高频电路基础第2章高频小信号放大器

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2021-11-16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2021-11-16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2021-11-16高频电路基础4要求： 增益高、低噪声、工作稳定、 合适的动态范围、合适的选

2、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2021-11-16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BW0.10.707Av0AvAv0ff0BW0.1Av02021-11-16高频电路基础6晶体管高频小信号放大器的常见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

3、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。2021-11-16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。2021-11-16高频电路

4、基础8晶体管的高频混合 p 模型becrbrprmrceCmCpbg vm 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）2021-11-16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（级联参数）S参数（散射参数）2021-11-16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111122121222vAAviAAi四端网络i1i2v2v1+111121

5、221222vhhiihhv111121221222vzzivzzi111121221222iyyviyyv2021-11-16高频电路基础11晶体管的 y 参数yrvoyfviyiyoviiivoio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2021-11-16高频电路基础12y 参数的定义（共射组态）跨导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：0000bcbcvcbrevbcfevccoevbbiebfecoeccrebiebviyviyviyviyvyvyivyvyi2021-11-16高频电路基

6、础13混合p 参数与 y 参数的转换()1,1()1(), 1()1()11bebcbbcmbcieoebcbbebccebbebcmbcbcferebbebcbbebcbebcyyr ygyyyyr yyrr yygyyyyr yyr yyyj Cyj Crrpmpm其中：， 2021-11-16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

7、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=780pF，Cm=9pF，gm=38mS 2021-11-16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 2021-11-16高频电路基础162021-11-16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

8、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。2021-11-16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（

9、单向化），此时晶体管的 y 模型可以近似为：yieyoevbeyfe晶体管bce晶体管的单向化近似2021-11-16高频电路基础19单调谐放大器常见电路及其交流等效电路14532CLVCCZL4512gLCLL3g0yieCyoevbeyfe晶体管LC谐振回路负载ysis信号源2021-11-16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

10、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2021-11-16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：22011( )211()LHQ2021-11-16高频电路基础22112132451322(ce)2(LC)(LC)1(LC)1(LC)22(L)2(LC)(LC)2(LC)2(LC)/,/(

11、),(),oeoeoeoeoeoeLLLLLLpnnpnnnyygp gCp Cnnyygp gCp Cn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2021-11-16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：LGyieCioeysisv1313合并同类元件以后的等效电路22(LC)(LC)12oeLoeLCCCCCp Cp C220(LC)(LC)012oeLoeLgggggp gp g2021-11-16高频电路基

12、础240221222000120002200012221211()11()1 ()122oeLLoeLoeLLLoeLLCL Cp Cp CQLGL gp gp gQLgfgp gp gBWQQCp Cp Cpp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2021-11-16高频电路基础25谐振放大器的增益yieyfeviyL(ce)yoevivo(ce)(ce)/()feioeLfeoviioeLy vyyyvGvvyy 222(ce)(ce)(ce)22(ce)feLoLLoPviieiieoeLieygvggPGGPgvgyyg电压增益功率增益1、考虑理想情况（匹配网络无损

13、耗）：2021-11-16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),LoeLoeggbb (ce)2oeLoeyyg所以，共轭匹配时得到的最大功率增益为2max4fepoeieyGg g称之为额定功率增益2(ce)2(ce)feLPoeLieygGyyg代入2021-11-16高频电路基础27额定功率增益与晶体管参数的关系2max4fepoeieyGg 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2222max1,2214168mmfeieoemTbbbbfemTpoeiebbbbCggygggff C rrCCyg

14、fGg gf r C Cr Cfmppppmmpppp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2021-11-16高频电路基础2822maxmax2 oLoieLpvvpiiLiivgPggGGGGPggvg电压增益2maxmax 42fefepvoeieoeLyyGGg gg g代入阻抗匹配条件 22221max1 2feLoevoeypp gp gGpg代入阻抗变换关系 2(LC)1max12(LC) 2feoevygp gGp pg2021-11-16高频电路基础29增益带宽积00(LC)0(LC)01122LLfQBWLgfgLQ12max12002fe

15、vfep pyGBPGBWp pyL fCpmax12(LC)2fevyGp pg谐振放大器的增益带宽积在晶体管、谐振回路的参数确定之后是一个常数 2021-11-16高频电路基础30回路损耗的影响isgsgLg022()sLosLi gPgg220()sLosLi gPggg有损耗无损耗220011oLoPgQPgQ两者比值注：考虑晶体管共射输出回路时，is 就是 ic，gs 就是 goe2021-11-16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 20(dB)10lg 1/ 1LQILQ考虑插入损耗后，放大器的功率增益 2m

16、ax0max (1)(dB)(dB)(dB)LppppQGGQGGIL或 2021-11-16高频电路基础320130160 S2.5pF| 40mS0.4mS120pF465kHz10kHz117576 H150oeoefeieiegCygCfBWnLQCLmm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T1L2C1L13T2VCC12542021-11-16高频电路基础3330336003600465 1046.510 101112.78 S46.5 2

17、465 10576 10113.96 S150 2465 10576 10400 S120 FLLLieLiefQBWgQLgQLggCCpmpmpm因为第二级晶体管参数与第一级相同，所以解2021-11-16高频电路基础34221202212102012145222(LC)1 ()/(2)(12.783.96)/(260)0.271()/(2)(12.783.96)/(2400)0.1051173111712(0.271)2.50.1oeLoeLoeLoeoep gp ggggp gp gpgggpgggnpnpCp C根据匹配要求以及的定义，匝匝22(LC)22326018pF(0.105

18、)1201.32pF11203.4pF(2)(2465 10 )576 10201.9pFLLoeLCp CCfLCCCCpp2021-11-16高频电路基础3522023266200pF465kHz46.510lg 1/(1)10lg 1/(1)3dB150(40 10 )10lg10lg339(dB)4460 10400 1039dB(7950)LfepoeieLQILQyGILg 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 。2021-11-16高频电路基础36阻抗失配的影响isgsgL22max2()4sLsosLsi giPggg22max2

19、2224()(1)(1)sLssoosLsi gigPPggg阻抗匹配 阻抗不匹配 ()Lsgg失配损耗 22()(1)(dB)10lg10lg44sLsLggDLg g2021-11-16高频电路基础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2021-11-16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

20、谐放大器相同121200122 2fefep p yGBPp p yL fCp22max10|114feLppieoeyQGGILg gQ增益带宽积为一个常数 2021-11-16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。 2021-11-16高频电路基础40

21、临界耦合 : 。 Q值定义: 所以02LfBWQ01LQgL3232600110 109.03S2 22 2(465 10 )576 10LBWgQLf Lpp后级放大器与本级相同假设两个谐振回路对称2212210220oeieoeiep gp gp gggp ggg在前例中已经解得g0=3.96mS，所以 1214521173411713npnp匝匝01029.033.960.29609.033.960.11400oeieggpgggpg2021-11-16高频电路基础41增益和增益带宽积计算如下：707kHzvGBPGBW123620lg240 1020lg 0.290.1120lg(70

22、.7)37dB18.06 10fevyGp pg2202326610lg(1)440 1065.810lg(1)37dB4400 1060 10150feLpieoeyQGg gQ2021-11-16高频电路基础42多级调谐放大电路12012020,(1)1()(1)1()()1fefevvnvvvnnvnvnvnyyGp pGp pGjGGGGGjGG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：2021-11-16高频电路基础4320000000.111()21()2122121210.1()100

23、121nnvnvLLnnLLnvnvnnGGBWfQQffffBWBWQQGGK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2021-11-16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-

24、11-16高频电路基础45l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n12345BW/BW10.640.510.430.39K0.19.954.663.743.383.19n12BW/BW10.8K0.13.162.162021-11-16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

25、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。2021-11-16高频电路基础47介绍几种宽带放大器/Hz/HzlMAR-8SM+ l表面贴装单片高频放大器。电压增益：32.5dB 100MHz，频率特性：DC 1GHz，噪声指数：3.3dB，1dB压缩输出电平： 12.5dBm 1GHz，电源电压：+7.8VlAD8334 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、

26、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：+5V2021-11-16高频电路基础48高频放大器的稳定性(ce)1rebescesiesiefecebeoeLyvivyyyyyvvyy (ce)(ce)()()()()feferecescesieoeLsieoeLyy yvivyyyyyyyyysbisyieyoecyrevceyL(ce)eyfevbe反馈项2021-11-16高频电路基础49所以自激的条件：(ce)| |1| |2feresieoeLfereioyyyyyynp(ce)| | |sieoeLfereyyyySyy稳定

27、系数(ce)(ce)()()1()()fesieoeLcesferesieoeLyyyyyviy yyyyy输出可改写为：通常要求稳定系数4102021-11-16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()()sieoeLrefeggggSyy2021-11-16高频电路基础51(ce)(ce)fevoeLyGgg2(ce)(ce)2(ce)2(ce)()feLLpvieoeLieyggGGgggg2(ce)224()1LiespieregggGgSy(ce)(ce)

28、2()()2()()sieoeLsieoeLfererefeggggggggSyySyy功率增益与稳定系数的关系2021-11-16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。reyCm前面例题中得到的其他结果有：400 SLgm03.96 Sgm后级输入电导谐振回路损耗电导2021-11-16高频电路基础532(ce)22

29、4()1LiespieregggGgSy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()()()()LLLnnnngggggnnnn2245130222121216113956()()iepLgnnGggnnSSCm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 2021-11-16高频电路基础54选用 Cm 小的晶体管 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

30、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2021-11-16高频电路基础55212111221112212212120000,vvvvvvvvSSSSvvvv2021-11-16高频电路基础56212111

31vvvvSvvSvvSvvSvlS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2021-11-16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222122221(1) 1LoutPininLPGSPS 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2221

32、22(rate)22max1(1) 1LoutASSLPGSPS 2021-11-16高频电路基础58l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2222122(rate)221111SLoutTSinSLPGSPS l单向化近似条件下的放大器变换功率增益222212211221111SLTUSLGSSS 2021-11-16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：11222112222112212211112SS SS SSSSkSS 注意，绝对稳定条件与给定的频率范围和偏置条件有关。2021-11-16高频电路基础60高频小信号放大器中的自动增益控制

33、（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益，使输出达到基本稳定2021-11-16高频电路基础61AGC电路的结构2021-11-16高频电路基础62AGC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 /Domaxminminminmaxmaxminmaxmaxmin/iiioivooooivDVVVVGDVVVVGAGC

34、电路的动态范围取决于放大器的增益变化范围2021-11-16高频电路基础63l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AGC2021-11-16高频电路基础64l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

35、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，系统反映迟钝；响应时间短，系统反映灵敏但容易出现反调制现象。2021-11-16高频电路基础65AGC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2021-11-16高频电路基础66l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10Hz2021-11-16高频电路基础67l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

36、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AGC2021-11-16高频电路基础68l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2021-11-16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gmIC反向AGC正向AGC通过此电阻实现反向AGCVCC2021-11-16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

37、，从而降低增益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VCCVAGCvi2021-11-16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vivoVAGCvivoVAGC2021-11-16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2021-11-16高频电路基础73lFEATURES lLinear-in-dB gain control lPin programmable gain ranges l11 dB to +31 dB wi

38、th 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 lVideo gain control lA/D

39、range extension lSignal measurement 2021-11-16高频电路基础74应用电路应用电路LOW NOISE AGC AMPLIFIER 2021-11-16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2021-11-16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

40、内的噪声功率2201lim( )TnnTvvt dtT2221112( )fffnnfffPvW f df2021-11-16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( )( )( )oiWfH fW f2( )H fWi( f ) f f0Wo( f ) fH( f )Wi( f )Wo( f )Wo( f0 )白噪声的功率传递2021-11-16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200()()iHfWf22000

41、()()()()niiBHfWfH fWf df20200( )( )()()iniH fW f dfBHfW ff0Wo( f )f Wo( f0)Bn噪声的等效带宽 Bn噪声功率2020( )()nH fdfBHf2021-11-16高频电路基础792211001( )( )2nBHfdfHdp如果系统的传递函数H( f ) 为归一化函数H1( f )，则 例如，对于归一化的二阶传递函数 2122( )()2nnnHjj 其系统噪声带宽为2222012()28nnnnnBdjjp 2021-11-16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

42、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：( )4vWfkTR1( )4iW fkTR24nnvkTR B24nnkTiBR4nnvkTR B4nnkTiBR2021-11-16高频电路基础81l电阻热噪声的等效电路vn2Rin2R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2021-11-16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

43、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 。22,02(1)cn disCniqIB2021-11-16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。2bnv2bni2cni2021-11-16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=2/3l另外，场效应管的沟道噪声通

44、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2dni24dnmnikT g Bl2021-11-16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24nAAnvTkR B2021-11-16高频电路基础86噪声系数l信噪比l噪声系数/SNPS NP( /)( /)ioS NNFS 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

45、意：1、此输入端信噪比是进入网络的信号与噪声（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( /)ioS NNFS N2021-11-16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soPsiPGP()()noPnini netPGPP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 netinoosonoPniniPniPPPPS NPNFS NPPG PPG P

46、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。 2021-11-16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 22211()4()sisiiininsnnsiisiirrrrrrPvkTr BkTBrrrrrr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增加 2221()4siississiisrrrvPvrrrr2

47、021-11-16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：0ninPkT B ()()()210()()21011(4 10)(W/Hz)11(4 10)(W/Hz)ni ampni ampampnnno ampno amppnpnPPNFkT BBPPGkT BGB 其中 Pni(amp) 是放大器内部产生的噪声在其输入端的折合值2021-11-16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

48、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)15dBisiniS NPP 输入信噪比：(dBm)(dBm)(dB)( 100)2080dBmsosipPPG 输出信噪比：( /) (dB)( /) (dB)(dB)15312dBoiS NS NNF2021-11-16高频电路基础91()()013(dB)2ni ampampnPNFkT B 因为13()0()(1)8 10mWni ampnampPkT B NF所以放大器输出端的噪声功率为()(

49、)nopni ampniPGPP ()1312(dBm)(dB)10log(mW)(mW)2010log(8 103.16 10)94(dBm)nopni ampniPGPP 即所以( /) (dB)(dBm)(dBm)( 80)( 94)14(dB)osonoS NPP 2021-11-16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声等效为信号源内阻的温度的升高vni2 = 4kT0rsBnrs有噪网络vni(net)2(vni)2 = 4kT rs Bnrs无噪网络2222()0 ) 4 ( )4nininaini netsne snvvvvk TT r BkT

50、 r B令 (，则称 Te 为此网络的噪声温度2021-11-16高频电路基础932()20011 (1)ni netenievTNFTvTNFT 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 和 30K2021-11-16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Gp1Gp2Gp3PniPni(amp1)Pni(amp2)Pni(amp3)Pno(1)123(2)23(3)3()nonini amppppni ampppni amppPPPG G GPG GP

51、G()(2)(3)112321112111(1)11ni ampni ampni ampnonipninipnipppppPPPPNFPGPPGPG GNFNFNFGG G2021-11-16高频电路基础95有噪网络与一个内阻为rs的信号源连接时，信号源的噪声2nsv噪声匹配无噪网络rs2()ni netv2()ni neti2nsv有噪网络2()ni netv2()ni neti：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 2021-11-16高频电路基础96网络内部噪声功率为噪声系数2()2()()ni netni netni nets

52、svPirr网络外部噪声功率，即信号源噪声为ninPkTB22()()()11ni netni netni netsninsnPviNFrPkTBrkTB 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 nets optni netvri2021-11-16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()

53、()min12ni netni netnviNFkTB 2021-11-16高频电路基础980.111010005101520NF(dB)rs/rs,opt1dB2dB3dB4dB5dB10dB噪声系数与噪声匹配的关系,min,11()2s optss optsrrNFNFrr 2021-11-16高频电路基础99l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,min11,11s optm bbm bbmrg rNFg rgbb ,min14,13gss o

54、ptgsmCrNFCg 2021-11-16高频电路基础100例2N3904的噪声系数与信号源内阻的关系2021-11-16高频电路基础101降低噪声的措施l选用低噪声元件通常场效应管的内部噪声小于双极型晶体管金属膜电阻的噪声小于碳膜、合成膜电阻l工作点选择与噪声匹配l减小噪声带宽l减小馈线长度l降低前端温度2021-11-16高频电路基础102噪声系数与接收灵敏度的关系l灵敏度的定义：接收机输出端的信噪比(S/N)o保持为一定值时，接收机输入的最小功率（假定接收机具有足够大的增益）l当 (S/N)o 等于正常接收所需的值时，对应的灵敏度称实际灵敏度；当 (S/N)o =1 时，对应的灵敏度称

55、临界灵敏度(/)(/)(/)siioniioniPSNNFSNPSNFSNP灵敏度2021-11-16高频电路基础103例某接收机的总噪声系数为6dB，Bn=1MHz，求在标准噪声温度条件下该接收机的临界灵敏度。 06dB4,290(K), ( /)1oNFTS N（临界灵敏度）0 ( /)ionSNFS NkT B1431.6 10(dBm)10lg10lg108 dBm1mW10iiSS 用dBm表示，为0ninPkT B236144 1 (1.38 10) 290 (1 10 )1.6 10WiS 代入题目中的条件解：在标准噪声温度条件下2021-11-16高频电路基础104显然，若正常

56、接收时输出端的信噪比大于0dB，则相应的实际灵敏度变差例：若上例中，正常接收时输出端的信噪比需要13dB (20)，则实际灵敏度为236134 20 (1.38 10) 290 (1 10 )3.2 10W (95dBm)iS若已知匹配电阻，则可换算出灵敏度对应的信号电势例：若上例中的匹配电阻为75W，则临界灵敏度对应的信号电势为14,44 75 1.6 102.2Vsis optivrS带天线的放大器接收灵敏度2021-11-16高频电路基础1052021-11-16高频电路基础106放大器中的非线性影响l由于晶体管的非线性影响，放大器的输出电流分量中包含高阶分量，这些高阶分量中包含频率等于基波的成分l由于调谐回路的选频作用，高次谐波被滤除，但是等于基波频率的高阶分量被一并输出l随着输入幅度的增加，放大器的非线性影响逐渐增大，等于基波频率的高阶分量增加2021-11-16高频电路基础107在放大器输入端加入信号 ，由于器件非线性，输出电流为cosimvVt23123232323213cos(cos)(cos).3()coscos2cos3.2424ommmmmmmmiaVta Vta Vta VaaaVa VtVtVt增益压缩当输入信号增大到器件的高次项不能忽略时，若只考虑到三次项，则32131333