通信电子线路210.ppt

例1: L=0.8H, Q0=100, C=5pF, C1=20pF, C2=20pF, R=10k, RL=5k,试计算回路的谐振频率，谐振电阻。,谐振频率:,电阻RL的接入系数:,等效到回路两端的电导:,解： 回路电容:,电感的损耗电导:,电阻R等效电导:,回路总电导为,回路谐振电阻为,2.3 晶体管的高频小信号等效模型,双口网络:具有两个端口的网络,四端网络外部结构与双口网络相同, 但对流入流出电流没有类似的规定, 这是两者的区别。,端口:指一对端钮, 流入其中一个端钮的电流总是等于流出另一个端钮的电流。,双口网络在每一个端口都有一个电流变量和一个电压变量, 因此共有四个端口变量。 如设其中任意两个为自变量, 其余两个为应变量, 则共有六种组合方式, 也就是有六组可能的方程用以表明双口网络端口变量之间的相互关系。 参数方程就是其中的一组, 它是选取各端口的电压为自变量, 电流为应变量。,晶体管的高频小信号等效电路主要有两种表示方法：,高频中常采用Y参数等效电路。 因晶体管是电流受控元件，输入输出端都有电流，采用Y参数系较方便; 另外很多导纳的并联可直接相加，使运算简单。,+ u1 -,+ u2 -,+ U1 -,+ U2 -,设电压u1和u2为自变量， 电流i1和i2为参数量， 可得Y参数系的约束方程：,晶体管Y参数等效电路,+ u1 -,+ u2 -,受控电流源: yrU2 ：输出电压对输入电流的控制作用（反向控制） yfU1 ：输入电压对输出电流的控制作用（正向控制） fe越大, 表示晶体管的放大能力越强； re越大, 表示晶体管的内部反馈越强。 re的存在, 对实际工作带来很大危害, 是谐振放大器自激的根源, 同时也使分析过程变得复杂, 因此应尽可能使其减小, 或削弱它的影响。,Y参数的物理意义,输入导纳 输入电压对输入电流的控制作用。,正向传输导纳 输入电压对输出电流的控制作用,反向传输导纳 晶体管输出电压对输入端的反作用,输出导纳 输出电压对输出电流的控制作用,*对于共基接法，y参数用 表示，则:,*对于共集接法，y参数用 表示，则:,参数法从测量和使用的角度出发, 把晶体管作为一个有源线性双口网络, 用一组网络参数构成其等效电路。 优点：导出的表达式具有普遍意义, 分析测量方便。 缺点：网络参数与频率有关。由于高频小信号谐振放大器相对频带较窄, 一般仅需考虑谐振频率附近的特性, 因而采用这种分析方法较合适。,晶体管参数获取方法：测量、查阅晶体管手册。 测量方法：分别使输出端或输入端交流短路, 在另一端加上直流偏压和交流信号, 然后测量其输入端或输出端的交流电压和交流电流, 代入式中可求。,PN结特性： 正偏 R小 C大 反偏 R大 C小,:基区纵向电阻。几十 100 ,:结电阻。较小 几十几百,:结电容，较大，100pf500pf。,:结电容，很小。2pf10pf,:极间电容，很小。,发射结正偏,集电结反偏,:结电阻，很大。100K100M,:受控电流源，而 ，称为跨导，单位为 S 。,:极间电阻，很大。几十K,混合参数法是从模拟晶体管的物理机构出发, 用集中参数元件、和受控源来表示管内的复杂关系。 优 点: 各元件参数物理意义明确, 在较宽的频带内元件值基本上与频率无关。 缺 点: 随器件不同而有不少差别, 分析和测量不方便。因而混合型等效电路法较适合于分析宽频带小信号放大器。,2.3.1单调谐回路谐振放大器,电路图,3 2 1,5 4,yie,yoe,yreuce,yfeube,C,yL,L,+ ube -,+ uce -,So：放大器的输入导纳Yi不仅与晶体管的输入导纳Yie有关，而且还与放大器的负载YL有关。,原因：Yre的存在,其中：,2.3.2 多级单调谐放大器,可知: 级相同的单调谐放大器的总增益比单级放大器的增益提高了, 而通频带比单级放大器的通频带缩小了, 且级数越多, 频带越窄。,In another word：如多级放大器的频带确定以后, 级数越多, 则要求其中每一级放大器的频带越宽。所以, 增益和通频带的矛盾是一个严重的问题, 特别是对于要求高增益宽频带的放大器来说, 这个问题更为突出。这一特性与低频多级放大器相同。,2.4 小信号谐振放大器的稳定性 共射电路由于电压增益和电流增益都较大, 所以是谐振放大器的常用形式。 以上我们在讨论谐振放大器时, 都假定了反向传输导纳re, 即晶体管单向工作, 输入电压可以控制输出电流, 而输出电压不影响输入。 实际上re0, 即输出电压可以反馈到输入端, 引起输入电流的变化, 从而可能引起放大器工作不稳定。 如果这个反馈足够大, 且在相位上满足正反馈条件, 则会出现自激振荡。,要提高放大器的稳定性： （1）是从晶体管本身想办法, 减小其反向传输导纳re值。 re的大小主要取决于集电极与基极间的结电容bc选择晶体管时应尽量使其bc减小, 使反馈容抗增大, 反馈作用减弱。 （2）是从电路上设法消除晶体管的反向作用, 使它单向化。 具体方法有中和法与失配法。 中和法是在晶体管的输出端与输入端之间引入一个附加的外部反馈电路（中和电路）, 以抵消晶体管内部参数re的反馈作用。由于re的实部（反馈电导）通常很小, 可以忽略, 所以常常只用一个电容N来抵消yre的虚部（反馈电容）的影响, 就可达到中和的目的。, 放大器的稳定系数,调谐放大器等效电路,S越大，放大器越稳定.对于一般放大器来说， 就可以认为是稳定的。,稳定系数与电路参数的关系,将输入电压 与正反馈电压 的比值定义为稳定系数., 单调谐放大器的稳定电压增益,什么是稳定电压增益？,不加任何稳定措施，并满足稳定系数S（例如 ）要求时，放大器工作于谐振频率的最大电压增益。,放大器的等效电路,则,当回路谐振时，谐振电压增益为,将稳定系数S式中的 代入上式,稳定电压增益,结论: 根据稳定系数的要求( )确定 这是没有稳定措施的情况下，允许的最高电压增益。 实际的电压增益 ，则放大器稳定。,稳定电压增益与电路参数的关系, 放大器稳定的判断 （例题）,例如，已知某晶体管在工作频率为 时， 。用其做放大器，若 认为是稳定的。可以计算：,说明用该晶体管设计制作放大器，只要放大器电压增益不大于12.52，在没有任何稳定措施条件下，放大器是稳定的。即满足 的要求。,1. 中和法 为了抵消Yre的反馈, 从集电极回路取一与 反相的电压 , 通过Yn反馈到输入端。,则中和条件为:,则中和条件为:,注意： （1）由于re是随频率而变化的, 所以固定的中和电容N只能 在某一个频率点起到完全中和的作用, 对其它频率只能有部分中和作用, （2）又因为re是一个复数, 中和电路应该是一个由电阻和电容组成的电路, 但这给调试增加了困难。 （3）另外, 如果再考虑到分布参数的作用和温度变化等因素的影响, 中和电路的效果很有限。 ,失配法通过增大负载电导L, 进而增大总回路电导, 使输出电路严重失配, 输出电压相应减小, 从而反馈到输入端的电流减小, 对输入端的影响也就减小。 可见, 失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定。 ,2. 失配法,失配法的实质：是降低放大器的电压增益，以确保满足稳定的要求。,用两只晶体管按共射共基方式连接成一个复合管是经常采用的一种失配法。 由于共基电路的输入导纳较大, 当它和输出导纳较小的共射电路连接时, 相当于使共射电路的负载导纳增大而失配, 从而使共射晶体管内部反馈减弱, 稳定性大大提高。,2.7 电噪声,电子电路的输出端与有用信号同时存在的一种随机变化的电流或电压，没有有用信号时，它也存在。 eg:广播的“沙沙”声；电视的“雪花” 背景或波纹线,都是接收机中的放大器和其它元器件存在噪声的结果。 噪声对有用信号的接收产生了干扰, 特别是当有用信号较弱时,噪声的影响就更为突出,严重时会使有用信号淹没在噪声之中而无法接收。 噪声的种类很多。有的是从器件外部窜扰进来的, 称为外部噪声；有的是器件内部产生的, 称为内部噪声。 本书只介绍内部噪声。内部噪声源主要有电阻热噪声、晶体管噪声和场效应管噪声三种。,2.7.1 电阻热噪声 电阻热噪声是由于电阻内部自由电子的热运动产生的。在运动中自由电子经常相互碰撞, 因而其运动速度的大小和方向都是不规则的。温度越高, 运动越剧烈。只有当温度下降到绝对零度时, 运动才会停止。自由电子这种热运动在导体内形成非常微弱的电流, 这种电流呈杂乱起伏的状态, 称为起伏噪声电流。起伏噪声电流流过电阻本身就会在其两端产生起伏噪声电压。 由于起伏噪声电压的变化是不规则的, 其瞬时振幅和瞬时相位是随机的, 所以无法计算其瞬时值。起伏噪声电压的平均值为零, 噪声电压正是不规则地偏离此平均值而起伏变化。,but: 起伏噪声的均方值是确定的, 可以用功率计测量出来。 实验发现：在整个无线电频段内, 当温度一定时, 单位电阻上所消耗的平均功率在单位频带内几乎是一个常数, 即其功率频谱密度是一个常数。对照白光内包含了所有可见光波长这一现象, 人们把这种在整个无线电频段内具有均匀频谱的起伏噪声称为白噪声。,功率谱密度,1) 热噪声电压和功率谱密度,阻值为的电阻产生的噪声电压功率频谱密度为：,其中：k是波尔兹曼常数, k=1.3810-23JK; 是电阻温度, 以绝对温度计量。,在频带宽度内产生的热噪声方均值电流和方均值电压分别为：,So: 一个实际电阻可以分别用噪声电流源或噪声电压源表示。,fn：电路的等效噪声带宽,不能直接把噪声电压相加 而只能把产生噪声的两个源的功率相加（或者将两个噪声电压的方均值相加）：,可见两个串联电阻所输出的总噪声电压均方值相当于两个电阻串联阻值所产生的热噪声。,在两个噪声源互不相关的条件下，计算两个串联电阻的总噪声电压：,可见两个并联电阻所输出的总噪声电压方均值相当于两个电阻并联阻值所产生的热噪声,2.7.2 晶体管噪声 晶体管噪声主要包括以下四部分： . 热噪声 构成晶体管的发射区、基区、集电区的体电阻和引线电阻均会产生热噪声, 其中以基区体电阻rbb的影响为主。 .散粒噪声 散粒噪声是晶体管的主要噪声源。它是由单位时间内通过PN结的载流子数目随机起伏而造成的。人们将这种现象比拟为靶场上大量射击时弹着点对靶中心的偏离, 故称为散粒噪声。在本质上它与电阻热噪声类似, 属于均匀频谱的白噪声。 发射结散粒噪声其主要作用。,S(f) =2qI0,S(f) =4kTrbb,. 分配噪声 在晶体管中, 通过发射结的非平衡载流子大部分到达集电结, 形成集电极电流, 而小部分在基区内复合, 形成基极电流。 这两部分电流的分配比例是随机的, 从而造成集电极电流在静态值上下起伏变化, 产生噪声, 这就是分配噪声。 分配噪声实际上也是一种散粒噪声, 但它的功率频谱密度是随频率变化的, 频率越高, 噪声越大。,.闪烁噪声 产生这种噪声的机理目前还不甚明了, 一般认为是由于晶体管表面清洁处理不好或有缺陷造成的, 其特点是频谱集中在约KHz以下的低频范围, 且功率频谱密度随频率降低而增大。在高频工作时, 可以忽略闪烁噪声。,（一） 噪声电路的等效噪声频带宽度,则：,又因为：,面积相等,因为：,所以：,功率传输系数,线性网络的等效噪声带宽与信号通频带是不同的两个概念，前者是从噪声角度引出来的，后者是对信号而言的。,对于单调谐回路而言：,如果放大器内部不产生噪声, 当输入信号与噪声通过它时, 二者都得到同样的放大, 那么放大器的输出信噪比与输入信噪比相等。而实际放大器是由晶体管和电阻等元器件组成，热噪声和散粒噪声构成其内部噪声, 所以输出信噪比总是小于输入信噪比。为了衡量放大器噪声性能的好坏，提出了噪声系数这一性能指标。 放大器的噪声系数NF(Noise Figure)定义为输入信噪比与输出信噪比的比值, 即:,（二）噪声电路的噪声系数的定义,如果用分贝数表示, 则写作:,可以看出： （1）NF是一个大于或等于的数。 （2）其值越接近于, 则表示该放大器的内部噪声性能越好。 （3）式中的ni是随信号一起进入放大器的噪声功率, 其大小是随机的, 而噪声系数应是表征放大器内部噪声的确定值, 所以有必要对ni标准化。,因为,是放大器内部噪声额定功率。,噪声系数的计算式,是信号源产生的噪声通过放大电路放大之后在输出端所产生的噪声功率。,定义：,则：,额定功率：当信号源内阻和线性网络的输入阻抗相等；网络输出电阻与负载电阻相等时,信号源有最大功率输出，称为额定输入