高頻電子線路（第五版）課件：通信信號(hào)的接收

第三章通信信號(hào)的接收3.1概述3.2小信號(hào)諧振放大器3.3-集中選頻放大器3.4放大器的噪聲3.5實(shí)訓(xùn):高頻小信號(hào)諧振放大器的仿真與性能分析

3.1概述

1.諧振增益

放大器的諧振增益是指放大器在諧振頻率上的電壓增益,記為Au0,其值可用分貝(dB)表示。放大器的增益具有與諧振回路相似的諧振特性,如圖3.1所示。

圖3.1諧振放大器的幅頻特性曲線

3.選擇性

選擇性是指諧振放大器從輸入信號(hào)中選出有用信號(hào)成分并加以放大,而將無(wú)用的干擾信號(hào)加以有效抑制的能力。為了準(zhǔn)確地衡量小信號(hào)諧振放大器的選擇性,通常選用“抑制比”和“矩形系數(shù)”兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)。

1)抑制比

抑制比可定義為:諧振增益

Au0與通頻帶以外某一特定頻率上的電壓增益

Au

的比,用d(dB)表示,記為

2)矩形系數(shù)

假設(shè)諧振放大器是理想放大器,其特性曲線是圖3.1中所示的理想矩形。該圖表明在通頻帶內(nèi)放大器的電壓增益保持不變,而在通頻帶外電壓增益為零。若干擾信號(hào)頻率在放大器的頻帶之外,那么,它將被全部抑制。實(shí)際諧振放大器的特性曲線是圖3.1中所示的鐘形曲線。為了評(píng)價(jià)實(shí)際放大器的諧振曲線與理想曲線的接近程度,引入矩形系數(shù),定義為

4.噪聲系數(shù)

放大器的噪聲系數(shù)是指輸入端的信噪比Pi/Pni與輸出端的信噪比Po/Pno兩者的比值,即

或

式中,Pi

為放大器輸入端的信號(hào)功率;Pni為放大器輸入端的噪聲功率;Po

為放大器輸出端的信號(hào)功率;Pno為放大器輸出端的噪聲功率。

若放大器是一個(gè)理想的無(wú)噪聲線性網(wǎng)絡(luò),那么,噪聲系數(shù)

3.2小信號(hào)諧振放大器

3.2.1單級(jí)單調(diào)諧放大器單調(diào)諧放大器是由單調(diào)諧回路作為交流負(fù)載的放大器。圖3.2所示為一個(gè)共發(fā)射極單調(diào)諧放大器。它是接收機(jī)中一種典型的高頻放大器電路。圖3.2共射單調(diào)諧放大器

當(dāng)直流工作點(diǎn)選定以后,圖3.2可以簡(jiǎn)化成只包括高頻通路的等效電路,如圖3.3所示。由圖3.3-可以看出,電路分為三部分:晶體管本身、輸入電路和輸出電路。圖3.3-交流通路

1.LC并聯(lián)諧振回路

信號(hào)源與電感線圈和電容器并聯(lián)組成的電路,叫做LC并聯(lián)回路,如圖3.4所示。圖中與電感線圈L串聯(lián)的電阻R

代表線圈的損耗,電容C

的損耗不考慮。?Is

為信號(hào)電流源。為了分析方便,在分析電路時(shí)也暫時(shí)不考慮信號(hào)源內(nèi)阻的影響。

1)并聯(lián)諧振回路阻抗的頻率特性

如圖3.4所示,其阻抗表達(dá)式為圖3.4LC并聯(lián)回路

當(dāng)回路諧振時(shí),即ω=ω0

時(shí),ω0L-1/(ω0C)=0。并聯(lián)諧振回路的阻抗為一純電阻,數(shù)值可達(dá)到最大值|Z|=RP=L/CR,RP

稱為諧振電阻,阻抗相角為φ=0。從圖3.5可以看出,并聯(lián)諧振回路在諧振點(diǎn)頻率ω0

時(shí),相當(dāng)于一個(gè)純電阻電路。圖3.5并聯(lián)諧振回路的特性曲線

當(dāng)回路的角頻率ω＜ω0

時(shí),并聯(lián)回路總阻抗呈電容性。

利用導(dǎo)納分析并聯(lián)諧振回路及等效電路是比較方便的,為此引入并聯(lián)諧振回路的導(dǎo)納Y。由(3-2)式得

圖3.6就是由式(3-5)得出的。式(3-5)是我們常用的并聯(lián)振蕩回路的表達(dá)形式。圖3.6并聯(lián)振蕩回路

2)并聯(lián)諧振回路端電壓頻率特性

諧振回路兩端的電壓為

當(dāng)諧振回路諧振時(shí)

由此可見(jiàn),在信號(hào)源電流Is

一定的情況下,并聯(lián)回路端電壓UAB的頻率特性與阻抗頻率特性相似,如圖3.7所示。圖3.7電壓-頻率特性曲線

3)并聯(lián)諧振回路諧振頻率

在實(shí)際應(yīng)用中,并聯(lián)諧振回路頻率可以由式(3-2)近似求出

并聯(lián)回路準(zhǔn)確的諧振角頻率可以從式(3-1)求出:

由于我們不研究低Q

并聯(lián)回路,因此這個(gè)公式很少使用。Q

值較高時(shí),式(3-10)近似與式(3-9)一致,因此只要記住式(3-9)就可以了。

而圖3.6中,并聯(lián)諧振回路的諧振電阻可以用Q0

表示為

上式說(shuō)明并聯(lián)諧振回路在諧振時(shí),諧振電阻等于感抗或容抗的Q0倍。

5)諧振曲線、通頻帶及選擇性

將式(3-6)與式(3-8)相比,得圖3.8并聯(lián)回路諧振曲線圖3.9不同Q值的諧振曲線

下面利用諧振曲線求出通頻帶。

由式(3-16),令U/U0=0.707,如圖3.10所示,可得回路的通頻帶BW0.7為

由上式可見(jiàn),回路的通頻帶與空載Q

值成反比,Q

越高,通頻帶就越窄,曲線越尖銳,回路的選擇性越好,如圖3.9所示。圖3.10通頻帶

根據(jù)上面計(jì)算結(jié)果可畫(huà)得圖3.11,它說(shuō)明在相同的頻率偏離值Δf下,Q越高,諧振曲線越尖銳,選擇性越好,但通頻帶窄了。我們希望諧振回路有一個(gè)很好的選擇性,同時(shí)要有一個(gè)較寬的通頻帶,這是矛盾的。為了保證較寬的通頻帶,只能犧牲選擇性。圖3.11例1圖

6)并聯(lián)諧振回路中的電流

并聯(lián)回路諧振時(shí),流過(guò)RP、C、L中的電流如下:

7)信號(hào)源內(nèi)阻及負(fù)載對(duì)諧振回路的影響

考慮Rs和RL后的并聯(lián)諧振回路如圖3.12所示。圖3.12考慮Rs和RL后的并聯(lián)諧振回路

8)并聯(lián)諧振回路的耦合連接

信號(hào)源內(nèi)阻或負(fù)載并聯(lián)在回路兩端,將直接影響回路的Q

值,影響負(fù)載上的功率輸出及回路的諧振頻率。為解決這個(gè)問(wèn)題,可用阻抗變換電路,將它們折算到回路兩端,以改善對(duì)回路的影響。

(1)變壓器的耦合連接。圖3.13(a)為變壓器的耦合連接電路。變壓器的初級(jí)是一個(gè)諧振回路的電感線圈,次級(jí)接到負(fù)載RL

上,將負(fù)載折合到諧振回路后的等效負(fù)載為R'L,見(jiàn)圖3.13(b)。設(shè)初級(jí)線圈數(shù)為N1,次級(jí)線圈數(shù)為N2。在變壓器緊耦合時(shí),負(fù)載電阻RL

與等效負(fù)載R'L的關(guān)系為

例如:已知RL=1kΩ,N1/N2=2,則R'L=4kΩ。這說(shuō)明,如果1kΩ的電阻直接接到諧振回路,對(duì)回路影響較大。如果將1kΩ的電阻通過(guò)變壓器再折合到回路中,就相當(dāng)于一個(gè)4kΩ的電阻,它對(duì)并聯(lián)諧振回路的影響就顯著減弱了。圖3.13-變壓器的耦合連接

(2)自耦變壓器的耦合連接。如圖3.14(a)所示,N13是總線圈數(shù),N23是自耦變壓器的抽頭部分線圈數(shù)。負(fù)載電阻RL

折合到諧振回路后的等效電阻為R'L,如圖3.14(b)所示。

式中,n=N23/N13為接入系數(shù)。圖3.14自耦變壓器的耦合連接

(3)變壓器自耦變壓器的耦合連接。如圖3.15(a)所示,該電路可以將信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載電阻折合到諧振回路中,如圖3.15(b)所示(注意接入系數(shù)的正確選擇)。

RL

和Rs

折合到諧振回路后的電阻為R'L和R's分別為

2.單調(diào)諧放大器

單調(diào)諧放大器如圖3.16(a)所示。將圖3.16(a)化為交流等效電路,可得圖3.16(b)。圖3.15變壓器自耦變壓器的耦合連接圖3.16單調(diào)諧放大器的等效電路

1)單調(diào)諧放大器電壓增益

放大器的電壓增益:

式中

2)單調(diào)諧放大器的通頻帶

式(3-29)與式(3-31)相比,可得單調(diào)諧放大器的諧振曲線數(shù)學(xué)表達(dá)式:

單調(diào)諧放大器的諧振曲線如圖3.17所示。圖3.17單調(diào)諧放大器的幅頻特性曲線

令|?Au/?Au0|=0.707,可求得單調(diào)諧放大器的通頻帶BW0.7:

顯然,單調(diào)諧諧振放大器的通頻帶取決于回路的諧振頻率f0

以及有載品質(zhì)因數(shù)QL。當(dāng)f0

確定時(shí),QL

越低,通頻帶愈寬,如圖3.18所示?？梢?jiàn),減小QL

可加寬單調(diào)諧放大器的通頻帶。具體地說(shuō),減小RP、RL

均可降低QL,從而展寬單調(diào)諧放大器的通頻帶,如圖3.18所示。圖3.18不同Q值的諧振曲線

圖3.18不同Q

值的諧振曲線

3)單調(diào)諧放大器的選擇性

令

得

上式與式(3-33)相比,得矩形系數(shù)

上式說(shuō)明,單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)遠(yuǎn)大于1,諧振曲線與矩形相差太遠(yuǎn),故單調(diào)諧諧振放大器的選擇性較差。

3.2.2多級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器

在圖3.19中晶體管V2集電極上加一個(gè)諧振回路,就可得雙級(jí)單調(diào)諧放大電路,如圖3.20所示。圖3.19單調(diào)諧放大電路圖3.20雙級(jí)單調(diào)諧放大器

1.電壓增益

設(shè)有n

級(jí)單調(diào)諧放大器相互級(jí)聯(lián),且各級(jí)的電壓增益相同,即

則級(jí)聯(lián)后放大器的總電壓增益為

諧振時(shí),電壓增益為

諧振時(shí),電壓增益為

從式(3-38)可以看出,級(jí)聯(lián)后總電壓增益是單級(jí)電壓增益的n次方。在圖3.21中,n=1是單級(jí)單調(diào)諧放大器電壓增益諧振曲線;n=2是雙級(jí)單調(diào)諧放大器電壓增益諧振曲線;n=3-是三級(jí)單調(diào)諧放大器電壓增益諧振曲線。圖3.21級(jí)聯(lián)放大器諧振曲線

2.通頻帶

3.選擇性

總之,在多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器中,級(jí)聯(lián)后放大器的總電壓增益比單級(jí)放大器的電壓增益大,選擇性好,但總通頻帶比單級(jí)放大器通頻帶窄。如果要保證總的通頻帶與單級(jí)時(shí)的一樣,則必須通過(guò)減小每級(jí)回路有載Q

值,以加寬各級(jí)放大器的通頻帶的方法來(lái)彌補(bǔ)。對(duì)于圖3.21所示的曲線,級(jí)數(shù)增加,選擇性有所提高,但是當(dāng)n>3時(shí),選擇性改善程度不明顯。所以說(shuō),靠增加級(jí)數(shù)來(lái)改善選擇性是有限的。

3.2.3-雙調(diào)諧回路諧振放大器

雙調(diào)諧回路放大器具有較好的選擇性、較寬的通頻帶,并能較好地解決增益與通頻帶之間的矛盾,因而它被廣泛地用于高增益、寬頻帶、選擇性要求高的場(chǎng)合。但雙調(diào)諧回路放大器的調(diào)整較為困難。

雙調(diào)諧回路放大器如圖3.22(a)所示,圖中,L1C1與L2C2

組成雙調(diào)諧耦合回路,作為晶體管V1

的集電極交流負(fù)載。晶體管V1

的集電極在初級(jí)線圈的接入系數(shù)為n1;晶體管V2

的基極在次級(jí)線圈的接入系數(shù)為n2。假設(shè)初、次級(jí)回路本身的損耗都很小,可以忽略,則雙調(diào)諧放大器的等效電路如圖3.22(b)所示。為了討論方便,將晶體管V1中的Yfe?Ui、

goe、Coe折算到L1C1

中;將晶體管V2

中的gie、Cie折算到L2C2

中,可得圖3.22(c)。圖3.22雙調(diào)諧回路放大器圖3.23-臨界耦合時(shí)放大器電壓增益諧振曲線圖3.24

綜上所述,雙調(diào)諧放大器在弱耦合時(shí),其放大器的諧振曲線和單調(diào)諧放大器相似,通頻帶窄,選擇性差;在強(qiáng)耦合時(shí),通頻帶顯著加寬,矩形系數(shù)變好,但不足之處是諧振曲線的頂部出現(xiàn)凹陷,這就使回路通頻帶、增益的兼顧較難。解決的方法通常是在電路上采用雙—單—雙的方式,即用雙調(diào)諧回路展寬頻帶,又用單調(diào)諧回路補(bǔ)償中頻段曲線的凹陷,使其增益在通頻帶內(nèi)基本一致。但在大多數(shù)情況下,雙調(diào)諧放大器是工作在臨界耦合狀態(tài)的。

3.2.4諧振放大器的穩(wěn)定性

1.放大器的輸入導(dǎo)納

如圖3.25所示,求放大器輸入導(dǎo)納Yi。圖中,Ys

是信號(hào)源導(dǎo)納;YL

是集電極總負(fù)載導(dǎo)納。

放大器輸入導(dǎo)納:

式中,Y'i是輸出電路通過(guò)Yre的反饋而引起的輸入導(dǎo)納,稱反饋等效導(dǎo)納;Yie是晶體管的輸入導(dǎo)納。

當(dāng)反向傳輸導(dǎo)納Yre=0時(shí),反饋等效導(dǎo)納Y‘i=0,放大器的輸入導(dǎo)納等于晶體管的輸入導(dǎo)納,即Yi=Yie。顯然在這種情況下,放大器輸出電路中晶體管的參量Yfe、Yoe和集電極負(fù)載導(dǎo)納YL對(duì)放大器輸入導(dǎo)納沒(méi)有影響。

當(dāng)反向傳輸導(dǎo)納Yre≠0時(shí),反饋等效導(dǎo)納Y'i≠0,放大器輸入導(dǎo)納不等于晶體管的輸入導(dǎo)納。這時(shí)放大器輸出電路中晶體管的參量Yfe、Yoe和集電極負(fù)載導(dǎo)納YL都對(duì)放大器的輸入導(dǎo)納有影響。顯然,Yre起到了放大電路的輸出回路與輸入回路的連接作用。

在條件合適時(shí),放大器輸出電壓可通過(guò)Yre把一部分信號(hào)反饋到輸入端,形成自激振蕩。即使不發(fā)生自激振蕩,由于內(nèi)部反饋隨頻率變化而變化,它對(duì)某些頻率可能是正反饋,而對(duì)另一些頻率則是負(fù)反饋,其總結(jié)果是使放大器頻率特性受到影響,通頻帶和選擇性都有所改變,如圖3.26所示。圖3.26內(nèi)反饋對(duì)諧振曲線的影響

2.穩(wěn)定性

從式(3-48)看出,如果加大負(fù)載導(dǎo)納YL,則放大器輸入導(dǎo)納

這樣可以認(rèn)為輸出電路對(duì)輸入電路沒(méi)有影響,從而消弱了Yre的作用。即使YL

有一點(diǎn)變化,它對(duì)Yi

的影響也是很小的。在

失配是指:信號(hào)源內(nèi)阻不與晶體管輸入阻抗匹配;晶體管輸出端負(fù)載阻抗不與本級(jí)晶體管的輸出阻抗匹配。

失配法的典型電路是共發(fā)射極—共基極級(jí)聯(lián)放大器。圖3.27是尋呼機(jī)的射頻放大電路,圖中兩個(gè)晶體管V1、V2

組成共發(fā)射極—共基極級(jí)聯(lián)電路,其等效電路如圖3.28所示。圖3.27尋呼機(jī)的射頻放大電路圖3.28共發(fā)射極-共基極級(jí)聯(lián)放大器等效電路

必須指出:在此,我們只討論了內(nèi)部反饋引起的放大器不穩(wěn)定,并沒(méi)有考慮外部其它途徑反饋的影響。這些影響有輸入、輸出之間的空間電磁耦合,公共電源的耦合等。外部反饋的影響在理論上是很難討論的,必須在去耦電路和工藝結(jié)構(gòu)上采取措施。

3.3-集中選頻放大器圖3.29集中選頻放大器組成示意圖

集中選頻放大器構(gòu)成如圖3.29所示,它由兩部分組成,一部分是寬頻帶放大器,另一部分是集中選頻濾波器。

3.3.1集中選頻濾波器

1.陶瓷濾波器

在通信、廣播等接收設(shè)備中,陶瓷濾波器有著廣泛的應(yīng)用。陶瓷濾波器是利用某些陶瓷材料的壓電效應(yīng)構(gòu)成的濾波器,常用的陶瓷濾波器是由鋯鈦酸鉛[Pb(ZrTi)O3]壓電陶瓷材料(簡(jiǎn)稱PZT)制成的。

所謂壓電效應(yīng),就是指當(dāng)陶瓷片發(fā)生機(jī)械變形時(shí),例如拉伸或壓縮,它的表面就會(huì)出現(xiàn)電荷;而當(dāng)陶瓷片兩電極加上電壓時(shí),它就會(huì)產(chǎn)生伸長(zhǎng)或壓縮的機(jī)械變形。這種材料和其它彈性體一樣,具有慣性和彈性,因而存在著固有振動(dòng)頻率。當(dāng)固有振動(dòng)頻率與外加信號(hào)頻率相同時(shí),陶瓷片就產(chǎn)生諧振,這時(shí)機(jī)械振動(dòng)的幅度最大,相應(yīng)地,在陶瓷片表面上產(chǎn)生的電荷量也最大,因而外電路中的電流也最大。這表明壓電陶瓷片具有串聯(lián)諧振的特性,其等效電路和電路符號(hào)如圖3.30(a)、(b)所示。圖3.30壓電陶瓷片等效電路和電路符號(hào)

從圖3.30電路可見(jiàn),陶瓷片具有兩個(gè)諧振頻率,一個(gè)是串聯(lián)諧振頻率fs,另一個(gè)是并聯(lián)諧振頻率fp,

在串聯(lián)諧振頻率時(shí),陶瓷片的等效阻抗最小;在并聯(lián)諧振頻率時(shí),陶瓷片的等效阻抗為最大。其阻抗頻率特性如圖3.31所示。圖3.31陶瓷片的阻抗頻率特性

如將陶瓷濾波器連成如圖3.32所示的形式,即為四端陶瓷濾波器。圖3.32(a)為由兩個(gè)陶瓷片組成的四端陶瓷濾波器,圖(b)和(c)分別為由五個(gè)陶瓷片和九個(gè)陶瓷片組成的四端陶瓷濾波器。陶瓷片數(shù)目愈多,濾波器的性能愈好。圖3.33-所示為四端陶瓷濾波器的電路符號(hào)。圖3.32四端陶瓷濾波器圖3.33-四端陶瓷濾波器的電路符號(hào)

2.聲表面波濾波器

聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.34所示。它以鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛或石英等壓電材料為基片,利用真空蒸鍍法,在拋光過(guò)的基片表面形成厚度約為10μm的鋁膜或金膜電極,稱其為叉指電極。左端叉指電極為發(fā)端換能器,右端叉指電極為收端換能器。

圖3.34聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

聲表面波濾波器的中心頻率、通頻帶等性能與基片材料以及叉指電極的幾何尺寸和形狀有關(guān)。圖3.34所示是一種長(zhǎng)度L(兩叉指重疊部分的長(zhǎng)度,稱指長(zhǎng))和寬度a(稱指寬)以及指距b均為一定值的結(jié)構(gòu),稱其為均勻叉指。假如聲表面波傳播的速度是v,可得f0=v/d,即換能器的頻率為f0

時(shí),聲表面波的波長(zhǎng)是λ0,它等于換能器周期段長(zhǎng)d,d=2(a+b)。

當(dāng)輸入信號(hào)的頻率f

等于換能器的頻率f0

時(shí),各節(jié)所激發(fā)的表面波同相疊加,振幅最大,可寫(xiě)成

式中,A0

是每節(jié)所激發(fā)的聲波強(qiáng)度振幅值,n

是叉指條數(shù)(有N=n/2個(gè)周期段),As

是總振幅值。這時(shí)的信號(hào)頻率為換能器的頻率f0,稱為諧振頻率。當(dāng)信號(hào)頻率偏離f0

時(shí),換能器各節(jié)電極所激發(fā)的聲波強(qiáng)度振幅值基本不變,但相位有變化。這時(shí)振幅—頻率特性曲線如圖3.35所示。圖3.35均勻叉指換能器的振幅—頻率特性曲線

為了獲得理想矩形頻率特性的濾波器,可采用非均勻叉指換能器,如圖3.36所示。圖中發(fā)端換能器的指寬相等,各指的指距也相等,但重疊部分的指長(zhǎng)按一定函數(shù)規(guī)律變化。這種根據(jù)某一函數(shù)變化規(guī)律設(shè)計(jì)出的指長(zhǎng)分布不同的叉指換能器,稱為長(zhǎng)度加權(quán)結(jié)構(gòu)。也可以維持各叉指電極長(zhǎng)度不變,而使其寬度隨某一函數(shù)規(guī)律而變化,稱為寬度加權(quán)結(jié)構(gòu)。圖3.36非均勻叉指換能器

3.3.2集中選頻放大器的應(yīng)用

圖3.37是尋呼機(jī)射頻接收電路的一部分原理圖。圖3.37尋呼機(jī)射頻接收電路的一部分原理圖

1)天線

L1、L2

是一個(gè)雙環(huán)路金屬板天線,C1、C2

和微調(diào)電容C3為其調(diào)諧電容,其作用是提高接收機(jī)的選擇性。從天線接收到的射頻信號(hào)通過(guò)由C4

和C5

組成的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)耦合到射頻放大器輸入端。

2)射頻放大器

從天線輸入的射頻信號(hào)由射頻放大器放大。放大器是包含V1

和V2

及有關(guān)元件的級(jí)聯(lián)電路。V1

和V2組成共射極—共基極級(jí)聯(lián)電路,它的特點(diǎn)是穩(wěn)定且反饋?zhàn)钚?因此,在電路中無(wú)需中和。VD是保護(hù)二極管,防止負(fù)脈沖信號(hào)損壞V1。

3)帶通濾波器

帶通濾波器用來(lái)濾除無(wú)用的射頻輸入信號(hào),以提高接收機(jī)的抗擾性。其電路包括聲表面波射頻帶通濾波器FL1、C8

和L3。電容C8

和電感L3用作射頻放大器和濾波器之間的阻抗匹配。

3.4放大器的噪聲

3.4.1電阻熱噪聲、晶體管的噪聲

1.電阻熱噪聲電阻熱噪聲是由電阻體內(nèi)的自由電子在一定溫度下,處于無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)引起的。這種運(yùn)動(dòng)的方向和速度都是隨機(jī)的,溫度越高,自由電子的運(yùn)動(dòng)就越劇烈。電阻內(nèi)大量自由電子進(jìn)行無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生的窄脈沖電流相疊加,這形成了電阻的噪聲電流

由于這種噪聲是自由電子的熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的,通常把它稱為電阻熱噪聲。在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),其電流平均值等于零,而瞬時(shí)值是上下波動(dòng)的,稱為起伏電流。起伏電流流經(jīng)電阻R

時(shí),電阻兩端就會(huì)產(chǎn)生噪聲電壓un和噪聲功率。圖3.38所示為電阻噪聲電壓波形。圖3.38電阻噪聲電壓波形

上面所討論的是以金屬導(dǎo)體作電阻(如金屬膜電阻、線繞電阻)產(chǎn)生熱噪聲的情況,但對(duì)于碳膜電阻、碳質(zhì)電阻等除會(huì)產(chǎn)生上述熱噪聲外,還會(huì)因碳粒之間的放電和表面效應(yīng)等產(chǎn)生噪聲,因而這類電阻的噪聲較大。

一個(gè)實(shí)際電阻在電路中,可以用一個(gè)理想的電阻和一個(gè)均方值為的噪聲電壓源相串聯(lián)的電路來(lái)等效,如圖3.39(b)所示。也可以用一個(gè)理想的電導(dǎo)和一個(gè)均方值為的噪聲電流源相并聯(lián)的電路來(lái)等效,如圖3.39(c)所示。圖3.39電阻熱噪聲等效電路

在圖3.39中,

在由多個(gè)電阻組成的電路中,每個(gè)電阻都將引入一個(gè)噪聲源,每個(gè)電阻噪聲源都是獨(dú)立的,并且所有電阻都處在同一溫度。當(dāng)幾個(gè)電阻串聯(lián)時(shí),總噪聲電壓的均方值就等于各個(gè)電阻產(chǎn)生的噪聲電壓均方值之和。當(dāng)幾個(gè)電阻并聯(lián)時(shí),總噪聲電流均方值等于各個(gè)電阻產(chǎn)生的噪聲電流均方值之和。

2.晶體管的噪聲

晶體管的噪聲一般比電阻熱噪聲大,它有四種形式。

1)熱噪聲

和電阻相同,在晶體管中,電子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生熱噪聲。其中基極電阻rbb'所引起的熱噪聲最大,發(fā)射極和集電極電阻的熱噪聲一般很小,可以忽略。所以rbb'產(chǎn)生的熱噪聲電壓均方值為

2)散粒噪聲

散粒噪聲是晶體管的主要噪聲源。散粒噪聲這個(gè)詞是沿用電子管噪聲中的詞。在二極管和三極管中都存在散粒噪聲。

當(dāng)PN結(jié)加上正向電壓后,電流流通。這種電流是由于載流子運(yùn)動(dòng)而形成的。在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)PN結(jié)的載流子數(shù)目隨機(jī)起伏,使得通過(guò)PN結(jié)的電流在平均值上下作不規(guī)則的起伏變化而形成噪聲,我們把這種噪聲叫做散粒噪聲。

晶體三極管是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的,當(dāng)晶體管處于放大狀態(tài)時(shí),發(fā)射結(jié)為正向偏置,發(fā)射結(jié)所產(chǎn)生的散粒噪聲較大;集電結(jié)為反向偏置,集電結(jié)所產(chǎn)生的散粒噪聲可忽略不計(jì)。發(fā)射結(jié)散粒噪聲電流均方值為

式中,q

為電子的電量。

3)分配噪聲

晶體管發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的多數(shù)載流子,大部分到達(dá)集電極,成為集電極電流,而小部分在基區(qū)內(nèi)被復(fù)合,形成基極電流。這兩部分電流的分配比例是隨機(jī)的,因而造成通過(guò)集電結(jié)的電流在靜態(tài)值上下起伏變化,引起噪聲,把這種噪聲稱為分配噪聲。晶體管集電極分配噪聲電流均方值為

4)閃爍噪聲

閃爍噪聲又稱低頻噪聲。一般認(rèn)為這種噪聲是由于晶體管清潔處理不好或有缺陷造成的。其特點(diǎn)是頻譜集中在低頻(約1kHz以下),在高頻工作時(shí)通常可不考慮它的影響。

綜合上述討論,可畫(huà)出晶體管共基極接法時(shí)噪聲的等效電路,如圖3.40所示。圖3.40晶體管共基極接法時(shí)噪聲等效電路

3.場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲

場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲主要是由場(chǎng)效應(yīng)管溝道電阻產(chǎn)生的熱噪聲、柵極漏電流產(chǎn)生的散粒噪聲、表面處理不當(dāng)引起的閃爍噪聲。一般說(shuō)來(lái),場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲比晶體管的噪聲低。

3.4.2噪聲系數(shù)

研究噪聲的目的在于設(shè)法減少它對(duì)信號(hào)的影響。因此,離開(kāi)信號(hào)談噪聲是無(wú)意義的。噪聲對(duì)信號(hào)影響的效果,不在于噪聲電平絕對(duì)值的大小,而在于信號(hào)功率與噪聲功率的相對(duì)值,即信噪比,記為S/N(信號(hào)功率/噪聲功率)。即使噪聲電平絕對(duì)值很高,但只要信噪比達(dá)到一定要求,噪聲影響就可忽略。否則,即使噪聲絕對(duì)電平低,由于信號(hào)電平更低,即信噪比低于1,則信號(hào)仍然會(huì)被淹沒(méi)在噪聲中而無(wú)法辨別。因此,信噪比是描述信號(hào)抗噪聲質(zhì)量的一個(gè)物理量。

1.噪聲系數(shù)的定義

要描述放大系統(tǒng)固有噪聲的大小,就要用到噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)定義為

研究放大系統(tǒng)噪聲系數(shù)的等效圖如圖3.41所示。圖3.41描述放大器噪聲系數(shù)的等效圖

2.信噪比與負(fù)載的關(guān)系

設(shè)信號(hào)源內(nèi)阻為Rs,信號(hào)源的電壓為Us(有效值),當(dāng)它與負(fù)載電阻RL相接時(shí),在負(fù)載電阻RL

上的信噪比計(jì)算如下:

信號(hào)源在RL

上的功率

信號(hào)源內(nèi)阻噪聲在RL

上的功率

在負(fù)載兩端的信噪比

結(jié)論:信號(hào)源與任何負(fù)載相接并不影響其輸入端信噪比,即無(wú)論負(fù)載為何值,其信噪比都不變,其值為負(fù)載開(kāi)路時(shí)的信號(hào)電壓平方與噪聲電壓均方值之比。

3.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(hào)源電路如圖3.42所示。圖3.42以額定功率表示的噪聲系數(shù)

任何信號(hào)源加上負(fù)載后,其信噪比與負(fù)載大小無(wú)關(guān),信噪比均為信號(hào)均方電壓(或電流)與噪聲均方電壓(或電流)之比。為了方便地計(jì)算噪聲系數(shù),可設(shè)放大器輸入端和輸出端阻抗匹配,即Rs=Ri,Ro=RL;放大器輸入噪聲功率和信號(hào)功率均為最大,輸出端噪聲功率和信號(hào)功率也均為最大,稱為額定功率。故放大器的噪聲系數(shù)NF為

信號(hào)源輸入額定噪聲功率為

4.多級(jí)放大器噪聲系數(shù)的計(jì)算

已知各級(jí)的噪聲系數(shù)和各級(jí)功率增益,求多級(jí)放大器的總噪聲系數(shù),如圖3.43所示。圖3.43-多級(jí)放大器噪聲系數(shù)計(jì)算等效圖

5.等效噪聲溫度

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。熱噪聲功率與絕對(duì)溫度成正比,所以可用等效噪聲溫度來(lái)代表設(shè)備噪聲的大小。噪聲溫度可定義為:把放大器本身產(chǎn)生的噪聲功率折算到放大器輸入端時(shí),使噪聲源電阻所升高的溫度稱為等效噪聲溫度Te。

6.晶體管放大器的噪聲系數(shù)

根據(jù)圖3.44所示的共基極放大器噪聲等效電路,可求出各噪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(jì)算公式圖3.44共基極放大器噪聲等效電路

3.4.3-降低噪聲系數(shù)的措施

1.選用低噪聲元器件

對(duì)晶體管而言,應(yīng)選用rbb‘和噪聲系數(shù)小的管子。對(duì)電阻元件,則應(yīng)選用結(jié)構(gòu)精細(xì)的金屬膜電阻。

2.選擇合適的直流工作點(diǎn)

晶體管放大器的噪聲系數(shù)與晶體管的直流工作點(diǎn)有較大的關(guān)系,選擇合適的直流工作點(diǎn),可降低噪聲系數(shù)。

3.選擇合適的信號(hào)源內(nèi)阻

信號(hào)源內(nèi)阻與放大電路輸出噪聲及噪聲系數(shù)有著密切關(guān)系。在較低工作頻率時(shí),由于最佳內(nèi)阻為500~2000Ω,與共發(fā)射極放大器的輸入電阻相近,因而這時(shí)宜選用共發(fā)射極放大器作為前級(jí)放大器,這樣可獲得最小噪聲系數(shù)。在較高頻率時(shí),最佳內(nèi)阻為幾十到三四百歐姆,此時(shí)選用共基極放大器更為合適,這是因?yàn)楣不鶚O放大器輸入電阻較低,與最佳內(nèi)阻相近。

4.選擇合適的工作帶寬

噪聲電壓與通帶寬度有著密切關(guān)系,適當(dāng)減小放大器的帶寬,有助于降低噪聲系數(shù)。要使系統(tǒng)的噪聲系數(shù)小,就應(yīng)使前級(jí)放大器增益大,本級(jí)噪聲系數(shù)小。例如,衛(wèi)星信號(hào)的接收系統(tǒng)將低噪聲放大器置于室外等措施,就是降低系統(tǒng)噪聲的方法。

3.5實(shí)訓(xùn):高頻小信號(hào)諧振放大器的仿真與性能分析

范例:分析并觀察高頻小信號(hào)諧振放