《射频电路基础》课件第4章.pptx

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4.6 S 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射频小信号放大器是射频通信设备中,尤其是接收机中的重要功能电路。其主要功能 是对微弱信号进行不

2、失真的放大,使信号达到足够的功率电平,可以提高接收机的接收灵 敏度。噪声与干扰泛指有用信号以外的其他一切无用信号。通常把有确定来源、有规律的来 自外部与内部的扰动称为干扰;把系统内部产生的无规则的起伏扰动称为噪声。对于一个 线性系统,当它工作在小信号状态时,它的许多性能指标都与噪声有关,如功率信噪比、误码率以及解调时的最低可调门限等。第四章 噪声与小信号放大器当将信号放大时,由于二极管和晶体管的非线性特 性,会产生增益压缩、交叉调制和互相调制等一系列非线性失真。这些非线性失真限制了 放大器所能放大的最小信号,因而使接收机的灵敏度有一极限值。对于大多数干扰而言,原则上可以通过合理设计和正确调整予

3、以削弱或消除;噪声是一种随机信号,其频谱很 宽,干扰能量分布于整个无线电工作频率范围内,相对难于消除。可见,噪声是影响接收 机性能的主要因素。那么,对于要将微弱信号放大的小信号放大器来说,就要求其除了具 有放大功能外,还要有一定的选频滤波、降低噪声的功能。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 所希望的信号之外的一切信号。然而,该定义没有区分人工噪声(如50Hz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对放大器而言,简单的级联最终并不能使灵

4、敏度有任何进一步的改善,这是因为噪声 与信号一起被放大了。在音频系统中,噪声表现为连续的“嘶嘶”声,而在视频系统中噪声 本身显示为模拟电视系统中特有的“雪花”效应。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

5、电阻上的电压第四章 噪声与小信号放大器电子管、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。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。第四章 噪声与小信号放大器很明显,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

6、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。总之,产生噪声的机理是很多的。然而,当系统工作在射频条件下时,两个最常见的 噪声源是热噪声和散粒噪声。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。(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

7、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(0dBm 表示1mW 功率)。引入了功率谱,就可以避免叠加相位的不 确定性。第四章 噪声与小信号放大器第四章 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(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

8、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。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电子电路中的器件主要有电阻、晶体管、场效应晶体管以及电容和电感等电抗元件。本节将分析这些元件的噪声大小及噪声等效电路。第四章 噪声与小信号放大器4.2.1 电阻

9、的热噪声及等效电路电阻的热噪声及等效电路第四章 噪声与小信号放大器图4.2.1 电阻的热噪声及等效电路第四章 噪声与小信号放大器图4.2.2 有噪电阻的串/并联第四章 噪声与小信号放大器第四章 噪声与小信号放大器4.2.2 晶体管的噪声晶体管的噪声 1.电阻热噪声电阻热噪声 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。第四章 噪声与小信号放大器2.散粒噪声散粒噪声 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

10、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。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:第四章 噪声与小信号放大器式中,q 是电子的电荷量(q=1.610-19C),IEQ是发射极的静态工作电流,Bn 为等效噪声 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。式(4.2.1)表明,晶体管的散粒噪声是白噪声。第四章 噪声与小信号放大器3.分配噪声分配噪声 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

11、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: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/f 噪声噪声 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

12、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)。因为晶体管工作在高频,所以等效电路中忽略了1/f 噪声。需要指出 的是,噪声等效电路中的re 和rbc都是模拟 出来的电阻,即分别模拟发射结和集电结上电压对电流的控制作用,因此它们都没有噪 声。第四章 噪声与小信号放大器理论分析表明,由于I2cn和I2en都与基区非平衡少子的不规则运动有关,因而它们是相 关的,但又因两者的相关性很弱,故在近似分析时可以认为

13、I2cn和I2en是统计独立的。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 表示场效应管的转移跨导,则沟道 热噪声的电流均方值: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: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

14、和I2nf互不相关,所以: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表示,其计算式 为由于场效应管靠多数载流子导电,所以不存在 分配噪声。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

15、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/P。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。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

16、入端为10dB,调频收音机鉴频器输入端为12dB,电 视接收机检波器输入端为40dB。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。由此 可见,输出功率信噪比相对于输入功率信噪比的变化可以确

17、切地反映电路在传输信号时的 噪声性能。噪声系数这一指标正在从这一角度引出的。第四章 噪声与小信号放大器1.噪声系数的定义噪声系数的定义 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比Pso/Pno的比值,即上述定义中,标准信号源是指输入端仅接有信号源及其内阻Rs,并规定该内阻Rs 在 温度T=290K 时所产生的热噪声为输入端的噪声源。第四章 噪声与小信号放大器噪声系数通常也用dB表示,即对于无噪声的理想电路,NF=0dB;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:第四章 噪声与小信号放大器式中,KF=

18、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。事实上,电路 输出端的噪声功率包括两部分,即 KFPni和电路内部噪声在输出端产生的噪声功率 Pn。因此,噪声系数也可以表示为第四章 噪声与小信号放大器式(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。应该指出的是,噪声系数只适用于线性电路。由于非线性电路输出端的功率信噪比会 随输入端信号和噪声的大小而变化,因此不能反映电路本身附加噪声的性能。也就是说

19、,噪声系数对非线性电路不适用。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

20、时,信号源最大输出功率(即信号额定功率Psim)为与此同时,输入噪声额定功率Pnim 为同理,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。第四章 噪声与小信号放大器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=Rs,Ro=RL 时,其额定功率增益为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,噪声系数可表示为将式(4.3.6)代入式(4.3.7),可得:式中,Pnm 为输出端

21、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3.等效噪声温度等效噪声温度 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

22、。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与噪声系数的关系 等效噪声温度和噪

23、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。第四章 噪声与小信号放大器图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。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。第四章 噪声与小信号放大器经放大器传输后,设输出信号功率分别为Pso和Pno,则有:根据噪声系数的定义

24、,可得:第四章 噪声与小信号放大器由上式可知,对于一个无噪系统,由于 NF=1,即噪声系数系数为0dB,因此它的等效噪 声温度也为零。在应用时,对放大器和混频器,常用噪声系数来描述;对天线和接收机,常 用等效噪声温度来描述。第四章 噪声与小信号放大器图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4.4 射频小信号放大器射频小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

25、 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 根据频带宽度,可将射频小信号放大器分为窄频带放大电路和宽频带放大电路两大类。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,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

26、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总之,射频小信号放大器应由两部分组成:有源放大器件和无源选频网络,如图4.4.1 所示。有源放大器件和无源选频网络选用不同的电 路,就可以组成不同形式的放大器。例如,按选频网络中的谐

27、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。第四章 噪声与小信号放大器图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 对于射频小信号放大器,要求具有低的噪声系数,足够的线性范围,合适的增益,输 入、输出阻抗匹配,输入、输出之间有良好的隔离等。在移动通信设备中,还要求具有低的 工作电源电压和低的功率消耗。特别要强调的是,所有这些指标都是互相联系的,有时甚 至是矛盾的,所以在设计中就要采用折中的原则,兼顾各项指标。第四章 噪声与小

28、信号放大器1.增益增益 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,即式中,uo、ui 分别为放大器中心频率上输出、输入信号的电压有效值;Po、Pi 分别为放大 器中心频率上的输出、输入功率。增益也通常用分贝来表示。第四章 噪声与小信号放大器需要强调的是,射频小信号放大器的增益要适中,过大会使下级混频器的输入太大,产生失真;过小则不利于抑制后面各级的噪声对系统的影响。一般要求放大器的增益是可 以控制的,即通过改变放大器的工作点、负反馈量、谐振回路的Q 值等参数来控

29、制电路的增益,通常采用自动增益控制电路(将在第九章介 绍)实现。第四章 噪声与小信号放大器2.通频带通频带 通频带定义为放大器在中心频率的增益下降 3dB时的上限截止频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 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

30、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,其定义为式中,BW0.1是增益下降到最大值的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第四章 噪声与小信号放大器4.线性范围线性范围 线

31、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1dB压缩点和 三 阶 互 调 截 点(IP3,Third orderInterce Point)来度量。在射频小信号放大器中,器件的跨p导t 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1dB的那一点就称为1dB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1dB压缩点第四章 噪声与小信号放大器输出有效功率Po 与输入功率Pi 成正比,而三阶互调输出功率与输入功率 Pi 的三次 方呈正比。如图4.4.4(a)所示

32、,它们的相交点即为三阶互调截点IP3,用对数坐标方程可表 示为式中,GP1是放大器的功率增益,GP3为放大器的三阶互调功率增益,Po1是基波功率,Po3 是三阶互调功率。显然,在以对数形式表示的坐标上,它们是两条直线,如图4.4.4(b)所示,图中分别标出了IIP3 和 OIP3 的位置。第四章 噪声与小信号放大器图4.4.4 三阶互调截点IP3 示意图第四章 噪声与小信号放大器在讨论射频小信号放大器的线性范围时要注意三个问题:一是线性范围与有源器件有 关,例如场效应管是平方律特性,因此它的线性要比晶体管好;二是与电路结构有关,例 如加负反馈、使用差分放大的形式等均能改善线性范围;三是输入端的

33、阻抗匹配网络的选 择也会影响线性范围。第四章 噪声与小信号放大器5.隔离度和稳定性隔离度和稳定性 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。第四章 噪声与小信号放大器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。一般来说,可以采取稳定工作点、限制

34、增益、选择反馈小的器件等方法来解决稳定性 问题。寄生反馈是引起不稳定的主要原因,必须尽力找出寄生反馈的途径,力图消除一切 可能产生反馈的因素。第四章 噪声与小信号放大器6.噪声系数噪声系数 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。以上指标要求相互间既有联系又有矛盾,比如提高增益会引起通频带变窄,稳定性降低。因此,实际中应根据具体情况分清主次、综合考虑,使放大器的总体性能指标

35、满足系统要求。第四章 噪声与小信号放大器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。从电路形式上看,调谐放大器可分为单调谐放大器、双调谐放大 器和参差调谐放大器。单调谐放大器的选择性不太好,但电路简单,调试方便。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

36、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。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图4.5.1 晶体管单调谐放大器第四章 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

37、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。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第四章 噪声与小信号放大器图中,rce为晶体管ce极间输出电阻。考虑到rce和RL 的影响后,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。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,它们的关系为第四章 噪声与小信号放大器第四章 噪声与小信号放大器谐振电路的频率特性决定单级单调谐放大器的选频性能,其有载品质因数QL

38、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。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0dB)代表谐振点,A/A0=0.707点(若用分贝表示则为-3dB)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。第四章 噪声与小信号放大器图4.5

39、.3 调谐放大器频率特性曲线的两种表示方法第四章 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

40、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。对于这两类放大器,本书 不作详细论述,读者可以参阅相关资料和文献。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

41、。在放大器设计上,可以应用S 参数简单方便地计算其增益、反馈损耗及 工作稳定性等。第四章 噪声与小信号放大器4.6.1 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

42、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4.6.1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。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第四章 噪声与小信号

43、放大器第四章 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。此外,还可以用S 参数来设计特定的信号源及负载阻抗,以获得所需的功率增益或噪声度。第四章 噪声与小信号放大器1.S 参数与功率增益参数与功率增益 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

44、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第四章 噪声与小信号放大器图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

45、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。第四章 噪声与小信号放大器下面先定义一个参量:那么,罗列特稳定因数为第四章 噪声与小信号放大器若 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时放大器的设计,有关 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

46、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。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=S1

47、1-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:(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:式中,“”的选择视B2 的正负而定,若B2 大于零,则取“-”,否则取“+”。第四章 噪声与小信号放大器(8)计算最大传送功率增益:或第四章 噪声与小信号放大器(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)与输入端的串联容抗 XS1串联的轨迹,接下来找出Zs 与输入端的并联感 抗 XP1并联的轨迹,再根据匹配网络的设计原则,由各

48、轨迹及其交点求得所需的匹配网络。(10)设计输出端匹配网络。在史密斯图上绘出ML,从史密斯图中先找到ML的顶点B，再找出ZL(50)与输出端的串联容抗XS2串联的轨迹,接下来找出ZL 与输出端的并联感 抗XP2并联的轨迹,再根据匹配网络的设计原则,由各轨迹及其交点求得所需的匹配网络。第四章 噪声与小信号放大器【例【例4.6.1】设计一工作于 50 端点的放大器,已知所用晶体管的 UCEQ=10 V,ICQ=10mA,工作频率为200 MHz时的S 参数为:S11=0.40162,S12=0.0460,S21=5.2063,S22=0.35-39。要求获得最大的功率增益。解解:放大器以并存共轭匹

49、配设计。下面先求 所需的Ms、ML和GTmax,再设计匹配网络。可 将输入/输出匹配网络设计为 L型,则从双端口 网络的 角 度 出 发,应 得 到 如 图 4.6.6 所 示 的 框图。第四章 噪声与小信号放大器图4.6.6 输入/输出的 L型匹配网络第四章 噪声与小信号放大器图4.6.6中,XP1为输入端的并联感抗;XS1 为输入端的串联容抗;XP2 为输出端的并联感 抗;XS2为输出端的串联容抗。下面按步骤来设计该放大器。第四章 噪声与小信号放大器第四章 噪声与小信号放大器(9)设计输入端匹配网络。将Ms=0.49157.9画在阻抗圆图上,见图4.6.7中的 A 点,读出A 点的归一化阻

50、抗值Zs=rs+jXs。接下来的过程如下:第四章 噪声与小信号放大器图4.6.7 输入匹配网络的圆图设计第四章 噪声与小信号放大器(10)设计输出端匹配网络。与输入端匹配网络的设计方法相同,可得到输出端的并联 电感为LL=49.7nH,串联电容为CL=12.4pF。最后,可画出设计完成的放大器交流通路,如图4.6.8所示。第四章 噪声与小信号放大器图4.6.8 设计完成的放大器第四章 噪声与小信号放大器4.7 宽频带小信号放大器宽频带小信号放大器4.7.1 宽频带放大器的特点宽频带放大器的特点 当射频放大电路的相对带宽小于10%时,通常称为窄带放大电路。射频窄带放大电路 由于工作频率带宽较窄,