通信电路ch032学习教案

1、会计学1通信通信(tng xn)电路电路ch032第一页，共52页。2021年12月21日2频带频带第1页/共52页第二页，共52页。2021年12月21日3（1）产生机理：自由电子的无规则热运动产生的。自由电子与晶格碰撞，产生持续时间 = 10-13-10-14 s的电窄脉冲；这些(zhxi)电冲击是连续的、随机起伏的，可被视为是一个平稳随机过程。 ；这无数个电窄脉冲叠加的总效果定义为电阻热噪声；第2页/共52页第三页，共52页。2021年12月21日4（2）噪声(zoshng)功率和噪声(zoshng)电压： t vn(t) 噪声功率(gngl)则趋于一有限值：噪声功率也可用噪声电压方均值

2、表示。（单位电阻）在相当长的观测时间内，噪声电压或电流的平均值趋于零：第3页/共52页第四页，共52页。2021年12月21日5（3）噪声(zoshng)电压功率谱密度为：单位频带(pndi)的噪声功率很小：电阻热噪声的频率覆盖范围很宽： = 1013-1014 为自由电子每秒碰撞次数，一般来说，f，所以有近似式单位频带的噪声电压功率在很宽的频带内均可视为是一恒定值；（1010Hz 1013Hz）；所以命名电阻热噪声为白噪声。第4页/共52页第五页，共52页。（4）白色噪声和有色(yu s)噪声：电阻器单位频带噪声功率在很宽的频率范围内均为恒定，故类比光学中的白色光功率谱在可见光频段内均匀分布

3、的特点，命名这种噪声为“白噪声”。在有效频带内，功率谱分布不均匀的噪声称为“有色(yu s)噪声”。白噪声通过有限频带网络后，变成了有色(yu s)噪声。第5页/共52页第六页，共52页。2021年12月21日7举例：在常温（T=290K）下工作的1k电阻，与带宽为 BW=100kHz的理想(lxing)网络相连接，求该电阻的噪声电压均方值与噪声电压均方根值。若在频带f内，传输函数具有常数幅度特性，则噪声(zoshng)电压均方值为：第6页/共52页第七页，共52页。2021年12月21日8（5）电阻器的噪声等效电路：为了(wi le)便于电路的噪声特性分析，实际电阻器一般被等效为一理想无噪声

4、电阻与噪声功率源相串联的电路。问题：如果(rgu)用噪声等效电流源，如何表示？第7页/共52页第八页，共52页。2021年12月21日9（6）电阻器的噪声等效电路的计算：串连(chun lin)电阻的噪声等效电路问题1：如果两个电阻的温度不同，如何等效(dn xio)？问题2：如果两个电阻并联，如果等效(dn xio)？第8页/共52页第九页，共52页。2021年12月21日10（7）等效(dn xio)噪声频带与半功率点频带：物理意义：宽度为 的矩形面积与曲线下面的面积是相等的，定义其为等效噪声频带。 nBW左图所示半功率点频带 和等效噪声频带 之间的关系。nBW第9页/共52页第十页，共5

5、2页。例：RC并联电路如图，求端口噪声(zoshng)电压均方值。等效噪声(zoshng)带宽：半功率点通频带：RC并联电路的等效噪声带宽稍大于半功率点通频带。第10页/共52页第十一页，共52页。2021年12月21日12第11页/共52页第十二页，共52页。（1）晶体管的噪声(zoshng) 电阻(dinz)热噪声（白噪声）：各电极的体电阻（基极体电阻）自由电子热运动产生的噪声。 散粒噪声： （白噪声）这是电子流的不均匀性引起的。 分配噪声： （有色噪声）载流子在基区分配比例随机变化所产生的噪声称为分配噪声。 1 / f 噪声： （有色噪声）闪烁噪声，低频时比较显著。在1KHz以上，则可以

6、忽略。第12页/共52页第十三页，共52页。共基极晶体管噪声(zoshng)等效电路第13页/共52页第十四页，共52页。（2）场效应管的噪声(zoshng) 沟道(u do)电阻热噪声（白噪声） ：由导电沟道电阻产生的噪声。 ：场效应管的转移跨导。 栅极散粒噪声：是由于栅极内电荷不规则起伏引起的。（白噪声）：栅极泄漏电流。 栅极感应噪声：沟道中的起伏噪声通过沟道与栅极之间的电容，在栅极上感应产生的噪声。工作频率越高，该噪声影响越大。（有色噪声） 1 / f 噪声：与双极型晶体管一样，场效应管也存在1/f噪声，其产生机理和形态与双极晶体管大致相同。（有色噪声）第14页/共52页第十五页，共52

7、页。2021年12月21日16 第15页/共52页第十六页，共52页。 在标准信号源激励下，网络输入信噪比与其输出(shch)信噪比的比值。即信噪比变坏的程度。 “标准信号源”是指信号电压为 ，内阻为 ，并仅含有 产生的白噪声的信号源。svsRsRfkTRvsn 42（1）噪声系数的定义(dngy)：噪声(zoshng)指数 NF=10logF（dB）第16页/共52页第十七页，共52页。2021年12月21日18 （2）对噪声系数物理意义的三种(sn zhn)理解：信噪比恶化的程度：网络输出噪声功率和输入噪声功率在输出端的(dund)比值：任何实际网络(wnglu)的噪声系数，都是在理想网络

8、(wnglu)噪声系数的基础上加上一个增量。第17页/共52页第十八页，共52页。2021年12月21日19 （3）噪声系数的计算(j sun) -匹配状态额定功率( dn n l)：信号源（包括噪声源）能够输出的最大功率（匹配时）额定功率增益：放大器输入端和输出(shch)端分别匹配时的功率增益。第18页/共52页第十九页，共52页。2021年12月21日20 （4）无源网络噪声系数的计算(j sun)信噪比的特点(tdin)分析：在计算输入信噪比时，与 和 之间是否(sh fu)匹配无关。类似，在计算输出信噪比时，与输出端是否匹配无关。第19页/共52页第二十页，共52页。 （4）无源网络

9、噪声系数的计算(j sun)（续）无源网络的噪声系数等于(dngy)其网络衰减系数。第20页/共52页第二十一页，共52页。2021年12月21日22 （4）无源网络噪声系数的计算(j sun)（续）求长度为50m，衰减量为0.082dB/m的高频电缆的噪声系数。第21页/共52页第二十二页，共52页。sRgv网络1网络211,npmFG22,npmFG1nAP2nAPnomP而级联网络的总的输出噪声(zoshng)功率为： 和 分别为两网络的额定功率增益。 和 分别为两网络的噪声系数。 和 分别表示两网络的附加噪声功率。1nF1pmG2pmG2nF1nAP2nAPfkTGFPpmnnA111

10、)1(niPnAnPGPF1由得到：fkTGFPpmnnA222)1(第22页/共52页第二十三页，共52页。如令 为级联网络(wnglu)的总功率增益：上式说明(shumng)：级联网络的噪声系数，主要由网络前级的噪声系数确定。前级的噪声系数越小，功率增益越高，则级联网络的噪声系数就越小。依此类推，N级级联网络的总的噪声系数为：nF则级联网络的等效噪声系数 为：第23页/共52页第二十四页，共52页。2021年12月21日25 网络的噪声性能也可以用噪声温度来表示。但要注意(zh y)的是，网络的噪声温度不是该网络的实际物理温度，而是用以表征该网络噪声性能的一种假想温度。 实际网络(wngl

11、u) 可用一无噪声网络(wnglu)和一噪声源 等效。设 是由信号源内阻 在一假想温度 下产生的噪声电压。)290(00KT 2ev2evgReTfRKTvgee 42此温度 是网络的等效噪声温度。eT第24页/共52页第二十五页，共52页。2021年12月21日26 当网络噪声较小时，用噪声温度来表示更方便些。举例： = 1.1， ； = 1.05， 。nFKToe29nFKToe5 .14由得到(d do)：网络的噪声温度与网络的噪声系数相类似，两者具有固定的转换关系。（网络输入端等效与网络输出(shch)端等效的区别） 第25页/共52页第二十六页，共52页。2021年12月21日27

12、网络(wnglu)1网络(wnglu)2第26页/共52页第二十七页，共52页。2021年12月21日28定义：接收机的灵敏度是当接收端处于匹配时，为保证一定的输出信噪比，所需要的最小有用信号功率 。(min)siP由nosonisinPPPPF/接收机的最小可检测(jin c)信号电压式中 为接收机的输入电阻。iRnosonnisiPPFPP得到：第27页/共52页第二十八页，共52页。3.4.6 接收机的灵敏度与最小可检测接收机的灵敏度与最小可检测(jin c)信号（续信号（续1）举例(j l)：输入电阻为 的接收机，噪声指数为 6dB， BW=1MZ。当要求输出信噪比为1时，接收机的最小

13、有用信号功率和电压为多少？噪声指数为 6dB，则 。4nF当输入电阻为 时，最小可检测信号电压为：50)(79. 11060. 150214V(min)(min)2siiiPRV解：第28页/共52页第二十九页，共52页。2021年12月21日30dBm：以 为零电平的分贝。mw13.4.6 接收机的灵敏度与最小可检测接收机的灵敏度与最小可检测(jin c)信号（续信号（续2）还可以(ky)表示为：10008004002001008040201084213029262320191613109630dBmmw第29页/共52页第三十页，共52页。2021年12月21日31LNA（Low-Nois

14、e-Amplifire）应用(yngyng)于接收机射频前端的前级，用来放大微弱信号。LNA的主要指标是：低的噪声系数； 放大(fngd)器本身产生的噪声功率小，前级；合适的增益； 有效放大(fngd)信号，减小后级噪声影响；足够的线性范围； 在较大输入范围内不产生失真；输入输出阻抗的匹配 ；第30页/共52页第三十一页，共52页。在射频放大器电路(dinl)中，常用 1dB增益压缩点来度量放大器的线性。参考：陈邦媛编射频(sh pn)通信电路P75当输入信号大到器件的高次项不能忽略时（设只考虑到三次项），基波信号电流幅度为：可得到大信号平均跨导为：由此可见大信号平均跨导与输入信号幅度有关，这

15、与线性放大器的跨导仅与工作点有关而与输入信号无关不同。通常 ，此时平均跨导 随输入信号幅度的增大而减小，此为增益压缩。03amg（1）放大器的1dB增益压缩点第31页/共52页第三十二页，共52页。1dB增益压缩点定义(dngy)为使增益比线性放大器下降1dB所对应的输入信号幅度值。 它与器件类型和放大器工作点有关。可推导(tudo)得出：由平均跨导公式和1dB增益压缩点定义：231143imimSmVaaVIg第32页/共52页第三十三页，共52页。（2）三阶互调截点IIP3 参考：陈邦媛射频(sh pn)通信电路P77当两个频率十分接近的信号输入放大器时，由于器件的非线性会产生许多组合频率

16、分量。（下章讨论）因为(yn wi)组合频率分量 和 比较靠近基波分量，所以有可能落在放大器频带内并形成对有用信号的干扰。这些由非线性器件的三次方项产生的干扰组合频率分量，就是三阶互调。第33页/共52页第三十四页，共52页。2021年12月21日35三阶(sn ji)互调截点IP3 定义为三阶(sn ji)互调功率达到和基波功率相等的点。第34页/共52页第三十五页，共52页。2021年12月21日36由定义 ，则对应(duyng)三阶截点的输入信号幅度为：基波(j b)功率为：三阶互调功率为：将上述方程化为对数坐标，则有：假设两个频率十分接近的信号输入幅度相同，为第35页/共52页第三十六

17、页，共52页。2021年12月21日37 第36页/共52页第三十七页，共52页。2021年12月21日38 （1）晶体管放大器的噪声系数例：共基极放大器的噪声(zoshng)等效电路假定等效电路噪声源是彼此统计(tngj)独立的。第37页/共52页第三十八页，共52页。2021年12月21日39 信号源内阻(ni z) 的热噪声 基极(j j)电阻 的热噪声 发射结的散粒噪声(zoshng) 集电结的分配噪声 晶体管放大器的噪声系数：计算各噪声源引起的输出噪声功率，并计算噪声系数。第38页/共52页第三十九页，共52页。讨论(toln)：噪声系数与工作频率有关(yugun)工作频率较低时，噪

18、声系数几乎与工作频率无关。主要是基极电阻的热噪声和散粒噪声，是白噪声。工作频率较高时，噪声系数随工作频率增加而增加。这是高频区，除热噪声和散粒噪声外，主要是分配噪声。工作频率很低时， 噪声不可忽略。f/1附录(fl)3.2.1噪声系数与信源内阻有关 F是信源内阻Rg的函数，且有一最佳值使放大器噪声系数为最小。噪声系数与晶体管工作状态有关F与工作状态的关系较复杂，（re，fa）可由实验方法确定。第39页/共52页第四十页，共52页。2021年12月21日41场效应管的噪声(zoshng)有四个来源：栅极散粒噪声(zoshng)；沟道热噪声(zoshng)； 栅极感应(gnyng)噪声和1 / f

19、 噪声。笫一种和笫二种噪声(zoshng)是主要的，尤其以笫二种噪声(zoshng)最重要。笫二种噪声的场效应管噪声等效电路见下图。计算放大器的噪声系数，可以将噪声源折合到放大器的输出端或输入端 ，这里是折合到输入端 。第40页/共52页第四十一页，共52页。2021年12月21日42 场效应管放大器的噪声系数为场效应管的输入(shr)电导； 为信号源的内电导；为场效应管沟道热噪声的等效(dn xio)噪声电阻。在高频(o pn)放大电路中（笫一级），通常选择 噪声系数最小。sg即所谓最小噪声系数匹配。第41页/共52页第四十二页，共52页。 选用 和噪声系数小的晶体管。选用低噪声器件和元件b

20、br 选用场效应管（砷化镓金属半导体场效应管）。 谨慎选用电阻元件，选用金属膜电阻。正确选择晶体管放大器的直流工作点 对不同的信号源内阻，最佳的 是不同的。 用改变 的方法来获得低噪声放大。EIEI选择合适的信号源内阻 信源内阻有最佳值，使噪声系数最小。选择合适的工作(gngzu)带宽。选用合适的放大电路： 共发-共基和共源-共栅低噪声放大电路。降低接收机前端主要器件的工作温度；热噪声是主要来源之一。第42页/共52页第四十三页，共52页。2021年12月21日44低噪声放大器与其信号源的匹配是很重要的。放大器与源的匹配有两种方式：一是以获得噪声系数最小为目的(md)的噪声匹配；二是以获得最大

21、功率传输和最小反射损耗为目的(md)的共轭匹配。 一般来说，现在绝大多数的低噪声放大器均采用后一种匹配方法；同时，力求两种匹配接近。 低噪声放大器的输入匹配有的是在集成电路内部就已经实现，有的需要外接匹配网络，由具体产品决定。第43页/共52页第四十四页，共52页。2021年12月21日45匹配网络可以用纯电阻网络，也可以用电抗网络。电阻匹配网络适合于宽带放大，但它们(t men)要消耗功率，并增加噪声。采用无损耗的电抗网络不会增加噪声，但只适合窄带放大。LNA的匹配(ppi)方式图中采用电感负反馈，与晶体管的输入电容等调谐后实现匹配，这种结构适用于窄带放大，与其他方式相比，它能获得较好的噪声性能。第44页/共52页第四十五页，共52页。2021年12月21日46第45页/共52页第四十六页，共52页。电阻热噪声和电子器件噪声的特性。噪声的几种表示(biosh)方法：噪声系数；噪声温度，等效噪声带宽。网络噪声系数的几种描述方法；用额定功率法计算网络噪声系数。级联网络噪声系数的计算。接收机的灵敏度与最小可检测信号的计算。第46页/共52页第四十七页，共52页。习题习题(xt)四：四：3-4，3-7， 3-9，3-10 CAD3： 3-22第47页/共52页第四十八页，共52页。2021年12月2