高頻電子線路（第4版）課件 第3、4章 噪聲與干擾、高頻功率放大器與功率合成技術(shù)

噪聲與干擾電子信息科學與電氣信息類基礎(chǔ)課程高頻電子線路(第4版)第三章01概述目前電子設(shè)備的性能在很大程度上與干擾和噪聲有關(guān)。例如，接收機的理論靈敏度可以非常高，但是考慮了噪聲以后，實際靈敏度就不可能做得很高。而在通信系統(tǒng)中，提高接收機的靈敏度比增加發(fā)射機的功率更為有效。在其他電子儀器中，它們的準確性、靈敏度等也與噪聲有很大的關(guān)系。另外，由于各種外部干擾的存在，大大影響了接收機的工作。因此，研究各種干擾與噪聲的特性以及降低干擾和噪聲的方法，是十分必要的。概述干擾與噪聲的分類如下:干擾一般指外部干擾，可分為自然的和人為的干擾。自然干擾有天電干擾、宇宙干擾和大地干擾等。人為干擾主要有工業(yè)干擾和無線電器的干擾。噪聲一般指內(nèi)部噪聲，也可以分為自然的和人為的噪聲。自然噪聲有熱噪聲、散粒噪聲和閃爍噪聲等。人為噪聲有交流噪聲、感應(yīng)噪聲、接觸不良噪聲等。本章主要討論自然噪聲，對工業(yè)干擾和天電干擾只做簡略的說明。關(guān)于電器的干擾，因主要由晶體管的非線性特性引起，所以放在第6章頻譜變換電路中討論。概述02噪聲的來源和特點噪聲的來源和特點理論上說，任何電子線路都有電子噪聲，但是因為通常電子噪聲的強度很弱，因此它的影響主要體現(xiàn)在有用信號比較弱的場合，比如，在接收機的前級電路(高放、混頻)中，或在多級高增益的音頻放大、視頻放大器中就要考慮電子噪聲對它們的影響。在設(shè)計某些設(shè)備或電子系統(tǒng)中，也要老慮電子噪聲對設(shè)備或系統(tǒng)的影響。在電子線路中，噪聲來源主要有兩方面:電阻熱噪聲和半導體管噪聲，兩者有許多相同的特性。噪聲的來源和特點電阻的熱噪聲電阻由導體等材料組成，導體內(nèi)的自由電子在一定的溫度下總是處于“無規(guī)則”的熱運動狀態(tài)，這種熱運動的方向和速度都是隨機的。根據(jù)長時間觀察，這些電流的總和為零，但在某一瞬時電流在某一方向有定數(shù)值。由于瞬時電流的幅值及相位均是隨機的，便在電阻的兩端產(chǎn)生如圖3.2.1所示的起伏噪聲電壓。噪聲的來源和特點電阻的熱噪聲1.電阻熱噪聲的特點及計算實驗和理論分析證明:電阻熱噪聲作為一種起伏噪聲，具有極寬的頻譜，從零頻一直延伸到10^13Hz以上的頻率，而且它的各個頻率分量的強度是相等的。這種頻譜與白色光的光譜類似，因此將它定義為白噪聲，電阻的熱噪聲就是一種白噪聲。衡量起伏噪聲的強度通常用噪聲電壓均方值表示，可寫為頻帶越寬，溫度越高，阻值越大，噪聲電壓就越大。噪聲的來源和特點2.電阻的噪聲等效電路一個實際的電阻在電路中的作用，可以用一個理想的(不產(chǎn)生噪聲)電阻R和一個均方值為

的噪聲電壓源相串聯(lián)的電路來等效，如圖3.22(a)所示。也可用一個理想電阻R和一個噪聲電流源

相并聯(lián)的電路來表示如圖3.2.2(b)所示。在等效聲帶寬Bn內(nèi)，電阻R(或電導g=1/R)產(chǎn)生的噪聲電流均方值為。電阻的熱噪聲噪聲的來源和特點晶體二極管工作狀態(tài)可分為正偏和反偏兩種，正偏使用時，主要是直流通過PN結(jié)時產(chǎn)生散粒噪聲。半導體材料的體電阻產(chǎn)生熱噪聲可忽略不計。反偏使用時，因反向飽和電流很小，故其產(chǎn)生的散粒噪聲也小，如果達到反向擊穿(如穩(wěn)壓管)，又分兩種情況:齊納擊穿二極管主要是散粒噪聲，個別的有1/f噪聲(閃爍噪聲)。電阻的熱噪聲噪聲的來源和特點雪崩擊穿二極管的噪聲較大，除有散粒噪聲外，還有多態(tài)噪聲，即其噪聲電壓在兩個或兩個以上不同電平上進行隨機轉(zhuǎn)換。不同電平可能相差若千個毫伏。這種多電平工作是由于結(jié)片內(nèi)雜質(zhì)缺陷和結(jié)寬的變化所引起的。硅二極管工作電壓在4V以下是齊納二極管，7V以上的是雪崩二極管，4~7V之間兩種二極管都有。為了低噪聲使用，最好選用低壓齊納二極管。電阻的熱噪聲噪聲的來源和特點晶體三極管的噪聲是設(shè)備內(nèi)部固有噪聲的另一個重要來源。一般來說，在一個放大電路中，晶體三極管的噪聲往往比電阻熱噪聲強得多。在晶體三極管中，除了熱聲(如基極電阻會產(chǎn)生熱噪聲)外，還有以下幾種噪聲來源。1.散彈(粒)噪聲大量載流子流過PN結(jié)時的平均值(單位時間內(nèi)平均)決定了它的直流電流，因此真實的結(jié)電流是圍繞1起伏的。這種由于載流子隨機起伏流動產(chǎn)生的噪聲稱為散彈噪聲，或散粒噪聲。晶體三極管的噪聲噪聲的來源和特點因為散彈噪聲和電阻熱噪聲都是白噪聲，前面關(guān)于熱噪聲通過線性系統(tǒng)的分析對散彈噪聲也完全適用。這包括均方疊加的法則，通過四端網(wǎng)絡(luò)的計算以及等效噪聲帶寬等。晶體管中有發(fā)射結(jié)和集電結(jié)，因為發(fā)射結(jié)工作于正偏，結(jié)電流大;而集電結(jié)工作于反偏，除了基極來的傳輸電流外，只有反向飽和電流(它也產(chǎn)生散彈噪聲)。因此發(fā)射結(jié)的散彈噪聲起主要作用而集電結(jié)的噪聲可以忽略。晶體三極管的噪聲噪聲的來源和特點2.分配噪聲由于基極中載流子的復合也具有隨機性，即單位時間內(nèi)復合的載流子數(shù)目是起伏變化的，晶體管的電流放大系數(shù)只是反映平均意義上的分配比這種因分配比。起伏變化而產(chǎn)生的集電極電流、基極電流起伏噪聲，稱為晶體管的分配噪聲分配噪聲本質(zhì)上也是白噪聲，但由于渡越時間的影響，當三極管的工作頻率高到一定值后，這類噪聲的功率譜密度將隨頻率的增加而迅速增大。晶體三極管的噪聲噪聲的來源和特點3.閃爍噪聲由于半導體材料及制造工藝水平造成表面清潔處理不好而引起的噪聲稱為閃爍噪聲。它與半導體表面少數(shù)載流子的復合有關(guān)，表現(xiàn)為發(fā)射極電流的起伏，其電流噪聲譜密度與頻率近似成反比，又稱1/f噪聲。因此，它主要在低頻(如幾千赫茲以下)范圍起主要作用這種噪聲也存在于其他電子器件中，某些實際電阻器就有這種噪聲。晶體管在高頻應(yīng)用時，除非考慮它的調(diào)幅、調(diào)相作用，這種噪聲的影響也可以忽略。晶體三極管的噪聲噪聲的來源和特點在場效應(yīng)管中，由于其工作原理不是靠載流子的擴散運動，因而散彈噪聲的影響很小。場效應(yīng)管的噪聲有以下幾個方面的來源:溝道電阻產(chǎn)生的熱噪聲，溝道熱噪聲通過溝道和柵極電容的精合作用在柵極上的感應(yīng)噪聲，閃爍噪聲。場效應(yīng)管噪聲接收天線端口呈現(xiàn)噪聲有兩個來源:第一是歐姆電阻產(chǎn)生的噪聲(通?？梢院雎?;第二是接收外來噪聲能量，其一是接收周圍介質(zhì)輻射的噪聲能量，其二是宇宙輻射干擾也會被天線接收。接收天線噪聲噪聲的來源和特點天線噪聲是與其周圍的介質(zhì)溫度、天線的指向(利用太陽光輻射產(chǎn)生的噪聲可以測出天線的波瓣圖)及頻率有關(guān)的物理量。為了工程的方便，統(tǒng)一規(guī)定用天線的輻射電阻Ra(是計算天線輻射功率大小的一個重要參量，不是天線的歐姆電阻)在溫度Ta產(chǎn)生熱噪聲來表示天線的噪聲性能。Ta稱為天線的等效噪聲溫度。除此之外，還有來自太陽、銀河系及月球的無線電輻射的宇宙噪聲，這種噪聲在空間的分布是不均勻的，且與時間(晝夜)和頻率有關(guān)。接收天線噪聲03噪聲系數(shù)計算方法噪聲系數(shù)計算方法研究噪聲的目的在于如何減小它對信號的影響。因此，離開信號談噪聲是無意義的。從噪聲對信號影響的效果看，不在于噪聲電平絕對值的大小，而在于信號功率與噪聲功率的相對值，即信噪比，記為S/N(信號功率與噪聲功率之比)。即便噪聲電平絕對值很高，但只要信噪比達到一定要求，噪聲影響就可以忽略。否則即便噪聲絕對電平低，由于信號電平更低，即信噪比低于1，則信號仍然會淹沒在噪聲中而無法辨別。因此信噪比是描述信號抗噪聲質(zhì)量的一個物理量。噪聲系數(shù)計算方法噪聲系數(shù)的定義要描述放大系統(tǒng)的固有噪聲的大小，就要用噪聲系數(shù)，其定義為研究放大系統(tǒng)噪聲系數(shù)的等效圖如圖3.3.1所示。噪聲系數(shù)通常只適用于線性放大器，因非線性電路會產(chǎn)生信號和噪聲的頻率變換，噪聲系數(shù)不能反映系統(tǒng)的附加的噪聲性能。由于線性放大器的功率增益噪聲系數(shù)計算方法信噪比與負載的關(guān)系信號源與任何負載相接并不影響其輸入端信噪比，即無論負載為何值，其信噪比都不變，其值為負載開路時的信號電壓平方與噪聲電壓均方值之比。用額定功率和額定功率增益表示的噪聲系數(shù)放大器輸入信號源電路如圖3.3.2所示。任何信號源加上負載后，其信噪比與負載大小無關(guān)信噪比均為信號均方電壓(或電流)與噪聲均方電壓(或電流)之比。噪聲系數(shù)計算方法已知各級的噪聲系數(shù)和各級功率增益，求多級放大器的總噪聲系數(shù)，如圖3.3.3所示。多級放大器噪聲系數(shù)的計算噪聲系數(shù)計算方法在某些通信設(shè)備中，用等效噪聲溫度Te表示更方便更直接。熱噪聲功率與熱力學溫度成正比，所以可以用等效噪聲溫度來代表設(shè)備噪聲大小。噪聲溫度可定義為:把放大器本身產(chǎn)生的熱噪聲折算到放大器輸人端時，使噪聲源電阻所升高的溫度，稱為等效噪聲溫度Te。設(shè)放大器的噪聲系數(shù)為Nf，噪聲源的溫度為To，則折算到放大器輸入端的噪聲功率為。等效噪聲溫度噪聲系數(shù)計算方法如圖3.3.4所示，在共基極放大器噪聲中求得各聲源在放大器輸出端所產(chǎn)生的噪聲電壓均方值總和，然后根據(jù)噪聲系數(shù)的定義，可得到放大器的噪聲系數(shù)的計算公式。晶體管放大器的噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)計算方法噪聲系數(shù)是用來衡量部件(如放大器和系統(tǒng)(如接收機)噪聲性能的。而噪聲性能的好壞，又決定了輸出端的信號噪聲功率比(當信號一定時)。同時，當要求一定的輸出信噪比時，它又決定了輸入端必需的信號功率，也就是說決定放大或接收微弱信號的能力。對于接收機來說，接收微弱信號的能力，可以用一重要指標————靈敏度來衡量。所謂靈敏度就是保持接收機輸出端信噪比一定時，接收機輸入的最小電壓或功率(設(shè)接收機有足夠的增益)。噪聲系數(shù)與靈敏度噪聲系數(shù)計算方法1.用噪聲信號源的測量方法圖3.3.5是一測量系統(tǒng)的構(gòu)成噪聲信號源在測量的頻率內(nèi)產(chǎn)生白噪聲。2.無噪聲源的測量方法噪聲系數(shù)的測量04降低噪聲系數(shù)的措施降低噪聲系數(shù)的措施根據(jù)上面所討論的結(jié)果，下面我們介紹幾種經(jīng)常采用的減小噪聲系數(shù)的措施。1.選用低噪聲器件和元件；2.正確選擇晶體管放大器的直流工作點；3.選擇合適的信號源內(nèi)阻；4.選擇合適的工作帶寬；5.選用合適的放大電路；6.熱噪聲；7.適當減少接收天線的饋線長度。噪聲系數(shù)的測量05工業(yè)干擾與天電干擾工業(yè)干擾與天電干擾1.工業(yè)干擾工業(yè)干擾是由各種電氣裝置中產(chǎn)生的電流(或電壓)急劇變化所形成的電磁輻射，并作用在接收機天線上所產(chǎn)生的。例如，電動機、電焊機、高頻電氣裝置、電療機、X光機、電氣開關(guān)等，它們在工作過程中，或者由于產(chǎn)生火花放電而伴隨電磁波輻射，或者本身就存在電磁波輻射。工業(yè)干擾的強弱取決于產(chǎn)生干擾的電氣設(shè)備的多少、性質(zhì)及分布情況。當這些干擾源離接收機很近時，產(chǎn)生的干擾是很難消除的。工業(yè)干擾與天電干擾工業(yè)干擾傳播的途徑，除直接輻射外，更主要的是沿電力線傳輸，并通過交流接收機的電源直接進入接收機。也可能通過天線與有于擾的電力線之間的分布電容耦合而進入接收機。這也是常見的干擾途徑，如圖3.5.1所示。工業(yè)干擾沿電力線傳播比它在相同距離的直接輻射強度大得多。在城市中，工業(yè)干擾顯然比農(nóng)村嚴重得多;電氣設(shè)備越多的大城市，情況越嚴重。從工業(yè)干擾的性質(zhì)來看，大都屬于脈沖干擾。通常脈沖干擾可看成一個突然上升后又按指數(shù)規(guī)律下降的尖脈沖，如圖3.52所示。工業(yè)干擾與天電干擾工業(yè)干擾與天電干擾2.天電干擾自然界的雷電現(xiàn)象是天電干擾的主要來源，除此以外，帶電的雨雪和灰塵的運動，以及它們對天線的沖擊都可能引起天電干擾。一般在地面接收時主要的天電干擾是雷電放電所引起的。地球上平均每秒鐘發(fā)生100次左右的空中閃電，而每次雷電都產(chǎn)生強烈的電磁場騷動，并向四面八方傳播到很遠的地方。因此，即使距離雷電幾十千米以外，在看不到雷電現(xiàn)象的情況下，干擾都可能很嚴重。工業(yè)干擾與天電干擾天電干擾場的大小，與地理位置(例如，發(fā)生雷電較多的赤道、熱帶、高山等地區(qū)，天電干擾電平較高)、季節(jié)(例如，天電干擾電平，夏季比冬季高、夜間比白天高)等有關(guān)。天電干擾同工業(yè)干擾一樣，屬于脈沖干擾性質(zhì)。綜上所述脈沖干擾振幅隨頻率的升高而減小因此，頻率升高時，天電干擾的電平降低。此外，在較窄的頻帶內(nèi)，通過的天電干擾能量小，所以干擾強度隨頻帶變窄而減弱?？朔祀姼蓴_是困難的，因為不可能在產(chǎn)生干擾的地方進行抑制。因此只能在接收機等設(shè)備上采取一些措施，如電源線加接濾波電路，采用窄頻帶，加接抗脈沖干擾電路等?；蛟诶纂姷募竟?jié)采用高的頻率進行通信。謝謝觀看高頻電子線路(第4版)電子信息科學與電氣信息類基礎(chǔ)課程高頻功率放大器與功率合成技術(shù)電子信息科學與電氣信息類基礎(chǔ)課程高頻電子線路（第4版）第四章01概述內(nèi)容提要高頻功率放大器是各種無線電發(fā)射機的主要組成部分,在高頻電子線路中占有重要地位由于其激勵信號大,它的分析方法、指標要求、工作狀態(tài)等方面都不同于高頻小信號選頻放大器。本章首先介紹諧振功率放大器的組成,工作原理及分析方法,討論乙類、丙類、丁類功率放大器;然后介紹寬頻帶功率放大器;介紹功率合成器及集成功率放大器的原理和應(yīng)用。概述我們已經(jīng)知道,在低頻放大電路中為了獲得足夠大的低頻輸出功率，必須采用低頻功率放大器。同樣,在高頻范圍，為了獲得足夠大的高頻輸出功率,也必須采用高頻功率放大器。例如，緒論中所示發(fā)射機方框圖中的高頻部分，由于在發(fā)射機里的振蕩器所產(chǎn)生的高頻振蕩功率很小，因此在它后面要經(jīng)過一系列的放大一一緩沖級、中間放大級、末級功率放大級,獲得足夠的高頻功率后,才能債送到天線上輻射出去。這里所提到的放大級都屬于高頻功率放大器的范疇。由此可見，高頻功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分。概述02諧振功率放大器分析在工程上，對于工作頻率不是很高的諧振功率放大器的分析與計算，通常采用準線性的折線分析法。準線性放大是指僅考慮集電極輸出電流中的基波分量在負載兩端產(chǎn)生輸出電壓的放大作用所謂折線法，是指用幾條直線來代替晶體管的實際特性曲線，然后用簡單的數(shù)學解析式寫出它們的表示式。將器件的參數(shù)代人表達式中,就可進行電路的計算。折線法在分析諧振功率放大器工作狀態(tài)時,物理概念清楚,方法簡便，但其準確度比較差,不過作為工程近似估算則可滿足要求。準線性折線分析法的條件如下。諧振功率放大器的工作原理諧振功率放大器的工作原理可以按照晶體管在信號激勵下一周期是否進入晶體管特性曲線的飽和區(qū)來劃分諧振功率放大器的工作狀態(tài)。分析諧振功率放大器的工作狀態(tài)的性能。諧振功率放大器的工作狀態(tài)分析從式中可以看出，諧振功率放大器的動態(tài)電阻R.與導通角有關(guān),也與諧振電阻R有關(guān)。諧振功率放大器的工作狀態(tài)分析不同的Rp有不同的動態(tài)線的斜率，因此,放大器的工作狀態(tài)將隨著Rp的不同而變化，圖4.2.7做出了不同Rp時的三條負載線（對應(yīng)三種工作狀態(tài)）及相應(yīng)的集電極脈沖波形振功率放大器的三種工作狀態(tài):欠壓狀態(tài)、臨界狀態(tài)、過壓狀態(tài)，對應(yīng)的動態(tài)線分別為A1Q.A2Q,A3Q。諧振功率放大器的工作狀態(tài)分析03諧振功率放大器電路組成欲使高頻功率放大器正常工作,各電極必須有相應(yīng)的饋電電源直流電源加到各電極上的線路叫做饋電線路。無論是集電極電路，還是基極電路它們的饋電方式都可分為串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種基本形式。無論是哪一種饋電方式,都是按照一定的原則組成的，這些原則取決于放大器的工作原理。直流饋電線路對于集電極電路,其電流是脈沖狀,包含各種頻率成分,集電極饋電線路應(yīng)滿足下列要求：1.直流能量應(yīng)有效地加到品體管的集電極和發(fā)射極之間，而不應(yīng)再有其他損耗直流能量的元件。集電極饋電線路直流饋電線路2.高頻基波分量應(yīng)有效地流過負載回路，以產(chǎn)生所需的高頻輸出功率除了回路以外應(yīng)盡可能小地損耗基波分量的能量。3.除倍頻器外，應(yīng)有效地消除高頻諧波輸送到負載上的諧波功率應(yīng)盡可能小4.直流電源及饋電元件的接人應(yīng)盡可能減小分布參數(shù)的影響。集電極饋電線路直流饋電線路圖4.3.2是基極饋電線路的兩種形式。直流饋電線路LC匹配網(wǎng)絡(luò)圖4.3.4是幾種常用的LC匹配網(wǎng)絡(luò)。它們是由兩種不同性質(zhì)的電抗元件構(gòu)成的L形T形和π形的雙端口網(wǎng)絡(luò)。由于LC元件消耗功率很小,可以高效地傳輸功率;同時，由于它們對頻率的選擇作用，決定了這種電路的窄帶性質(zhì)。下面說明它們的阻抗變換作用。輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)LC匹配網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)圖4.3.7是一短波發(fā)射機的輸出放大器。它采用感合回路做輸出回路，多波段工作。由以上分析可知，改變互感M,可以完成阻抗匹配功能。輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)圖4.3.11是工作頻率為50MHz的諧振功率放大電路,它向500外接負提供25W的功率功率增量達到7dB這個放大電路的基極饋電電路和輸入匹配網(wǎng)絡(luò)與圖4.3.10所示的電路相同。諧振功率放大器的實用電路實例諧振功率放大器的實用電路實例04丁類(D類)功率放大器

圖4.4.1是電流開關(guān)型D類放大器的原理線路和波形圖，路通過高頻變器Tr1使品體管VT1，VT2獲得反相的方波激勵電壓。電流開關(guān)型D類放大器圖4.4.2為一互補電壓開關(guān)型D類功放的線路及電流電壓波形。兩個同型(NPN)管串聯(lián)集電極加有恒定的直流電壓Voc。電壓開關(guān)型D類放大器05寬帶高頻功率放大電路

傳送線變壓器寬帶高頻功率放大電路采用非調(diào)諧寬帶網(wǎng)絡(luò)作為匹配網(wǎng)絡(luò)，能在很寬的頻率范圍內(nèi)獲得線性放大。常用的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)是傳輸變壓器,它可以使功放的最高頻率擴展到幾百兆赫茲甚至上千兆赫茲，并能同時覆蓋幾個倍頻程的頻帶寬度。由于無選頻濾波性能,故寬帶高頻功放只能工作在非線性失真較小的甲類狀態(tài),效率較低。所以，寬帶高頻功放是以犧性效率來換取工作頻帶的加寬的。06功率合成器

在高頻功率放大器中，當需要的輸出功率超過單個電子器件所能輸出的功率時,可以將幾個電子器件的輸出功率疊加起來，以獲得足夠大的輸出功率。這就是功率合成技術(shù)。討論功率合成器原理之前，為了對功率合成器先有一個整體概念,我們舉一個實際方框圖示例如圖4.6.1所示。這是一個輸出功率為35W的功率合成器方框圖示例圖中每一個三角形代表一級功率放大器,每個菱形則代表功率分配或合成網(wǎng)絡(luò)。功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足的條件利用1:4傳輸線變壓器組成的功率合成或分配網(wǎng)絡(luò)的基本電路如圖4.6.2(a)所示為了分析方便，也可以將它改畫成如圖4.6.2(b)所示的等效電路在分析時，應(yīng)注意以下兩點：1.根據(jù)傳輸線的原理，它的兩個線中對應(yīng)點所通過的電流必定是大小相等、方向相反的;2.在滿足匹配條件，并略去傳輸線上的損耗時,變壓器輸人端與輸出端電壓的振