高频电子线路03高频小信号放大器-2课件

1、)j ()j ()j (ioVVAv)j ()j ()j ()j ()j ()j (1)-o(oo1o2io1nnVVVVVVnAAAvvv)j ()j (21A Av1v1A Av2v2A Avnvn如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则nnAAAAA121vvvvv如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则n12fe0L0p p y1A()g1jQ vnn12fe0L0p p y1g1jQ （）nAAAAA1n21vvvvv1. 1. 增益增益n12fev0p p yA=-g 2

2、. 2. 通频带通频带1=2可求得可求得n n级放大器的通频带级放大器的通频带 1/n00.7nLf2f=2-1Q 1/n0.7121 2 f nn12fev0L0p p y1A=-.g1+ jQ- （）vn22v002L0A1=A 1+Q (-) n22L0121+(Q) 3. 3. 选择性选择性（矩形系数矩形系数） 当级数当级数n增加时，放大器的矩形系数有所改善，但这种增加时，放大器的矩形系数有所改善，但这种改善是有限度的。双调谐回路可改善矩形系数。改善是有限度的。双调谐回路可改善矩形系数。 0.1nr0.10.7n2fK=2f 1/n1/n100121 3.6.1 谐振放大器的稳定性3.

3、6.2 单向化 以上分析时，假定以上分析时，假定yre0，即输出电路对输入端没有影响，即输出电路对输入端没有影响，放大器工作于稳定状态。下面，讨论内反馈放大器工作于稳定状态。下面，讨论内反馈yre的影响。的影响。1. 1. 放大器的输入导纳和输出导纳放大器的输入导纳和输出导纳refeiieieFoeLy yY = y -yYy+Y 放大电路输入导纳放大电路输入导纳Yi并联在放大器输入端回路并联在放大器输入端回路2. 2. 自激振荡的产生自激振荡的产生 ( (以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例) )ieieiey= g+ j CFFFY = g + jbrefeiieieFoeLy yY

4、= y -yYy+Y 实部影响实部影响Q值，虚部值，虚部会使回路失谐。会使回路失谐。 如果反馈电导为负值，那么如果反馈电导为负值，那么g= gs+gie1+gF= 0 可能存可能存在，即发生自激振荡现象。在，即发生自激振荡现象。refeiieieFoeLy yY = y -yYy+Y 此时，整个回路的能量消耗此时，整个回路的能量消耗为零，回路中储存的能量恒定，为零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回在电感与电容之间相互转换，回路中的等幅振荡得以维持，而不路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。需外加激励。 为了消除自激以及提高放大器的稳定性，下面确定产生等为了消除自激以及提高放

5、大器的稳定性，下面确定产生等幅自激振荡的条件。幅自激振荡的条件。3. 3. 自激产生的条件自激产生的条件( (以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例) )feresisieoeLy yY + Y = Y +y - = 0y+Y回路谐振时回路谐振时 sieoeLfereYyyY 1y y 即即分解为幅值和相位两个条件分解为幅值和相位两个条件sieoeLfereYyyY1yy 幅幅值值：sieFgggg 0 12fere2n 相相位位：fere21j()jfereferesiesieoeLoeLy yy yYyYyee0yYyY sieoeLfereY +yy+Y=1yy 幅幅值值：自激产生的条

6、件自激产生的条件4. 4. 稳定性条件稳定性条件12fere2n sieoeLfereY +yy+Y1yy sieFgggg 0 sieoeLfereYyyY1y y 实用稳定性条件的推导，由实用稳定性条件的推导，由fere2j2sieoeLj(+)fere(g +g )(g+G )(1+ )e=1yye )1)(11 jggCjLjCjggyYiesieiesies )1)(2 jgGyYoeLoeL 当放大器输入、输出回路相同时，有：当放大器输入、输出回路相同时，有：21 21 fere2j2sieoeLj(f +f)fere(g +g )(g+G )(1+ )e=1yye2sieoeLf

7、ere(g +g )(g+G )(1+ )S =1yy 稳定系数稳定系数 如果如果S1，放大器可能产生自激振荡；如果，放大器可能产生自激振荡；如果S 1，放，放大器不会产生自激。大器不会产生自激。 S越大，放大器离开自激状态就越远，越大，放大器离开自激状态就越远，工作就越稳定。工作就越稳定。feretan2 假设输入输出回路相同假设输入输出回路相同2sieoeLfere(g +g )(g+G )(1+ )S =1yy 12fere2n 2sieoeLfere(g +g )(g+G )(1+ )S =1yy 5. 5. 稳定性分析稳定性分析Tfemfef 1yysie1Loe2gggggg 实际

8、上实际上假定假定105通常，选Sfe0yAg vfe2v0yggA fev00re2 yA=S C增益和稳定性为一对矛盾增益和稳定性为一对矛盾。考虑到全部接入，即考虑到全部接入，即p1= p2=112fev0p p yA= -g放大电路增益放大电路增益120refe2g gS = Cy当当g1= g2, 再利用再利用如前所述，由于晶体管内存在如前所述，由于晶体管内存在y yrere的反馈，所以它是一个的反馈，所以它是一个“双向元件双向元件”。作为放大器工作时，。作为放大器工作时，y yrere的反馈作用可能引起放的反馈作用可能引起放大器工作的不稳定。下面，讨论如何消除大器工作的不稳定。下面，讨

9、论如何消除y yrere的反馈，变的反馈，变“双向双向元件元件”为为“单向元件单向元件”。这个过程称为单向化。这个过程称为单向化。A AF FCberbbCbcrbcrbevbercegm vbeA AF F 避免自激的做法有避免自激的做法有中和法和失配法。中和法和失配法。所谓所谓“失配失配”是指：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；是指：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。 如果把负载导纳如果把负载导纳YL取得比晶体管取得比晶体管yoe大得多，即大得多，即YL yoe ，那么输入导纳那么输入导纳不

10、发生自激的条件不发生自激的条件，回路谐振时，回路谐振时，g= gs+ gie + gF 012re0fe2CygSrefeiieieFieoeLy yY = y -= y +Yyy+Y 同理，如果把信号源导纳同理，如果把信号源导纳Ys取得比晶体管取得比晶体管yie大得多，那大得多，那么输出导纳么输出导纳 因此，因此，所谓所谓“失配失配”是指：信号源内阻不与晶体管输入是指：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻阻抗匹配；晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。抗匹配。scfereooeoeciesI =0Iy yY =y -yVy +Y 如果把负载

11、导纳如果把负载导纳YL取得比晶体管取得比晶体管yoe大得多，即大得多，即YL yoe ，那么输入导纳那么输入导纳refeiieieFieoeLy yY = y -= y +Yyy+YSieoeLfereY +yy+YS =1yy稳定系数稳定系数 可知，当可知，当Ys yie 和和YL yoe ，稳定系数，稳定系数S大大增加。大大增加。fev00re2 yA=S C 失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。 失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。 典型电路典型电路ic1c1y yoeoey yieie3.9 放大器

12、中的噪声放大器中的噪声 干扰和噪声的分类干扰和噪声的分类： 干扰一般指外部干扰，分为自然干扰和人为干扰干扰一般指外部干扰，分为自然干扰和人为干扰; 噪声一般指内部噪声，分为自然干扰和人为干扰噪声一般指内部噪声，分为自然干扰和人为干扰。 内部噪声的来源：内部噪声的来源： 放大器内部元件具有的带电微粒无规则运动所产放大器内部元件具有的带电微粒无规则运动所产生。遵循一定的统计规律。生。遵循一定的统计规律。 描述参数：平均值、均方值、频谱或者功率谱描述参数：平均值、均方值、频谱或者功率谱3.9.1 3.9.1 热噪声的描述热噪声的描述 可以看出，热噪声电压可以看出，热噪声电压 是一个随机量，其幅度和是

13、一个随机量，其幅度和极性是随时间无规则变化的，故不能用一确定的时间极性是随时间无规则变化的，故不能用一确定的时间函数来表示。但它遵循某种统计规律，可以用概率特函数来表示。但它遵循某种统计规律，可以用概率特性及其功率谱密度函数来充分描述。电阻热噪声主要性及其功率谱密度函数来充分描述。电阻热噪声主要有以下特性：有以下特性：)(tn un(t)t0)(tn 可以看出，热噪声电压可以看出，热噪声电压 是一个随机量，其幅度和是一个随机量，其幅度和极性是随时间无规则变化的，故不能用一确定的时间极性是随时间无规则变化的，故不能用一确定的时间函数来表示。但它遵循某种统计规律，可以用概率特函数来表示。但它遵循某

14、种统计规律，可以用概率特性及其功率谱密度函数来充分描述。电阻热噪声主要性及其功率谱密度函数来充分描述。电阻热噪声主要有以下特性：有以下特性：)(tn 电阻热噪声电压示意图电阻热噪声电压示意图 un(t)t0)(tn 电阻热噪声电压示意图电阻热噪声电压示意图 热噪声的描述热噪声的描述 (1) 在一个较长的观测时间内，热噪声电压的平均值为零，即热噪声电压正是无规则地偏离此平均值而起伏变化。热噪声电压正是无规则地偏离此平均值而起伏变化。（2）热噪声电压的）热噪声电压的均方值均方值 （方差）（方差）T22nn0T1vlimv (t)dtT Tnn0T1vlimv (t)dt0T 3.9.1 热噪声的描

15、述热噪声的描述热噪声电压热噪声电压均方值均方值 物理意义：物理意义：单位电阻上一周期内消耗的平均功率单位电阻上一周期内消耗的平均功率（3）功率谱密度）功率谱密度3.9.1 热噪声的描述热噪声的描述若以若以S(f)dfS(f)df表示在频率表示在频率f f与与f+dff+df之间的平均功率，则总之间的平均功率，则总的平均功率为的平均功率为T22nn00T1vlimv (t)dtPS(f)dfT 0PS(f)df S(f)S(f)表示功率谱密度，表示功率谱密度，W/HzW/Hz白噪声的功率谱密度白噪声的功率谱密度 电阻热噪声具有极宽的频谱，其包含的频率分量从零电阻热噪声具有极宽的频谱，其包含的频率

16、分量从零频开始，直到频开始，直到1013MHz以上。虽然热噪声电压的振幅以上。虽然热噪声电压的振幅频谱无法确定，但功率频谱是完全确定的。理论和实频谱无法确定，但功率频谱是完全确定的。理论和实践证明，在践证明，在单位频带单位频带(1Hz)内，电阻内，电阻R两端的两端的噪声功率噪声功率谱密度谱密度为为2(/)S(f) = 4kTRVHz电阻热噪声的功率谱示意图电阻热噪声的功率谱示意图 S( f )f03.9.23.9.2电阻热噪声电阻热噪声 尽管电阻热噪声的频谱很宽，但实际测试(接收)系统的通频带有限，当电阻接入系统时，将对电阻热噪声进行滤波，只有位于通频带内的那一部分噪声功率才能对系统产生影响。

17、假设测试系统的通频带是宽度为 ，幅度为 1 的理想矩形，这时对系统而言，电阻热噪声电压的均方值均方值为而热噪声电压的而热噪声电压的有效值有效值为为 2nn = 4kTRfnf2nn =4kTRf3.9.2 电阻热噪声电阻热噪声 电阻热噪声的计算 在电路的噪声分析中，一个实际的电阻器R可以等效为一个理想的无噪声电阻R和一个均方值为 的热噪声电压源相串联，如图(a)所示。根据等效电源定理，也可以等效为一个理想的无噪声电导G和一个均方值为 的热噪声电流源相并联，如图(b)所示。其中，噪声电流源式中，电导式中，电导G=1/R。 2n 2nI22nnnn224kTRfI = 4kTGfRR3.9.2 电

18、阻热噪声电阻热噪声电阻器的热噪声等效电路电阻器的热噪声等效电路(a)热噪声电压源；热噪声电压源；(b)热噪声电流源热噪声电流源 3.9.2 电阻热噪声电阻热噪声2n2nI 由于电阻热噪声为一随机量，不同电阻产生的热由于电阻热噪声为一随机量，不同电阻产生的热噪声电压噪声电压(电流电流)是彼此独立、互不相关的是彼此独立、互不相关的.例如，在相例如，在相同温度下，电阻同温度下，电阻R1和和R2串联后，其总噪声电压的均方串联后，其总噪声电压的均方值应为值应为222nn1n21n2n12nn = + = 4kTRf +4kTRf= 4kT(R +R ) f = 4kTR f3.9.2 电阻热噪声电阻热噪

19、声2n21n 22n电阻串联时的噪声等效电路电阻串联时的噪声等效电路 通常，电容器的损耗电阻可以忽略，而电感器的损耗电阻一般不能忽略。因此，当一个无源网络中含有电抗元件时，若考虑了电抗元件的损耗电阻后其等效阻若考虑了电抗元件的损耗电阻后其等效阻抗为抗为R+ jX，则产生热噪声的仅仅是它的电阻分量R，其噪声电压均方值为 LC并联谐振电路的噪声电压均方值RP为并联谐振电阻2nn = 4kTR f3.9.2 电阻热噪声电阻热噪声2npn = 4kTR f有源器件噪声有源器件噪声自学自学 3.10 噪声的表示和计算方法噪声的表示和计算方法 噪声可以用噪声系数、噪声温度、等效噪声频带宽度噪声可以用噪声系

20、数、噪声温度、等效噪声频带宽度等指标来表示。等指标来表示。 3.10.1 噪声系数的定义噪声系数的定义 实际电路的输入信号通常混有噪声。为了说明信实际电路的输入信号通常混有噪声。为了说明信号的质量，可以用号的质量，可以用信号功率信号功率S(Ps)与其相混的与其相混的噪声功率噪声功率N(Pn)之比之比(即即S/N, Ps/Pn)来衡量，并称比值来衡量，并称比值S/N(Ps/Pn)为为信噪比。信噪比。 显然，信噪比越大，信号的质量越好。当信号通显然，信噪比越大，信号的质量越好。当信号通过无噪声的理想线性电路时，其输出的信噪比等于输过无噪声的理想线性电路时，其输出的信噪比等于输入的信噪比。入的信噪比

21、。 线性电路的噪声系数线性电路的噪声系数Fn定义为：在标准信号源激励下，定义为：在标准信号源激励下，输入端的信噪比输入端的信噪比Si/Ni与输出端的信噪比与输出端的信噪比So/No的比值，的比值，即即噪声的表示和计算方法噪声的表示和计算方法 （续）（续） nosonisiooiinPPPPNSNSF nosonisiooiinPPPPNSNSdBFlg10lg10)( 对于无噪声的理想电路，对于无噪声的理想电路，F Fn n=0dB=0dB；有噪声的电路，；有噪声的电路，其其dBdB值为某一正数。上式值为某一正数。上式) )还可以表示为以下形式：还可以表示为以下形式： sininononson

22、onisosinipPPPPF =PPPPPP A 实际上，放大器的噪声（放大后）有两部分构成：信实际上，放大器的噪声（放大后）有两部分构成：信号源内阻的噪声（输入噪声）号源内阻的噪声（输入噪声）Pno1和放大器内部噪声和放大器内部噪声Pno2 所以所以 可表示为可表示为噪声的表示和计算方法噪声的表示和计算方法 （续）（续） nonnipPF =P Anono1no2PP+ P21noP nono1no2nno1no1no1PPPF =PPP 3.10.2 额定功率、额定功率增益与噪声系数额定功率、额定功率增益与噪声系数 在线性电路的输入端，由于信号源电压与其内在线性电路的输入端，由于信号源电

23、压与其内阻阻Rs产生的热噪声电压源相串联，如图产生的热噪声电压源相串联，如图3.10.1所示，因所示，因此电路输入端的信噪比与电路的输入阻抗大小无关。此电路输入端的信噪比与电路的输入阻抗大小无关。同理，输出端的信噪比也与负载电阻同理，输出端的信噪比也与负载电阻RL无关。但是，无关。但是，如果实际电路的输入、输出端分别是匹配的如果实际电路的输入、输出端分别是匹配的(即即Ri=Rs, RL=Ro)，这时，利用额定功率和额定功率增益来计算，这时，利用额定功率和额定功率增益来计算或测量噪声系数，往往比较简便。或测量噪声系数，往往比较简便。噪声的表示和计算方法噪声的表示和计算方法 （续）（续） 图图3.

24、10.1 说明额定功率和额定功率增益的示意图说明额定功率和额定功率增益的示意图噪声的表示和计算方法噪声的表示和计算方法 （续）（续） 线性电路KPmRsUn2UsSim/NimSom/NomRLRoRi,npFAnisiPPnosoPP 额定功率额定功率(或称资用功率或称资用功率)是指信号源或噪声源所是指信号源或噪声源所能输出的最大功率。在图能输出的最大功率。在图3.10.1所示的电路中，当满足所示的电路中，当满足Ri=Rs时，信号源最大输出功率即信号额定功率为时，信号源最大输出功率即信号额定功率为与此同时，输入噪声额定功率为与此同时，输入噪声额定功率为 噪声的表示和计算方法噪声的表示和计算方

25、法 （续）（续） ssmsiRP42 2smsnninss4kTR BP = kTf4R4R 同理，当电路的输出电阻与负载匹配(Ro=RL)时，可得输出端的信号额定功率 和噪声额定功率 。 额定功率增益是指电路的输入端和输出端分别匹配时信号传输的功率增益。在图3.10.1所示电路中，当Ri=Rs、RL=Ro时，其额定功率增益为噪声的表示和计算方法噪声的表示和计算方法 （续）（续） sopHsiPA=PsiPniP 电路的实际功率增益并不一定等于该额定值，当输入或输出端失配时，实际功率增益将小于额定功率。 利用额定功率和额定功率增益参数，噪声系数可表示为噪声的表示和计算方法噪声的表示和计算方法

26、（续）（续） sininonsononipHPPPF =PPP AnonnpHPF =kTf A将式将式 代入上式，可得代入上式，可得 snnins4kTR BP = kTf4R当电路的输出电阻与负载匹配当电路的输出电阻与负载匹配(Ro=RL)时的噪声系数时的噪声系数. 不匹配时，额定功率不匹配时，额定功率P与实际功率与实际功率P之间有：之间有： q为失配系数。为失配系数。 如果输入端和输出端的失配系数分别为如果输入端和输出端的失配系数分别为qi和和qo，噪声系，噪声系数：数：噪声的表示和计算方法噪声的表示和计算方法 （续）（续） qPP nosonisionoosoiniisinosonis

27、inPPPPqPqPqPqPPPPPF sininonsononipHPPPF =PPP A21noP nono1no2nno1no1no1PPPF =PPP 3.10.3 噪声温度噪声温度 噪声温度也是一种衡量噪声温度也是一种衡量线性电路线性电路本身噪声性能的指本身噪声性能的指标。如果将线性电路输出端的噪声功率除以额定功率增益标。如果将线性电路输出端的噪声功率除以额定功率增益后折算到输入端，并且用信号源内阻后折算到输入端，并且用信号源内阻Rs在假想温度在假想温度Ti时所时所产生的额定噪声功率来等效，于是有噪声的电路就可看成产生的额定噪声功率来等效，于是有噪声的电路就可看成一个理想的无噪声电路，则称这个假想温度一个理想的无噪声电路，则称这个假想温度Ti为线性电路为线性电路的等效噪声温度或简称噪声温度。的等效噪声温度或简称噪声温度。 显然，电路内部噪声越大，噪声温度越高，反之则显然，电路内部噪声越大，噪声温度越高，反之则越低。越低。噪声的表示和计算方法噪声的表示和计算方法 （续）（续） 假设放大器为理想器件，其噪声折算到输入端后额定假设放大器为理想器件，其噪声折算到输入端后额定噪声功率噪