機(jī)的前端電路, 高頻放大器和場(chǎng)效應(yīng)管混頻器的噪聲系數(shù)和功率增益如圖所示。 試求前端電路的噪聲系數(shù)(設(shè)本振產(chǎn)生的噪聲忽略不計(jì))。,解 將圖中的噪聲系數(shù)和增益化為倍數(shù), 有,因此, 前端電路的噪聲系數(shù)為,4 噪聲溫度 將線性電路的內(nèi)部附加噪聲折算到輸入端, 此附加噪聲可以用提高信號(hào)源內(nèi)阻上的溫度來(lái)等效, 這就是“噪聲溫度”。設(shè) 等效到輸入端的附加噪聲為Pna/GPa, 令增加的溫度

37、為Te, 即噪聲溫度, 可得,這樣,多級(jí)放大器的等效噪聲溫度為：,晶體管放大器的噪聲系數(shù),根據(jù)下圖所示，共基極放大器噪聲可得各噪聲源在放大器輸出端所產(chǎn)生的噪聲電壓均方值總和，然后根據(jù)噪聲系數(shù)的定義，可得到放大器的噪聲系數(shù)的計(jì)算公式,共基極放大器噪聲等效電路,5 噪聲系數(shù)與靈敏度,噪聲系數(shù)是用來(lái)衡量部件(如放大器)和系統(tǒng)(如接收機(jī))噪聲性能的。 而噪聲性能的好壞，又決定了輸出端的信號(hào)噪聲功率比(當(dāng)信號(hào)一定時(shí))。 同時(shí)，當(dāng)要求一定的輸出信噪比時(shí)，它又決定了輸入端必需的信號(hào)功率，也就是說(shuō)決定放大或接收微弱信號(hào)的能力。 對(duì)于接收機(jī)來(lái)說(shuō)，接收微弱信號(hào)的能力，可以用一重要指標(biāo)靈敏度來(lái)衡量。 所謂靈敏度就是保持接收機(jī)輸出端信噪比一定時(shí)，接收機(jī)輸入的最小電