[理学]第二章 高频电路基础

高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 2.1.2高频电路中的组件 1.高频振荡回路 1）简单振荡回路：电感与电容组成的串并联电路。 (1)串联谐振回路 阻抗 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 阻抗特性曲线 串联谐振频率 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 谐振电流 任意频率下回路电流与谐振电流之比 其中： 称为品质因数 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 因 引入广义失谐 则 谐振曲线为 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 令 得通频带 （ 2）并联谐振回路 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 阻抗 阻抗特性曲线 见图 c 并联谐振频率 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 其中 当 谐振电阻 当回路谐振时，阻抗最大且为一纯电阻 R0 用谐振电阻表示的阻抗 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 2）抽头并联振荡回路（部分接入） （ 1） 常用的几种抽头振荡回路 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 （ 2）接入系数 p 与外电路相连的那部分电抗与本回路参与分压的同性质总电抗之比。 （ 3）电阻、电压、电流的部分接入关系 （ 4）采用部分接入后，回路电流 IL和 IC与 I的比值要减小，即 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 两式相比得 即 （ 5）用元件参数表示的接入系数 电感部分接入 无互感 有互感 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 电容部分接入（如图 2 9e） 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束2 . 2 电子噪声 2.2.1概述 在通信和测量系统中，放大电路对微弱信号的放大要受到内部噪声的限制。由于放大电路具有内部噪声，当外来信号通过放大电路放大输出的同时，也有内部噪声输出。若外来信号小到一定值时，放大器输出信号和噪声大小相差不多，以致在放大器的输出端难以分辨。 1.噪声（干扰）定义 所谓噪声（干扰）就是除有用信号以外的一切不需要的信号及各种电磁骚动的总称。它是在放大电路或电子设备的输出端与有用信号同时存在的一种随机变化 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 的电流或电压，在没有有用信号时，它也存在。噪声和干扰是两个同义术语，没有本质的区别。习惯上，将外部来的称为干扰，内部产生的称为噪声。 2.噪声类型 按噪声发生地点分：外部噪声（干扰）和内部噪声（干扰） 按产生噪声的根源分：自然干扰和人为干扰 按电特性分：脉冲型、正弦型、起伏型 3.抑制外部干扰的措施 消除干扰源、切断干扰传播途径（屏蔽）、躲避干扰 2.2.2电子噪声的来源与特性 在电子线路中，噪声来源主要有两方面：电阻热噪声和半导体管噪声（晶体管噪声） 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 1.电阻热噪声 一个电阻在没有外加电压时，电阻材料的自由电子要作无规则的运动、发生碰撞、复合和产生二次电子现象。对一个电子，其一次运动过程，就会在电阻两端产生很小的电压，电压的正负由电子的运动方向决定。大量的热运动电子就会在电阻两端产生起伏电压。就一段时间看，出现正负电压的概率相同，因而两端的平均电压为零。但就某一瞬时来看，电阻两端电压的大小和方向是随机变化的。 这种因热运动而产生的起伏电压就称为电阻的热噪声 。 噪声电压是随机变化的，无法确切地写出它的数学表达式。大量的实践和理论分析已经找出了它们的规律性，可以用噪声电压均方值和功率谱密度来描述。 1）热噪声电压和功率谱密度 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 表达式 当电阻的温度为 T（ K） 时，电阻 R两端噪声电压的均方值为 该式称为 奈奎斯特公式 。式中， k=1.3710-23J/K为波尔茨曼常数； B为测量此电压时的带宽； T为绝对温度，均方根 En表示起伏电压交流分量的有效值。 由于热噪声电压是由大量电子运动产生的起伏电压之和，总的噪声电压 en服从正态分布（高斯分布），即其概率密度 p(en)为 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 具有这种分布的噪声称为 高斯噪声 。 分析可得， en4En的概率小于 0.01，即 en大于此值的概率实际上可以忽略。 等效电路图 2 31 电阻热噪声等效电路 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 即电阻的热噪声可以用一个噪声电压源和一个无噪声的电阻串联表示或用一个噪声电流源和一个无噪声的电导并联表示。 电阻热噪声也可以看成是一噪声功率源，其输出的最大噪声功率为 该式表明，电阻的输出热噪声功率与带宽成正比。则单位频带内的最大噪声功率为 kT， 它与观察的频带范围无关，称为噪声源的 噪声功率谱密度 。 这种功率谱不随频率变化的噪声，称为 白噪声 。 为了方便计算电路中的噪声，引入噪声电压谱密度或噪声电流谱密度。 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 均方电压谱密度：单位频带内的噪声电压均方值。 均方电流谱密度：单位频带内的噪声电流均方值。 即 2）线性电路中的热噪声 （ 1）多个电阻的热噪声 设两个电阻（ R1、 R2） 的噪声电势是统计独立的，即互不相关。再设串联后的电势瞬时值为 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 其均方值为 即只要各噪声源是相互独立的，则总的噪声服从均方叠加原则。 （ 2）热噪声通过线性网络 研究图 2 32的电路模型，并设其传递函数为 H（ j）， 则对单一频率的信号来说，输出量与输入量之比就与 H 2 （ j） 成正比。即 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 现以噪声通过 LC振动回路（如图 2 33）为例分析噪声通过线性网络的特性： 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 由电路，其传输函数为 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 将并联回路等效为串联回路（如图 2 33c）， 则 经化简并整理得 与（ 2 55）式对比得 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 重要 结论 ： 对于线性二端网络，噪声电压谱密度或噪声电流谱密度 SU、 SI可以用等效电阻 Re（ 或 Ge） 来代替下式中的 R或 G 电阻热噪声通过线性电路后，一般就不再是白噪声了（因 Re是频率的函数） 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 输出端的均方噪声电压为 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 3）噪声带宽 对图 2 32的电路模型，设其传递函数为 H（ j）。 设输入一电阻热噪声，均方电压谱为 Sui=4kTR， 输出均方电压谱为 Su0， 则输出均方电压 E2n2为 设 H（ j） 的最大值为 H0， 则可定义等效噪声宽度 Bn， 则 等效噪声带宽 Bn为 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 等效噪声带宽的物理意义：使 H20与 Bn为两边的矩形面积与曲线下的面积相等。如图 2 34所示。 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 以单振动回路为例，计算其等效噪声带宽。 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 由此可得等效噪声带宽为 已知并联回路的通带为 故 对多级单调谐回路，级数越多，传输特性越接近矩形，Bn越接近 B0.7； 对临界耦合的双调谐回路， Bn 1.11 B0.7 高频电路原理与分析第 2章 高频电路基础 结束 2.晶体三极管的噪声 在晶体三极管中，除了其中某些分布电阻（ rbb） ， 会产生电阻热噪声以外，还有以下几种噪声来源。 1）散弹（粒）噪声 由于载流子随机起伏流动产生的噪声，称为 散弹噪声或散粒噪声 。散弹噪声与电阻热噪声一样也是白噪声，但其