第1章 基础知识 2009-2.ppt

第1章基础知识 徐娟同济大学电子信息学院2009年9月 2 本章内容 1 1选频网络1 2集中选频滤波器1 3电噪声1 4反馈控制电路原理及其分析方法 3 1 2集中选频滤波器 通信系统中接收设备的首要任务是把所需的有用信号从众多无用信号和噪声 非线性失真等干扰中选取出来 加以放大 抑制和滤除这些无用信号和噪声干扰 通信中这一功能通常由一个重要部件 选频滤波器 来实现 4 1 2集中选频滤波器 为了滤除和抑制从天线进入的各种干扰和噪声 天线输出端必须紧接着设置一个预选滤波器 传统的预选滤波器是一个LC并联谐振回路 该回路还必须和本振同路实现统调 图1传统的LC预选回路 5 1 2集中选频滤波器 由前面讨论可知 1 LC储能元件组成的谐振回路滤波器的通带宽度和选择性是矛盾的 2 通带宽度和选择性与回路品质因素QP值有关 QP增加 选择性变好 带宽变窄 QP减小 带宽加宽 选择性变差 3 由多个LC并联回路组成的LC集中选择性滤波器能较好地改善这一矛盾 但其通带性能还是不能满足通信机的要求 电子设计师们利用机电转换原理和压电效应特性 采用新型的电子材料设计出高Q高性能的带通选频滤波器 机械滤波器 晶体滤波器 陶瓷滤波器 SAW滤波器等 6 1 2集中选频滤波器 1 2 1晶体滤波器和陶瓷滤波器1 2 2SAW滤波器 7 1 2 1晶体滤波器和陶瓷滤波器 晶体滤波器有常规晶体滤波器和单片晶体滤波器 MCF 两种 石英晶体片具有两种压电效应 1 当对晶体沿某一特定方向施加拉伸机械力时 在它的某些特定表面上产生正负交变电荷 即交变电压 且外力大小与电荷密度存在着一定关系 称之正向压电效应 2 当在晶体两端加上交变电压时 它又会产生伸缩的机械振动 即在某些特定方向上将出现变形 称之反向压电效应 8 1 2 1晶体滤波器和陶瓷滤波器 当交流电压加在晶体两端时 晶体先随电压变化产生应变 然后机械振动又使晶体表面产生交变电荷 石英晶体是具有弹性的固体 对某一种振动方式具有一个固定的机械振动频率fs 当外加交变信号频率在fs附近时 晶体就会在fs频率点上产生共振 谐振 因此当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时 晶体片的机械振动最大 晶体表面电荷最多 外电路中的交流电流最强 某些常用的陶瓷材料 如锆钛酸铅 与石英晶体一样 也具有类似的压电效应和谐振特性 9 1 2 1晶体滤波器和陶瓷滤波器 压电陶瓷片和石英晶体均具有谐振电路的特性 其空载品质因数可达几百以上 选择性非常好 目前石英晶体的基频可以做到60MHz 250MHz 晶体的Q值可达50000以上 用压电陶瓷片和石英晶体可以分别做成陶瓷滤波器和晶体滤波器 10 1 2 1晶体滤波器和陶瓷滤波器 陶瓷滤波器对输入输出的阻抗要求不苛刻 可以很方便地接入放大电路中 图2陶瓷滤波器在中放电路中的连接图 陶瓷滤波器性能优良 体积小 重量轻 成本低 可方便地接入电路中 现代通信电路中已得到广泛的应用 但因陶瓷工艺与硅集成工艺不相容 因此 陶瓷滤波器是无法与有源电路集成在一个芯片上的 11 1 2 2声表面波 SAW 滤波器 SAW滤波器是利用某些晶体的压电效应和表面传播特性 实现滤波功能 SAW滤波器由于是利用机械振动产生的声波 在固态压电基片表面的传播来达到滤波效果 称之声表面波 SAW 滤波器 12 图中 假设换能器A被某一中频电信号激励 并产生机械振动声波 该声波就会同时向接收换能器B和C两个方向传播 B和C接收到声波后 会同时转换成相同的电信号输出 为使能量不受损失 B和C的输出是并联的 如果不采用并联输出 能量将损失一半 这将增加滤波器的插入损耗 1 2 2声表面波 SAW 滤波器 13 SAW的声波波长只有同样频率的电磁波的波长的十万分之一 因此SAW技术可以提供足够小的小型化器件 SAW技术在工艺上和物理尺寸上易于做出很高频率的滤波器 目前已广泛应用于通道中频滤波 天线双工器的SAW双工滤波器 射频振荡器的VCOSAW谐振器以及调制解调器的SAW解调器等 SAW滤波器接入电路中 还必须考虑匹配问题 因为叉指换能器IDT既有电阻特性 又具有电抗特性 而且在通带内外也有差别 1 2 2声表面波 SAW 滤波器 14 非相关噪声还可以划分为外部噪声和内部噪声两大类 1 外部噪声 其主要来源有 大气噪声 宇宙噪声和人为噪声 工业干扰 外部噪声又称外界环境噪声 它是通过通信系统的天线进入而形成干扰的 1 3电噪声 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载噪声之中而无法接收到 15 图多种源的平均无线电噪声功率谱密度 确定了通信接收机的噪声系数 1 3电噪声 16 2 内部噪声 内部噪声主要来自通信系统内部电路器件 电路中的电阻是无源器件噪声源 而二极管 晶体三极管和场效应管等则是有源器件噪声源 这些噪声源所产生的噪声可分为热噪声 散弹噪声 分配噪声和闪烁噪声等散弹噪声 分配噪声和闪烁噪声等是由有源器件产生的 热噪声则在无源和有源器件中都会出现 1 3电噪声 17 1 3电噪声 1 3 1电阻热噪声1 3 2晶体管噪声1 3 3场效应管噪声1 3 4额定功率和额定功率增益1 3 5线性四端网络的噪声系数1 3 6等效输入噪声温度1 3 7接收灵敏度 18 现象 热噪声电压un t 是一个随机量 原因 由电阻 或导体 内的自由电子热运动产生的 自由电子的热运动是随机运动 图4 1电阻热噪声电压示意图 1 3 1电阻热噪声 电阻热噪声电压示意图 19 统计特性 时域在一个较长的观测时间内 热噪声电压的平均值为零 即 热噪声电压正是无规则地偏离此平均值而起伏变化 热噪声电压的均方值 1 3 1电阻热噪声 20 1 3 1电阻热噪声 频域 电阻热噪声具有极宽的频谱 0 1013Hz以上 虽然热噪声电压的振幅频谱无法确定 但功率频谱是完全确定的 理论和实践证明 在单位频带 1Hz 内 电阻R两端的噪声电压均方值 噪声电压功率谱密度函数 其中 T 绝对温度 K 室温 27 273 300K k 波尔兹曼常数 k 1 38 10 23J K 21 1 3 1电阻热噪声 白噪声 在绝对温度为零时 没有自由电子随机运动 即热噪声为零 噪声电流功率谱密度函数 图电阻热噪声的功率谱示意图 22 带内噪声 尽管电阻热噪声的频谱很宽 但实际测试 接收 系统的通频带有限 当电阻接入系统时 将对电阻热噪声进行滤波 只有位于通频带内的那一部分噪声功率才能对系统产生影响 假设测试系统的通频带是宽度为Bn 幅度为1的理想矩形 这时对系统而言 电阻热噪声电压的均方值为 1 3 1电阻热噪声 其中 Bn 带宽 Hz 23 在电路的噪声分析中 一个实际的电阻器R可以等效为一个理想的无噪声电阻R和一个均方值为U2n的热噪声电压源相串联 根据等效电源定理 也可以等效为一个理想的无噪声电导G和一个均方值为I2n的热噪声电流源相并联 其中 噪声电流源 式中 电导G 1 R 1 3 1电阻热噪声 24 图电阻器的热噪声等效电路 b 热噪声电流源 c 热噪声电压源 1 3 1电阻热噪声 25 由于电阻热噪声为一随机量 不同电阻产生的热噪声电压 电流 是彼此独立 互不相关的 因此 当电阻串 并联后 其总噪声应按均方值叠加的规则进行计算 例如 在相同温度下 电阻R1和R2串联后 其总噪声电压的均方值应为 即两个串联电阻的总噪声电压均方值等于串联等效电阻R R1 R2产生的噪声电压均方值 1 3 1电阻热噪声 26 1 3 1电阻热噪声 图电阻串联时的噪声等效电路 27 1 3 2晶体管噪声 1 热噪声基区体电阻热噪声 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 28 1 3 2晶体管噪声 2 散弹噪声散弹噪声是晶体管的主要噪声源晶体管外加偏压时 由于载流子越过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弹噪声 散弹噪声电流的均方值为 q是电子的电荷量 1 6 10 19 IEQ是发射极静态工作电流 散弹噪声是白噪声 29 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的波动 这种因分配比例随机变化而产生的噪声称为分配噪声 集电极电流中的分配噪声电流均方值为 1 3 2晶体管噪声 式中 ICQ是集电极静态工作电流 0是晶体管共基极直流电流放大系数 f 是共基极截止频率 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 则分配噪声愈大 30 4 闪烁噪声噪声闪烁噪声又称1 f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反比关系 所以它不是白噪声 1 f噪声产生的机理比较复杂 主要与半导体材料及其表面特性有关 由于1 f噪声在低频 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 1 3 2晶体管噪声 31 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 沟道电阻由于受栅源电压控制因而不是一个恒定电阻 若gm表示场效应管的转移跨导 则沟道热噪声电流的均方值为 场效应管中的另一噪声源是栅极漏电流IG产生的散弹噪声 且 1 3 3场效应管噪声 场效应管也存在1 f噪声 反映在漏极端的噪声电流均方值为 式中 IDQ是静态工作电流 32 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 高频工作时 1 f噪声可以忽略 对于MOS场效应管 因栅极泄漏电流很小 所以I2Gn极小 只有当信号源内阻很大时才考虑其影响 1 3 3场效应管噪声 33 1 3 4额定功率和额定功率增益 信号额定功率是指电压信号源可能输出的最大功率 当负载阻抗RL与信号源阻抗Rs匹配时 信号源输出功率最大额定功率为 额定功率是表征信号源的一个参量 与其实际负载值无关 电阻R的噪声额定功率为 电阻的噪声额定功率只与温度及通频带有关 而与本身阻值和负载无关 34 1 3 4额定功率和额定功率增益 额定功率增益GPA是指一个线性四端网络的输出额定功率PAo与输入额定功率PAi的比值 额定功率增益GPA是表征线性四端网络的一个参量 只要网络与其信号源电路确定 则额定功率增益就是一个定值 而与该网络输入 输出电路是否匹配无关 35 1 3 4额定功率和额定功率增益 例求如右图所示四端网络的额定功率增益 解 PAi即为输入信号源的额定功率 从四端网络输出端往左看 其戴维南等效电路是由信号源与电阻Rs R串联组成的 所以输出端额定功率为 36 1 3 4额定功率和额定功率增益 故额定功率增益为 结论 四端网络的额定功率增益仅与网络电阻和信号源内阻有关 而与负载无关 且无论网络输入 输出端是否匹配均为一固定值 37 1 3 5线性四端网络的噪声系数 为了使放大器能够正常工作 除了要满足增益 通频带 选择性等要求之外 还应对放大器的内部噪声加以限制 一般是对放大器的输出端提出满足一定信噪比的要求 对于其它线性四端网络也有同样的要求 信噪比 四端网络某一端口处信号功率与噪声功率之比信噪比SNR Signal to NoiseRatio 通常用分贝数表示 38 1 3 5线性四端网络的噪声系数 显然 信噪比越大 信号的质量越好 当信号通过无噪声的理想线性电路时 其输出的信噪比等于输入的信噪比 若电路中含有有噪元件 如热噪声和散弹噪声 由于信号通过时附加了电路的噪声功率 故输出的信噪比小于输入的信噪比 使输出信号的质量变坏 39 1 3 5线性四端网络的噪声系数 1 噪声系数定义2 噪声系数的计算式3 放大器内部噪声表达式4 级联噪声系数5 无源四端网络的噪声系数 40 1 3 5线性四端网络的噪声系数 噪声系数定义 噪声系数 或温度 是衡量线性电路本身噪声性能的参数通过输出信噪比相对输入信噪比的变化 可以确切地反映电路在传输信号时的噪声性能 噪声系数指标正是从这一角度引出的 线性电路的噪声系数NF定义为 在标准信号源激励下 输入端的信噪比Si Ni与输出端的信噪比So No的比值 即 41 1 3 5线性四端网络的噪声系数 噪声系数定义 噪声系数通常也用dB表示 对于无噪声的理想电路 NF 0dB 有噪声的电路 其dB值为某一正数 42 1 3 5线性四端网络的噪声系数 噪声系数定义 上述定义中Pni是随信号一起进入放大器的噪声功率 其大小随机的 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Pni进行标准化 规定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 用T0表示 时所产生的热噪声为输入端的噪声源 Pni是输入信号源内阻Rs的噪声源产生的输入端噪声功率Pno是由热噪声和放大器内部噪声共同在放大器输出端产生的总噪声功率相应的噪声系数称为标准噪声系数 43 1 3 5线性四端网络的噪声系数 噪声系数的计算式 噪声系数还可以表示为以下形式 式中 GP Pso Psi为功率增益 上式说明 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 GPPni 的比值 而与输入信号的大小无关 44 1 3 5线性四端网络的噪声系数 噪声系数的计算式 事实上 电路输出端的噪声功率包括两部分 即GPPni和电路内部噪声在输出端产生的噪声功率 Pn 因此 噪声系数也可表示为 说明 对线性电路 噪声系数由电路自身的参数决定 为常数 对非线性电路则不是 所以噪声系数只适用于线性或准线性电路 45 1 3 5线性四端网络的噪声系数 噪声系数的计算式 噪声系数的另一种形式是用额定功率来代替实际功率 即不用考虑实际负载大小 仅考虑一种最佳情况 噪声系数可写为 或 由于 和 因此有 式中 PnAn是放大器内部噪声额定功率 46 1 3 5线性四端网络的噪声系数 放大器内部噪声表达式 放大器内部噪声额定功率PnAn的表达式为 结论 当NF 1时 PnAn 0 进一步表明了噪声系数是衡量放大器内部噪声性能的参数 47 1 3 5线性四端网络的噪声系数 级联噪声系数 考虑两级放大器 设它们的噪声系数和额定功率增益NF1 NF2和GpA1 GpA2 且假定通频带也相同 总输出噪声额定功率为 式中 PnAn1和PnAn2分别是第一级放大器和第二级放大器的内部噪声额定功率 48 1 3 5线性四端网络的噪声系数 级联噪声系数 可得 最后可求得两级放大器总噪声系数为 49 1 3 5线性四端网络的噪声系数 级联噪声系数 对于n级放大器 将其前n 1级看成是第一级 第n级看成是第二级 因此可得 可见 在多级放大器中 各级噪声系数对总噪声系数的影响是不同的 前级的影响比后级的影响大 且总噪声系数还与各级的额定功率增益有关 所以为了减小前级放大器的噪声系数 必须降低前级放大器 尤其是第一级 的噪声系数 而且增大前级放大器 尤其是第一级 的额定功率增益 50 1 3 5线性四端网络的噪声系数 级联噪声系数 例1 7某接收机由高放 混频 中放三级电路组成 已经混频器的额定功率增益GpA2 0 2 噪声系数NF2 10dB 中放噪声系数NF3 6dB 高放噪声系数NF1 3dB 如果要求加入高放后使整个接收机总噪声系数降低到加入前的1 10 则高放的额定功率增益GpA1应为多少 解 未加高放时接收机噪声系数为 加高放后时接收机噪声系数为NF 2 5 51 1 3 5线性四端网络的噪声系数 级联噪声系数 又因为 因此GpA1 48 16 8dB 从该例子可以看出 加入一级高放后使整个接收机噪声系数大幅度下降 原因 整个接收机的噪声系数并非只是各级噪声系数的简单叠加 而是各有一个不同的加权系数第一级采用低噪声高增益电路是极其重要的 在接收机前端 位于接收天线之后的预选滤波器与混频器之间 通常都加入了一级前置低噪声高频放大器LNA LowNoiseAmplifier 52 1 3 5线性四端网络的噪声系数 无源四端网络的噪声系数 无源四端网络内部不含有源器件 但总会含有耗能电阻 所以从噪声角度来说 可以等效为一个电阻网络 电阻的噪声额定功率与阻值无关 均为kTBW 因此无源四端网络的输入噪声额定功率和输出噪声额定功率相同 kTBW 无源四端网络噪声系数为 53 1 3 6等效输入噪声温度 等效输入噪声温度Te也是衡量线性电路本身噪声性能的参数噪声温度Te是将实际四端网络内部噪声看成是理想无噪声四端网络输入端信号源内阻Rs在温度Te时所产生的热噪声Rs的温度变为T0 Te 54 1 3 6等效输入噪声温度 因为 由等效关系图可知 因此有 或 结论 Te越大 表示四端网络的噪声性能越差理想四端网络的Te为零 噪声温度常用在低噪声接收系统中 其特点是把噪声系数的尺度放大 便于比较 55 1 3 7接收灵敏度 接收机的灵敏度是指为保证必要的输出信噪比 正常工作 接收机输入端上所需的最小有用信号电压或功率 该信号电平越低 则接收灵敏度越高 表示接收微弱信号的能力越强 设接收灵敏度为EA 接收天线等效阻抗RA 单位 则接收机输入端额定信噪比为 56 1 3 7接收灵敏度 若正常工作时接收机输出额定信噪比为D Pso Pno 则有 所以 结论 灵敏度主要取决于接收机内部噪声NF的大小 NF越小 则EA越小 灵敏度越高 超外差式接收机的灵敏度一般在0 1 1 V 57 1 4反馈控制电路原理及其分析方法 反馈控制电路是一种自动调节电路 它可以通过负反馈的方式 改善和提高电子系统的性能指标 或者实现某些特定的技术要求 在通信系统中 反馈控制电路是一种不可缺少的组成部分 根据控制对象参量的不同 反馈控制电路可分为三类 自动增益控制 AutomaticGainControl 简称AGC 自动频率控制 AutomaticFrequencyControl 简称AFC 自动相位控制 AutomaticPhaseControl 简称APC 58 1 4反馈控制电路原理及其分析方法 AGC电路用于小信号放大器和功率放大器之中 可以使输出信号的振幅或功率稳定或满足一定的要求AFC电路可以在调幅接收机中稳定中频 也可以在调频振荡器中稳定载频 或者在调频接收机中改善解调质量APC电路又称为锁相环 PhaseLockLoop 简称PLL 电路 它的应用更为广泛 59 1 4反馈控制电路原理及其分析方法 1 4 1反馈控制原理1 4 2分析方法 60 1 4 1反馈控制原理 反馈控制电路的组成如下图所示 其中误差信号提取电路的作用是提取反馈信号f t 和参考信号r t 之间的差值即误差信号e t 然后经过控制信号发生器送出控制信号c t 对可控器件的某一特性进行