第2章 高頻小信號放大器

第2章

高頻小信號放大器復(fù)旦大學(xué)電子工程系陳光夢高頻電路基礎(chǔ)2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)2研究對象：高頻小信號放大器研究目的：1、了解高頻小信號放大器的電路結(jié)構(gòu)2、了解高頻小信號放大器的各項指標3、能夠設(shè)計基本的小信號放大器本章的目標2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)3高頻小信號放大器概述特點： 信號頻率高（105~1010Hz） 相對帶寬較窄（103~106Hz） 一般工作在線性狀態(tài) 通常采用諧振回路（選頻網(wǎng)絡(luò)）作為負載 通常是低噪聲放大器（LNA）用途：發(fā)送設(shè)備中的前置放大，

接收設(shè)備中的高頻放大、中頻放大等2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)4要求：增益高、低噪聲、工作穩(wěn)定、

合適的動態(tài)范圍、合適的選擇性分類：1、分立元件放大器。采用晶體管及諧振回路構(gòu)成放大電路，是高頻放大電路的基礎(chǔ)，也是本章主要討論的對象2、集成高頻放大器。采用高頻寬帶集成放大電路及集總參數(shù)濾波器構(gòu)成放大電路，是目前高頻小信號放大電路的發(fā)展方向，本章將簡要介紹2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)5高頻小信號放大器的指標增益

Gv，Gp中心頻率

f0通頻帶BW選擇性BW0.1/BW穩(wěn)定性信噪比S/N動態(tài)范圍2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)6晶體管高頻小信號放大器的常見結(jié)構(gòu)分窄帶放大器和寬帶放大器兩種窄帶放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)兼有選頻作用和阻抗匹配作用，通?？偸沁x頻放大器，只對特定的頻帶放大寬帶放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)通常只有阻抗匹配作用，在一個很寬的頻帶內(nèi)保持較為平坦的幅頻特性。2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)7高頻晶體管的材料與結(jié)構(gòu)雙極型晶體管Si材料或GaAs材料。金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MESFET)結(jié)構(gòu)類似JFET，金屬與半導(dǎo)體直接接觸構(gòu)成肖特基結(jié)，一般采用GaAs材料。異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管兩層不同的半導(dǎo)體材料，例如GaAs和GaAlAs，或GaInAs和GaAlAs，構(gòu)成陡峭的界面。由于能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系，電子被局限在界面附近一個極薄層（幾個納米）內(nèi)運動，形成所謂二維電子氣，具有極高的遷移率。2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)8晶體管的高頻混合p模型高頻晶體管混合p模型，主要考慮了在高頻情況下具有很大影響的兩個結(jié)電容Cp和Cm（注：此模型忽略發(fā)射極電阻re和集電極電阻rc）2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)9晶體管的網(wǎng)絡(luò)形式參數(shù)晶體管←→四端網(wǎng)絡(luò)←→形式參數(shù)以網(wǎng)絡(luò)端口上的電壓和電流表示

以網(wǎng)絡(luò)端口上的入射波和反射波表示→y參數(shù)（導(dǎo)納參數(shù)）z參數(shù)（阻抗參數(shù)）h參數(shù)（混合參數(shù)）A參數(shù)（級聯(lián)參數(shù)）S參數(shù)（散射參數(shù)）2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)10以網(wǎng)絡(luò)端口上的電壓電流表示的形式參數(shù)2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)11晶體管的y

參數(shù)晶體管的y參數(shù)等效電路如下：y參數(shù)的特點：1、便于分析；2、可以用實驗測量獲得2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)12y

參數(shù)的定義（共射組態(tài)）2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)13混合p

參數(shù)與

y

參數(shù)的轉(zhuǎn)換2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)14晶體管的高頻特性由于Cp和Cm的存在，晶體管在高頻應(yīng)用時，具有下列特點輸入阻抗和輸出阻抗除了電阻成分外，帶有電抗成分輸入阻抗和輸出阻抗是頻率的函數(shù)正向傳遞函數(shù)中帶有相移，且隨頻率變化由于電容的雙向傳輸特性，使得輸出端的信號能夠反向傳輸?shù)捷斎攵?，形成晶體管的內(nèi)反饋。頻率越高，此內(nèi)反饋越強烈晶體管參數(shù)在高頻條件下的變化——

yie

,yoe注：此曲線根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系得到，晶體管混合p參數(shù)為

rb=60W，rp=1kW，rm=2.6MW，rce=65kW，Cp=780pF，Cm=9pF，gm=38mS

2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)15晶體管參數(shù)在高頻條件下的變化——

yfe,yre

注：此曲線根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系得到，晶體管混合p參數(shù)為

rb=60W，rp=1kW，rm=2.6MW，rce=65kW，Cp=780pF，Cm=9pF，gm=38mS

2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)162023/1/11高頻電路基礎(chǔ)17晶體管高頻小信號調(diào)諧放大器晶體管高頻小信號調(diào)諧放大器一般采用LC諧振回路作為負載。根據(jù)LC諧振回路的不同，可分為單調(diào)諧回路放大器和雙調(diào)諧回路放大器。高頻調(diào)諧放大器的主要指標是增益（電壓增益和功率增益）、頻率特性（通頻帶以及矩形系數(shù)）等。其中頻率特性與諧振回路的參數(shù)有關(guān)，增益不僅與諧振回路有關(guān)，還與晶體管參數(shù)及阻抗匹配情況有關(guān)。高頻小信號放大器的另一個問題是它的穩(wěn)定性。由于晶體管在高頻工作時具有強烈的內(nèi)反饋，所以如何保證放大器的穩(wěn)定工作成為放大器設(shè)計的一個重要的內(nèi)容。2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)18由于晶體管在高頻工作時，內(nèi)反饋會影響電路的穩(wěn)定性，所以一般都要采取某些措施將它消除。在下面的分析中，我們假定已經(jīng)采取了一定的措施消除了內(nèi)反饋（單向化），此時晶體管的y

模型可以近似為：晶體管的單向化近似2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)19單調(diào)諧放大器常見電路及其交流等效電路2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)20由于諧振放大器的增益與頻率特性均與諧振回路的頻率特性有關(guān)，所以分析諧振放大器時，首先要分析的就是諧振回路的頻率特性。為了討論諧振回路的頻率特性，可以將連接在LC諧振回路上的所有負載（包括本級晶體管的輸出參數(shù)和后級的負載）都等效到LC

諧振回路的兩端。為此，將本級晶體管的交流等效電路用晶體管單向化近似模型代入。考慮抽頭諧振回路中的阻抗變換關(guān)系后，可以將晶體管的輸出參數(shù)ioe、yoe等效到LC

諧振回路的兩端。再將負載阻抗等效到LC

諧振回路兩端。諧振放大器的分析方法2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)21諧振放大器的頻率特性晶體管單向化近似后，假設(shè)晶體管在放大器工作頻段內(nèi)的頻響是平坦的，則放大器的頻率特性完全由諧振回路確定。對于單調(diào)諧回路，歸一化幅頻特性為：2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)22將源與負載都等效到LC回路兩端2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)23將上述等效電路中有關(guān)LC諧振回路的所有電容合并，所有電導(dǎo)合并，就得到下面的等效電路：合并同類元件以后的等效電路2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)24單調(diào)諧放大器的頻率特性2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)25諧振放大器的增益電壓增益功率增益1、考慮理想情況（匹配網(wǎng)絡(luò)無損耗）：2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)26當(dāng)輸出端阻抗共軛匹配時，在負載上將得到最大功率共軛匹配條件：所以，共軛匹配時得到的最大功率增益為稱之為額定功率增益代入2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)27額定功率增益與晶體管參數(shù)的關(guān)系當(dāng)工作頻率f>>fb時，晶體管參數(shù)中的極間電容影響增大，此時有額定功率增益與晶體管特征頻率fT成正比，與信號頻率平方f2成反比2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)28電壓增益代入阻抗匹配條件代入阻抗變換關(guān)系2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)29增益帶寬積諧振放大器的增益帶寬積在晶體管、諧振回路的參數(shù)確定之后是一個常數(shù)2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)30回路損耗的影響有損耗無損耗兩者比值注：考慮晶體管共射輸出回路時，is

就是ic，gs就是goe2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)31定義：插入損耗IL（insertionloss），表示諧振回路本身損耗引起的功率增益下降考慮插入損耗后，放大器的功率增益2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)32例2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)33解2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)342023/1/11高頻電路基礎(chǔ)352023/1/11高頻電路基礎(chǔ)36阻抗失配的影響阻抗匹配阻抗不匹配失配損耗2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)37幾個重要概念額定功率增益：放大器可能的最大功率增益，僅與晶體管有關(guān)實際功率增益：放大器實際可能達到的功率增益，與放大器兩端的匹配程度有關(guān)，還與選頻網(wǎng)絡(luò)的插入損耗有關(guān)放大器的頻率特性：在晶體管的頻響足夠的條件下，僅由選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率特性決定2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)38雙調(diào)諧放大器電路的頻率特性曲線由諧振回路確定在臨界耦合狀態(tài)有最大功率增益額定功率增益和諧振回路插入損耗的計算與單調(diào)諧放大器相同增益帶寬積為一個常數(shù)2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)39例同前例電路參數(shù)，調(diào)諧頻率f0=465kHz，BW=10kHz。其中晶體管參數(shù)為：gie=400mS、Cie=120pF、|yfe|=40mS、goe=60mS、Coe=2.5pF。高頻變壓器電感L=576mH、Q0=150，匝數(shù)n13=117匝。后級放大器與本級相同。若采用雙調(diào)諧回路且工作于臨界耦合狀態(tài)，試計算兩個諧振回路的抽頭匝數(shù)，以及電壓增益和增益帶寬積。2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)40臨界耦合:。Q值定義:所以后級放大器與本級相同假設(shè)兩個諧振回路對稱在前例中已經(jīng)解得g0=3.96mS，所以2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)41增益和增益帶寬積計算如下：2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)42多級調(diào)諧放大電路2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)43多級單調(diào)諧放大電路的帶寬2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)44結(jié)論：隨著

n

的增加，多級放大器的總帶寬逐漸減小，同時矩形系數(shù)也逐漸減小。但是當(dāng)

n>3以后，矩形系數(shù)的減小開始不明顯，所以一般的多級調(diào)諧放大器只用

2～3級。另一方面，若要維持電路的總帶寬不變，則要求每級的帶寬

BW

加大。但是由于每級的

GBP

是一個常數(shù)，所以這樣做的結(jié)果是每級的增益下降。對于采用雙調(diào)諧回路的多級諧振放大器，也有類似結(jié)論。2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)45多級單調(diào)諧回路放大器的帶寬、矩形系數(shù)與級數(shù)的關(guān)系多級臨界耦合雙調(diào)諧回路放大器的帶寬、矩形系數(shù)與級數(shù)的關(guān)系n12345BWS/BW10.640.510.430.39K0.19.954.663.743.383.19n12BWS/BW10.8K0.13.162.162023/1/11高頻電路基礎(chǔ)46其他形式的高頻小信號放大器晶體管放大器，但采用LC并聯(lián)諧振回路形式以外的選頻網(wǎng)絡(luò)，例如LC串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)、微帶線網(wǎng)絡(luò)、固體諧振器等。這種放大器的設(shè)計過程與前面討論的基本一致，只要考慮選頻網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配關(guān)系即可。集成放大器。這種放大器可分為專用與通用兩類，一般都采用寬帶放大電路，體積小，可靠性高，大量采用固體諧振器件，放大與選頻相對獨立，容易滿足各自的要求，幾乎無需調(diào)整，便于大批量生產(chǎn)。2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)47介紹幾種寬帶放大器MAR-8SM+

表面貼裝單片高頻放大器。電壓增益：32.5dB@100MHz，頻率特性：DC~1GHz，噪聲指數(shù)：3.3dB，1dB壓縮輸出電平：12.5dBm@1GHz，電源電壓：+7.8VAD8334

超低噪聲可變增益放大器。頻率DC~100MHz，電壓增益：－4.5dB~+55.5dB可控，噪聲電壓：0.74nV，噪聲電流：2.5pA，電源電壓：+5V，具有關(guān)斷模式MAX2611

低電壓、低噪聲高頻放大器。功率增益：18dB，頻率特性：DC~1100MHz，噪聲指數(shù)：3.5dB，電源電壓：+5V2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)48高頻放大器的穩(wěn)定性反饋項2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)49所以自激的條件：穩(wěn)定系數(shù)輸出可改寫為：通常要求穩(wěn)定系數(shù)4～102023/1/11高頻電路基礎(chǔ)50為了指導(dǎo)設(shè)計，通常將穩(wěn)定系數(shù)與晶體管參數(shù)相聯(lián)系在放大器的前后選頻網(wǎng)絡(luò)都是LC諧振回路條件下：具體推導(dǎo)過程見教材第二章2.59式~2.62式。2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)51功率增益與穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)52例已知單調(diào)諧放大器參數(shù)與前例題相同：w0=2p×465kHz、gie=400mS、Cie=120pF、gm=|yfe|=40mS、goe=60mS、Cm

≈Coe=2.5pF，并估計。電感參數(shù)為n13=117、n12=31、n45=12。以穩(wěn)定性設(shè)計重新計算增益，并與前例的設(shè)計結(jié)果進行比較。前面例題中得到的其他結(jié)果有：后級輸入電導(dǎo)諧振回路損耗電導(dǎo)2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)53前級放大器與本級阻抗匹配：gs=gie解：后級輸入電導(dǎo)與諧振回路損耗電導(dǎo)的等效：所以：若要求穩(wěn)定系數(shù)S＝5，則Gp

≈560=27.5dB

注意到前例的Gp

=39dB，S=1.33，顯然穩(wěn)定系數(shù)不夠

2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)54選用Cm小的晶體管——降低|

yre

|的值。降低放大器增益——降低|

yfe

|的值。采用共射-共基組合電路，共射電路的電壓增益近似于1，共基電路的內(nèi)反饋很小，使得組合后的電路總的內(nèi)反饋減小，穩(wěn)定性提高。早期還有一種中和法，在晶體管外部增加一個反饋電容，反饋信號的極性與晶體管內(nèi)的分布電容反饋的相反，形成信號的抵消，現(xiàn)在基本已經(jīng)不用。提高穩(wěn)定性的方法y參數(shù)的局限——在很高頻率下由于端口難以做到開路與短路，所以難以在很高頻率下測量S參數(shù)的特點——用傳輸線連接待測元件，參數(shù)本身已經(jīng)考慮了端口的阻抗匹配影響，容易測量，容易應(yīng)用S參數(shù)的定義晶體管的S參數(shù)2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)552023/1/11高頻電路基礎(chǔ)56S參數(shù)的意義輸出端阻抗匹配條件下，輸入端的反射系數(shù)由此參數(shù)可得到輸入阻抗輸入端阻抗匹配條件下，輸出端的反射系數(shù)

由此參數(shù)可得到輸出阻抗輸出端阻抗匹配條件下的正向電壓傳遞系數(shù)由此參數(shù)可得到正向功率增益輸入端阻抗匹配條件下的反向電壓傳遞系數(shù)由此參數(shù)可得到反向功率增益2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)57用S參數(shù)表示的晶體管放大器增益放大器功率增益——放大器輸出功率與輸入功率之比放大器額定功率增益——放大器輸入端與信號源阻抗匹配時，輸出功率與信號源額定輸出功率之比2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)58放大器變換功率增益——放大器輸出功率與信號源額定輸出功率之比單向化近似條件下的放大器變換功率增益2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)59用S參數(shù)表示的晶體管放大器穩(wěn)定性條件絕對穩(wěn)定條件：注意，絕對穩(wěn)定條件與給定的頻率范圍和偏置條件有關(guān)。2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)60高頻小信號放大器中的自動增益控制（AGC電路）目的：解決無線傳輸中由于信道衰落、溫度變化、接收環(huán)境變化等引起的輸出不穩(wěn)定問題手段：利用反饋控制原理，在電路中插入增益可變的放大器，隨著輸入信號的幅度大小自動調(diào)節(jié)增益，使輸出達到基本穩(wěn)定2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)61AGC電路的結(jié)構(gòu)2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)62AGC電路的主要性能指標動態(tài)范圍在給定輸出信號幅值變化范圍內(nèi)電路容許輸入信號振幅的變化范圍。設(shè)Do是電路限定的輸出動態(tài)范圍，Di是電路容許的輸入動態(tài)范圍，自動增益控制電路的動態(tài)范圍為Di/DoAGC電路的動態(tài)范圍取決于放大器的增益變化范圍2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)63起控閾值自動增益控制開始起作用時對應(yīng)的輸入電平輸入很小時，為了保證放大器的靈敏度，不希望自動增益控制起作用。只有當(dāng)輸入到達某個閾值后，AGC作用才開始，稱為延遲AGC一般用調(diào)節(jié)參考電壓的辦法來實現(xiàn)延遲AGC2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)64響應(yīng)時間輸入信號幅度發(fā)生突變時，輸出信號恢復(fù)到容許變化范圍之內(nèi)的時間。由于電路通過對可控增益放大器的增益控制來實現(xiàn)對輸出信號振幅變化的限制,而控制信號取決于輸入信號振幅的變化，所以整個反饋環(huán)路的帶寬決定了系統(tǒng)的響應(yīng)時間，其中的主要因素是低通濾波器的時間常數(shù)。響應(yīng)時間長度的要求取決于輸入信號的類型和特點，

根據(jù)響應(yīng)時間長短分別有慢速AGC和快速AGC之分。響應(yīng)時間長，系統(tǒng)反映遲鈍；響應(yīng)時間短，系統(tǒng)反映靈敏但容易出現(xiàn)反調(diào)制現(xiàn)象。2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)65AGC電路中各部分的原理與結(jié)構(gòu)電平檢測電路獲得輸出信號的振幅大小信息常用二極管檢波電路實現(xiàn)2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)66濾波器低通濾波器由于振幅控制僅要求對輸出信號振幅的緩慢變化（信道慢衰落、溫度變化、接收環(huán)境變化等引起）起作用，所以要求此低通濾波器的截止頻率很低，一般要求低于10Hz2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)67比較與控制信號形成電路獲得誤差信號，并將它放大到足夠的電平以及正確的極性，以控制可控增益電路有時直接在可控增益電路中實現(xiàn)上述功能有時在二極管兩端加上一定的負偏壓，使得輸出信號必須大于某個閾值后才能得到檢測信號，用以實現(xiàn)延遲AGC2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)68可控增益電路改變跨導(dǎo)進行控制改變負反饋強弱進行控制改變負載進行控制插入可變衰減器進行控制可變增益的集成放大電路2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)69改變跨導(dǎo)進行控制的電路一般通過改變工作點電流進行控制反向AGC正向AGC通過此電阻實現(xiàn)反向AGC2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)70改變負載進行控制的電路控制電壓（負向）超過控制閾值時，二極管導(dǎo)通使得放大器的交流負載電阻降低，從而降低增益此電路在降低增益的同時降低LC回路Q值，使得帶寬增加2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)71插入可變衰減器進行控制的電路利用二極管或場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻可以隨著工作點的改變而改變的特點，將它們與其他器件（一般是電阻）構(gòu)成分壓式衰減器，然后進行控制2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)72可變增益的集成電路放大器舉例AD603結(jié)構(gòu)框圖2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)73FEATURESLinear-in-dBgaincontrolPinprogrammablegainranges?11dBto+31dBwith90MHzbandwidth9dBto51dBwith9MHzbandwidth

Anyintermediaterange,forexample?1dBto+41dBwith30MHzbandwidthBandwidthindependentofvariablegain1.3nV/√Hzinputnoisespectraldensity±0.5dBtypicalgainaccuracyAPPLICATIONSRF/IFAGCamplifierVideogaincontrolA/DrangeextensionSignalmeasurement2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)74應(yīng)用電路LOWNOISEAGCAMPLIFIER2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)75高頻小信號放大器中的噪聲噪聲的來源外部噪聲宇宙噪聲、大氣噪聲等內(nèi)部噪聲粒子的熱運動、半導(dǎo)體器件內(nèi)載流子運動的不規(guī)則性等噪聲的隨機性由不可預(yù)測的窄脈沖構(gòu)成幅度、相位都具有隨機性具有極寬的頻譜2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)76噪聲的功率譜密度由于噪聲的隨機性，其總體性質(zhì)無法直接以電壓相加或電流相加得到噪聲功率可以疊加噪聲的平均功率噪聲的功率譜密度——W(f)，單位頻帶內(nèi)的噪聲功率2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)77噪聲的功率傳遞功率譜為Wi(f)的噪聲，通過傳遞函數(shù)為H(f)的線性時不變系統(tǒng)，輸出的噪聲功率譜為其中稱為系統(tǒng)的功率傳遞函數(shù)白噪聲的功率傳遞2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)78將整個頻率范圍內(nèi)的噪聲功率等效為一個高度為，寬度為Bn的矩形，則所以對于白噪聲噪聲的等效帶寬Bn噪聲功率2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)79如果系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(f)為歸一化函數(shù)H1(f)，則

例如，對于歸一化的二階傳遞函數(shù)

其系統(tǒng)噪聲帶寬為2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)80常見的噪聲及其模型熱噪聲導(dǎo)體中電子在絕對零度以上溫度的無規(guī)則運動白噪聲，具有極寬的頻譜電阻的電壓功率譜密度和電流功率譜密度：用電壓均方值或電流均方值表示的電阻噪聲功率：2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)81電阻熱噪聲的等效電路噪聲電壓源等效噪聲電流源等效多個電阻串聯(lián)——

噪聲電壓源疊加多個電阻并聯(lián)——

噪聲電流源疊加2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)82雙極型晶體管的噪聲在雙極型晶體管中，主要的噪聲有基區(qū)電阻rbb?

的熱噪聲，兩個PN結(jié)的散射噪聲，以及由于基極電流和集電極電流之間的分配漲落引起的分配噪聲。1/f噪聲一般在高頻電路中可忽略。基區(qū)電阻熱噪聲和PN結(jié)散射噪聲都是白噪聲，分配噪聲與a有關(guān)，，當(dāng)頻率升高時，a下降，所以在高頻區(qū)分配噪聲增大。2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)83綜合上述噪聲來源，可以用下圖描述晶體管的噪聲。其中基區(qū)電阻rbb?的熱噪聲用基極串聯(lián)的噪聲電壓源等效，而散射噪聲和分配噪聲用并聯(lián)的噪聲電流源等效。由于二極管只有一個PN結(jié)，其噪聲主要是散射噪聲。2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)84場效應(yīng)晶體管的噪聲場效應(yīng)管的噪聲主要是溝道電阻熱噪聲，，l與溝道長度有關(guān)，短溝道l=2~3，長溝道l=2/3另外，場效應(yīng)管的溝道噪聲通過柵-源電容和柵-漏電容被感應(yīng)到柵極然后放大，稱為柵極感應(yīng)噪聲。此噪聲隨頻率升高而增大與雙極型晶體管一樣，1/f

噪聲通?？珊雎院雎愿袘?yīng)噪聲后的場效應(yīng)管噪聲模型如右圖所示2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)85接收天線的噪聲來源：周圍介質(zhì)輻射，宇宙輻射影響因素：周圍介質(zhì)溫度、天線指向、頻率表示方法：天線有效噪聲溫度TA其中RA為天線的輻射電阻2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)86噪聲系數(shù)信噪比噪聲系數(shù)其中PS為信號功率，PN為噪聲功率即輸入端信噪比與輸出端信噪比之比需要注意：1、此輸入端信噪比是進入網(wǎng)絡(luò)的信號與噪聲（信號源的噪聲）之比，不包含網(wǎng)絡(luò)本身的噪聲2、噪聲系數(shù)一般只適用于線性網(wǎng)絡(luò)2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)87對于一個線性網(wǎng)絡(luò)，它對于各種信號同等放大。若此線性網(wǎng)絡(luò)的功率增益為GP，則其輸出的信號功率和噪聲功率分別為其中Pni是信號源的噪聲功率，Pni(net)

是系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲折合到系統(tǒng)輸入端的功率，所以噪聲系數(shù)＝—————————————————————————網(wǎng)絡(luò)外部輸入的噪聲功率＋網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部增加的噪聲功率網(wǎng)絡(luò)外部輸入的噪聲功率測量一個具體網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)指標時必須規(guī)定輸入噪聲功率大小。2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)88考慮一個放大器，要使它具有最高增益，放大器的輸入電阻ri應(yīng)該等于信號源內(nèi)阻rs。此時信號源輸出的額定信號功率（即放大器的額定輸入信號功率）為信號源的額定噪聲功率與信號源內(nèi)阻無關(guān)信號源輸出的噪聲功率（輸入放大器的額定噪聲功率）為信號源的額定輸出功率隨信號源內(nèi)阻減小而增加2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)89通常規(guī)定在標準噪聲溫度T0=290K以及輸入端阻抗匹配條件下測量一個放大器的噪聲系數(shù)指標，此時輸入的噪聲功率為其中，Bn是該放大器的等效噪聲帶寬

所以：

其中Pni(amp)是放大器內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲在其輸入端的折合值2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)90例

已知放大器的功率增益Gp=20dB，噪聲系數(shù)NF=3dB，噪聲帶寬Bn=200kHz；若輸入信號功率Psi=?100dBm，輸入噪聲功率Pni=?115dBm，試求輸出信號功率以及輸入信噪比、輸出信噪比。解輸出信號功率：輸入信噪比：輸出信噪比：2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)91因為所以放大器輸出端的噪聲功率為

即所以2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)92等效噪聲溫度噪聲的另一種表示方法，是將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲等效為信號源內(nèi)阻的溫度的升高稱Te

為此網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)93顯然其中T0

為室溫，通常采用290K使用噪聲溫度的好處是在低噪聲系數(shù)時比較容易分辨例如，噪聲系數(shù)1.07和1.10，其噪聲溫度分別為20K和30K2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)94多級放大器的噪聲系數(shù)多級放大器的噪聲系數(shù)主要決定于第一級2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)95有噪網(wǎng)絡(luò)與一個內(nèi)阻為rs的信號源連接時，信號源的噪聲噪聲匹配：輸入端短路時有噪網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率等效到輸入端：輸入端開路時有噪網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率等效到輸入端2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)96網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲功率為噪聲系數(shù)網(wǎng)絡(luò)外部噪聲功率，即信號源噪聲為令d(NF)/d(rs)=0，得到NF極小值的條件，即噪聲匹配條件2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)97在實際情況下，源內(nèi)阻通常不等于噪聲匹配的內(nèi)阻。信號源與網(wǎng)絡(luò)之間存在兩種匹配：一種是按照最大傳輸功率的功率匹配，即源內(nèi)阻與網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗之間共軛匹配；另一種是按照噪聲系數(shù)最小的噪聲匹配。具體采用何種匹配以電路的要求確定。在噪聲匹配條件下，系統(tǒng)可以達到最小噪聲系數(shù)為2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)98噪聲系數(shù)與噪聲匹配的關(guān)系2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)99由于晶體管的等效輸入噪聲既有電壓噪聲，又有電流噪聲，所以存在一個噪聲匹配的源內(nèi)阻。雙極型晶體管的最佳源阻抗和最小噪聲系數(shù)為場效應(yīng)管的最佳源阻抗和最小噪聲系數(shù)為晶體管的噪聲匹配2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)100例2N3904的噪聲系數(shù)與信號源內(nèi)阻的關(guān)系2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)101降低噪聲的措施選用低噪聲元件通常場效應(yīng)管的內(nèi)部噪聲小于雙極型晶體管金屬膜電阻的噪聲小于碳膜、合成膜電阻工作點選擇與噪聲匹配減小噪聲帶寬減小饋線長度降低前端溫度2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)102噪聲系數(shù)與接收靈敏度的關(guān)系靈敏度的定義：接收機輸出端的信噪比(S/N)o保持為一定值時，接收機輸入的最小功率（假定接收機具有足夠大的增益）當(dāng)(S/N)o

等于正常接收所需的值時，對應(yīng)的靈敏度稱實際靈敏度；當(dāng)(S/N)o

=1時，對應(yīng)的靈敏度稱臨界靈敏度靈敏度2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)103例某接收機的總噪聲系數(shù)為6dB，Bn=1MHz，求在標準噪聲溫度條件下該接收機的臨界靈敏度。用dBm表示，為代入題目中的條件解：在標準噪聲溫度條件下2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)104顯然，若正常接收時輸出端的信噪比大于0dB，則相應(yīng)的實際靈敏度變差例：若上例中，正常接收時輸出端的信噪比需要13dB(20)，則實際靈敏度為若已知匹配電阻，則可換算出靈敏度對應(yīng)的信號電勢例：若上例中的匹配電阻為75W，則臨界靈敏度對應(yīng)的信號電勢為2023/1/11高頻電路基礎(chǔ)105放大器中的非線性影響由于晶體管的非線性影響，放大器的輸出電流分量中包含高階分量，這些高階分量中包含頻率等于基波的成分由于調(diào)諧回路的選頻作用，高次諧波被濾除，但是等于基