复旦 李旦 高频电路 2.高频小信号放大器

1、第第 2 章章 高频小信号放大器高频小信号放大器 高频电路基础 2021-7-11高频电路基础 2 研究对象：高频小信号放大器 研究目的： 1、了解高频小信号放大器的电路结构 2、了解高频小信号放大器的各项指标 3、能够设计基本的小信号放大器 本章的目标 2021-7-11高频电路基础 3 高频小信号放大器概述 特点： 信号频率高（1051010Hz） 相对带宽较窄（103106Hz） 一般工作在线性状态 通常采用谐振回路（选频网络）作为负载 通常是低噪声放大器（LNA） 用途： 发送设备中的前置放大， 接收设备中的高频放大、中频放大等 2021-7-11高频电路基础 4 要求： 增益高、低噪

2、声、工作稳定、 合适的动态范围、合适的选择性 分类： 1、分立元件放大器。采用晶体管及谐振回路构成放大电 路，是高频放大电路的基础，也是本章主要讨论的对象 2、集成高频放大器。采用高频宽带集成放大电路及集总 参数滤波器构成放大电路，是目前高频小信号放大电路的 发展方向，本章将简要介绍 2021-7-11高频电路基础 5 高频小信号放大器的指标 增益 Gv，Gp 中心频率 f0 通频带 BW 选择性 BW0.1 / BW 稳定性 信噪比 S / N 动态范围 BW0.1 0.707Av0 Av Av0 f f0 BW 0.1Av0 2021-7-11高频电路基础 6 晶体管高频小信号放大器的常见

3、结构 匹配网络匹配网络 输 入 输 出 分窄带放大器和宽带放大器两种 窄带放大器的匹配网络兼有选频作用和阻抗匹配作用，通 常总是选频放大器，只对特定的频带放大 宽带放大器的匹配网络通常只有阻抗匹配作用，在一个很 宽的频带内保持较为平坦的幅频特性。 2021-7-11高频电路基础 7 高频晶体管的材料与结构 l双极型晶体管 lSi材料或GaAs材料。 l金属半导体场效应管 (MESFET) l结构类似JFET，金属与半导体直接接触构成肖特基结，一般 采用GaAs材料。 l异质结场效应管 l两层不同的半导体材料，例如GaAs和GaAlAs，或GaInAs和 GaAlAs，构成陡峭的界面。由于能带结

4、构的关系，电子被局 限在界面附近一个极薄层（几个纳米）内运动，形成所谓二维 电子气，具有极高的迁移率。 2021-7-11高频电路基础 8 晶体管的高频混合 p 模型 b e c rb rp rm rce Cm Cp b g v m be 高频晶体管混合p 模型，主要考虑了在高频情况下具有很大 影响的两个结电容 Cp 和 Cm （注：此模型忽略发射极电阻re和集电极电阻rc） 2021-7-11高频电路基础 9 晶体管的网络形式参数 晶体管 四端网络 形式参数 以网络端口上的电压和电流表示 以网络端口上的入射波和反射波表示 y参数（导纳参数） z参数（阻抗参数） h参数（混合参数） A参数（级

5、联参数） S参数（散射参数） 2021-7-11高频电路基础 10 以网络端口上的电压电流表示的形式参数 111122 121222 vAAv iAAi 四端网络 i1i2 v2v1 + 111121 221222 vhhi ihhv 111121 221222 vzzi vzzi 111121 221222 iyyv iyyv 2021-7-11高频电路基础 11 晶体管的 y 参数 yrvoyfvi yiyo vi ii vo io 晶体管的 y 参数等效电路如下： y 参数的特点：1、便于分析；2、可以用实验测量获得 2021-7-11高频电路基础 12 y 参数的定义（共射组态） 跨导

6、输入短路时的反向传输 跨导输出短路时的正向传输 输入短路时的输出导纳 输出短路时的输入导纳其中： 0 0 0 0 b c b c v c b re v b c fe v c c oe v b b ie bfecoec crebieb v i y v i y v i y v i y vyvyi vyvyi 2021-7-11高频电路基础 13 混合p 参数与 y 参数的转换 ()1 , 1()1() , 1()1() 11 bebcbbcmbc ieoebc bbebccebbebc mbcbc fere bbebcbbebc bebc yyr ygy yyy r yyrr yy gyy yy

7、r yyr yy yj Cyj C rr pm pm 其中：， 2021-7-11高频电路基础 14 晶体管的高频特性 由于 Cp 和 Cm 的存在，晶体管在高频应用时，具有下列特点 l输入阻抗和输出阻抗除了电阻成分外，带有电抗成分 l输入阻抗和输出阻抗是频率的函数 l正向传递函数中带有相移，且随频率变化 l由于电容的双向传输特性，使得输出端的信号能够反向传 输到输入端，形成晶体管的内反馈。频率越高，此内反馈 越强烈 晶体管参数在高频条件下的变化 yie , yoe 注：此曲线根据转换关系得到，晶体管混合p参数为 rb=60W， rp=1kW，rm=2.6MW，rce=65kW，Cp=780p

8、F，Cm=9pF，gm=38mS 2021-7-11高频电路基础 15 晶体管参数在高频条件下的变化 yfe , yre 注：此曲线根据转换关系得到，晶体管混合p参数为 rb=60W， rp=1kW，rm=2.6MW，rce=65kW，Cp=780pF，Cm=9pF，gm=38mS 2021-7-11高频电路基础 16 2021-7-11高频电路基础 17 晶体管高频小信号调谐放大器 l晶体管高频小信号调谐放大器一般采用LC谐振回路作为负 载。根据LC谐振回路的不同，可分为单调谐回路放大器和 双调谐回路放大器。 l高频调谐放大器的主要指标是增益（电压增益和功率增 益）、频率特性（通频带以及矩形

9、系数）等。其中频率特 性与谐振回路的参数有关，增益不仅与谐振回路有关，还 与晶体管参数及阻抗匹配情况有关。 l高频小信号放大器的另一个问题是它的稳定性。由于晶体 管在高频工作时具有强烈的内反馈，所以如何保证放大器 的稳定工作成为放大器设计的一个重要的内容。 2021-7-11高频电路基础 18 由于晶体管在高频工作时，内反馈会影响电路的稳定性，所以 一般都要采取某些措施将它消除。在下面的分析中，我们假定 已经采取了一定的措施消除了内反馈（单向化），此时晶体管 的 y 模型可以近似为： yieyoevbeyfe 晶体管 bc e 晶体管的单向化近似 2021-7-11高频电路基础 19 单调谐放

10、大器 常见电路及其交流等 效电路 1 4 53 2 C L VCC ZL 4 51 2 gLCL L 3 g0yie C yoevbeyfe 晶体管LC谐振回路负载 ysis 信号源 2021-7-11高频电路基础 20 由于谐振放大器的增益与频率特性均与谐振回路的频率特 性有关，所以分析谐振放大器时，首先要分析的就是谐振回路 的频率特性。 为了讨论谐振回路的频率特性，可以将连接在 LC谐振回 路上的所有负载（包括本级晶体管的输出参数和后级的负载） 都等效到 LC 谐振回路的两端。 为此，将本级晶体管的交流等效电路用晶体管单向化近似 模型代入。考虑抽头谐振回路中的阻抗变换关系后，可以将晶 体管

11、的输出参数ioe、yoe等效到 LC 谐振回路的两端。再将负载 阻抗等效到 LC 谐振回路两端。 谐振放大器的分析方法 2021-7-11高频电路基础 21 谐振放大器的频率特性 谐振回路 输入 输 出 晶体管单向化近似后，假设晶体管在放大器工作频段内的频 响是平坦的，则放大器的频率特性完全由谐振回路确定。 对于单调谐回路，归一化幅频特性为： 2 2 0 11 ( ) 2 1 1() L H Q 2021-7-11高频电路基础 22 1121324513 22(ce) 2 (LC)(LC)1(LC)1 (LC) 22(L) 2 (LC)(LC)2(LC)2 (LC) /,/ (), (), o

12、eoeoeoeoeoe LLLLLL pnnpnn n yygp gCp C n n yygp gCp C n 设谐振回路的匝数比为 信号源的等效：即 负载的等效：即 将源与负载都等效到LC回路两端 goe(LC)Coe(LC)gL(LC)CL(LC)g0CL 晶体管谐振回路负载 2021-7-11高频电路基础 23 将上述等效电路中有关 LC 谐振回路的所有电容合并， 所有电导合并，就得到下面的等效电路： LGyieCioeysis v13 1 3 合并同类元件以后的等效电路 22 (LC)(LC)12oeLoeL CCCCCp Cp C 22 0(LC)(LC)012oeLoeL gggg

13、gp gp g 2021-7-11高频电路基础 24 0 22 12 22 00012 0 00 22 00012 22 12 11 () 11 () 1 () 1 22 oeL L oeL oeL LLoeL LC L Cp Cp C Q LGL gp gp g Q Lg fgp gp g BW QQCp Cp C pp 谐振频率： 有载品质因数： 其中 通频带： 单调谐放大器的频率特性 2021-7-11高频电路基础 25 谐振放大器的增益 yieyfevi yL(ce) yoe vivo (ce) (ce) /() feioeLfe o v iioeL y vyyy v G vvyy 2

14、 2 2(ce) (ce)(ce) 22 (ce) feL oLL o Pv iie iie oeLie ygvgg P GG Pg vg yyg 电压增益 功率增益 1、考虑理想情况（匹配网络无损耗）： 2021-7-11高频电路基础 26 当输出端阻抗共轭匹配时，在负载上将得到最大功率 共轭匹配条件： (ce)(ce) , LoeLoe ggbb (ce) 2 oeLoe yyg 所以，共轭匹配时得到的最大功率增益为 2 max 4 fe p oeie y G g g 称之为额定功率增益 2 (ce) 2 (ce) feL P oeLie yg G yyg 代入 2021-7-11高频电路

15、基础 27 额定功率增益与晶体管参数的关系 2 max 4 fe p oeie y G g g 当工作频率 f fb 时，晶体管参数中的极间电容影响增大，此时有 2 222 max 1 , 22 1 4168 mm feieoemT bbbb fe mT p oeiebbbb C gg ygggf f C rrCC y gf G g gf r C Cr Cf m ppp pmm pp pp 额定功率增益与晶体管特征频率 fT 成正比，与信号频率平方 f 2成反比 2021-7-11高频电路基础 28 2 2 maxmax 2 oL oieL pvvp iiL ii vgPgg GGGG Pgg

16、 vg 电压增益 2 max max 42 fefe pv oeie oeL yy GG g gg g 代入阻抗匹配条件 22 2 21max 1 2 fe Loev oe y p p gp gG pg 代入阻抗变换关系 2 (LC)1max12 (LC) 2 fe oev y gp gGp p g 2021-7-11高频电路基础 29 增益带宽积 0 0(LC)0 (LC)0 11 2 2 L L f QBWLgf gLQ 12 max1200 2 fe vfe p py GBPGBWp pyL f C p max12 (LC) 2 fe v y Gp p g 谐振放大器的增益带宽积在晶体管

17、、谐振回路的参数 确定之后是一个常数 2021-7-11高频电路基础 30 回路损耗的影响 is gsgLg0 2 2 () sL o sL i g P gg 2 2 0 () sL o sL i g P ggg 有损耗 无损耗 22 0 0 11 oL o PgQ PgQ 两者 比值 注：考虑晶体管共射输出回路时，is 就是 ic，gs 就是 goe 2021-7-11高频电路基础 31 定义： 插入损耗IL（insertion loss），表示谐振回路本身损耗引起的 功率增益下降 2 0 (dB)10lg 1/ 1 L Q IL Q 考虑插入损耗后，放大器的功率增益 2 max 0 max

18、 (1) (dB)(dB)(dB) L pp pp Q GG Q GGIL 或 2021-7-11高频电路基础 32 0 130 1 60 S2.5pF| 40mS0.4mS120pF 465kHz10kHz 117576 H150 oeoefeieie gCygC fBW nLQ C L m m 已知高频小信号谐振放大器中，晶体管参数为 ，|， 第二级电路的晶体管参数与之相同。 工作频率与带宽为 ， 电感的匝数为 ， 试求:1.外接电容的值, 2.阻抗匹配时 的抽头及次级的 匝数 3.功率增益 例 T1 L2 C1 L1 3 T2 VCC 1 2 5 4 2021-7-11高频电路基础 33

19、 3 0 3 36 0 0 36 00 465 10 46.5 10 10 11 12.78 S 46.5 2465 10576 10 11 3.96 S 150 2465 10576 10 400 S 120 F L L Lie Lie f Q BW g QL g QL gg CCp m p m p m 因为第二级晶体管参数与第一级相同，所以 解 2021-7-11高频电路基础 34 22 120 22 12 10 20 121 452 2 2 (LC)1 ()/(2)(12.783.96)/(260)0.271 ()/(2)(12.783.96)/(2400)0.105 11731 117

20、12 (0.271)2.50.1 oeL oeL oe L oeoe p gp ggg g p gp g pggg pggg np np Cp C 根据匹配要求以及的定义， 匝 匝 2 2 (LC)2 2326 0 1 8pF (0.105)1201.32pF 11 203.4pF (2)(2465 10 )576 10 201.9pF LL oeL Cp C C fL CCCC pp 2021-7-11高频电路基础 35 22 0 2 32 66 200pF 465kHz 46.5 10lg 1/(1)10lg 1/(1)3dB 150 (40 10 ) 10lg10lg339(dB) 44

21、60 10400 10 39dB(7950) L fe p oeie L Q IL Q y GIL g g 实际采用的云母电容或高频瓷片电容，通过微调电感达 到谐振在。 增益计算： 功率增益约为倍 。 2021-7-11高频电路基础 36 阻抗失配的影响 is gsgL 22 max 2 ()4 sLs o sLs i gi P ggg 22 max 222 2 4 ()(1)(1) sLss oo sL s i gig PP ggg 阻抗匹配 阻抗不匹配 () Ls gg 失配损耗 22 ()(1) (dB)10lg10lg 44 sL sL gg DL g g 2021-7-11高频电路基

22、础 37 几个重要概念 额定功率增益：放大器可能的最大功率增益，仅与晶体管 有关 实际功率增益：放大器实际可能达到的功率增益，与放大 器两端的匹配程度有关，还与选频网络的插入损耗有关 放大器的频率特性：在晶体管的频响足够的条件下，仅由 选频网络的频率特性决定 2021-7-11高频电路基础 38 双调谐放大器 电路的频率特性曲线由谐振回路确定 在临界耦合状态有最大功率增益 额定功率增益和谐振回路插入损耗的计算与单调谐放大器相同 12 1200 1 22 2 fe fe p p y GBPp p yL f C p 2 2 max 1 0 | 1 1 4 fe L pp ieoe y Q GG I

23、Lg gQ 增益带宽积为一个常数 2021-7-11高频电路基础 39 例 同前例电路参数，调谐频率 f0=465kHz，BW=10kHz。其中晶 体管参数为：gie=400mS、Cie=120pF、|yfe|=40mS、goe=60mS、 Coe=2.5pF。高频变压器电感L=576mH、Q0=150，匝数n13=117 匝。后级放大器与本级相同。 若采用双调谐回路且工作于临界耦合状态，试计算两个谐振 回路的抽头匝数，以及电压增益和增益带宽积。 2021-7-11高频电路基础 40 临界耦合 : 。 Q值定义: 所以 0 2 L f BW Q 0 1 L Q gL 3 2 326 0 0 1

24、10 10 9.03S 2 22 2(465 10 )576 10 L BW g QLf Lpp 后级放大器与本级相同 假设两个谐振回路对称 22 12 2 10 2 20 oeie oe ie p gp g p ggg p ggg 在前例中已经解得g0=3.96mS，所以 121 452 11734 11713 np np 匝 匝 0 1 0 2 9.033.96 0.29 60 9.033.96 0.11 400 oe ie gg p g gg p g 2021-7-11高频电路基础 41 增益和增益带宽积计算如下： 707kHz v GBPGBW 12 3 6 20lg 2 40 10

25、20lg 0.290.1120lg(70.7)37dB 18.06 10 fe v y Gp p g 2 2 0 2 3 2 66 10lg(1) 4 40 10 65.8 10lg(1)37dB 4400 1060 10150 fe L p ieoe y Q G g gQ 2021-7-11高频电路基础 42 多级调谐放大电路 12012 0 2 0 , (1) 1 ()(1) 1 () () 1 fefe vv n vv v nn v nv n v n yy Gp pGp p GjG GG G Gj G G 多级调谐放大器的主要问题，是要解决增益与带宽的关系。 假定由级相同的单调谐放大器串

26、联，则每级的增益为 总增益为： 总的归一化谐振特性可以表示为： 2021-7-11高频电路基础 43 2 0 00 00 0 0.1 11 ()21 ()2 1 2 2121 21 0.1 () 1001 21 nnv n v LL nn LL n v n v n n G G BWf QQ ff ff BWBW QQ G G K 令，则 多级单调谐放大器的总带宽将下降到原来每级放大器带宽的。 同样，令，可以得到多级调谐放大器的矩形系数 多级单调谐放大电路的带宽 2021-7-11高频电路基础 44 结论： 随着 n 的增加，多级放大器的总带宽逐渐减小，同时矩形系数 也逐渐减小。但是当 n3 以

27、后，矩形系数的减小开始不明显， 所以一般的多级调谐放大器只用 23 级。 另一方面，若要维持电路的总带宽不变，则要求每级的带宽 BW 加大。但是由于每级的 GBP 是一个常数，所以这样做的结 果是每级的增益下降。 对于采用双调谐回路的多级谐振放大器，也有类似结论。 2021-7-11高频电路基础 45 l多级单调谐回路放大器的带宽、矩形系数与级数的关系 l多级临界耦合双调谐回路放大器的带宽、矩形系数与级数 的关系 n12345 BW/BW10.640.510.430.39 K0.19.954.663.743.383.19 n12 BW/BW10.8 K0.13.162.16 2021-7-11

28、高频电路基础 46 其他形式的高频小信号放大器 l晶体管放大器，但采用LC并联谐振回路形式以外的选频网 络，例如LC串并联结构的网络、微带线网络、固体谐振器 等。这种放大器的设计过程与前面讨论的基本一致，只要 考虑选频网络的阻抗匹配关系即可。 l集成放大器。这种放大器可分为专用与通用两类，一般都 采用宽带放大电路，体积小，可靠性高，大量采用固体谐 振器件，放大与选频相对独立，容易满足各自的要求，几 乎无需调整，便于大批量生产。 2021-7-11高频电路基础 47 介绍几种宽带放大器 /Hz /Hz lMAR-8SM+ l表面贴装单片高频放大器。电压增益：32.5dB 100MHz， 频率特性

29、：DC 1GHz，噪声指数：3.3dB，1dB压缩输出电 平： 12.5dBm 1GHz，电源电压：+7.8V lAD8334 l超低噪声可变增益放大器。频率 DC 100MHz，电压增益： 4.5dB+55.5dB可控，噪声电压：0.74nV ，噪声电流： 2.5pA ，电源电压：+5V，具有关断模式 lMAX2611 l低电压、低噪声高频放大器。功率增益：18dB，频率特性： DC 1100MHz，噪声指数：3.5dB，电源电压：+5V 2021-7-11高频电路基础 48 高频放大器的稳定性 (ce) 1 re besce siesie fe cebe oeL y viv yyyy y

30、vv yy (ce)(ce) ()()()() fefere cesce sieoeLsieoeL yy y viv yyyyyyyy ys b is yieyoe c yrevceyL(ce) e yfevbe 反馈项 2021-7-11高频电路基础 49 所以自激的条件： (ce) | | 1 | | 2 fere sieoeL fereio yy yyyy np (ce) | | | | sieoeL fere yyyy S yy 稳定系数 (ce) (ce) ()() 1 ()() fe sieoeL ces fere sieoeL y yyyy vi y y yyyy 输出可改写为：

31、 通常要求稳定系数410 2021-7-11高频电路基础 50 为了指导设计，通常将稳定系数与晶体管参数相联系 在放大器的前后选频网络都是LC谐振回路条件下： 具体推导过程见教材第二章2.59式2.62式。 (ce) 2()() sieoeL refe gggg S yy 2021-7-11高频电路基础 51 (ce) (ce) fe v oeL y G gg 2 (ce)(ce) 2 (ce) 2 (ce) () fe LL pv ieoeLie ygg GG gggg 2 (ce) 22 4()1 L ies p ie re g gg G gS y (ce)(ce) 2()()2()()

32、sieoeLsieoeL fe re refe gggggggg Sy ySyy 功率增益与稳定系数的关系 2021-7-11高频电路基础 52 例已知单调谐放大器参数与前例题相同：0 =2p465kHz、 gie=400mS、 Cie=120pF、 gm=|yfe|=40mS、 goe=60mS 、Cm Coe=2.5pF，并估计 。电感参数为n13=117、 n12=31、 n45=12。以稳定性设计重新计算增益，并与前例 的设计结果进行比较。 re yCm 前面例题中得到的其他 结果有： 400 S L gm 0 3.96 Sgm 后级输入电导 谐振回路损耗电导 2021-7-11高频电

33、路基础 53 2 (ce) 22 4()1 L ies p ie re g gg G gS y 前级放大器与本级阻抗匹配：gs = gie 解： 后级输入电导与谐振回路损耗电导的等效： (L)(LC) 22224513 (ce)00 (ce)(ce)1212 ()()()() LLL nn nn ggggg nnnn 224513 0 222 1212 16113956 ()() ie pL gnn Ggg nnSS Cm 所以： 若要求稳定系数S5，则Gp 560=27.5dB 注意到前例的Gp =39dB，S=1.33，显然稳定系数不够 2021-7-11高频电路基础 54 选用 Cm 小

34、的晶体管 降低 | yre | 的值。 降低放大器增益 降低 | yfe | 的值。 采用共射-共基组合电路，共射电路的电压增益近似于1，共 基电路的内反馈很小，使得组合后的电路总的内反馈减小， 稳定性提高。 早期还有一种中和法，在晶体管外部增加一个反馈电容，反 馈信号的极性与晶体管内的分布电容反馈的相反，形成信号 的抵消，现在基本已经不用。 提高稳定性的方法 ly参数的局限在很高频率下由于端口难以做到开路与短 路，所以难以在很高频率下测量 lS参数的特点用传输线连接待测元件，参数本身已经考 虑了端口的阻抗匹配影响，容易测量，容易应用 lS参数的定义 晶体管的S参数 2021-7-11高频电路

35、基础 55 2121 1122 11122122 1212 0000 , vvvv vvvv SSSS vvvv 2021-7-11高频电路基础 56 2 1 2 1 1 11 1 0 2 22 2 0 2 21 1 0 1 12 2 0 v v v v v S v v S v v S v v S v lS参数的意义 输出端阻抗匹配条件下，输入端的反射系数 由此参数可得到输入阻抗 输入端阻抗匹配条件下，输出端的反射系数 由此参数可得到输出阻抗 输出端阻抗匹配条件下的正向电压传递系数 由此参数可得到正向功率增益 输入端阻抗匹配条件下的反向电压传递系数 由此参数可得到反向功率增益 2021-7-1

36、1高频电路基础 57 用S参数表示的晶体管放大器增益 l放大器功率增益放大器输出功率与输入功率之比 2 2 21 22 22 1 (1) 1 L out P in inL P GS P S l放大器额定功率增益放大器输入端与信号源阻抗匹配 时，输出功率与信号源额定输出功率之比 2 2 21 22 (rate) 22 max 1 (1) 1 L out A S SL P GS P S 2021-7-11高频电路基础 58 l放大器变换功率增益放大器输出功率与信号源额定输 出功率之比 22 2 21 22 (rate) 22 11 11 SL out T S inSL P GS P S l单向化近

37、似条件下的放大器变换功率增益 22 2 21 22 1122 11 11 SL TU SL GS SS 2021-7-11高频电路基础 59 用S参数表示的晶体管放大器稳定性条件 绝对稳定条件： 11222112 222 1122 1221 1 1 1 2 SS SS S SSS k SS 注意，绝对稳定条件与给定的频率范围和偏置条件有关。 2021-7-11高频电路基础 60 高频小信号放大器中的自动增益控制（AGC电路） 目的：解决无线传输中由于信道衰落、温度变化、接收环 境变化等引起的输出不稳定问题 手段：利用反馈控制原理，在电路中插入增益可变的放大 器，随着输入信号的幅度大小自动调节增

38、益，使输出达到 基本稳定 2021-7-11高频电路基础 61 AGC电路的结构 2021-7-11高频电路基础 62 AGC电路的主要性能指标 l动态范围 在给定输出信号幅值变化范围内电路容许输入信号振幅的变 化范围。 设Do是电路限定的输出动态范围，Di是电路容许的输入动 态范围，自动增益控制电路的动态范围为Di /Do maxminminminmax maxminmaxmaxmin / / iiioiv ooooiv DVVVVG DVVVVG AGC电路的动态范围取决于放大器的增益变化范围 2021-7-11高频电路基础 63 l起控阈值 自动增益控制开始起作用时对应的输入电平 输入很

39、小时，为了保证放大器的灵敏度，不希望自动增益控 制起作用。只有当输入到达某个阈值后，AGC作用才开始， 称为延迟AGC 一般用调节参考电压的办法来实现延迟AGC 2021-7-11高频电路基础 64 l响应时间 输入信号幅度发生突变时，输出信号恢复到容许变化范围之 内的时间。 由于电路通过对可控增益放大器的增益控制来实现对输出信 号振幅变化的限制, 而控制信号取决于输入信号振幅的变 化，所以整个反馈环路的带宽决定了系统的响应时间，其 中的主要因素是低通滤波器的时间常数。 响应时间长度的要求取决于输入信号的类型和特点， 根据响 应时间长短分别有慢速AGC和快速AGC之分。 响应时间长，系统反映迟

40、钝；响应时间短，系统反映灵敏但 容易出现反调制现象。 2021-7-11高频电路基础 65 AGC电路中各部分的原理与结构 l电平检测电路 l获得输出信号的振幅大小信息 l常用二极管检波电路实现 2021-7-11高频电路基础 66 l滤波器 l低通滤波器 l由于振幅控制仅要求对输出信号振幅的缓慢变化 （信道慢衰落、温度变化、接收环境变化等引起） 起作用，所以要求此低通滤波器的截止频率很低， 一般要求低于10Hz 2021-7-11高频电路基础 67 l比较与控制信号形成电路 l获得误差信号，并将它放大到足够的电平以及正确 的极性，以控制可控增益电路 l有时直接在可控增益电路中实现上述功能 l

41、有时在二极管两端加上一定的负偏压，使得输出信 号必须大于某个阈值后才能得到检测信号，用以实 现延迟AGC 2021-7-11高频电路基础 68 l可控增益电路 l改变跨导进行控制 l改变负反馈强弱进行控制 l改变负载进行控制 l插入可变衰减器进行控制 l可变增益的集成放大电路 2021-7-11高频电路基础 69 改变跨导进行控制的电路 l一般通过改变工作点电流进行控制 gm IC 反向AGC 正向AGC 通过此电阻实现反向AGC VCC 2021-7-11高频电路基础 70 改变负载进行控制的电路 l控制电压（负向） 超过控制阈值时， 二极管导通使得放 大器的交流负载电 阻降低，从而降低 增

42、益 l此电路在降低增益 的同时降低LC回路 Q值，使得带宽增 加 VCC VAGC vi 2021-7-11高频电路基础 71 插入可变衰减器进行控制的电路 l利用二极管或场 效应管的导通电 阻可以随着工作 点的改变而改变 的特点，将它们 与其他器件（一 般是电阻）构成 分压式衰减器， 然后进行控制 vivo VAGC vivo VAGC 2021-7-11高频电路基础 72 可变增益的集成电路放大器举例 lAD603 结构框图 2021-7-11高频电路基础 73 lFEATURES lLinear-in-dB gain control lPin programmable gain rang

43、es l11 dB to +31 dB with 90 MHz bandwidth l9 dB to 51 dB with 9 MHz bandwidth lAny intermediate range, for example 1 dB to +41 dB with 30 MHz bandwidth lBandwidth independent of variable gain l1.3 nV/Hz input noise spectral density l0.5 dB typical gain accuracy lAPPLICATIONS lRF/IF AGC amplifier lVi

44、deo gain control lA/D range extension lSignal measurement 2021-7-11高频电路基础 74 应用电路应用电路 LOW NOISE AGC AMPLIFIER 2021-7-11高频电路基础 75 高频小信号放大器中的噪声 l噪声的来源 l外部噪声 宇宙噪声、大气噪声等 l内部噪声 粒子的热运动、半导体器件内载流子运动的不规则性等 l噪声的随机性 l由不可预测的窄脉冲构成 幅度、相位都具有随机性 l具有极宽的频谱 2021-7-11高频电路基础 76 噪声的功率谱密度 l由于噪声的随机性，其总体性质无法直接以电压相加或电 流相加得到

45、l噪声功率可以叠加 l噪声的平均功率 l噪声的功率谱密度 W ( f )，单位频带内的噪声功率 22 0 1 lim( ) T nn T vvt dt T 2 2 2 1 1 1 2 ( ) f f f nn f f f PvW f df 2021-7-11高频电路基础 77 噪声的功率传递 功率谱为 Wi( f ) 的噪声，通过传递函数为H( f ) 的线性时不变 系统，输出的噪声功率谱为 其中 称为系统的功率传递函数 2 ( )( )( ) oi WfH fW f 2 ( )H f Wi( f ) f f0 Wo( f ) f H( f )Wi( f )Wo( f ) Wo( f0 ) 白

46、噪声的功率传递 2021-7-11高频电路基础 78 将整个频率范围内的噪声功率等效为一个高度为 ， 宽度为Bn的矩形，则 所以 对于白噪声 2 00 ()() i HfWf 2 2 00 0 ()()()() nii BHfWfH fWf df 2 0 2 00 ( )( ) ()() i n i H fW f df B HfW f f0 Wo( f ) f Wo( f0) Bn 噪声的等效带宽 Bn 噪声功率 2 0 2 0 ( ) () n H fdf B Hf 2021-7-11高频电路基础 79 22 11 00 1 ( )( ) 2 n BHfdfHd p 如果系统的传递函数H(

47、f ) 为归一化函数H1( f )，则 例如，对于归一化的二阶传递函数 2 1 22 ( ) ()2 n nn H jj 其系统噪声带宽为 2 2 22 0 1 2()28 nn n nn Bd jj p 2021-7-11高频电路基础 80 常见的噪声及其模型 l热噪声 l导体中电子在绝对零度以上温度的无规则运动 l白噪声，具有极宽的频谱 l电阻的电压功率谱密度和电流功率谱密度： l用电压均方值或电流均方值表示的电阻噪声功率： ( )4 v WfkTR 1 ( )4 i W fkT R 2 4 nn vkTR B 2 4 nn kT iB R 4 nn vkTR B 4 nn kT iB R

48、 2021-7-11高频电路基础 81 l电阻热噪声的等效电路 vn2 R in2 R 噪声电压源等效 噪声电流源等效 多个电阻串联 噪声电压源叠加 多个电阻并联 噪声电流源叠加 2021-7-11高频电路基础 82 双极型晶体管的噪声 l在双极型晶体管中，主要的噪声有基区电阻 rbb 的热噪声， 两个PN结的散射噪声，以及由于基极电流和集电极电流 之间的分配涨落引起的分配噪声 。 l1/f 噪声一般在高频电路中可忽略。 l基区电阻热噪声和PN结散射噪声都是白噪声，分配噪声 与a 有关， ，当频率升高时，a 下 降，所以在高频区分配噪声增大 。 2 2 , 0 2(1) cn disCn iq

49、IB 2021-7-11高频电路基础 83 综合上述噪声来源，可以用下图描述晶体管的噪声。其中基 区电阻rbb的热噪声用基极串联的噪声电压源等效，而散射 噪声和分配噪声用并联的噪声电流源等效。 由于二极管只有一个PN结，其噪声主要是散射噪声。 2 bn v 2 bn i 2 cn i 2021-7-11高频电路基础 84 场效应晶体管的噪声 l场效应管的噪声主要是沟道电阻热噪声， ， l 与沟道长度有关，短沟道l=23，长沟道l=2/3 l另外，场效应管的沟道噪声通过栅-源电容和栅-漏电容被 感应到栅极然后放大，称为栅极感应噪声。此噪声随频率 升高而增大 l与双极型晶体管一样，1/f 噪声通常

50、可忽略 l忽略感应噪声后的场效应管 噪声模型如右图所示 2 dn i 2 4 dnmn ikT g Bl 2021-7-11高频电路基础 85 接收天线的噪声 l来源：周围介质辐射，宇宙辐射 l影响因素：周围介质温度、天线指向、频率 l表示方法：天线有效噪声温度TA 其中RA为天线的辐射电阻 2 4 n A An v T kR B 2021-7-11高频电路基础 86 噪声系数 l信噪比 l噪声系数 / S N P S N P ( /) ( /) i o S N NF S N 其中PS为信号功率，PN为噪声功率 即输入端信噪比与输出端信噪比之比 需要注意： 1、此输入端信噪比是进入网络的信号与

51、噪声（信号源的 噪声）之比，不包含网络本身的噪声 2、噪声系数一般只适用于线性网络 ( /) (dB)10lg ( /) i o S N NF S N 2021-7-11高频电路基础 87 对于一个线性网络，它对于各种信号同等放大。若此线性网络的功率 增益为GP，则其输出的信号功率和噪声功率分别为 soPsi PGP () () noPnini net PGPP 其中Pni 是信号源的噪声功率， Pni(net) 是系统内部的噪声折合到系统输 入端的功率，所以 ()() / (/) 11 (/)/ sinini netno net ino osonoPniniPni PPPP S NP NF

52、S NPPG PPG P 噪声系数 网络外部输入的噪声功率网络内部增加的噪声功率 网络外部输入的噪声功率 测量一个具体网络的噪声系数指标时必须规定输入噪声功率大小。 2021-7-11高频电路基础 88 考虑一个放大器，要使它具有最高增益，放大器的输入电阻ri应该等于 信号源内阻rs。 此时信号源输出的额定信号功率（即放大器的额定输入信号功率）为 信号源的额定噪声功率与信号源内阻无关 222 11 ()4() sisi ii ninsnn siisii rrrr rr PvkTr BkTB rrrrrr 信号源输出的噪声功率（输入放大器的额定噪声功率）为 信号源的额定输出功率随信号源内阻减小而

53、增加 2 22 1 () 4 si is sis siis rr rv Pv rrrr 2021-7-11高频电路基础 89 通常规定在标准噪声温度 T0 =290K 以及输入端阻抗匹配条件 下测量一个放大器的噪声系数指标，此时输入的噪声功率为 其中，Bn是该放大器的等效噪声带宽 所以： 0nin PkT B ()() () 21 0 ()() 21 0 11 (4 10)(W/Hz) 11 (4 10)(W/Hz) ni ampni amp amp nn no ampno amp pnpn PP NF kT BB PP GkT BGB 其中 Pni(amp) 是放大器内部产生的噪声在其输入端

54、的折合值 2021-7-11高频电路基础 90 例 已知放大器的功率增益Gp=20dB，噪声系数NF=3dB，噪声 带宽Bn=200kHz；若输入信号功率Psi= 100dBm，输入噪声 功率Pni= 115dBm，试求输出信号功率以及输入信噪比、 输出信噪比。 解 输出信号功率： ( /) (dB)(dBm)(dBm)( 100)( 115)15dB isini S NPP 输入信噪比： (dBm)(dBm)(dB)( 100)2080dBm sosip PPG 输出信噪比： ( /) (dB)( /) (dB)(dB)15312dB oi S NS NNF 2021-7-11高频电路基础

55、91 () () 0 13(dB)2 ni amp amp n P NF kT B 因为 13 ()0() (1)8 10mW ni ampnamp PkT B NF 所以 放大器输出端的噪声功率为 () () nopni ampni PGPP () 1312 (dBm)(dB)10log(mW)(mW) 2010log(8 103.16 10) 94(dBm) nopni ampni PGPP 即 所以 ( /) (dB)(dBm)(dBm)( 80)( 94)14(dB) osono S NPP 2021-7-11高频电路基础 92 等效噪声温度 噪声的另一种表示方法，是将网络内部产生的噪

56、声等效为 信号源内阻的温度的升高 vni2 = 4kT0rsBn rs有噪网络 vni(net)2(vni)2 = 4kT rs Bn rs无噪网络 222 2 ()0 ) 4 ( )4 nininai ni netsne sn vvv vk TT r BkT r B 令 (，则 称 Te 为此网络的噪声温度 2021-7-11高频电路基础 93 2 () 2 0 0 11 (1) ni net e ni e v T NF T v TNFT 显然 其中T0 为室温，通常采用290K 使用噪声温度的好处是在低噪声系数时比较容易分辨 例如，噪声系数 1.07 和 1.10，其噪声温度分别为 20K

57、 和 30K 2021-7-11高频电路基础 94 多级放大器的噪声系数 多级放大器的噪声系数主要决定于第一级 Gp1Gp2Gp3Pni Pni(amp1)Pni(amp2)Pni(amp3) Pno (1)123(2)23(3)3 () nonini amppppni ampppni ampp PPPG G GPG GPG ()(2)(3) 112 32 1 112 111 (1) 11 ni ampni ampni amp no nipninipnipp ppp PPP P NF PGPPGPG G NFNF NF GG G 2021-7-11高频电路基础 95 有噪网络与一个内阻为rs的

58、信号源连接时，信号源的噪声 2 ns v 噪声匹配 无噪网络 rs 2 ()ni net v 2 ()ni net i 2 ns v 有噪网络 2 ()ni net v 2 ()ni net i ：输入端短路时有噪网络的输出噪声功率等效到输入端 ：输入端开路时有噪网络的输出噪声功率等效到输入端 2021-7-11高频电路基础 96 网络内部噪声功率为 噪声系数 2 () 2 ()() ni net ni netni nets s v Pir r 网络外部噪声功率，即信号源噪声为 nin PkTB 22 ()()() 11 ni netni netni net s ninsn Pvi NFr P

59、kTBrkTB 令 d(NF)/d(rs)= 0，得到 NF 极小值的条件，即噪声匹配条件噪声匹配条件 2 () , 2 () ni net s opt ni net v r i 2021-7-11高频电路基础 97 在实际情况下，源内阻通常不等于噪声匹配的内阻。 信号源与网络之间存在两种匹配：一种是按照最大传输功率 的功率匹配，即源内阻与网络输入阻抗之间共轭匹配；另一 种是按照噪声系数最小的噪声匹配。具体采用何种匹配以电 路的要求确定。 在噪声匹配条件下，系统可以达到最小噪声系数为 22 ()() min 1 2 ni netni net n vi NF kTB 2021-7-11高频电路基

60、础 98 0.1110100 0 5 10 15 20 NF(dB) rs/rs,opt 1dB 2dB 3dB 4dB 5dB 10dB 噪声系数与噪声匹配的关系 , min , 1 1() 2 s opt s s opts r rNF NF rr 2021-7-11高频电路基础 99 l由于晶体管的等效输入噪声既有电压噪声，又有电流噪声， 所以存在一个噪声匹配的源内阻。 l 双极型晶体管的最佳源阻抗和最小噪声系数为 l 场效应管的最佳源阻抗和最小噪声系数为 晶体管的噪声匹配 ,min 1 1,11 s optm bbm bb m rg rNFg r g b b ,min 14 ,1 3 g