1、第四章噪声与小信号放大器第四章噪声与小信号放大器4.1噪声来源和特性噪声来源和特性4.2电路中元器件的噪声电路中元器件的噪声4.3功率信噪比和噪声系数功率信噪比和噪声系数4.4射频小信号放大器射频小信号放大器4.5射频小信号调谐放大器射频小信号调谐放大器4.6S参数与放大器设计参数与放大器设计4.7宽频带小信号放大器宽频带小信号放大器4.8低噪声放大器低噪声放大器4.9集成器件与应用电路举例集成器件与应用电路举例本章小结本章小结思考题和习题思考题和习题第四章噪声与小信号放大器 4.1 噪声来源和特性噪声来源和特性通信发射机和接收机的灵敏度通常会受到噪声的限制。广义上，噪声的定义为：除了所希望的
2、信号之外的一切信号。然而，该定义没有区分人工噪声（如50 Hz电源线的交流噪声）和来自于电路内部的难于消除的噪声。本章要讨论的是后者。第四章噪声与小信号放大器4.1.1 噪声来源噪声来源产生噪声的物理机理有很多，最常见的是热噪声,也称为约翰逊噪声或奈奎斯特噪声。这可以通过简单测量一个开路电阻上的电压来说明。如图4.1.1所示，测得的电压u（t）并不为零。也就是说，它的平均电压为零，但瞬时电压不为零。在温度高于绝对零度的情况下，电子的布朗运动会产生随机的瞬时电流，这些电流会产生随机的瞬时电压，从而产生噪声功率。第四章噪声与小信号放大器图4.1.1 开路电阻上的电压第四章噪声与小信号放大器电子管、
3、半导体二极管、晶体管或场效应管中噪声的产生机理各不相同。例如，对于电子管，这些机理包括阴极电子发射的随机次数（又称为散粒噪声）、真空中的随机电子速率、阴极表面的非均匀发射和阳极的二次发射。类似地，对于二极管，电子和空穴的随机发射产生噪声。在晶体管中，还存在着分配噪声，也就是离开发射极的载流子在基极和集电极间所产生的波动。第四章噪声与小信号放大器另外，还存在1/f噪声（其中f表示频率），或称为闪烁噪声，这是由处于基极-发射极PN结的基极少数载流子的表面复合而引起的。很明显，当频率接近直流时，闪烁噪声将急剧增加。在场效应管中，存在由沟道电阻产生的热噪声、1/f噪声和耦合到栅极的沟道噪声，它们也会被
4、晶体管的增益所放大。在齐纳二极管和碰撞雪崩渡越时间二极管等器件中，发生电子雪崩时的反向击穿也会产生噪声。第四章噪声与小信号放大器4.1.2 噪声特性噪声特性在讨论噪声的特性时,以电阻的热噪声为例，下面的三个指标是最主要的。(1)频谱。由于电阻中电子的布朗运动产生随机的瞬时小电流脉冲的持续时间极短，因此它的频谱可以说在整个无线电频段上是趋于无穷大的。第四章噪声与小信号放大器(2)功率谱密度。由于电流脉冲的随机性,其大小方向均不确定,不能用它们的电流谱密度叠加,因此引入功率谱密度S(f)的概念。功率谱密度S(f)表示单位频带内的功率,单位是dBm/Hz(0 dBm表示1 mW功率)。引入了功率谱，
5、就可以避免叠加相位的不确定性。以电流功率谱表示的噪声功率为21d)(IIffffSP第四章噪声与小信号放大器它是用电流量表示的功率谱密度在频带f2f1内的积分值。以电压量表示的噪声功率为21d)(UUffffSP它是用电压量表示的功率谱密度在频带f2f1内的积分值。也可以用噪声电流均方值I2n和噪声电压均方值U2n示在频带f=f2f1内单位电阻上的噪声功率。第四章噪声与小信号放大器2121)(dd)(12III2ffffnffSfSffSI或2121)(dd)(12UUU2ffffnffSfSffSU第四章噪声与小信号放大器(3)等效噪声带宽。在功率谱密度为Si（f）的噪声通过电压传递函数 H
6、（f）的线性时不变系统后，输出噪声功率谱密度So（f）=Si（f）|H（f）|2,其中|H（f）|2是系统的功率传递函数。当白噪声通过线性系统后,输出噪声均方值电压(或电流)可表示为00222nd)(d)()(ffHSffHfSUii它是输入功率谱密度Si（f）乘以功率传输函数在整个频段内的积分值。第四章噪声与小信号放大器通常将)(d)(0202LfHffHB称为线性系统的等效噪声带宽，如图4.1.2所示，它是高度为H2(f0)(系统在中心频率点f0的功率传输系统)，宽度为BL的矩形。白噪声通过线性系统后的总噪声功率等于输入噪声功率谱密度Si（f）与H2（f0）之积再乘以系统的等效噪声带宽BL
7、。因此，系统的等效噪声带宽越大，输出噪声越大。第四章噪声与小信号放大器图4.1.2 白噪声通过线性系统及等效噪声宽度第四章噪声与小信号放大器 4.2 电路中元器件的噪声电路中元器件的噪声4.2.1 电阻的热噪声及等效电路电阻的热噪声及等效电路温度为T,阻值为R的电阻的噪声其电流功率谱密度SI=4kT ,电压功率谱密度SU=SIR2=4kTR,其中k=1.381023 J/K是波尔兹曼常数。可见，电阻热噪声的功率谱密度与频率无关,因此是白噪声。R1第四章噪声与小信号放大器计算一个有噪电阻R在频带宽度为B的线形网络内的噪声时,可以看做阻值为R的理想无噪电阻与一噪声电流源并联,或阻值为R的理想无噪电
8、阻与一噪声电压源串联,如图4.2.1所示。其中，噪声电流均方值,噪声电压均方值。当多个有噪电阻串联时,每个有噪电阻用相应的噪声电压源等效电路表示；当多个有噪电阻并联时,每个有噪电阻用相应的噪声电流源等效电路表示,如图4.2.2所示。BRkTI142nkTRBU42n第四章噪声与小信号放大器图4.2.2 有噪电阻的串/并联(a)有噪电阻的并联等效；(b)有噪电阻的串联等效第四章噪声与小信号放大器与此相同，若把电阻R的热噪声作为噪声源，则当此噪声源的负载与R相匹配时，能输出最大噪声功率，此功率可称为该电阻热噪声源的资用噪声功率，也称为额定噪声功率。其值为kTBRkTRBP44nA第四章噪声与小信号
9、放大器1 电阻热噪声在晶体管中，载流子的不规则热运动会产生热噪声，其主要来源是基区体电阻rbb。相比之下，发射区和集电区的热噪声很小，一般可以忽略不计。2 散粒噪声晶体管外加偏压时，由于载流子穿过PN结的速度不同，使得单位时间内通过PN结的载流子数不同，从而引起PN结上的电流在某一平均值上有一微小的起伏。这种电流随机起伏所产生的噪声称为散粒噪声。第四章噪声与小信号放大器理论和实践证明，散粒噪声与流过PN结的直流电流成正比。对于正向偏置的发射结，其散粒噪声的电流均方值：Ien=2qIEQBn (4.2.1)式中，q是电子的电荷量（q=1.61019 C）,IEQ是发射极的静态工作电流,Bn为等效
10、噪声带宽。由于晶体管的集电结通常加反向电压，反向饱和电流要比发射极正向电流小很多，因此集电极反向饱和电流引起的散粒噪声可忽略不计。第四章噪声与小信号放大器3 分配噪声在晶体管基区，由于非平衡少数载流子的复合具有随机性，时多时少，起伏不定，使得集电极电流与基极电流的分配比例随机变化，从而引起集电极电流有微小变化。这种因分配比例随机变化而产生的噪声称为分配噪声。集电极电流中分配噪声的电流均方值：n02CQ2cn)1(2BqII(4.2.2)第四章噪声与小信号放大器式中，ICQ是集电极的静态工作电流；是晶体管共基极交流电流放大系数，其上限频率为f,低频取值为0。将202)j1/(aff代入式(4.2
11、.2)，经变换可得I2cn的另一种表示式:I2cn=2qICQ(10)F(f)Bn (4.2.3)第四章噪声与小信号放大器式中:202)1(1)(11)(aafffffF(4.2.4)式(4.2.4)表明，晶体管的分配噪声不是白噪声，其功率谱密度是频率的函数。频率愈高，|2愈小，则分配噪声愈大。第四章噪声与小信号放大器4 1/f噪声1/f噪声又称闪烁噪声或低频噪声，其特点是它的功率谱密度与工作频率近似成正比关系，所以它不是白噪声。1/f噪声的产生机理比较复杂，主要与半导体材料及其表面特性有关。由于1/f噪声在几千赫兹以下时比较显著，因此它主要影响晶体管的低频工作区。第四章噪声与小信号放大器在电
12、子线路的噪声分析中，通常采用晶体管噪声等效电路。不同组态的晶体管有不同的噪声等效电路。当晶体管工作在高频范围时，其共基极组态的T型噪声等效电路如图4.2.3 所示。图中，U2bn为基区体电阻rbb的热噪声，即U2bn=4kTrbbBn；I2en为发射结散粒噪声，见式（4.2.1）；I2cn为集电极的分配噪声，见式（4.2.2）。第四章噪声与小信号放大器图4.2.3 共基极组态的晶体管T型噪声等效电路第四章噪声与小信号放大器4.2.3 场效应管的噪声场效应管的噪声场效应管漏、源之间的沟道电阻会产生热噪声。与一般电阻器不同，由于沟道电阻受到栅源电压的控制，因而它不是一个恒定电阻。若gm表示场效应管
13、的转移跨导，则沟道热噪声的电流均方值：nm2Dn)32(4BgkTI第四章噪声与小信号放大器场效应管也存在1/f噪声，反映在漏极端的噪声的电流均方值：nDn2nf)1(BfII式中，是与管子有关的系数；ID是静态工作电流；f表示频率。第四章噪声与小信号放大器在场效应管的噪声等效电路中，将沟道热噪声和1/f噪声合并在一起，可用一个接在漏、源之间的噪声电流源I2Dn来等效，如图4.2.4所示。由于I2Dn和I2nf互不相关，所以：nDQnm2Dn2nf2Dn)1()32(4BfIBgkTIII第四章噪声与小信号放大器场效应管中的噪声源是栅极-漏极电流IG产生的散粒噪声，在图4.2.4中用I2Gn表
14、示，其计算式为I2Gn=2qIGBn 由于场效应管靠多数载流子导电，所以不存在分配噪声。在以上噪声中，沟道热噪声的影响最大。在高频工作时，1/f噪声可以忽略不计。对于MOS场效应管，因栅极-漏极电流很小，所以I2Gn极小，只有当信号源内阻很大时才考虑其影响。第四章噪声与小信号放大器图4.2.4 场效应管噪声等效电路第四章噪声与小信号放大器 4.3 功率信噪比和噪声系数功率信噪比和噪声系数4.3.1 功率信噪比功率信噪比对噪声的研究是以如何减小其对信号的影响为目的的。因此，离开信号谈噪声是没有意义的。从噪声对信号的影响效果看，不在于噪声电平绝对值的大小，而在于信号功率与噪声功率的相对值。通常，将
15、信号功率与噪声功率之比定义为功率信噪比，记为S/N，指在指定频带内，同一端口信号功率Ps和噪声功率Pn的比值，表示为Ps/Pn。第四章噪声与小信号放大器功率信噪比是衡量一个信号质量优劣的指标。如果噪声功率和有用信号的输出功率在同一个数量级，甚至比信号功率还大，则此时信号将会被淹没在噪声之中，导致接收机很难恢复出有用信号。当然，功率信噪比也可以用分贝表示，可写为 10 lg（Ps/Pn）。第四章噪声与小信号放大器功率信噪比越大，说明信号质量越好。功率信噪比的最小允许值取决于具体应用设备的要求。例如，调幅收音机检波器输入端为10 dB，调频收音机鉴频器输入端为12 dB，电视接收机检波器输入端为4
16、0 dB。当信号通过放大器时，会附加上电路中元器件的噪声，因此放大器输出端的功率信噪比总是小于输入端。第四章噪声与小信号放大器4.3.2 噪声系数噪声系数功率信噪比虽然反映了信号质量的好坏，却不能反映放大器或网络对信号质量的影响，也不能表示放大器本身噪声性能的好坏。当信号通过无噪声的理想线性电路时，其输出的功率信噪比与输入的相等。若电路中含有有噪元件，则由于信号通过时附加了电路的噪声功率，因此输出的功率信噪比小于输入的功率信噪比，使输出信号的质量变坏。第四章噪声与小信号放大器1 噪声系数的定义 线性电路的噪声系数NF的定义为：在标准信号源激励下输入端的功率信噪比Psi/Pni与输出端的功率信噪
17、比Pso/Pno的比值，即nosonisiF/PPPPN(4.3.1)噪声系数通常也用dB表示，即nosonisiF/lg10)dB(PPPPN(4.3.2)第四章噪声与小信号放大器对于无噪声的理想电路，NF=0 dB；对于有噪声的电路，其dB值为一正数。式(4.3.1)还可以表示为以下形式：niFnonisisonoFPKPPPPPN（4.3.3）式中，KF=Pso/Psi为功率增益。式（4.3.3）说明，噪声系数等于输出端的噪声功率与输入噪声在输出端产生的噪声功率（KFPni）的比值，而与输入信号的大小无关。第四章噪声与小信号放大器噪声系数也可以表示为niFnniFnniFniFnonis
18、isonoF1PKPPKPPKPKPPPPPN（4.3.4）式（4.3.1）、式（4.3.3）和式（4.3.4）是噪声系数的三种相互等效的表示式。在计算噪声系数时，可以根据具体情况，采用相应的公式。第四章噪声与小信号放大器2 额定功率、额定功率增益与噪声系数在线性电路的输入端，由于信号源电压与其内阻Rs产生的热噪声电压源相串联，如图4.3.1所示，因此电路输入端的功率信噪比与电路的输入阻抗大小无关。同理，输出端的功率信噪比也与负载电阻RL无关。但是，如果实际电路的输入、输出端分别是匹配的（即Ri=Rs，Ro=RL），这时利用额定功率和额定功率增益来计算或测量噪声系数往往比较简单。第四章噪声与小
19、信号放大器图4.3.1 说明额定功率和额定功率增益的示意图第四章噪声与小信号放大器额定功率（资用功率）是指信号源或噪声源所能输出的最大功率。在图4.3.1所示的电路中，当满足Ri=Rs时，信号源最大输出功率（即信号额定功率Psim）为s2ssim4RUP(4.3.5)与此同时，输入噪声额定功率Pnim为nsnss2nnim444kTBRBkTRRUP(4.3.6)第四章噪声与小信号放大器同理，当电路的输出电阻与负载匹配（Ro=RL）时，可得输出端的信号额定功率Psom和噪声额定功率Pnom。额定功率增益是指电路的输入端和输出端分别匹配时信号传输的功率增益。在图4.3.1所示的电路中，当Ri=R
20、s，Ro=RL时，其额定功率增益为simsomPmPPK电路的实际功率增益并不一定等于该额定值。当输入或输出端失配时，实际功率增益将小于额定功率。第四章噪声与小信号放大器利用额定功率和额定功率增益参数，噪声系数可表示为nimPmnomnimsimsomnomnomsomnimsimF/PKPPPPPPPPPN（4.3.7）将式（4.3.6）代入式（4.3.7），可得：nPmnmF1kTBKPN式中，Pnm为输出端匹配时电路内部噪声在输出端产生的噪声功率。第四章噪声与小信号放大器3 等效噪声温度对于任何一个线性网络，如果它产生的噪声是白噪声，则可以用处于网络输入端、温度为Te的电阻所产生的热噪声
21、源来替代，从而把网络看做是无噪的。通常称Te为该线性网络系统的等效噪声温度，见图4.3.2所示。第四章噪声与小信号放大器图4.3.2 有噪网络的等效噪声温度第四章噪声与小信号放大器如图4.3.2所示，网络输入端的源内阻为Rs，与输入阻抗匹配。该网络的功率增益为GP，带宽为B，由网络本身产生的输出噪声功率为Pn。由于温度为Te的电阻的额定功率是kTeB，此热噪声功率经网络放大传输后为Pn，显然，Pn=kTeBGP。因此，等效噪声温度与系统参数的关系为PnekBGPT 第四章噪声与小信号放大器由上式可看出，等效噪声温度与引用的电阻阻值无关。所以，引入噪声温度来描述系统噪声的好处在于：在把系统噪声看
22、做信号源内阻处于温度Te所产生的热噪声功率kTeB的同时，还可以把由天线引入的外部噪声也看做是由信号源内阻处于某一温度Ta所产生的热噪声功率kTaB，从而外部和内部噪声功率的叠加也就是等效噪声温度的相加。第四章噪声与小信号放大器4.等效噪声温度与噪声系数的关系等效噪声温度和噪声系数是用来描述同一个系统的内部噪声特性的两种不同的方法，接下来我们探讨它们之间的关系。图4.3.3所示的信号源与网络匹配中，有噪放大器的参数是：带宽B、功率增益GP及等效噪声温度Te。设输入放大器的信号功率和噪声功率分别是Psi和Pni。Pni是由信号源内阻Rs处于标准噪声温度T0所产生的热噪声，因此Pni=kT0B。第
23、四章噪声与小信号放大器根据等效噪声温度的定义，有噪放大器的噪声可以折合到放大器的输入端，看做由信号源内阻处于温度Te时产生的热噪声，而把放大器视为无噪的。经放大器传输后，设输出信号功率分别为Pso和Pno，则有：Pno=GPk（T0+Te）B图4.3.3 网络噪声系数与其等效噪声温度的关系第四章噪声与小信号放大器根据噪声系数的定义，可得：0ee0psiP0sinosonisiF1)(TTBTTkGPGBkTPPPPPN或者Te=（NF1）T0由上式可知，对于一个无噪系统，由于NF=1，即噪声系数系数为0 dB，因此它的等效噪声温度也为零。第四章噪声与小信号放大器 4.4 射频小信号放大器射频小
24、信号放大器 在无线通信系统中，到达接收机的射频信号电平多在微伏数量级，因此就需要用射频小信号放大器对这些微弱的射频信号进行放大。可见，射频小信号放大器是无线通信接收机的重要组成部分。在多数情况下，信号不是单一频率的，而是占有一定频谱宽度的频带信号。另外，在同一通道中，可能同时存在许多偏离有用信号频率的各种干扰信号，因此射频小信号放大器除了要有放大功能外，还必须具有选频功能。第四章噪声与小信号放大器4.4.1 射频小信号放大器的分类与组成射频小信号放大器的分类与组成窄频带放大电路要求对中心频率在几十兆赫兹到几百兆赫兹（甚至是几吉赫兹），并且带宽在几百千赫兹到几十兆赫兹内的微弱信号进行不失真放大，
25、所以要求该电路不仅有一定的电压增益，而且要有选频能力。窄频带放大电路由晶体管、场效应管等有源器件提供电压增益，由LC谐振回路、陶瓷滤波器或声表面滤波器等器件实现选频功能。第四章噪声与小信号放大器宽频带放大电路要求对带宽在几千赫兹到几百兆赫兹（甚至是几吉赫兹）内的微弱信号进行不失真放大，因此要求其具有很低的下限截止频率（有时甚至要求到零频）和很高的上限截止频率。宽频带放大电路也是由晶体管、场效应管等有源器件提供电压增益。为了展宽工作频带，不但要求有源器件具有好的高频特性，而且在电路结构上也会采取一些改进措施，以达到宽带放大的要求。第四章噪声与小信号放大器有源放大器件和无源选频网络选用不同的电路，
26、就可以组成不同形式的放大器。例如，按选频网络中的谐振回路，可分为单调谐放大器、双调谐放大器和参差调谐放大器；按晶体管的连接方式，可分为共基极、共集电极、共发射极调谐放大器等。图4.4.1 射频小信号放大器模型第四章噪声与小信号放大器4.4.2 射频小信号放大器的主要技术指标射频小信号放大器的主要技术指标1 增益增益表示放大器对输入有用信号的放大能力，定义为放大器输出信号与输入信号的比值。对于射频小信号选频放大器而言，通常用中心频率f0上的电压增益Au和功率增益AP来表示，即i0uuuA，i0PPPA 第四章噪声与小信号放大器2 通频带通频带定义为放大器在中心频率的增益下降3 dB时的上限截止频
27、率与下限截止频率之差，通常以BW0.707表示，如图4.4.2所示。选择合适的通频带就是为了保证输入频带信号无失真地通过放大器，这就要求其增益频率响应特性必须有与信号带宽相适应的平坦宽度。第四章噪声与小信号放大器图4.4.2 选频放大器的幅频特性第四章噪声与小信号放大器3 选择性选择性是指放大器对通频带以外的干扰信号的滤除能力或衰减抑制能力。选择性有两种描述方法：一是用来表明对邻近信道选择性好坏的矩形系数；二是用来表明对带外某一特定干扰频率fN的信号的抑制能力大小的抑制比。第四章噪声与小信号放大器矩形系数用K0.1来表示，其定义为707.01.01.0BWBWK式中，BW0.1是增益下降到最大
28、值的0.1倍时的频带宽度。BW0.1与BW0.707之间的频率范围称为过渡带。K0.1间接反映了过渡带与通频带的频宽比。K0.1越小，过渡带越窄，选择性越好。理想时K0.1等于1，实际中K0.1总是大于1。第四章噪声与小信号放大器抑制比用表示，其定义为)()(NP0PfAfA式中，AP（f0）是中心频率f0上的功率增益;AP(fN)是某一特定干扰频率fN上的功率增益。抑制比也可用分贝表示为)()(lg10)dB(NP0PfAfA第四章噪声与小信号放大器4 线性范围线性范围是指输出信号幅度-输入信号幅度关系曲线呈线性的范围,通常用1 dB压缩点和三阶互调截点(IP3,Third-order In
29、tercept Point）来度量。在射频小信号放大器中，器件的跨导随输入信号幅度的增加而减少，该现象称为增益压缩。对应于输入信号幅值Uim，增益比线性放大增益下降1 dB的那一点就称为1 dB压缩点，如图4.4.3所示,它常用来衡量放大器的线性特性。第四章噪声与小信号放大器图4.4.3 放大器的1 dB压缩点第四章噪声与小信号放大器当两个不同频率（令为f1、f2）的信号输入到放大器时，由于器件的非线性，会产生许多组合频率分量，这些频率分量有可能落在放大器的通频带内。也就是说，输出的频率分量除了基波外，还可能有2f1f2和2f2f1等组合频率分量。对于有用信号f1（或f2）而言，这种情况就是互
30、调干扰，会引起互调失真。如果是由非线性器件的三次方项引起的失真，则叫做三阶互调失真。通常用三阶互调截点IP3来衡量三阶互调失真的程度。IP3定义为三阶互调功率达到和基波功率相等的点，此点对应的输入功率表示为IIP3，此点对应的输出功率表示为OIP3。第四章噪声与小信号放大器图4.4.4 三阶互调截点IP3示意图（a）Pi与GP1Pi、GP3Pi的关系；（b）10 lgPi与10 lgPo1、10 lgPo3的关系第四章噪声与小信号放大器5 隔离度和稳定性对于射频小信号放大器而言，其隔离度主要是指防止本振信号从混频器向天线的泄漏程度，又称反向隔离度。一般来说，只要放大器的反向隔离度好，就可减少输
31、出负载变化对输入阻抗的影响，简化其输入、输出端匹配网络的调试过程。当放大器的工作状态、交流参数以及其他电路元件参数发生变化时，放大器的主要性能也会发生变化，造成不稳定现象，表现为增益变化，中心频率偏移，通频带变窄，谐振曲线变形等。不稳定状态的极端情况是放大器自激振荡，导致放大器完全不能工作。第四章噪声与小信号放大器6 噪声系数射频小信号放大器的输出噪声来源于其输入端和电路本身。噪声系数是用来描述放大器本身产生的噪声电平大小的一个参数。为减少放大电路的内部噪声，在设计与制作放大器时，应采用低噪声放大元器件，合适地选择工作状态和电路结构，使放大器在尽可能高的功率增益下其噪声系数最小。第四章噪声与小
32、信号放大器4.5 射频小信号调谐放大器射频小信号调谐放大器调谐放大器的主要特点是晶体管集电极负载不是纯电阻，而是由LC组成的谐振电路。当谐振回路的自由振荡频率f0与放大器输入信号频率相等时，放大器处于谐振工作状态，谐振回路呈现纯阻性，放大器具有最高增益。当输入信号频率高于或低于f0时，放大器均失谐，增益下降。第四章噪声与小信号放大器4.5.1 单级单调谐放大器单级单调谐放大器单级单调谐放大器的有源放大器件可使用晶体管、场效应管或射频集成电路；其无源选频网络是LC并联谐振回路。一个共发射极的晶体管单调谐放大器如图4.5.1所示。第四章噪声与小信号放大器图4.5.1 晶体管单调谐放大器第四章噪声与
33、小信号放大器图中，RB1、RB2、RE是工作点偏置电阻；CB为耦合电容；CE为旁路电容；电感L的初级线圈AB端为N1，AC端为N2，次级线圈为N3；电感L与电容C构成LC谐振电路，作为放大器的集电极负载，起选频作用，它采用抽头接入法，以减轻晶体管输出电阻对谐振电路Q值的影响；RL是放大器的负载，它可能是下一级电路输入端的等效输入电阻。第四章噪声与小信号放大器输入信号ui产生晶体管的基极输入电流Ib，通过晶体管放大，得到集电极电流Ib（相当于一个恒流源），可认为该恒流源直接加到LC并联谐振回路上。等效电路如图4.5.2（a）所示。图中，rce为晶体管ce极间输出电阻。考虑到rce和RL的影响后，
34、LC谐振回路就可以等效为一个RLC并联谐振回路，如图4.5.2（b）所示。第四章噪声与小信号放大器图4.5.2 晶体管单调谐放大器集电极回路的等效电路(a)LC并联谐振回路；(b)RLC并联谐振回路第四章噪声与小信号放大器 令RLC谐振回路的并联阻抗为ZAC，那么实际的集电极负载为变换到AB端的阻抗ZAB，它们的关系为221NNZZACAB（4.5.1）设RL上的输出电压为uo，集电极电压为uAB，则晶体管单调谐放大器的电压放大倍数：ibABb13iABABOiOrIZINNuuuuuuA（4.5.2）式中，ri为晶体管be极间的输入电阻。第四章噪声与小信号放大器将式（4.5.1）代入式（4.
35、5.2），得：ACACZNNNNrNNNNrZA2321i13221i（4.5.3）由式（4.5.3）可见，A与ZAC成正比。ZAC是频率的函数，对于不同频率的信号，ZAC是不同的。对于频率与谐振频率f0相同的信号，ZAC最大，故此时A也最大。所以，A的频率特性和LC并联谐振回路的相同。第四章噪声与小信号放大器谐振时，有：212ceNNrRZACQ00LLQNNR0L232L（4.5.4）式中，Q0为LC谐振回路的空载品质因数，QL为LC谐振回路的有载品质因数。将式（4.5.4）代入式（4.5.3），得谐振电压放大倍数：23210Li0NNNNLQrA第四章噪声与小信号放大器谐振电路的频率特性
36、决定单级单调谐放大器的选频性能，其有载品质因数QL的值对放大器的选频性能有很大影响。当0L一定而QL值不同时，QL越大，则A0越大且幅频曲线较尖锐；QL越小，则A0越小且幅频曲线较平坦，如图4.5.3（a）所示。第四章噪声与小信号放大器用A/A0作为纵坐标，得到的放大器频率特性曲线如图4.5.3（b）所示。图中，A/A0=1点（若用分贝表示则为0 dB）代表谐振点，A/A0=0.707点（若用分贝表示则为3 dB）相当于通频带的上下截止频率。从图中可以看出，QL越小，通频带BW越宽；QL越大，BW越窄。如果以某一频偏f为参考标准，则QL大，衰减量就大，即选择性好，QL小，衰减量就小，即选择性差
37、。第四章噪声与小信号放大器图4.5.3 调谐放大器频率特性曲线的两种表示方法(a)A-f曲线；(b)-f曲线0AA第四章噪声与小信号放大器4.5.2 调谐放大器的级联调谐放大器的级联在接收机中，当一级单调谐放大电路的选频性能和增益不能满足要求时，可以采用两级和多级单调谐放大器级联的方法，形成多级级联电路。级联后，放大器的增益、通频带和选择性都将发生变化。多级调谐放大器级联示意图如图4.5.4所示。图4.5.4 多级调谐放大器级联示意图第四章噪声与小信号放大器多级调谐放大器可调谐于同一频率或不同频率。通常将调谐于不同频率的级联方式叫做参差调谐。多级调谐放大器的分析可采用单级单调谐放大器的分析方法
38、分析每一级的特性，然后利用级联的方法研究其多级总特性。一般来说，单调谐放大器的选择性较差，增益和通频带的矛盾比较突出。为了改善选择性和解决这个矛盾，可采用双调谐放大器和参差调谐放大器。第四章噪声与小信号放大器4.6 S参数与放大器设计参数与放大器设计S参数又称为散射参数，它最早应用于传输线理论，但在实际工程中，它是一组与功率相关的参数。S参数用来描述事物分散成不同分量的大小及其分散的程度。它可以电压与电流为参数，以其入射和反射的概念来表示。S参数对于射频电路设计和各种匹配网络设计甚为有用，尤其对于用于射频的有源器件在不同频率或偏压下的复杂状态，都可以由S参数加以定性。第四章噪声与小信号放大器4
39、.6.1 S参数的定义参数的定义一组S参数有四个单元，分别为S21、S12、S11和S22。其中，下标1代表输入端口，下标2代表输出端口。S21称为顺向传输系数，代表输出对输入的增益；S12称为逆向传输系数，代表输出端到输入端的逆向增益；S11 和S22分别称为输入反射系数和输出反射系数，体现输入端和输出端的反馈损耗。第四章噪声与小信号放大器小信号晶体管的S参数可随其偏压来设定，例如由共射极的静态工作点Q（UCE，IC）及信号频率而定。通常S参数都是网络上相关电压之间的比值，但为了方便，可用一个共同的阻抗（一般取50）作为参考基准。一个完整的S参数是以向量表示的，其中包括大小与相位。如图4.6
40、.1所示，在一个双端口网络的两端口上各接50 电阻时，若将S参数视为端口输入电压与输出电压的比值，则任何元器件在射频电路上的特性都可以准确地测量得到。第四章噪声与小信号放大器图4.6.1 双端网络的传输与反射第四章噪声与小信号放大器S参数虽常用于双端口网络，但对于三端口、四端口，乃至更多端口的网络，通常也适用。对S参数的相关计算，若用dB表示，则在运算上更为方便。对于射频放大器，可应用有源器件的S参数来设计其输入/输出匹配网络，并求得其最大功率输出或增益。就S参数的应用原则而言，可将线性放大器视为一个双端口的“黑箱”，在两端口上各接50 电阻来设定其输入、输出端的反射系数。反射系数可用来表示端
41、口的匹配状态。通常为复数，当完全匹配时，=0；在最坏的匹配状态下，=1。第四章噪声与小信号放大器4.6.2 S参数的测量参数的测量图4.6.2所示为对一个小信号放大器的晶体管的S参数的测量装置图。图中，晶体管采用发射极直接接地的共射极模式，工作于A类放大的工作点（UCE，IC）。晶体管的偏压分别由U1和U2提供，U1为基极偏压，用来调控基极电流，以获得所需的集电极电流IC；U2接在集电极，提供UCE偏压。第四章噪声与小信号放大器图4.6.2 测试一晶体管的S参数的原理示意图第四章噪声与小信号放大器输入高频信号由输出阻抗为50 的信号发生器产生，经过双定向耦合器。在双定向耦合器上有两个输出：一个
42、是在晶体管输入口的入射信号，另一个是在晶体管输入口的反射信号。这两个信号分别接至向量电压表Mi1和Mr1，在Mi1上可测得入射电压的大小及相位Ui1i1,而在Mr1上可测得反射电压的大小及相位Ur1r1。第四章噪声与小信号放大器 在输出端，信号经过晶体管，再经过双定向耦合器后接至50 负载。同样地，对于这一双定向耦合器的两个输出，一个在Mi2上可测得入射电压的大小及相位Ui2i2，另一个在Mr2上可测得反射电压的大小及相位Ur2r2。由S参数的定义可知，Ur1r1与Ui1i1的比值即为输入反射系数：)(i1r1i1r1i1i1r1r111UUUUS第四章噪声与小信号放大器S11描述了晶体管的输
43、入端与信号发生器输出端的匹配状态，|S11|越小，说明从信号发生器进入晶体管的功率被反射回来的越少。|S11|恒小于1。顺向传输增益：)(i1r2i1r2i1i1r2r221UUUUSS21描述了晶体管的放大能力。第四章噪声与小信号放大器在测量S12与S22时，需将图4.6.2中的射频信号发生器与负载位置互换，按照确定S11和S21的方法，读取Mi2和Mr2的测量值。根据S参数的定义，得：)(i2r2i2r2i2i2r2r222UUUUSS22为输出反射系数，描述了晶体管的输出端负载的匹配状态。S22也为恒小于1的数。第四章噪声与小信号放大器S12为逆向传输增益，依据其定义可得：)(i2r1i
44、2r1i2i2r1r112UUUUS它表明了放大器逆向的隔离程度。S12的值应越小越好。就放大器而言，顺向传输增益S21宜大，而逆向传输增益S12则以小为佳。这样就会使其从输出端到输入端，因反射而产生的耦合降至最低。S参数在计算时通常用其dB值表示，即ijijSdBSlg20)(（i,j=1,2）第四章噪声与小信号放大器4.6.3 放大器的放大器的S参数参数用S参数设计放大器时，可将晶体管等有源器件看做一个“黑箱”，只知道其端口参数，然后从系统或网络的角度出发来设计放大器。通过S参数，可计算放大器的功率增益、反馈损耗、输入或输出阻抗以及在工作时产生振荡的可能性等。同时，也可借助S参数设计最佳的
45、信号源阻抗或负载，作为放大器前后的共轭匹配，以提供最大的功率传输。第四章噪声与小信号放大器1 S参数与功率增益在小信号放大器的设计中，所谓功率增益，通常是指输出功率对输入功率的比值。但在实际的放大器中，常因测量功率时所取位置不同而有多种不同定义的功率增益。图4.6.3 所示为一个以双端口网络形式表示的放大器，输入端接信号源及其内阻，输出端接负载。第四章噪声与小信号放大器图4.6.3 放大器双端口网络上的功率第四章噪声与小信号放大器图中标出了四个位置的功率，分别如下：（1）PAVS：来自信号源的有效功率。（2）PIN：输入到双端口网络的功率。（3）PAVN：来自双端口网络的有效功率。（4）PL：
46、传输到负载的功率。这里以PL为输出功率，分别以PAVS与PIN为输入功率，或以PAVN为输出功率且以PAVS为输入功率，于是可得三种功率增益：传送功率增益GT=PL/PAVS，工作功率增益GP=PL/PIN和有效功率增益GA=PAVN/PAVS。第四章噪声与小信号放大器 这三种功率增益又分别可以用有源器件的S参数、信号源反射系数和负载反射系数表示如下：2LOUT2L2212S112S2L222L2212SIN2ST11111111SSSSG2L222L2212INP1111SSG2OUT2212S112SA1111SSG第四章噪声与小信号放大器其中，L11L211211IN1SSSSS22S2
47、11222OUT1SSSSOSOSSZZZZOLOLLZZZZ第四章噪声与小信号放大器由于S120，因此放大器的输出端对输入端存在反馈效应，于是GT有两种形式。图4.6.4所示为s、L、IN和OUT在双端口网络上呈现的位置。图4.6.4 双端网络的输入与输出第四章噪声与小信号放大器2 S参数与稳定性在设计射频放大器时，一项必不可少的重要工作是评估振荡倾向。S参数在这项工作中起到了重要作用。无条件稳定性指有源器件在其输入端和输出端接上任何阻抗后均能稳定工作。潜在性不稳定指有源器件与某些阻抗组合时，将会引发振荡。稳定性可利用由S参数导出的罗列特稳定因数K来判定。下面先定义一个参量：=|S11S22
48、S12S21|第四章噪声与小信号放大器那么，罗列特稳定因数为2112222211221SSSSK若K1，则有源器件是无条件稳定的，可与任何信号源阻抗或负载阻抗组合；反之，若K1，则是潜在性不稳定的，在与某些信号源阻抗或负载阻抗组合时，将会有引发振荡的可能。因而在K1时的并存共轭匹配放大器为例，说明S参数在放大器设计中的作用。所谓并存共轭匹配，是指输入端与输出端的反射系数都为共轭匹配，这样就可得到最大的功率输出。图4.6.5给出了一个并存共轭匹配放大器的设计框图，其要求的条件为IN=*s和OUT=*L，即第四章噪声与小信号放大器L11L211211*S1SSSSS22S211222*L1SSSS
49、由上式可知，有源器件的实际输出阻抗与其对应的信号源阻抗有关。同样地，它的实际输入阻抗与其对应的负载有关。第四章噪声与小信号放大器图4.6.5 并存共轭匹配放大器的原理框图第四章噪声与小信号放大器s和L都是S参数的函数，可描述此时所需的信号源阻抗与负载阻抗。设所需的反射系数分别为Ms和ML，经计算得到结果后，可用以设计输入端和输出端的匹配网络。设计步骤如下：（1）计算罗列特稳定因数K，根据K是否大于1来判定有源器件是否为无条件稳定的。（2）设参量B1=1+|S11|2|S22|2|2。（3）设参量C1=S11 S*22。第四章噪声与小信号放大器（4）计算输入端信号源反射系数：121211MS24
50、CCBB式中,“”的选择视B1的正负而定，若B1大于零，则取“”,否则取“+”。（5）设参量B2=1+|S22|2|S11|2|2。（6）设参量C2=S22 S*11。第四章噪声与小信号放大器（7）计算输出端负载反射系数：222222ML24CCBB式中,“”的选择视B2的正负而定，若B2大于零，则取“”，否则取“+”。(8)计算最大传送功率增益:2MsML2112ML22Ms112ML2212MSTmax)1)(1()1()1(SSSSSG第四章噪声与小信号放大器或)1(22221TmaxKKSSG(9)设计输入端匹配网络。在史密斯图上绘出Ms，从史密斯图中先找到Ms的顶点，再找到Zs（50
