微波電子線路大作業(yè)教材

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U n2 4kTRB (.1-1) 式中， k=1.389-23(J/K)為玻耳茲曼常數(shù)； T 為電阻溫度 (K) ；R為 電阻值 ()；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

2、源；或等效為一個無噪聲電導(dǎo) G 與一個噪聲電流源 In2 并聯(lián)組 成的等效電流源， In2 Un2/R2 4kTGB 。當幾個電阻串聯(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kTB2(2R)2(.1-2)U n2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Wn kT (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溫度 (K)二、表征雙口網(wǎng)絡(luò) (放大器、混頻器等 )噪

3、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)絡(luò) (線性或準線性 )，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N out G(N i N e) Gk (Ti Te)B GkTi B GkT (.1-7)

4、由上式求出實際網(wǎng)絡(luò)的等效輸入噪聲溫度為TNoutTTeGkB Ti(.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 (9.1-3)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)：定義為當規(guī)定輸入端溫度處于T0=290K 時，網(wǎng)絡(luò)輸入端資用信號 -噪聲功率比 (Si/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 /NoutSiNoutNoutNoutSout NiGNiGkTi B(.1-9) 由式 (.1-7)得FG(Ni Ne)/(GNi

5、) 1 Ne / Ni 或Ne (F 1)Ni(.1-10)令式(.1-7)中 Ti=T0，代入(.1-9)得T0 TeT0T0或用 dB 表示F(dB) 10lg(1 Te /T0) 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(.1-11)Nout G(Ni Ne) GNi(F 1)Ni G kTi BkTiGB (F 1)kTiGB FGkTi B(.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)Ni 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)放大產(chǎn)生的輸出噪聲功率 G

6、(F-1)Ni。當兩個網(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)的輸出噪聲功率為 F1G1kTiB，可看作第二級網(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(F2-1)kTiB，所以兩級G2(F1G1kTiB)。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)G2kTiB Ft Gt kTi B所以Ft F1F2 1對于 n 個級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，G1有(.1-1

7、3)FtF1F2 1G1F3 1G1G2Fn 1G1G2 Gn 1(.1-14a)Te2G1Te3G1G2TenG1G2 Gn 1 (.1-14b) 總噪聲主要來 并提高其增益?？梢姡瑢τ诩壜?lián)網(wǎng)絡(luò)，如果第一級有足夠的增益， 源于第一級的貢獻， 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 器。.2-1 Y 系數(shù)冷態(tài)相當于將待測網(wǎng)絡(luò)接在溫度

8、為 T1(室溫 )的輸入匹配網(wǎng)絡(luò) 上。設(shè)此時測出的噪聲功率為 Nout1。由式 (.1-7)知Nout1 Gk(T1 Te )B(.2-1)熱態(tài)相當于將待測網(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Nout2 Gk(T2 Te)B設(shè) Nout2 與 Nout1 之比為 Y，即Y Nout2 / Nout1(.2-2)(T2 Te ) /(T1 Te)(.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 YT1Y1(.2-4)F

9、1Te1 T2 YT11 (Y 1)T0(T2 /T0 1) Y(T1 /T0 1)T0Y1T211Y(T1 T0)(Y 1) ENRY11 Y(T11 T2T0)T0T2 T0T0(.2-5a)用 dB 表示有F(dB) 10lgF ENR(dB) 10lg(Y 1)(.2-5b)其中 是室溫 T1 不等于標準噪聲溫度T0 時的修正量，若 T1=T0，則 =0 。上式變?yōu)镕(dB) 10lg F ENR(dB) 10 lg(Y 1) (.2-6) 式(.2-5) 和(.2-6) 稱為 Y 系數(shù)方程。冷態(tài) T1T1T2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

10、 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 是當測試 時室溫偏離 290K 時的修正值，一般可忽略不計。例如， ENR=18dB ， Y=9， T1=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

11、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)。(2)功率計在檢測帶寬內(nèi)為線性功率響應(yīng)， 無噪聲，無反射。 (3)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 Y(.2-7)ENR 4.34 Y 4.34Y11 T2 YY 1在導(dǎo)出式 (.2-8)時考慮了使用直接法應(yīng)注意，于均方噪聲功率的分量，其次，由于寬帶噪聲信號動態(tài)范圍很大，T1T2 T0 1 (.2-8) ln x/

12、ln10 0.434 ln 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)律的校準很困難，采用標準正弦信號校準檢波器的檢波律與采用噪聲功率校準也不盡相同，而且當 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。2-2 增益二端口功率增益的定義功率增益S21 2 (1L22)122S22 L (1in2)PLPinS2122(12可用增益GAPAVNS)PAVS1S11S 2(1out22)變換功率增益GTPLS21 2 (122)(1PAVS1 S22 LLS in 23-3 BJT雙極結(jié)型晶體管（ Bipolar

13、 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，

14、低頻管，按照功率分，有小、中、大功率管，按照半導(dǎo)體材 料分，有硅管和鍺管等；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 （108109）、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

15、，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：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

16、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=0 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

17、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管腳識別判定柵極 G ：將萬用表撥至 R1k 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