第一章高频小信号放大器

1、八八 一一 主讲：金继才主讲：金继才 高频电子线路高频电子线路 绪绪 论论 无线电通信传输系统是利用无线电波在空间的传播来完成信息的无线电通信传输系统是利用无线电波在空间的传播来完成信息的 传输。为了保证信息的有效传输，必须对信息进行必要的处理，其传输。为了保证信息的有效传输，必须对信息进行必要的处理，其 框图为：框图为： 通信系统发送设备与接收设备框图为通信系统发送设备与接收设备框图为： 音频 放大器 调制器激励放大 输出功 率放大 载波 振荡器 天线开关 高频放大混频器 中频放大 与滤波 解调器 音频 放大器 话 筒 本地 振荡器 扬 声 器 变频器 无线通信系统的基本组成无线通信系统的基

2、本组成 信源 信 宿 (a) 射线 (b) (c) 电离层 (d) 对流层 无线电波的主要传播方式无线电波的主要传播方式 （a） 直射传播; （b） 地波传播; （c） 天波传播; （d） 散射传播 第一章第一章 高频小信号放大器高频小信号放大器 第一节第一节 概概 述述 一、一、 何谓高频小信号放大器？何谓高频小信号放大器？ 指放大高频小信号中心频率中心频率f0为几百千赫到几百兆为几百千赫到几百兆 赫；频谱宽度赫；频谱宽度BW0.7为几千赫到几十兆赫；振幅为几千赫到几十兆赫；振幅 Um为微伏到毫伏量级为微伏到毫伏量级的放大器。 二、对高频小信号放大器的要求：二、对高频小信号放大器的要求： 具

3、有一定的增益(一般由双极性晶体管、场效应管、集 成电路等有源器件提供） 具有一定的选频能力（一般由LC谐振回路、陶瓷滤波 器、石英晶体滤波器、和声表面波滤波器等选频器件实现） 1 2 三、高频小信号放大器与低频小信号放大器的异同点三、高频小信号放大器与低频小信号放大器的异同点 都是线性放大器 负载不同 所选管子不同 四、本章重点和难点四、本章重点和难点 多级单级调谐放大器 单级调谐放大器 重点：重点： 单级双调谐放大器 参差调谐放大器 难点：难点： 晶体管高频等效电路晶体管高频等效电路Y参数的分析参数的分析 第二节第二节 LC谐振回路的选频特性与阻抗变换电路谐振回路的选频特性与阻抗变换电路 I

4、 s L C I s L C I s L C r g e0 一、回路的选频特性一、回路的选频特性 1求回路谐振电导求回路谐振电导geo 2 0 0 0 2 0 2 2 0 22 0 2 2 0 2 0 00 0 00 0 00 )( )( )()( )( )( 11 L r g rL Lr r Lr r j Lr r Lr Ljr LjrrLj Ljr rLjR g rLjR e e e e 根据电路分析基础知识，可以求出根据电路分析基础知识，可以求出 LC并联谐并联谐 振回路的主要参数：振回路的主要参数： 2 求回路总导纳求回路总导纳Y ) 1 ( 0 L CjgY e 3 求回路谐振频率求

5、回路谐振频率f0 LC f LC L C 2 11 0 1 00 0 设 4 求回路谐振电压求回路谐振电压U00 0 000 e s es g I RIU 5 求回路空载求回路空载Q值值 0 0 0 00 0 0 0 0 1 eLe e e g C g CR L R Q 6 求单位谐振曲线求单位谐振曲线N(f) 2 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 00 0 00 0 00 0 0 0 2 0 2 0 2 0 0 00 1 1 )( 1 1 1 1 /) 1 (1 1 ) 1 ( )( 0 f f f f Q fN f f f f QQ Lg L L Lg Lc Lg L L Lc g

6、L c g L c g L c L cjg g Y g Y I U U fN eeee e e e eoe g I s e S 任意频率任意频率 下的回路下的回路 电压电压U与与 谐振时回谐振时回 路电压路电压U00 之比称为之比称为 单位谐振单位谐振 函数，函数，用用 N(f)表示。表示。 N(f)曲线曲线 称为单位称为单位 谐振曲线谐振曲线. 2 0 2 0 00 0 0 000 0 2 1 1 )( 2)(2)( f f Q fN f f f ff ff ffff f f f f 定义相对失谐：定义相对失谐： f f f f 0 0 f与与f0相差很小时相差很小时 根据上式可画出根据上式

7、可画出 单位谐振曲线单位谐振曲线N(f) 7 求通频带、选择性、矩形系数求通频带、选择性、矩形系数 通常定义单位谐振曲线上 所包含的频率范围为谐振 回路的通频带，用BW0.7表示： BW0.7=f2 - f1 2 1 )(fN 取： 0 0 127.0 0 12 0 0 01 0 0 12 0 0 0 2 0 2 0 2 )(2 1 )(2 1 )(2 1 2 2 1 2 1 1 )( Q f ffBW f ff Q f ff Q f ff Q f f Q f f Q fN 通频带通频带 7 . 0 BWf 选择性选择性 由上式可以看出：通频带与选择性是互相矛 盾的两个性能指标，Q BW0.7

8、，；Q，BW0.7 矩形系数矩形系数 矩形系数K0.1定义为单位谐振曲线N(f)值下降到0.1时的频 带范围W0.7与通频带之比，即： 2.2.串联谐振回路串联谐振回路 7 . 0 1 . 0 1 . 0 BW BW K 0 0 7 . 0 22 0 00 0 0 0 0 1 1 )( 2 1 ) 1 ( 1 Q f BW Q I I fN LC f rR L Q r L Q C LjR C jLjRZ L e LL 回路总阻抗回路总阻抗 回路空载回路空载Q值值 回路有载回路有载Q值值 回路谐振频率回路谐振频率 单位谐振曲线单位谐振曲线 回路通频带回路通频带 . .串、并联谐振回路阻抗特性比较

9、串、并联谐振回路阻抗特性比较 串谐时：串谐时：阻抗最小， 特性曲线为正，电 流I00最大。 并谐时：并谐时：阻抗最大， 特性曲线为负；电 压U00最大。 串联回路适合与信号源和负载串联连接，使有用信号 通过回路有效地传送给负载。 并联回路适合与信号源和负载并联连接，使有用信号 在负载上的电压振幅最大。 选用时：选用时： 二、变压器的分压式阻抗变换电路二、变压器的分压式阻抗变换电路 L R Lg Q L R Lg Q e e e 00 0 0 00 0 1 1 回路空载回路空载Q值值 回路有载回路有载Q值值 回路总电导回路总电导 回路总电阻回路总电阻 R gggg eoLs 1 eoLs RRR

10、R/ 讨论并联谐振回路与信号源和负载连接的特点：讨论并联谐振回路与信号源和负载连接的特点： 0 0 00 00 00 0 00 0 00 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 QQ Q R R R R Q R R R R g g g g ggg g g g g g Lg Lg Q Q e L e s e e L e s e e L e s Lse ee e e e 物理意义：物理意义： .Qe1时，双参差放大器谐振曲线 的中部将出现凹陷。如果再后接一个调谐在中 心频率f0处的单调谐放大器，补偿中心的凹 陷,可以使合成谐振曲线中部比较平坦，这样 就组成了三参差放大器。 四、双调谐放大器四、双调

11、谐放大器 改善单级放大器的通频 带和选择性可以采用双 调谐放大器。双调谐放 大器是指集电极采用双 调谐回路作为负载的一 种放大器，可分为互感 耦合和电容耦合两种类 型。现以互感耦合双调 谐放大器为例进行分析 在实际电路中，两个 回路都调谐在同一个谐 振频率 f0上。并假定初 、次级线圈电感均为L， 两回路Q值也相同。 2222 21 0 4)1 ( g ynn U U A fe i u 2 21 0 0 1 0;0, : g ynn A ff L M k kQ Q fe u e e 时当 耦合系数 耦合因素 广义失谐其中 15. 31100 7 . 0 2 41 . 0 1 . 0 0 7 .

12、 0 BW BW K Q f BW e 4 0 21 max0 4 2 )( 1 2 u u fe u A A N g ynn A 1 为临界耦合，曲线为单峰 1 为弱耦合，曲线为单峰 1 为强耦合，曲线为双峰 双调谐放大器和单调谐放大器相比，工作于临界耦合状 态的双调谐放大器通频带是其 倍，矩形系数从9.95减小 到3.15。和临界偏调的双参差放大器相比，二者的通频带和 矩形系数是相同的。 弱耦合时的谐振曲线与单调谐放大器相似，所以很少使 用。强耦台时，通频带显著加宽，矩形系数更好，但谐振 曲线顶部出现凹陷，所以仅在要求放大器相对频带较宽时 才使用，且需要再级联一级单调谐放大器用以补偿中间的

13、 凹陷部分，使总的谐振曲线在整个通频带内比较平坦。 对照工作于临界耦合状态的双调谐放大器和临界偏调的 双参差放大器可以发现，二者的谐振曲线是相同的。它们 均由两个谐振回路组成，但前者两个回路调谐于同一个频 率，后者两个回路谐振于不同频率。前者仅一级放大，增 益较小，后者为两级放大，增益较大。 2 五、谐振放大器的稳定性五、谐振放大器的稳定性 失配法通过增大负载电导，进而增大总回路电导，使输出电路 严重失配，输出电压相应减小，从而使输出端反馈到输入端的 电流减小，对输入端的影响也减小。可见，失配法是用牺牲增 益来换取电路的稳定。 中和法通过 在晶体管的输 出端与输入端 之间引入一个 附加的外部反

14、 馈电路（中和 电路），来抵 消晶体管内部 参数的反馈作用，达到中和的目的。 第五节第五节 电噪声电噪声 噪声的种类很多，有外部噪声和内部噪声。内 部噪声源主要有电阻热噪声、晶体管噪声和埸 效应管噪声三种。本节只讨论内部噪声。 种类种类 噪声对有用信号的接收产生了干扰，特别是信号 较弱时，噪声的影响就更为突出，严重时会使信 号淹没在噪声之中而无法接收。 危害危害 原因原因收听广播或看电视时，常常会听到“沙沙声” 或看到“雪花”似的背景或者波纹线，这些都 是接收机中的放大器和其它元器件产生噪声的 结果。 一、电阻热噪声一、电阻热噪声 电阻热噪声是由电阻内部自由电子的热运动 而产生的。自由电子在运

15、动中经常相互碰撞，因 而其运动速度的大小和方向都是不规则的。温度 越高，运动越剧烈。只有当温度下降到绝对零度 时，运动才会停止。自由电子的这种热运动在导 体内会形成非常微弱的电流，这种电流呈杂乱起 伏的状态，称为起伏噪声电流。起伏噪声电流流 过电阻本身就会在其两端产生起伏噪声电压。 由于起伏噪声电压的变化是不规则的，其瞬时 振幅和瞬时相位是随机的，所以无法计算其瞬时值 。起伏噪声电压的平均值为零，噪声电压正是不规 则地偏离此平均值而起伏变化的。但是，起伏噪声 的均方值是确定的，可以用功率计测量出来。实验 发现，在整个无线电频段内，当温度一定时，单位 电阻上所消耗的平均功率在单位频带内几乎是一个

16、 常数，即其功率频谱密度是一个常数。对照白光内 包含了所有可见光波长这一现象，人们把这种在整 个无线电频段内具有均匀频谱的起伏噪声称为白噪 声。 阻值为R的电阻产生的噪声电流功率频谱密度和噪 声电压功率频谱密度分别为： KJk kTRfS R kT fS U I /1038. 1 4)( 4 )( 23 其中 k 是波兹曼常数，T 是电阻温度，以绝 对温度 K 计算。 在频带宽度为BW内产生的热噪声均方值电流和均方 值电压分别为： BWfSU BWfSI Un In )( )( 2 2 根据数学表达式，所以一 个实际电阻可以分别用噪 声电流源和噪声电压源来 表示 。 如右图所示。 二、晶体管噪

17、声 晶体管噪声主要包括以下四部分。 1、热噪声 构成晶体管的发射区、基区、集电区的体电阻和引线电阻均会产生热噪声，其 中以基区体电阻 的影响为主。 2、散弹噪声 散弹噪声是晶体管的主要噪声源。它是由单位时间内通过PN结的载流子数目随 机起伏而造成的。人们将这种现象比拟为靶场上大量射击时弹着点对靶中心的偏 离，故称为散弹噪声。在本质上它与电阻热噪声类似，属于均匀频谱的白噪声， 其电流功率频谱密度为: 其中 是通过PN结的平均电流值，q是每个载流子所载的电荷量。 q=1.5910-19C (库仑)。 注意，在 时，散弹噪声为零，但是只要不是绝对零度，热噪声总是存 在。这是二者的区别。 0 2)(q

18、IfSI , bb T 0 0 I 0 0 I 3、分配噪声 在晶体管中，通过发射结的非平衡载流子大部分到 达集电结，形成集电极电流，而小部分在基区内复合， 形成基极电流。这两部分电流的分配比例是随机的，从 而造成集电极电流在静态值上下起伏变化，产生噪声， 这就是分配噪声。 分配噪声实际上也是一种散弹噪声，但它的功率频 谱密度是随频率变化的，频率越高，噪声越大。其功率 频谱密度也可近似按上式计算。 4、闪烁噪声 产生这种噪声的机理目前还不甚明了，一般认为是由 于晶体管表面清洁处理不好或有缺陷造成的，其特点是 频谱集中在约1 kHz以下的低频范围，且功率频谱密度随 频率降低而增大。在高频工作时，

19、可以忽略闪烁噪声。 三、场效应管噪声 场效应管是依靠多子在沟道中的漂移运动而工作的，沟道中多子的不规则热运 动会在场效应管的漏极电流中产生类似电阻的热噪声，称为沟道热噪声，这是场 效应管的主要噪声源。其次便是栅极漏电流产生的散弹噪声。在高频时同样可以 忽略场效应管的闪烁噪声。 沟道热噪声和栅极漏电流散弹噪声的电流功率频谱密度分别是： sI mI gIfS gkTfS 2)( ) 3 2 (4)( 其中：gm是埸效应管跨导； Is是栅极漏电流。 四、额定功率和额定功率增益 当负载阻抗RL与信源阻抗Rs 匹配时,信源输出功率最大。 额定功率是表征信源的一个 参量，与其实际负载值无关， 公式为： 4

20、4 22 ss s s A RI R U P 现在再用额定功率来表示电阻R的热噪声功率： kTBW R BWfS R U P Un nA 4 )( 4 2由左式可见：电阻的噪声额定功率只 与温度及通频带有关，而与本身阻值 和负载无关。 额定功率增益GPA是指一个线性四端网络的输出额定功率PA与输入 额定功率的比值。即： Ai A P P G PA 0 由上式可见：额定功率增益是表示线性四端网络的一个参量。只 要网络与其信号源电路确定，则额定功率增益就是一个定值，而 与该网络输入、输出电路是否匹配无关。 五、线性四端网络的噪声系数 为了使放大器能够正常工作，除了要满足增益、通频 带、选择性等要求

21、之外，还应对放大器的内部噪声给以 限制，一般是对放大器的输出端提出满足一定信噪比的 要求。对于其它线性四端网络也有同样的要求。 所谓信噪比是指四端网络某一端口处信号功率与噪声 功率之比。信噪比SNR(Signalto-NoiseRatio)通常用分 贝数表示，写作： dB P P SNR n s lg10 其中： Ps、Pn分别为信号功率与噪声功率。 1噪声系数的定义 如果放大器内部不产生噪声，当输入信号与噪声通过 它时，二者都得到同样的放大，那么放大器的输出信 噪比与输入信噪比相等。而实际放大器是由晶体管和 电阻等元器件组成的，热噪声和散弹噪声构成其内部 噪声，所以输出信噪比总是小于输入信噪

22、比。为了衡 量放大器噪声性能的好坏，提出了噪声系数这一性能 指标 放大器的噪声系数入；定义为输入信噪比与输 出信噪比的比值，即: 左式定义可推广到所有线性四端网络。 如果用分贝数表示，则写作： 00 / / ns nisi PP PP NF dB PP PP NF ns nisi 00 / / lg10 从上式可以看出，NF是一个大于或等于1的数。其 值越接近于1，则表示该放大器的内部噪声性能越好。 上式中的Pni是随信号一起进入放大器的噪声功率 ，其大小是随机的，而噪声系数应是表征放大器内部 噪声的确定值，所以有必要对Pni标准化。通常规定 Pni是输入信号源内阻Rs的热噪声产生在放大器输入

23、端 的噪声功率，而Rs的温度规定为290K，称为标准噪声 温度，用T0表示。相应的噪声系数称为“标准噪声系 数”。(本书均采用标准噪声系数，但仍简称为噪声系 数。)Pno是由Rs的热噪声和放大器内部噪声共同在放 大器输出端产生的总噪声功率。 2. 噪声系数的计算式 噪声系数NF可以改写成各种不同的表达形式，以便于分 析和计算。其中一种形式是用额定功率来代替实际功率， 即 : 00 / / nAsA nAisAi PP PP NF Ai A PA P P G 0 nAi nA PA P P G NF 0 1 nAnpAnAinA nAi PGPP BWkTP 0 0 噪声系数的计算式为噪声系数的

24、计算式为 ： BWkTG P PG PGP NF pA nAn nAipA nAnpAnAi 0 1 3. 放大器内部噪声表达式 由上式可得到放大器内部噪声额定功率PnAn的表达式, 即： BWkTGNFP pAnAn0 ) 1( 上式说明：当NF=1时，PnAn=0，进一步表明了噪 声系数是衡量放大器内部噪声性能的参数。 4. 级联噪声系数 先考虑两级放大器。设它们的噪声系数和额定功率增益分别为NF1、NF2和GPA1 、GPA2且假定通频带也相同。利用 式，式中NF和 GPA分别看作是两级放大器总的噪声系数和总的额定功率增益，而总输出噪声额 定功率Pn。由三部分组成，即： 其中PnA1和P

25、nA2分别是第一级放大器和第二级放大器的内部噪声额定功率。 由 式可写出： 将各式代入上式中，最后可求得两级 放大器总噪声系数为： nAi nA PA P P G NF 0 1 BWkTGNFP pAnAn0 )1( 22121nAnpAnAnpApAnAinAo PGPGGPP BWkTGNFP BWkTGNFP pAnAn pAnAn 0222 0111 ) 1( ) 1( 1 2 1 1 PA G NF NFNF 对于n级放大器，将其前（n-1）级看成是第一级，第n级 看成是第二级，利用上式可推导出n级放大器总的噪声系 数为： 可见，在多级放大器中，各级噪声系数对总噪声系数的影 响是不同

26、的，前级的影响比后级的影响大，且总噪声系数 还与各级的额定功率增益有关。所以，为了减小多级放大 器的总噪声系数，必须降低前级放大器(尤其是第一级)的 噪声系数，并增大前级放大器(尤其是第一级)的额定功率 增益。 以上关于放大器噪声系数的分析结果适用于所有线性四 端网络。 nAi nA PA P P G NF 0 1 ) 1(121 3 1 2 1 111 nPAPA n PAPAPA GG NF GG NF G NF NFNF 5无源四端网络的噪声系数 无源四端网络内部不含有源器件，但总会含有耗能 电阻，所以从噪声角度来说，可以等效为一个电阻网 络。电阻的噪声额定功率与阻值无关，均为kTBW，

27、 所以无源四端网络的输入噪声额定功率PnAi和输出噪 声额定功率PnA相同，均为kTBW，代入式(1516) 可知，无源四端网络噪声系数： PA G NF 1 除了噪声系数之外，等效输入噪声温度Te(以下简称噪 声温度)是衡量线性四端网络噪声性能的另一个参数。 噪声温度Te是将实际四端网络内部噪声看成是理想无 噪声四端网络输入端信号源内阻Rs在温度e时所产生 的热噪声，这样，Rs的温度变为To+Te，这种等效关系 如下图所示： 六、等效输入噪声温度六、等效输入噪声温度 oe o e pAeonAo pAnAnpAninAo TNFT T T NF BWGTTkP NFGBWkTPGPP ) 1

28、(1 )( 0 上左图可写出： 上右图可写出： Te与NF的关系式为： 可见，Te值越大，表示四端网络的噪声性能越差。理想四端网 络的Te为零。 噪声温度Te常用在低噪声接收系统中，其特点是把噪声系数的 尺度放大了，便于比较，如某卫星电视接收机中高频头(由低噪声高 频放大器、混频器、本机振荡器和中频放大器组成)有三种型号，其 噪声温度分别为25K、28K和30K，对应的噪声系数分别为1.0862， 1.0966和1.103 4。 可见，在低噪声时采用噪声温度比采用噪声系数更易显示其噪 声性能的差别， (1)高频谐振放大器采用LC并联谐振回路作为选频网络，其选频 性能好坏可由通频带和选择性(回路

29、Q值)这两个相互矛盾的指标来衡 量。矩形系数是综合说明这两个指标的一个参数，可以衡量实际幅 频特性接近理想幅频特性的程度。矩形系数越小，则谐振放大器的 幅频特性越理想。 (2)在分析高频小信号谐振放大器时，Y参数等效电路是描述晶 体管工作状况的重要模型。使用时必须注意，Y参数不仅与静态工 作点有关，而且是工作频率的函数。在分析频带放大器时，混合 n 型等效电路是描述晶体管工作状况的重要模型。 (3)单级单调谐放大器电路是高频谐振放大器的基本电路。为了 增大回路的有载Q值，提高电压增益，减小对回路谐振频率特性的 影响，谐振回路与信号源和负载的连接大都采用部分接入方式，即 采用LC分压式阻抗变换电路。 (4)采用参差调谐放大器和双调谐放大器可以改善单级单调谐放 大器的矩形系数。采用多级单调谐放大器既可以提高单级单调谐放 大器的增益，也可以改善其矩形系数，但通频带却变窄了。 (5)电子系统的内部噪声对信号的接收和处理会产生严重的干扰 作用。内部噪声主要有电阻热噪声、晶体管噪声和场效应管噪声三 种。噪声系数是衡量放大器以及所有线性四端网络噪声