小信号谐振放大器及电子噪声

1、3.0 概述(i sh)3.1 高频晶体管3.2 小信号(xnho)谐振放大器3.3 双调谐共发射极调谐放大器3.4 小信号谐振放大器的稳定性3.5 多级放大器及集中选择性放大器3.6 电子噪声与噪声系数第3章 小信号谐振放大器及电子噪声共一百二十一页3.0 概述(i sh)高频小信号放大器：放大高频小信号(中心频率在几百KHz到几十MHz的范围内）的放大器。放大器的分类： 按照所用器件：晶体管、场效应管和集成电路放大器； 按照通过频谱的宽窄：窄带和宽带放大器； 按照电路的形式：单级和级联放大器； 按负载性质：谐振放大器和非谐振放大器；小信号谐振放大器: 采用谐振回路作为(zuwi)负载，放大

2、微弱的高频信号(中心频率在几百KHz到几十MHz的范围内）的晶体管窄带放大器。共一百二十一页小信号谐振(xizhn)放大器在通信系统中的位置 高频放大和中频(zhngpn)放大是高频小信号放大器。小信号（接收机） ：共一百二十一页3.1 高频(o pn)晶体管 晶体管在高频线性应用时，可用等效电路说明(shumng)特性并分析。它常用到两种等效电路：混合 型交流等效电路Y参数等效电路共一百二十一页3.1 晶体管的混合(hnh)等效电路各元件意义(yy)和数值： 集电结势垒电容 ，约为几PF。它将输出的交流电压反馈一部分到输入端（基极），可能引起放大器自激。（越小越好）。 发射结扩散电容 。共一

3、百二十一页晶体管的混合(hnh)等效电路的参数 基极体电阻 ：产生热噪声；损耗有用信号；在共基电路，会引起高频负反馈。希望其尽量小。 互导表示由发射极扩散到集电极的电流与发射结电压的比值。它的大小(dxio)反映了发射结电压对集电极电流的控制能力。 发射结结电导 ： 互导 ：共一百二十一页晶体管的混合(hnh)等效电路的参数 集电结电导(din do) ： 集射极电导 ：可以忽略。可以忽略。共一百二十一页3.1.2 Y参数(cnsh)等效电路输入(shr)导纳： 输出导纳： 正向传输导纳： 反向传输导纳：共一百二十一页对混合等效电路和Y参数(cnsh)等效电路的说明混合等效电路中的每一元件值都

4、与晶体管内发生的某种物理过程具有明显的关系(gun x)；而Y参数等效电路没有牵涉晶体管的物理机构和工作的物理过程。混合等效电路中的各参数与频率无关，在手册中可以查到晶体管的各混合参数，它适用于宽频带放大器的分析，但其电路复杂，计算麻烦；Y参数等效电路简单，计算方便，但参数随频率而变，适用于小信号谐振放大器的分析。共一百二十一页 yie = gie + jCie yoe = goe + jCoe Coe CbC yfe = | yfe | fe yre = | yre | re gie : 晶体管输入(shr)电导 goe : 晶体管输出(shch)电导 Cie : 晶体管输入电容 Coe :

5、 晶体管输出电容 共一百二十一页 混合等效电路和Y参数等效电路的参数可以(ky)互相转换共一百二十一页3.1.3 晶体管的高频(o pn)参数截止频率定义： 下降到低频(dpn)电流放大系数 的 倍时，所对应的频率称为 的截止频率 。特征频率 定义： 下降到1时，所对应的频率称为 的特征频率 。 当 时， 共一百二十一页最高振荡频率定义：晶体管的功率增益为 时,所对应(duyng)的频率称为最高振荡频率 表示一个晶体管所能适用的最高极限频率，在此频率，晶体管已不可能得到功率放大。 共一百二十一页任意 的 的计算： 为了使电路工作稳定,且有一定的功率增益,晶体管的实际(shj)工作频率因为最高振

6、荡频率的共一百二十一页3.2小信号(xnho)谐振放大器调谐(tioxi)放大器原理电路图 、 为直流偏置电阻；为直流反馈电阻； 、 为交流旁路电容； L C 组成并联谐振回路共一百二十一页小信号(xnho)谐振放大器的分类1. 按谐振频率是否可调（1）调谐放大器：调谐回路随外来信号频率谐振，回路电容可调，见图3-2-1 P41（2）频带放大器：调谐回路基本(jbn)不变。（中频放大器）图3-2-2 P412.按谐振回路数目 （1）单调谐谐振放大器：放大器负载为单个谐振回路。 （2）双调谐谐振放大器：负载为两个相互耦合的谐振回路。共一百二十一页3.2.1 谐振(xizhn)放大器在接收机中的作

7、用基本作用：放大信号、选择信号和抑制干扰。对于高频放大器：（1）选择信号：负载是谐振回路，具有选择信号的能力，并在一定(ydng)的频率范围内调谐。（2）提高灵敏度； 接收机灵敏度定义：当接收机的输出满足一定的信号噪声比和输出的一定功率时，天线所需最小的感应电动势。与增益和内部噪声有关。 为什么在变频器前端加入高频放大器可以提高灵敏度？（3）抑制本振能量的向外辐射；共一百二十一页对于中频放大器：（1）放大信号; 由于输入信号的频率低而且固定(gdng), 易获得较大的稳定增益。检波器以前的增益主要由中放承担。（2）抑制临道干扰； 负载回路不必重新调谐，可以采用较复杂的回路或选择性好的滤波器，抑

8、制临道干扰。共一百二十一页3.2.2 对小信号(xnho)谐振放大器的要求（1）增益要高 放大器输出电压（或功率）与输入电压（或功率）之比，称为(chn wi)放大器的增益或放大倍数。用于各种接收机中的中频放大器，其电压放大倍数可达104105，而电压的增益为 80100 dB,通常要靠多级放大器才能实现。共一百二十一页（2）通频带符合要求 由于放大器所放大的一般是已调制的信号，而已调制的信号都包含一定的频谱宽度，所以放大器必须有足够宽的通频带，让必要的信号中的频谱分量通过放大器。放大器的电压增益下降到最大值的0.7(即 ）时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用 表示。放大器的通频带决定于

9、回路的形式和回路的等效品质因数。且放大器的总通频带，随着级数(j sh)的增加而变窄。共一百二十一页)()()(000wwwajVjVv=放大器的通频带(pndi) 通频带 也称为3dB带宽，因为电压增益下降3dB带宽即等于(dngy)下降至 。 根据不同用途，放大器的通频带差异较大。例如：收音机中放通频带约为68KHz；而电视接收机中放通频带约为6MHz；共一百二十一页（3）频率选择性要好 放大器从含有各种不同频率的信号总和（有用的和有害的）中选出有用信号，排除(pich)有害（干扰）信号的能力，称为放大器的选择性。选择性指标矩形系数Kr理想的频率响应曲线：放大器对通频带以内的的各种信号频率

10、分量有同样的放大能力，对通频带以外的邻近波道的干扰频率分量，则应完全抑制，其理想的频响曲线应该呈矩形。实际的频率响应曲线：如图。共一百二十一页)()()(000wwwajVjVv=矩形(jxng)系数 ：理想(lxing)的与实际的频率特性 矩形系数愈接近1，实际曲线愈接近理想矩形，一般在25范围内。共一百二十一页（4）工作稳定可靠工作稳定性是指放大器的工作状态（直流偏置）、晶体管参数、电路元件参数等可能发生变化时，放大器的主要特性的稳定程度。一般的不稳定现象：增益漂移、中心频率偏移、通频带变化、选频特性曲线变形等，极端情况下放大器可能发生自激。 采取的稳定措施(cush)：限制每级增益、选择

11、内反馈比较小的晶体管、应用中和或失配方法、采取必要工艺措施(cush)，使放大器远离自激。共一百二十一页（5）噪声低放大器的噪声性能可用噪声系数表示。一般希望噪声越小越好，噪声系数接近于1。在多级放大器中，最前面(qin mian)一、二级对整个放大器的噪声起决定作用。 采取的措施：采用低噪声管，正确选择工作点电流，选用合适的线路。共一百二十一页3.3 单调谐(tioxi)共发射极谐振放大器共一百二十一页 1.等效电路 信号源部分(b fen)接入等效电路共一百二十一页 gie 、goe: 晶体管 输入(shr)、 输出电导 Cie 、Coe: 晶体管 输入、 输出(shch)电容 晶体管Y参

12、数 等效电路 共一百二十一页见图3-3-1 P44说明:首先画出晶体管的Y参数等效电路，由于不考虑晶体管内部反馈的影响,即 yre = 0 ，所以没有 yreuce 这一项，得到图3-1-1的（a）。为计算方便，需要(xyo)将晶体管等效电流源右边的所有元件参数折合到输出回路的两端，包括晶体管等效电流源: yfeUs 。折合时，需要注意折合是从抽头向回路，阻抗和导纳的变比是P2，电流源的变比是 P 。共一百二十一页通常有 ，所以忽略 ，得到图3-3-1的（b）。晶体管等效电流(dinli)源 yfeUs 折算为 p1yfeUs为并联(bnglin)回路的导纳共一百二十一页2. 电压(diny)

13、增益和功率增益可见(kjin)，电压增益是工作频率f的函数。并联回路两端电压：电压增益：又：故：将表达式代入上式，得：共一百二十一页谐振(xizhn)时：归一化电压(diny)增益：取得最大值：此时共一百二十一页相对(xingdu)幅频：共一百二十一页功率(gngl)增益：共一百二十一页3.3.2 通频带(pndi)由相对(xingdu)幅频特性：其中：称为广义失谐求通频带共一百二十一页 由此可见，通频带(pndi)与工作频率成正比，与回路的有载品质因数成反比。共一百二十一页3.3.3 放大器的选择性矩形(jxng)系数放大器的选择性是用矩形系数(xsh)这个指标来表示的。共一百二十一页共一百

14、二十一页共一百二十一页理想放大器的矩形系数应等于1，单调谐回路放大器的矩形系数远大于1，就是说它的谐振曲线和矩形相差很远，所以其选择性不好，抑制(yzh)邻道干扰的能力很差。共一百二十一页 3.3.4 带宽(di kun)与增益的关系单调谐放大器的带宽和增益(zngy)的乘积为: 可见，带宽增益积是一常数，因此，要提高增益，必然要减小通频带。共一百二十一页例题(lt)如图3-2-1,设工作频率f0=30MHZ,晶体管用3DG47型NPN高频(o pn)管.当 , 时,其y参数是:回路电感L=1.4uH求:单级放大器谐振时的电压增益 ;通频带回路空载品质因数回路电容C是多少值,才能使回路谐振?接

15、入系数共一百二十一页解: 设暂不考虑(kol) 的作用.因为(yn wi)所以回路总电导共一百二十一页谐振时电压(diny)增益为回路(hul)总电容为故外加电容C应为共一百二十一页通频带(pndi)为:共一百二十一页3.4 双调谐(tioxi)共发射极调谐(tioxi)放大器其中(qzhng),3.4.1 等效电路共一百二十一页3.4.2 增益(zngy)一般(ybn)取 、 满足 则：由等效电路图，可以列出电流方程：其中：返回共一百二十一页电流(dinli)方程可化简为：消去将,得：代入上式：共一百二十一页电压(diny)增益：共一百二十一页共一百二十一页 当 与 取不同(b tn)值时,

16、上式有不同形式。共一百二十一页功率(gngl)增益：共一百二十一页3.4.3通频带(pndi)共一百二十一页 可见临界耦合双调谐(tioxi)放大器的通频带是单调谐(tioxi)放大器的 倍.共一百二十一页3.4.4 矩形(jxng)系数共一百二十一页 单调谐放大器中, ,可见在 时 单级双调谐放大器比单级单调谐放大器的矩形系数更接近1,这是双调谐放大器的主要(zhyo)优点. 则双调谐放大器的谐振曲线(qxin)是以 为参变量,为自变量的函数,曲线的形状取决于 , 称为谐振曲线的形状因子.共一百二十一页以 为参数(cnsh)的双调谐放大器谐振曲线图共一百二十一页 当 时，称为临界耦合，增益高

17、,通频带与矩形系数介于 与 之间,调整容易. 当 时，称为过耦合(或紧耦合)，特性曲线出现双峰,。增益最高处出现在 .通频带较宽,( 愈大,通频带愈宽),矩形系数较小.调整较困难,采用(ciyng)较多. 当 时，称为欠耦合(或松耦合) ，曲线较尖峰值小,增益较低,通频带较窄,矩形系数较大,很少采用。 共一百二十一页3.4.5 带宽与增益(zngy)的关系共一百二十一页 双调谐放大器的带宽增益积是一个(y )常数,与 无关,只与 、 和 有关。 在电路参数相同的情况下，单调谐放大器的带宽增益积是双调谐放大器的 倍。 从相同的稳定性（增益相同）角度，双调谐放大器的 可以取得比单调谐小，以增大带宽

18、。 共一百二十一页双调谐(tioxi)放大器总结 双调谐放大器的优点是矩形(jxng)系数小，选择性优于单调谐放大器。 双调谐放大器的缺点是反复调谐两个回路比较麻烦，而且使两个回路完全等Q也很困难，造成谐振曲线发生畸变。共一百二十一页3.5 小信号(xnho)谐振放大器的稳定性 放大器不稳定的原因：理想情况下，晶体管是一个单向化的器件，在分析时忽略了内部反馈（即 ）。实际上，内部反馈使放大器的负载回路与输入端回路相互耦合，使输出、输入回路的调谐必须反复调整，严重时造成调整任何一级都将影响前后各级的工作。另外，放大器的输出电压可通过 在输入端产生一个电压，当它与有用信号大小相等(xingdng)

19、方向相同，会产生自激振荡，造成放大器不稳定。共一百二十一页3.5.1 共发射极放大器的最大稳定(wndng)增益稳定(wndng)系数 S ：共一百二十一页返回(fnhu)共一百二十一页 当S为正实数(shsh)时， 与 同相，满足自激振荡相位条件。 当 时， ，不满足自激振幅条件，放大器不会自激。当 时，放大器不稳定。 为使放大器远离自激状态而稳定的工作，单级放大器通常选 。共一百二十一页最大稳定(wndng)增益当工作频率远低于特征频率时，共一百二十一页 小信号(xnho)放大器的晶体管选择原则从工作的稳定性角度(jiod)，应选择 小的管子；从频率特性的角度，应选择 ；从灵敏度的角度，应

20、选择噪声系数小的管子；还应正确选择管子的工作点，以获得高增益、低躁声。共一百二十一页3.5.2 克服内反馈(fnku)的方法两种途径：（1）选择 小的晶体管，使反向导纳 尽量小；（2）增加外围电路(dinl)，将 的作用抵消或减小；具体方法有失配法和中和法两种。共一百二十一页 1.失配(sh pi)法原理 增大 ，可以使 减小，若增大 使 增大，则放大器的稳定系数将增大，高了放大器的稳定性。 即输出电压(diny)的降低使反馈到输入端的电压(diny)也降低了，从而增加了稳定性。返回共一百二十一页 返回(fnhu)两种典型(dinxng)电路级联电路和组合电路这样，输入端与输出端互不影响。与

21、无关。与 无关。共一百二十一页级联电路克服内反馈(fnku)的分析电路组成（以CE-CB电路为例）V1管为共发组态(z ti)，V2为共基组态；两管直接耦合，称为级联。 分析 共基组态的输入阻抗很小，放大器的输入输出回路相当于中间有近似接地点，输出电压反馈在V2的输入端近似短路到地，再反馈到V1输入端的电压就更小了，即输出端对输入端的影响很小，工作稳定。共一百二十一页级联电路克服(kf)内反馈的分析共一百二十一页组合电路克服(kf)内反馈的分析电路组成（以CC-CE电路为例）V1管为共集组态，V2为共发组态；两管阻容耦合，称为(chn wi)组合。 分析 V1为射随器，输入阻抗高，输出阻抗低，

22、所以工作稳定，不易自激。又由于V1输出阻抗低，输出电压反馈在V2的输入端近似短路到地，再反馈到V1输入端的电压就更小了，使电路工作稳定。共一百二十一页2. 中和法中和法是在放大器电路(dinl)中插入一个外加的反馈电路(dinl)，使其作用恰好与晶体管的内反馈相互抵消。 实现(shxin)方法 共一百二十一页 当采用自耦变压器耦合的方式来接中和电容的时候，需要注意同名端的位置。 书 P54 图 3-5-6 将初级绕组抽头移至非接地(jid)端，该端 与次级接地(jid)端为同名端 共一百二十一页失配(sh pi)法和中和法的优缺点 失配法性能稳定，适于批量生产，但无论是级联还是组合电路都是通过

23、增加(zngji)一个晶体管的代价来换取稳定性和高增益，而中和法没有靠牺牲增益来获取稳定性。中和法缺点：（1）只能在某一频率点上完全中和。（2）不适于批量生产。（3）对于温度等原因引起的参数变化没有改善效果。共一百二十一页3.6 多级放大器与集中(jzhng)选择性放大器3.6.1 多级谐振(xizhn)放大器的特点四个特点：（1）随着级数的增加，总增益将增大。（2）总的通频带将变窄。（3）总的矩形系数将变小。（4）总的稳定性将变差。共一百二十一页多级单调谐(tioxi)回路谐振放大器假设，放大器有n级，则总增益是各级增益的乘积(chngj)。当n级相同的放大器级联时，它的谐振曲线为：它等于各

24、单级谐振曲线的乘积。级数愈多，谐振曲线愈尖锐。共一百二十一页共一百二十一页矩形(jxng)系数共一百二十一页多级双调谐(tioxi)回路谐振放大器对于较常用(chn yn)的临界耦合 的情况，当n级相同的放大器级联时，它的谐振曲线为：共一百二十一页共一百二十一页共一百二十一页双调谐回路放大器的矩形系数比单调谐回路放大器的更接近(jijn)于1。所以其选择性也较好。共一百二十一页双参差调谐放大器谐振(xizhn)曲线参差(cn c)调谐放大器共一百二十一页三参差调谐放大器谐振(xizhn)曲线参差(cn c)调谐放大器共一百二十一页多级放大器的稳定性 高频工作时，晶体管内反馈和分布参数所产生的寄

25、生反馈较强，多级放大器很容易自激。措施：如合理(hl)设计电路，限制每一级的增益，以及采取必要的工艺措施等。共一百二十一页集中(jzhng)选频放大器 集中选频放大器是一种采用集中滤波和集中放大相结合的非调谐(tioxi)式高频放大器。放大作用：由宽带高增益放大器完成。选频作用：由专门的选频滤波器来完成。常用的集中滤波器：晶体滤波器、陶瓷滤波器、声表面波滤波器及机械滤波器等。共一百二十一页3.7 电子(dinz)噪声与噪声系数干扰：有确定来源、有规律的外部与内部的无用信号称为干扰。如50HZ电源干扰，工业干扰及无线电波干扰等。噪声：电子线路中的某些元器件产生的随机(su j)起伏的电信号称为噪

26、声。其主要来源电阻热噪声和半导体噪声。共一百二十一页3.7.1 电阻(dinz)的热噪声电阻热噪声是由电阻内部(nib)自由电子的热运动所产生。起伏噪声电流起伏噪声的电动势 书P59 图 3-7-1电阻热噪声特性：（1）噪声电流（或电压）表现为一随机的电振动。（2）在一个较长的观测时间内，热噪声电流（或电压）的平均值为零。共一百二十一页（3）具有极宽的频谱。 在单位频带(pndi)（1Hz）内，电阻R两端的噪声电压均方值：噪声(zoshng)电流均方值：共一百二十一页电阻(dinz)热噪声的功率谱密度（功率密度频谱） Sv(f)、SI(f)分别称为均方电压谱密度和均方电流谱密度，也称为电阻热噪

27、声的电压功率谱密度和电流功率谱密度，统称为电阻热噪声的功率谱密度 S(f)，简称(jinchng)为噪声电压谱密度和噪声电流谱密度。共一百二十一页（4）只有位于通频带内的那部分(b fen)噪声功率才能对系统产生影响。噪声电压均方值：噪声(zoshng)电流均方值：均方根值：为噪声电压有效值。式中， 为系统的等效噪声带宽，单位为Hz。共一百二十一页等效(dn xio)噪声带宽示意图：网络输出(shch)端的噪声功率谱密度。对于单调谐并联谐振回路：其中：双调谐放大器在临界耦合（ ）时：共一百二十一页3.7.2 电子器件(din z q jin)的噪声晶体管的噪声1）热噪声 即电阻热噪声。主要存在

28、于基极电阻内。2）散粒噪声 也叫散弹噪声。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(zo chn)的。3）分配噪声 是由发射极发出的载流子分配到基极和集电极的数量随机变化而引起。共一百二十一页3.7.2 电子器件(din z q jin)的噪声4）闪烁噪声(zoshng) 又叫低频噪声或 1/f 噪声。 共一百二十一页3.7.3 噪声系数与噪声温度1）噪声系数 信噪比: 电路(dinl)中某一特定点上的信号功率与噪声功率之比，称为信噪比，用S/N表示。共一百二十一页即当线性网络输入端接上一个(y )标准信号源时，它的输入端信噪比与输出端信噪比的比值，称为噪声系数。NA ：网络内部噪

29、声在输出端产生(chnshng)的功率。共一百二十一页标准信号源：指该信号源除了(ch le)包含信号电压 和内阻 外，还包含由该内阻所产生的热噪声电压 ，并规定 的温度为T0 = 290K，称为标准噪声温度。可见(kjin)，NF 与加到网络上的信号无关。NF的另外一种表示：噪声电压均方值为：共一百二十一页输出噪声功率(gngl) 由两部分组成：NO = KpNi+ NA1）KpNi ：信号源内阻Rs 的热噪声功率通过网络后在输出端产生的噪声功率，称为外部噪声。2）NA ：网络内部噪声在输出端产生的噪声功率，称为内部噪声。实际网络总是有噪声(zoshng)的，所以共一百二十一页注：（1）噪声

30、系数的概念(ginin)仅仅适用于线性或准线性电路。（2）噪声系数与工作频率有关。共一百二十一页2）噪声温度线性四端网络 有噪线性四端(s dun)网络 无噪有噪网络(wnglu)的噪声温度噪声温度 的定义： 将网络的内部噪声折算到输入端电阻Rs，用Rs 的热噪声来代替内部噪声，此时Rs的温度称为噪声温度，用Te表示。采用噪声温度表征内部噪声的优点：可较精确地比较网络内部噪声的大小。共一百二十一页3.7.4 噪声(zoshng)系统的计算方法采用额定功率( dn n l)定义噪声系数线性四端网络 KPM，KAM共一百二十一页网络(wnglu)输入端等效电路信号源输入(shr)到网络的信号功率：输入噪声功率：又：共一百二十一页因此(ync)，噪声系数可表示为：网络(wnglu)内部噪声额定功率。其中，共一百二十一页线性无源(w yun)四端网络输出端等效电路UO:网络输出(shch)电压RO:网络输出电阻RL:网络负载En: RO 的噪声电压输出信号功率：输出噪声功率：共一百二十一页 对于(duy)无源四端网络：