第3章高频小信号放大器与噪声课件.ppt

第3章 高频小信号放大器,3.1 概述3.2 高频小信号等效电路3.3 单调谐回路谐振放大器3.4 双调谐回路谐振放大器 3.5 谐振放大器的稳定性3.6 噪声系数和噪声温度,第3章 高频小信号放大器3.1 概述,3.1 概述,高频小信号放大器通常是指接收机中混频前的射频放大器和混频后的中频放大器。由于来自接收天线的信号既有中心频率很高（几百kHz到几百MHz）而频谱宽度相对较窄（几kHz到数十MHz）的已调有用信号，又有不同中心频率的已调无用信号和干扰信号，因此要求高频放大器应具有一定形状的频率选择特性。,3.1 概述 高频小信号放大器通常,电路特点：采用谐振电路作为放大器的集电极负载。电路作用：采用谐振回路作为负载的谐振放大器 还可起滤波或选频作用。,3.1 概述（续）,电路特点：3.1 概述（续）,3.1 概述（续）,高频小信号放大器的特点：频率较高 中心频率一般在几百kHz到几百MHz频带宽度在几kHz到几十MHz 小信号 信号较小故工作在线性范围内(甲类放大器),3.1 概述（续）高频小信号放大器的特点：,3.1 概述（续）,高频小信号放大器的分类按所用的器件：晶体管（BJT)、场效应管（FET)、集成电路（IC)按频谱宽度：窄带放大器和宽带放大器按电路形式：单级放大器和级联放大器 按负载性质：谐振放大器和非谐振放大器 谐振放大器是采用谐振回路作负载的放大器，具有放大、滤波和选频的作用。非谐振放大器由阻容放大器和各种滤波器组成，其机构简单，便于集成。,3.1 概述（续）高频小信号放大器的分类,3.1 概述（续）,高频小信号放大器的质量指标 1）增益 电压增益：功率增益：分贝表示：2)通频带：放大器的电压增益下降到最大值的0.707倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用B=2f 0.7表示。2f 0.7也称为3分贝带宽。,3.1 概述（续）高频小信号放大器的质量指标,3.1 概述（续）,为什么要求通频带？放大器所放大的一般都是已调制的信号，已调制的信号都包含一定谱宽度，所以放大器必须有一定的通频带，让必要的信号频谱分量通过放大器。与谐振回路相同，放大器的通频带决定于回路的形式和回路的等效品质因数QL。此外，放大器的总通频带，随着级数的增加而变。并且通频带愈宽，放大器增益愈小。,3.1 概述（续）,3.1 概述（续）,3)选择性从各种不同频率的信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用矩形系数和抑制比来表示。矩形系数按理想情况，谐振曲线应为一矩形。为了表示实际曲线接近理想曲线的程度，引入“矩形系数”，它表示对邻道干扰的抑制能力。,3.1 概述（续）3)选择性从各种不同频率的信号的总和,3.1 概述（续）,2f 0.1,2f 0.01分别为放大倍数下降至0.1和0.01处的带宽，Kr愈接近于1越好。,3.1 概述（续）,3.1 概述（续）,抑制比表示对某个干扰信号fn 的抑制能力，用dn表示。An为干扰信号的放大倍数，Av0为谐振点f0的放大倍数。例 Av0=100 An=1 用分贝表示dn(dB)=20 lgdn,3.1 概述（续）抑制比,3.1 概述（续）,4)工作稳定性：指在电源电压变化或器件参数变化时以上三参数的稳定程度为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，即 限制每级增益 选择内反馈小的晶体管 应用中和或失配方法。,3.1 概述（续）4)工作稳定性：,3.1 概述（续）,5)噪声系数：放大器的噪声性能可用噪声系数表示：NF越接近1越好 在多级放大器中，前二级的噪声对整个放大器的噪声起决定作用，因此要求它的噪声系数应尽量小。以上这些要求，相互之间即有联系又有矛盾。增益和稳定性是一对矛盾，通频带和选择性是一对矛盾。故应根据需要决定主次，进行分析和讨论。,3.1 概述（续）5)噪声系数：,本章重点介绍：单级窄带、负载为LC谐振回路的谐振放大器。,3.1 概述（续）,本章重点介绍：3.1 概述（续）,3.2 高频小信号等效电路,晶体管在高频小信号运用时，它的等效电路主要有两种形式：形式等效电路 即网络参数等效电路 物理模拟等效电路 即混合等效电路,3.2 高频小信号等效电路 晶体,晶体管等效为有源四端网络，常用的有、和 三种参数系。本章主要采用 参数。其中输入电压和输出电压为自变量，输入电流和输出电流为参变量，则,3.2.1 形式等效电路,晶体管等效为有源四端网络，常用3.2.1 形式等效电路,Y参数的物理意义（内参数）,晶体管的输入导纳 它说明了输入电压对输入电流的控制作用。,正向传输导纳 它表示输入电压对输出电流的控制作用,反向传输导纳 它代表晶体管输出电压对输入端的反作用。,晶体管的输出导纳 它说明输出电压对输出电流的控制作用。,Y参数的物理意义（内参数）晶体管的输入导纳正向传输导纳反向传,晶体管Y参数等效电路,晶体管Y参数等效电路,由上图可以得到共发射极放大电路节点电流方程：,晶体管Y参数等效电路（外参数）,此外，还有共集电极、共基极放大电路节点电流方程。,由上图可以得到共发射极放大电路节点电流方程：晶体管Y参数等效,由节点电流方程得到输入导纳：,晶体管Y参数等效电路（外参数）,由节点电流方程得到输出导纳：,由于将信号电流源开路,由节点电流方程得到输入导纳：晶体管Y参数等效电路（外参数）由,晶体管Y参数等效电路（外参数）,由共发射极放大电路节点电流方程，得到电压增益：,晶体管正向传输导纳越大，放大器的增益就越大。,在晶体管参数为实数时，与 相位差为180,晶体管Y参数等效电路（外参数）由共发射极放大电路节点电流方程,混合 等效电路,3.2.2 混合 等效电路（物理模拟法）,把晶体管内部的物理过程用集中器件RLC表示。用这种物理模型的方法所涉及到等效电路就是混合参数等效电路。,晶体管放大作用的等效电流发生器,输出的交流电压反馈到输入端，可能引起自激,产生高频负反馈，降低放大倍数,小,混合 等效电路3.2.2 混合 等效电路（物理模拟法）把,3.2.3 混合 等效电路参数与Y参数的转换,3.2.3 混合 等效电路参数与Y参数的转换,3.2.3混合 等效电路参数与Y参数的转换（续）,KCL：,3.2.3混合 等效电路参数与Y参数的转换（续）KCL：,3.2.3混合 等效电路参数与Y参数的转换,3.2.3混合 等效电路参数与Y参数的转换,四个参数均为复数，表示为,混合 等效电路参数与Y参数的转换（续）,四个参数均为复数，表示为混合 等效电路参数与Y参数的转换（,3.2.4 晶体管的高频参数,(1)截止频率（共射截止频率）：下降到 0.707时的频率。,由于0比1大的多,在频率为f时,|虽然下降到原来的0.707,但是仍然比1大的多,因此晶体管还能起到放大的作用。,(2)特征频率:下降到1时的频率。,3.2.4 晶体管的高频参数(1)截止频率（共射截,3.2.4 晶体管的高频参数,电流放大系数与f 的关系 3）最高振荡频率fmax 晶体管的功率增益 时的工作频率 fmax表示晶体管所能够适应的最高极限频率。在此工作频率时晶体管已经不能得到功率放大，当ffmax时,无论使用什么方法都不能使晶体管产生振荡。,3.2.4 晶体管的高频参数电流放大系数与f 的关系,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,R1、R2、R3为偏置电阻，决定工作点，LF、CF为滤波电路，负压供电 C4、L组成L、C谐振回路 R4是加宽回路通频带用 Rp是并联回路本身的损耗所谓单调谐回路共发放大器就是晶体管共发电路和并联回路的组合。所以前面分析的晶体管等效电路和并联回路的结论均可应用。,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器 R1、R2、R3为偏置电,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,等效电路分析,代表由集电极C向右看的回路导纳（对外电路而言Vc是上负下正，故Ic有一负号）,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器等效电路分析代表由集电极C,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,把（4）代入(1)放大器输入导纳,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,放大器的质量指标：1）电压增益,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器放大器的质量指标：,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,输出电导,输出电容,下一级输入电导,下一级输出电容,并联回路导纳,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器输出电导输出电容下一级输入,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,谐振频率附近时：,谐振时：,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器谐振频率附近时：谐振时：,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,匹配条件：,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器匹配条件：,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,电压增益的相关结论,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器电压增益的相关结论,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,2）功率增益,下一级输入导纳,本级输入导纳,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器2）功率增益下一级输入导纳,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,用db表示时：忽略回路本身的损耗 匹配条件为,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器用db表示时：,实际情况下，不能忽略,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,实际情况下，不能忽略3.3.1单级单调谐回路谐振放大,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,3）通频带 随f变化的曲线，叫做谐振曲线 通频带,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器3）通频带,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,结论：品质因数越高，放大器通频带越窄 与通频带的关系,带宽增益乘积为一常数,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器结论：品质因数越高，放大,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,当 确定，p1和p2不变时，只取决于 和 的乘积，电容越大，通频带越宽，变小。为了获得高增益，宽频带，除了选用 较大的晶体管外，应该尽量减小谐振回路的总电容，但是这样会导致系统的稳定性变差。,对于宽带而言，要使 尽量大，因为频带很宽，谐振曲线不稳定是次要的，对于窄带放大器，尽量大，使谐振曲线稳定（不会使通频带改变，以至引起频率失真）。,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器对于宽带而言，要使,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,4）选择性矩形系数来表示 邻道选择性差，这是单调谐回路放大器的缺点。,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器4）选择性,例3.1单调谐回路放大器中，工作频率为10MHz，晶体管参数1）谐振时的电压增益；2）谐振回路电容C；3）通频带；,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,例3.13.3.1单级单调谐回路谐振放大器,单调谐回路放大器电路图,单调谐回路谐振放大器（例题）,单调谐回路放大器电路图单调谐回路谐振放大器（例题）LC,等效电路图,单调谐回路谐振放大器（解例题）,等效电路图单调谐回路谐振放大器（解例题）CRpL,1）谐振时的电压增益,单调谐回路谐振放大器（解例题）,1）谐振时的电压增益单调谐回路谐振放大器（解例题）,2）谐振回路电容C,单调谐回路谐振放大器（解例题）,2）谐振回路电容C单调谐回路谐振放大器（解例题）,3）通频带 回路的有载品质因数 回路的通频带,单调谐回路谐振放大器（解例题）,3）通频带单调谐回路谐振放大器（解例题）,4）在LC回路上并联一个10k的电阻R4，则Rp变成了Rp，,单调谐回路谐振放大器（解例题完）,4）在LC回路上并联一个10k的电阻R4，则Rp变成了Rp,例题：设计一个中频放大器，指标如下：中心频率为465kHz，通频带为8kHz。负载为下级一个完全相同的晶体管输入阻抗，采用自耦变压器网络。解：选用高频小功率晶体管，当 时，它的Y参数为：,单调谐回路谐振放大器（设计性例题）,例题：设计一个中频放大器，指标如下：中心频率为465kH,设暂不考虑 的作用，由输入和输出导纳的基本公式，得,单调谐回路谐振放大器（设计性例题续）,设暂不考虑 的作用，由输入和输出导纳的基本公式，得,实际电路设计：在前述基本电路的基础上增加各种辅助元件即得到实际电路。,单调谐回路谐振放大器（设计性例题续）,实际电路设计：在前述基本电路的基础上增加各种辅助元件即得到实,设选取回路总电容，则回路电感为：,单调谐回路谐振放大器（设计性例题续）,设选取回路总电容,并联到LC回路上的总损耗电导为：匹配时抽头比：,单调谐回路谐振放大器（设计性例题续）,并联到LC回路上的总损耗电导为：单调谐回路谐振放大器（设计性,计算本级增益：或者：,单调谐回路谐振放大器（设计性例题续）,计算本级增益：单调谐回路谐振放大器（设计性例题续）,回路的插入损耗：,单调谐回路谐振放大器（设计性例题完）,回路的插入损耗：单调谐回路谐振放大器（设计性例题完）,谐振放大器电路设计的基本方法：1）设定主要电路指标；2）选择元件及相应的参数；3）设计对应的原理电路图；4）计算对应的放大器指标。,单调谐回路谐振放大器（设计性方法）,谐振放大器电路设计的基本方法：单调谐回路谐振放大器（设计性方,单调谐回路放大器的矩形系数比1大很多，反映在频率特性上即幅频特性曲线与理想矩形相差甚远，所以其频道选择性差，这是单调谐回路放大器的缺点。因此要采用多级放大器。级联后的放大器，其增益、通频带和选择性都将发生变化,3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器,单调谐回路放大器的矩形系数比1大很多，反映在频率特性上即,3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器,3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器,1）电压增益假如放大器有m级，各级电压增益分别为则总增益 是各级增益的乘积，即如果各级放大器由完全相同的单级放大器组成，则,3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器,1）电压增益3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器,对于多级放大器的级联增益，其具体构成关系为：同理，可以得到多级放大器的功率增益关系。,3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器,对于多级放大器的级联增益，其具体构成关系为：3.3.2 多级,2）通频带 m级相同放大器级联时，其归一化谐振特性曲线可表示为：它等于各单级谐振曲线的乘积，因此存在1）级数越多，谐振曲线越尖锐；2）选择性变好，但通频带变窄。,3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器,2）通频带3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器,多级放大器的谐振曲线,3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器,多级放大器的谐振曲线3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器,m级相同放大器级联同样满足 的关系，因此m级相同放大器的通频带 为,3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器,m级相同放大器级联同样满足 的关系，因此3.3.2,m级相同放大器级联时，总的通频带比单级放大器的通频带缩小，级数越多，m越大，总的通频带越小。如果要求m级总的通频带等于原单级的通频带，则每级的通频带都要增加为原来的X倍当每级通频带加宽X倍时,每级的增益都会降低为原来的1/X。,3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器,m级相同放大器级联时，总的通频带比单级放大器的通频带缩小，级,3）选择性m级单调谐放大器的矩形系数为：,3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器,当级数增加时，放大器的矩形系数确实有所改善，但是改善的程度是有限的。单调谐放大器的选择性较差，增益与通频带的矛盾突出。,3）选择性3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器m123456,双调谐回路谐振放大器具有频带较宽、选择性较好的优点。,3.4 双调谐回路谐振放大器,双调谐回路谐振放大器具有频带较宽、选择性较好的优点。3.4,双调谐回路谐振放大器等效电路：双调谐回路放大器等效电路,3.4 双调谐回路谐振放大器,双调谐回路谐振放大器等效电路：3.4 双调谐回路谐振放大器,双调谐回路谐振放大器等效电路：双调谐回路放大器简化的并联等效电路,3.4 双调谐回路谐振放大器,双调谐回路谐振放大器等效电路：3.4 双调谐回路谐振放大器,初次级回路均调谐到同一中心频率，并假设两个回路元件参数都相同。因此回路的电压增益为电路谐振时，有：,3.4 双调谐回路谐振放大器,初次级回路均调谐到同一中心频率，并假设两个回路元件参数都相同,根据的不同，谐振电压增益可以分为三种情况：1）弱耦合，谐振曲线在 出现峰值，2）临界耦合，谐振曲线比较平坦，在 处出现最大值，,3.4双调谐回路谐振放大器,根据的不同，谐振电压增益可以分为三种情况：3.4双调谐回路,3）强耦合,谐振曲线出现双峰，两个峰点的位置：此时，电压增益为：,3.4 双调谐回路谐振放大器,3）强耦合,谐振曲线出现双峰，两,双调谐回路谐振放大器的谐振曲线表示式为：弱耦合（即）时与强耦合（即）时，,3.4 双调谐回路谐振放大器,双调谐回路谐振放大器的谐振曲线表示式为：3.4 双调谐回路谐,双调谐回路谐振放大器的谐振曲线表示式为：临界耦合（即）时这是一种较常用的情况。,3.4双调谐回路谐振放大器,双调谐回路谐振放大器的谐振曲线表示式为：3.4双调谐回路谐振,双调谐回路谐振放大器的临界耦合通频带：令在回路有载品质因数相同的情况下，临界耦合双调谐回路放大器的通频带等于单调谐回路放大器通频带的 倍。,3.4双调谐回路谐振放大器,双调谐回路谐振放大器的临界耦合通频带：3.4双调谐回路谐振放,双调谐回路谐振放大器的矩形系数：令 则,3.4双调谐回路谐振放大器,双调谐回路谐振放大器的矩形系数：3.4双调谐回路谐振放大器,双调谐回路谐振放大器的矩形系数：小于单调谐回路的矩形系数,3.4 双调谐回路谐振放大器,双调谐回路谐振放大器的矩形系数：3.4 双调谐回路谐振放大器,多级双调谐回路谐振放大器:当 时，对m级放大器而言：通频带为矩形系数为,3.4 双调谐回路谐振放大器,多级双调谐回路谐振放大器:3.4 双调谐回路谐振放大器,3.5.1自激产生的原因 的存在改变了输入端回路的正常情况。可以写为：与 有关外还是频率的函数。,3.5 谐振放大器的稳定性,反馈电导 随频率变化的关系曲线,3.5.1自激产生的原因3.5 谐振放大器的稳定性反馈电,的存在改变了输入端回路的电导和电纳。改变了回路的品质因数QL 值；引起了回路的失谐；他们都影响回路的增益、通频带和选择性；引起谐振曲线发生畸变。,3.5.1自激产生的原因,的存在改变了输入端回路的电导和电纳。3.5.1,在某些频率上呈现负值，即呈负电导性，因此使回路总电导减小，因此有载品质因数 增加，通频带减小，增益也因损耗的减小而增加。这可以理解为负电导 供给电路能量，出现正反馈。如果反馈到输入端回路的电导 负值抵消了回路原有的 电导 正值，则输入端回路总电导为零，反馈能量抵消了回路损耗的能量，放大器处于自激振荡工作状态。,3.5.1自激产生的原因,在某些频率上呈现负值，即呈负电导性，因此使回路,3.5.1自激产生的原因,反馈导纳对放大器谐振曲线的影响,A0f0f 有内反馈 无内反馈3.5.1自激产生的原因,自激振荡状态：即使的 负值还没有完全抵消 的正值，但放大器已经倾向于自激，此时其工作已经不稳定。因此必须克服或降低晶体管内部反馈的影响，使放大器远离自激。,3.5.1自激产生的原因,自激振荡状态：即使的 负值还没有完全抵消,当Ys+Yi=0 回路总电导g=0 放大器产生自激。此时放大器的反馈能量抵消了回路损耗能量，且电纳部分也恰好抵消。表明放大器反馈的能量抵消回路损耗的能量，且电纳部分也恰好得到抵消。,3.5.2放大器产生自激的条件,反馈变强，等式左边,接近1，不稳定,当Ys+Yi=0 回路总电导g=0,推导放大器稳定的条件：,3.5.2放大器产生自激的条件,推导放大器稳定的条件：3.5.2放大器产生自激的条件,当放大器输入、输出回路相同时，有：,3.5.2放大器产生自激的条件,当放大器输入、输出回路相同时，有：3.5.2放大器产生自激,放大器稳定必须分别满足幅值和相位两个条件：上面的式子说明：只有 足够大时，式左边部分才可能小于1，满足自激的幅值条件。,3.5.2放大器产生自激的条件）,放大器稳定必须分别满足幅值和相位两个条件：3.5.2放大器,3.5.2放大器产生自激的条件,作为判断谐振放大器工作稳定性的依据，S称为谐振放大器的稳定系数。若S=1，放大器将自激。S 1时，放大器能稳定工作。一般要求稳定系数S 5 10。,3.5.2放大器产生自激的条件作为判断谐振放大器工作稳定性,工作频率远低于晶体管特征频率时，自激相位条件为：简化的稳定性依据：,3.5.3Avo与S的关系,工作频率远低于晶体管特征频率时，3.5.3Avo与S的关系,放大器的增益为：当两电路采用全接入，则有：,3.5.3Avo与S的关系,放大器的增益为：3.5.3Avo与S的关系,当 时，电路的稳定电压增益为：,3.5.3Avo与S的关系,(Avo)s是保持放大器稳定工作所允许的电压增益，称为稳定电压增益，为保证放大器稳定工作，Avo不允许超过(Avo)s。,讨论：,(Avo)s与f有关，f(Avo)s，f yre内反馈厉害。,选管应选 大些的为好,(Avo)s只考虑内部反馈，未考虑外部反馈。,当 时，电路的稳定电压增益为：3,3.5.4 克服自激的方法,由于yre的存在，晶体管是一个双向的器件，增强放大器的稳定性可以考虑晶体管的单向化。单向化的方法有：中和法 消除yre的反馈 失配法 使GL或gs的数值增大，因而使输入或输出回路与晶 体管失去匹配。中和法:外加一个电容抵消正反馈电容的作用.失配法：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；晶体管输出端负载不与晶体管的输出阻抗匹配。即以牺牲电压增益来换取放大器的稳定性,3.5.4 克服自激的方法由于yre的存在，晶体管是一个双向,3.5.4 克服自激的方法,1）中和法在放大器线路中插入一个外加的反馈电路，使它的作用 恰好和晶体管的内反馈互相抵消。,3.5.4 克服自激的方法1）中和法,3.5.4 克服自激的方法,（2）失配法 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。原理：由于阻抗不匹配，输出电压减小，反馈到输入电路的影响也随之减小。使增益下降，提高稳定性。使Yi=yie，即使后项0，则必须加大YL,3.5.4 克服自激的方法（2）失配法,3.5.4 克服自激的方法,（3）中和法与失配法比较 中和法：优点：简单，增益高 缺点：只能在一个频率上完全中和，不适合宽带 因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不适于批量生产。采用中和对放大器由于温度等原因引起各种参数变化没有 改善效果。失配法：优点：性能稳定，能改善各种参数变化的影响；频带宽，适合宽带放大，适于波段工作；生产过程中无需调整，适于大量生产。缺点：增益低。,3.5.4 克服自激的方法（3）中和法与失配法比较,讨论如何消除的反馈，这个过程称为单向化。有两种方法：中和法、失配法。1.失配法如果把负载导纳YL取得足够大，满足，则输入导纳，可基本消除反馈导纳YF的不利影响。但YL的增大，将使电压放大倍数减小。因此，失配法实质上是利用降低单级放大器的增益来换取工作稳定的。,讨论如何消除的反馈，这个过程称为单向化。有两种方法：中和,2.中和法 中和法是在放大器的输出与输入端之间外加反馈网络，通过其外部反馈来中和(抵消)晶体管的内部反馈，实现信号单向传输。由于晶体管反向传输导纳yre中的电导分量很小，即忽略rbb时，因此只需一个反馈电容即可抵消Cbc的内反馈影响，达到中和的目的。通常用CN表示为外接的中和电容。,谐振放大器的稳定性（单向化）,2.中和法谐振放大器的稳定性（单向化）,中和法电路原理图,谐振放大器的稳定性（单向化）,中和法电路原理图谐振放大器的稳定性（单向化）,失配法用于共发-共基级级联放大器（等效为共发）级联后，放大器的稳定性提高；放大器的功率增益较大。原因：a、级联的 b、级联的输出导纳是单管 的几分之一。c、级联的优点：噪声系数小,调谐回路谐振放大器（应用）,失配法用于共发-共基级级联放大器（等效为共发）调谐回路谐振放,谐振放大器常用电路举例：注意书中给的调幅通信接收机的中频放大器电路图。1、窄带晶体滤波器等效电桥2、采用单片陶瓷滤波器的中放级,调谐回路谐振放大器（常用电路）,谐振放大器常用电路举例：调谐回路谐振放大器（常用电路）,集成谐振放大器由担任放大任务的集成电路、选择回路及附属回路组成。自己分析阅读,调谐回路谐振放大器（集成电路）,集成谐振放大器由担任放大任务的集成电路、选择回路及附属回路组,场效应管电路符号：,场效应管高频小信号放大器,N沟道绝缘栅场效应管,P沟道绝缘栅场效应管,S源极，G-栅极D漏极,场效应管电路符号：场效应管高频小信号放大器N沟道结型场效应管,在高频应用时，场效应管的特点：1）栅极电流小（节能）2）3）4）5）增益比晶体管的小,场效应管高频小信号放大器（续）,在高频应用时，场效应管的特点：场效应管高频小信号放大器（续）,与一般晶体管一样，场效应管也可以使用y参数进行定义、设计和计算。1、共源放大器,场效应管高频小信号放大器（续）,与一般晶体管一样，场效应管也可以使用y参数进行定义、设计和计,共源放大器的模拟等效电路：,场效应管高频小信号放大器（续）,共源放大器的模拟等效电路：场效应管高频小信号放大器（续）,单回路场效应管共源放大器的电压增益（）：谐振时电压增益：,场效应管高频小信号放大器（续）,单回路场效应管共源放大器的电压增益（,2、共栅放大器在 的情况下，谐振时电压增益为：,场效应管高频小信号放大器（续）,2、共栅放大器场效应管高频小信号放大器（续）,莫叹前生有悔，但愿今世无愧最关注的问题包括：如何鼓励学生参与课堂讨论，如何鼓励学生进行批判性的、独立的、创新的思考。,调谐回路谐振放大器,莫叹前生有悔，但愿今世无愧调谐回路谐振放大器,中国高新技术产品出口企业主要是三资企业和外商独资企业，如2004年，中国高新技术产品出口中，外商独资企业占34.7%，三资企业占46.6%，而中国的民族企业只占6.7%。三资企业和外商独资企业的技术主导权基本上由外商控制，即使是中国民族企业，产品的科技含量也不高，如我国是DVD出口大国，但在DVD的57项关键技术中只掌握9项。,调谐回路谐振放大器,中国高新技术产品出口企业主要是三资企业和外商独资企业，如20,3.4 放大器中的噪声,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；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：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。描述参数：平均值、均方值、频谱或者功率谱,3.4 放大器中的噪声 干扰和噪声的分类：,电阻热噪声,由图3.4.1可以看出，热噪声电压 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。电阻热噪声主要有以下特性：,电阻热噪声由图3.4.1可以看出，热噪声电压,图3.4.1 电阻热噪声电压示意图,电阻热噪声（续）,图3.4.1 电阻热噪声电压示意图 电阻热噪声（续）,(1)在一个较长的观测时间内，热噪声电压的平均值为零，即,(3.41),热噪声电压正是无规则地偏离此平均值而起伏变化。热噪声电压的均方值,(3.42),电阻热噪声（续）,(1)在一个较长的观测时间内，热噪声,(2)电阻热噪声具有极宽的频谱，其包含的频率分量从零频开始，直到1013MHz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。理论和实践证明，在单位频带(1Hz)内，电阻R两端的噪声功率谱密度为,(3.43),图3.4.2 电阻热噪声的功率谱示意图,电阻热噪声（续）,(2)电阻热噪声具有极宽的频谱，其包,(3)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。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为,而热噪声电压的有效值为,(3.44),(3.45),电阻热噪声（续）,(3)尽管电阻热噪声的频谱很宽，但实际,如果R以k计，以kHz计，并令T=290K(即常温17)，可得热噪声电压工程计算式,(3.46),例如，一个400的电阻，在常温条件下用Bn=4MHz的测试设备来测量，按式(3.46)计算，其热噪声电压的均方根值约为5V。可见，电阻的热噪声是相当微弱的。,电阻热噪声（续）,如果R以k计，以kHz计，,3.4.1 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3.4.3(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3.4.3(b)所示。其中，噪声电流源,(3.47),式中，电导G=1/R。,电阻热噪声（续）,3.4.1 电阻热噪声的计算(3.47)式中，电导,图3.4.3 电阻器的热噪声等效电路(a)热噪声电压源；(b)热噪声电流源,电阻热噪声（续）,图3.4.3 电阻器的热噪声等效电路电阻热噪声（续,由于电阻热噪声为一随机量，不同电阻产生的热噪声电压(电流)是彼此独立、互不相关的，因此，当电阻串、并联后，其总噪声应按均方值叠加的规则进行计算。例如，在相同温度下，电阻R1和R2串联后，其总噪声电压的均方值应为,即两个串联电阻的总噪声电压均方值等于串联等效电阻R=R1+R2产生的噪声电压均方值，如图3.4.4所示。,电阻热噪声（续）,由于电阻热噪声为一随机量，不同电阻产,图3.4.4 电阻串联时的噪声等效电路,电阻热噪声（续）,图3.4.4 电阻串联时的噪声等效电路 电阻热噪声（,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,(3.48),电阻热噪声（续）,通常，电容器的损耗电阻可以忽略，而电,3.4.2 热噪声通过线性电路 电阻热噪声是功率谱密度均匀的白噪声，如图3.4.5(a)所示。但是，当它通过具有选频特性的线性电路后，其输出功率谱密度So(f)将会发生变化。若线性电路的电压传输函数为H(jf)，其功率传输函数H2(f)=|H(jf)|2，如图3.4.5(b)所示，则输出端的噪声功率谱密度为,(3.49),电阻热噪声（续）,3.4.2 热噪声通过线性电路(3.49)电阻热,图3.4.5 热噪声通过线性电路时功率谱密度的变化(a)白噪声功率谱；(b)传输函数；(c)输出噪声功率谱,电阻热噪声（续）,图3.4.5 热噪声通过线性电路时功率谱密度的变化电阻热噪声,3.4.3 热噪声通过选频电路 由于热噪声通过线性选频电路后功率谱变为频率的函数，因此，输出端的噪声电压均方值 应通过对So(f)的积分求得，即,(3.410),将式(3.410)与图3.4.5(c)对照可知，So(f)曲线与f轴之间的面积就表示输出端的噪声电压均方值，这就是式(3.410)的几何意义。,电阻热噪声（续）,3.4.3 热噪声通过选频电路(3.410),1.等效噪声带宽 为了简化式(3.410)的计算，我们引入等效噪声带宽的概念。等效噪声带宽 定义为一个幅度是H2(f0)的矩形功率传输特性的频率宽度，在该宽度下矩形的面积等于实际功率传输曲线的积分面积，即,(3.411),则,电阻热噪声（续）,1.等效噪声带宽(3.411),其中，H2(f0)为实际功率传输特性的最大值。与H2(f)的关系示意图如图3.4.6所示。由于两者面积相等，所以用带宽为 的理想矩形传输特性来等效实际特性，其输出噪声电压的均方值不变。利用等效噪声带宽Bn，并考虑到输入为热噪声时，Si(f)=4kTR,则式(3.410)可改写成,(3.412),电阻热噪声（续）,其中，H2(f0)为实际功率传输特性,图3.4.6 等效噪声带宽示意图,电阻热噪声（续）,图3.4.6 等效噪声带宽示意图 电阻热噪声（续）,式(3.412)表明，电阻热噪声通过线性电路后，其输出电压均方值是该电阻在频带Bn内的热噪声电压均方值的H2(f0)倍。通常，电路的H2(f0)已知，只要求出Bn，即可算出。对于其他噪声源(如晶体管等)来说，只要是白噪声或在有效频带内噪声功率分布均匀，都可利用式(3.412)来计算。,电阻热噪声（续）,式(3.412)表明，电阻热噪声,2.电阻热噪声通过LC谐振电路 现以图3.4.7(a)LC谐振电路为例，计算其输出端的噪声电压均方值。图中，电阻r代表回路电抗元件中的固有损耗。当该电阻被一个无噪电阻r和噪声源 的串联支路代替后，便得到图3.4.7(b)所示的噪声等效电路。现在图中虚线框内构成一无噪声的谐振电路，其功率传输函数为,(3.413),电阻热噪声（续）,2.电阻热噪声通过LC谐振电路(3,式中，为谐振电路的品质因数，为谐振电阻。当f=f0时，由式(3.413)可得,(3.414),利用式(3.413)、式(3.414)，且Q0较大时有,(3.415),电阻热噪声（续）,式中，为谐,图3.4.7 LC谐振电路及其噪声等效电路(a)谐振电路；(b)噪声等效电路,电阻热噪声（续）,图3.4.7 LC谐振电路及其噪声等效电路电阻热噪声（续）,式中，为谐振回路的3dB带宽。将式(3.414)、式(3.415)代入式(3.412)，可得,(3.416),电阻热噪声（续完）,式中，为谐振回,3.5 有源器件噪声,3.5.1 晶体管的噪声 1.电阻热噪声 在晶体管中，载流子的不规则热运动会产生热噪声。其主要来源是基区体电阻rbb，相比之下，发射区和集电区的热噪声很小，一般可以忽略不计。,3.5 有源器件噪声 3.5.1 晶体管的噪声,2.散粒噪声 晶体管外加偏压时，由于载流子越过PN结的速度不同，使得单位时间内通过PN结的载流子数不同，从而引起PN结上的电流在某一平均值上有一微小的起伏。这种电流随机起伏所产生的噪声称为散粒噪声。理论和实践证明，散粒噪声与流过PN结的直流电流成正比。对于正向偏置的发射结，其散粒噪声电流的均方值为,(3.51),有源器件噪声（续）,2.散粒噪声(3.51)有源器,式中，q是电子的电荷量(1.610-19)，IEQ是发射极静态工作电流。由于晶体管的集电结通常加反向电压，反向饱和电流要比发射极正向电流小很多，因此集电极反向饱和电流引起的散粒噪声可忽略不计。式(3.51)表明，晶体管的散粒噪声是白噪声。,有源器件噪声（续）,式中，q是电子的电荷量(1.61,3.分配噪声 在晶体管基区，由于非平衡少数载流子的复合具有随机性，时多时少起伏不定，使得集电极电流与基极电流的分配比例随机变化，从而引起集电极电流有微小的波动。这种因分配比例随机变化而产生的噪声称为分配噪声。集电极电流中的分配噪声电流均方值为,(3.52),有源器件噪声（续）,3.分配噪声(3.52)有源,式中，ICQ是集电极静态工作电流，是晶体管共基极交流电流放大系数。将 入式(3.52)，经变换可得I2cn的另一种表示式：,(3.53),(3.54),式(3.52)表明，晶体管的分配噪声不是白噪声，其功率谱密度是频率的函数。频率愈高，|2愈小，则分配噪声愈大。,有源器件噪声（续）,式中，ICQ是集电极静态工作电流，,4.噪声 噪声又称闪烁噪声或低频噪声，其特点是它的功率谱密度与工作频率近似成反比关系，所以它不是白噪声。噪声产生的机理比较复杂，主要与半导体材料及其表面特性有关。由于 噪声在低频(几千赫兹以下)时比较显著，因此它主要影响晶体管的低频工作区。在电子线路的噪声分析中，通常采用晶体管噪声等效电路。不同组态的晶体管有不同的噪声等效电路。当晶体管工作于高频范围时，其共基极组态的T型噪声等效电路如图3.5.1所示。,有源器件噪声（续）,4.噪声有源器件,图3.5.1共基组态的晶体管T型噪声等效电路,有源器件噪声（续）,图3.5.1共基组态的晶体管T型噪声等效电路有源器件噪声（续,3.5.2 场效应管的噪声 场效应管漏、源之间的沟道电阻会产生热噪声。与一般电阻器不同，沟道电阻由于受栅源电压控制因而不是一个恒定电阻。若gm表示场效应管的转移跨导，则