微波電子線路大作業(yè)講解

1、微波電子線路大作業(yè)第一部分1- 1噪聲系數(shù)定義 一、表征單口網(wǎng)絡(luò)噪聲(噪聲源)的參數(shù)1.熱噪聲功率，1928年，尼奎斯特在熱力學(xué)統(tǒng)計理論分析和實 驗研究的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出電阻熱噪聲電壓均方值的表達式Un2 4kTRB(.1-1)式中，k=1.38 X9-23(J/K)為玻耳茲曼常數(shù)；T為電阻溫度(K); R為 電阻值(Q); B為測試設(shè)備的通頻帶(Hz)。這就是尼奎斯特定理。 Un2表示在帶寬B內(nèi)，處于熱力學(xué)溫度 T的電阻R所產(chǎn)生的熱噪 聲開路電壓均方值。若用等效源表示，可將一個熱噪聲電阻用等 效為一個無噪聲電阻 R與一個噪聲電壓源un2串聯(lián)而成的等效電 壓源；或等效為一個無噪聲電導(dǎo)G與一個噪聲電

2、流源In2并聯(lián)組成的等效電流源，Un2/ R2 4kTGB。當(dāng)幾個電阻串聯(lián)時，采用 等效電壓源較方便；并聯(lián)時，采用等效電流源較方便。當(dāng)接入負載電阻Rl=R時，溫度為T的電阻R,在帶寬B內(nèi) 產(chǎn)生的資用噪聲功率是kTB(.1-2)(2R)2Un2熱噪聲是一種隨機過程，通過傅里葉分析知，其頻率分量是 連續(xù)、均勻的頻譜分布，稱為白噪聲。由式 (.1-2)得出資用熱噪 聲功率的譜密度為WnkT (W/Hz)(.1-3)上式表明，電阻輸出的單位帶寬資用噪聲功率只與熱力學(xué)溫度(K)二、表征雙口網(wǎng)絡(luò)(放大器、混頻器等)噪聲的參數(shù)RiNeRe圖.1-1雙口網(wǎng)絡(luò)的噪聲等效電路1.等效輸入噪聲溫度：一個實際雙端口網(wǎng)

3、絡(luò) (線性或準(zhǔn)線性)，設(shè) 網(wǎng)絡(luò)增益為G，其輸出端產(chǎn)生的總噪聲功率 Nout應(yīng)為網(wǎng)絡(luò)輸入端 電阻Ri產(chǎn)生的噪聲功率 Ni和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲功率在輸出端的貢獻 之和。將實際網(wǎng)絡(luò)用理想網(wǎng)絡(luò)代替， 把網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲折合到輸入 端，用等效輸入噪聲功率 Ne和等效輸入電阻 Re來表示。則 Ne 通過理想網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)捷敵龆怂暙I的噪聲功率，將與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲功率在輸出端的貢獻相等。如圖.1-1所示。由此得出Nout G(Ni Ne)Gk(Te)BGkTiB GkT(.1-7)由上式求出實際網(wǎng)絡(luò)的等效輸入噪聲溫度為TN outteGkB i(.1-8)式中Ti為網(wǎng)絡(luò)輸入端電阻(或等效輸入電阻)的噪聲溫度。由式 (9.1

4、-3)知，如果知道一個網(wǎng)絡(luò)的等效輸入噪聲溫度，則它的輸出 噪聲功率譜密度為已知，即 Weout GkTe。2.噪聲系數(shù)：定義為當(dāng)規(guī)定輸入端溫度處于To=29OK時，網(wǎng)絡(luò)輸入端資用信號-噪聲功率比(S/Ni)與輸出端資用信號-噪聲功率 比(Sout/Nout)之比值。其表達式為Si /NiSout / N outSjN outN outNoutSoutNjGNjGkTjB(1-9) 由式(.1-7)得F G(Nj Ne)/(GNj)1 Ne/Nj 或Ne (F 1)Nj(.1 -10)令式(.1-7)中Tj=To，代入(.1-9)得TTeTT或用dB表示(.1 -11)F(dB) 10lg(1

5、Te/T。)正比，與電阻的類型和阻值無關(guān)。三、級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)前面已得到，網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率為Nout G(Nj Ne) GNj(F 1)NjGkTjBkTjGB (F 1)kTjGBFGkTjB(.1 -12) 可見輸出噪聲功率包括兩部分，其一為網(wǎng)絡(luò)輸入端的噪聲功率 Ni經(jīng)網(wǎng)絡(luò)放大產(chǎn)生的輸出噪聲功率； 其二是網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部噪聲折合 到輸入端的噪聲功率 (F-1)Nj經(jīng)網(wǎng)絡(luò)放大產(chǎn)生的輸出噪聲功率 G(F-1)Ni。當(dāng)兩個網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)時，設(shè)第一、第二個網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)和增益 分別是F1、G1和F2、G2,總噪聲系數(shù)和總增益分別用 Ft和Gt， 則 Gt=G1G2。由式(.1-12)知，第一級網(wǎng)絡(luò)的輸出噪

6、聲功率為 F1G1kTiB，可G2（F2-1）kTiB,所以兩級看作第二級網(wǎng)絡(luò)的輸入噪聲功率。經(jīng)第二級網(wǎng)絡(luò)放大后變成 G2（FiGikTiB）。第二級網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部噪聲折合到輸入端的噪聲功率 為（F2-1）kTiB，經(jīng)第二級網(wǎng)絡(luò)放大后變成 網(wǎng)絡(luò)的總噪聲功率為NoutF1G1G2kTi B (F21)G2kTiBFtGtkTiB所以FtFiF2 1對于n個級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，Gi有(.1-13)FtFiF2 1G1F3 1G1G2Fn 1G1G2Gn 1(.1 -14a)Te2G1Te3G1G2TenG1G2Gn 1（.1 -14b）總噪聲主要來并提高其增益。可見，對于級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如果第一級有足夠的增益， 源于

7、第一級的貢獻，故應(yīng)設(shè)法減小第一級的噪聲，2噪聲系數(shù)的測量方法測量網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的基本電路如圖9.2-1所示。圖中噪聲發(fā)生器有“點燃”（熱態(tài)T2）與“熄滅”（冷態(tài)T1）兩個狀態(tài)。前者為 噪聲功率輸出狀態(tài)，后者為將待測網(wǎng)絡(luò)的輸入端接到冷態(tài)噪聲發(fā) 生器的狀態(tài)。圖中的檢測指示器為匹配功率計或匹配平方律檢波.2-1 Y系數(shù)冷態(tài)相當(dāng)于將待測網(wǎng)絡(luò)接在溫度為Ti（室溫）的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)上。設(shè)此時測出的噪聲功率為Nouti。由式（.1-7）知NoutiGk（TiTe）B（.2-1）熱態(tài)相當(dāng)于將待測網(wǎng)絡(luò)接在溫度為T2（噪聲發(fā)生器的等效噪聲溫度）的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)上，設(shè)此時測出的噪聲功率為Nout2。則(.2-2)(T2

8、Te)/(Ti Te)Nout2Gk(T2Te)B設(shè) Nout2與Nouti之比為Y，即丫N out2 / Nouti（.2-3） 根據(jù)Y值可求出待測網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度和噪聲系數(shù)，這樣測量噪聲的方法稱為Y系數(shù)法。由式（.2-3）可得等效輸入噪聲溫度為Te噪聲系數(shù)為T2 YTiY i(.2-4)F 1Te1 T2 YTi(Y 1)To(T2 /To 1) Y(Ti /To 1)ToY11 1Y(Ti To)(Y 1) ENRY 11Y(TiT2To)ToT2ToTo(.2-5a)用dB表示有F(dB) 10lgF ENR(dB) 10lg(丫 1)(.2-5b)其中是室溫Ti不等于標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度T

9、o時的修正量，若 Ti=To,則A=0。上式變?yōu)镕(dB) 10lgF ENR(dB) 10lg( Y 1)(2-6) 式(.2-5)和(.2-6)稱為Y系數(shù)方程。冷態(tài)TiT1T2圖.2-1噪聲測量基本電路2測量方法與誤差噪聲系數(shù)測量的基本方法是Y系數(shù)法。在具體測試中，按Y的取值不同分為直接比較法(任意倍數(shù)功率法)、等功率指示法和 3dB法(Y=2,或稱功率倍增法，也稱二倍功率法 )。下面分述之。 一、直接比較法用直接法測定噪聲系數(shù)時，Y系數(shù)可以取任意值。測量方法是，分別測出熱、冷兩態(tài)的噪聲功率比值Y(Y任意)，代入Y系數(shù)方程式(9.2-5b)或式(9.2-6)求出噪聲系數(shù)F。式中的是當(dāng)測試

10、時室溫偏離290K時的修正值，一般可忽略不計。例如，ENR=18dB , Y=9, Ti=300K 時，僅約為-0.03dB。按圖.2-1的測量線路，設(shè)(1)在檢測帶寬內(nèi)，待測網(wǎng)絡(luò)為線性，它的資用功率增益 Ga和等效輸入噪聲溫度 Te為常數(shù)，且為單值響應(yīng)。功率計在檢測帶寬內(nèi)為線性功率響應(yīng)，無噪聲，無反射。噪聲發(fā)生器的T2、T1為已知常數(shù)，冷、熱兩態(tài)時的源阻抗與 待測網(wǎng)絡(luò)匹配，則直接法的工作方程即為式(.2-4)和(.2-5)。由式(.2-4)和(.2-5)求偏微分得等效噪聲溫度和噪聲系數(shù)的測量誤差方程分別為:TeT1 T2 y(Y 1)2(2-7)ENR 434 Y4.34Y 1在導(dǎo)出式(.2

11、-8)時考慮了 使用直接法應(yīng)注意， 于均方噪聲功率的分量，T1 T2 To(2-8)In x/ln100.434In x。lg x由于噪聲譜中含有在短周期內(nèi)幅度遠大所以，必須嚴格保持待測接收機不過載。檢波規(guī)律的校準(zhǔn)很困難，其次，由于寬帶噪聲信號動態(tài)范圍很大， 采用標(biāo)準(zhǔn)正弦信號校準(zhǔn)檢波器的檢波律與采用噪聲功率校準(zhǔn)也不盡相同，而且當(dāng)Y值太大時，待測設(shè)備有可能因限幅而產(chǎn)生噪 聲，這時應(yīng)選用下述的衰減等功率指示法。2- 艸益；人宀駅戕厶皿創(chuàng)心可序坤端口功率增益的定義圧文一端匚網(wǎng)冷的山書叨率束口淙乜山耳工溼己=p耐是傳送到負載的功率與來自源的可用功率之比”與禺和z上有關(guān)2若輸人和輸出都勻二喘口共輒匹配丿

12、IJ增益最大CA = Cro I功率增益Pls2(1L2)122S22 L(1in)PinS212(12可用增益GaP AVNS)P AVS1S11s 2(1out2)變換功率增益GtPl|s2i|2(i2)(1P AVSI1 S22 LLS in 23- 3 BJT雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor BJT ）又稱為半導(dǎo)體三極管，它是通過一定的工藝將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起的器件，有PNP和NPN兩種組合結(jié)構(gòu)；外部引出三個極：集電極，發(fā)射極 和基極，集電極從集電區(qū)引出，發(fā)射極從發(fā)射區(qū)引出，基極從基區(qū)引 出（基區(qū)在中間）；BJT有放大作用，重要依靠它的發(fā)射極電流

13、能夠 通過基區(qū)傳輸?shù)竭_集電區(qū)而實現(xiàn)的， 為了保證這一傳輸過程，一方面 要滿足內(nèi)部條件，即要求發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度要遠大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，同時基區(qū)厚度要很小，另一方面要滿足外部條件，即發(fā)射結(jié)要正向偏置（加正向電壓）、集電結(jié)要反偏置；BJT種類很多，按照頻率分，有 高頻管，低頻管，按照功率分，有小、中、大功率管，按照半導(dǎo)體材 料分，有硅管和錯管等；其構(gòu)成的放大電路形式有：共發(fā)射極、共基 極和共集電極放大電路。4- 4FET場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫（FET）簡稱場效應(yīng)管。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。根據(jù)三極管的原理開發(fā)出的新一

14、代放大元件，有3個極性，柵極，漏極，源極，它的特點是柵極的內(nèi)阻極高，采用二氧化 硅材料的可以達到幾百兆歐，屬于電壓控制型器件。特點具有輸入電阻高（10八810八9 Q）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、 易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點，現(xiàn)已成為雙 極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者.作用場效應(yīng)管可應(yīng)用于放大電路，由于場效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容可以容量較小，不必使用電解電容器.場效應(yīng)管還可以用作電子開關(guān).場效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換.常用于多級放大 器的輸入級作阻抗變換場效應(yīng)管可以用作可變電阻.場效應(yīng)管可以方 便地用作恒流源.分類信息按結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管分為：

15、結(jié)型場效應(yīng)（簡稱 JFET）、絕緣柵場效應(yīng)（簡稱MOSFET ）兩大類按溝道材料：結(jié)型和絕緣柵型各分 N溝道和P溝道兩種.按導(dǎo)電方式：耗盡型與增強型，結(jié)型場效應(yīng)管均為耗盡型，絕緣 柵型場效應(yīng)管既有耗盡型的，也有增強型的。場效應(yīng)晶體管可分為結(jié)場效應(yīng)晶體管和 MOS場效應(yīng)晶體管，而 MOS場效應(yīng)晶體管又分為N溝耗盡型和增強型；P溝耗盡型和增強 型四大類.見下圖：主要參數(shù)Idss 飽和漏源電流是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管中，柵 極電壓UGS=O時的漏源電流.Up 夾斷電壓是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管中， 使漏源間 剛截止時的柵極電壓.Ut 開啟電壓.是指增強型絕緣柵場效管中，使漏源間剛導(dǎo)通時 的

16、柵極電壓.gM 跨導(dǎo)是表示柵源電壓UGS 對漏極電流ID的控制能 力，即漏極電流ID變化量與柵源電壓UGS變化量的比值.gM是衡 量場效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù).BVDS 漏源擊穿電壓是指柵源電壓UGS 一定時，場效應(yīng)管正 常工作所能承受的最大漏源電壓.這是一項極限參數(shù)，加在場效應(yīng)管 上的工作電壓必須小于 BVDS.PDSM 最大耗散功率，也是一項極限參數(shù)，是指場效應(yīng)管性 能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率.使用時，場效應(yīng)管實際功耗 應(yīng)小于PDSM并留有一定余量.IDSM 最大漏源電流.是一項極限參數(shù)，是指場效應(yīng)管正常工作 時，漏源間所允許通過的最大電流 .場效應(yīng)管的工作電流不應(yīng)超過 IDSM管

17、腳識別判定柵極G :將萬用表撥至R xik檔，用萬用表的負極任意接一 電極，另一只表筆依次去接觸其余的兩個極，測其電阻.若兩次測得的電阻值近似相等，則負表筆所接觸的為柵極，另外兩電極為漏極和 源極漏極和源極互換，若兩次測出的電阻都很大，則為N溝道；若兩次測得的阻值都很小，則為 P溝道。判定源極S、漏極D:在源-漏之間有一個PN結(jié)，因此根據(jù)PN結(jié)正、反向電阻存在差 異，可識別S極與D極。用交換表筆法測兩次電阻，其中電阻值較 低（一般為幾千歐至十幾千歐）的一次為正向電阻，此時黑表筆的是 S極，紅表筆接D極。比較場效應(yīng)管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件.在只允許從 信號源取較少電流的情況下，應(yīng)

18、選用場效應(yīng)管；而在信號電壓較低， 又允許從信號源取較多電流的條件下，應(yīng)選用晶體管 .場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱之為單極型器件，而晶 體管是既利用多數(shù)載流子，也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電，被稱之為雙極型 器件.有些場效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負，靈 活性比晶體管好.場效應(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造 工藝可以很方便地把很多場效應(yīng)管集成在一塊硅片上，因此場效應(yīng)管 在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用.第二部分例題5-5固定增益放大器的設(shè)計+ 120Vrms X r r l p 創(chuàng)也 (F1 0.045r(1)LR55DQ0.179r.R6 .i-.：50Q：:0.432r31 ot LineMicrastripStriglineCPYVLine Para met