《通信电子线路》第四章3

1、4.1 电阻热噪声电阻热噪声 4.4 高频小信号调谐放大器概述高频小信号调谐放大器概述 4.6 集中选频放大器集中选频放大器 4.3 噪声系数和噪声温度噪声系数和噪声温度4.2 有源器件噪声有源器件噪声4.5 高频小信号调谐放大器高频小信号调谐放大器 噪声是一种噪声是一种随机信号随机信号，其频谱分布于整个无线电工作频，其频谱分布于整个无线电工作频率范围，因此它是影响各类收信机性能的主要因素之一。率范围，因此它是影响各类收信机性能的主要因素之一。 干扰与噪声的分类如下：干扰与噪声的分类如下： 干扰一般指外部干扰，可分为干扰一般指外部干扰，可分为自然自然的和的和人为人为的干扰。的干扰。 自自然干扰

2、有天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等。然干扰有天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等。 人为干扰主人为干扰主要有工业干扰和无线电器的干扰。要有工业干扰和无线电器的干扰。 噪声一般指内部噪声，也可以分为自然的和人为的噪声。噪声一般指内部噪声，也可以分为自然的和人为的噪声。 本章主要讨论本章主要讨论自然噪声自然噪声，对工业干扰和天电干扰只做简略的，对工业干扰和天电干扰只做简略的说明。说明。 4.14.1 电阻热噪声电阻热噪声 理论上说，任何电子线路都有电子噪声，但是因为通常理论上说，任何电子线路都有电子噪声，但是因为通常电子噪声的强度很弱，因此它的影响主要出现在有用信号比电子噪声的强度很弱，因此它的影响主要出

3、现在有用信号比较弱的场合，在电子线路中，噪声来源主要有两方面：较弱的场合，在电子线路中，噪声来源主要有两方面： 电电阻热噪声和半导体管噪声，两者有许多相同的特性。阻热噪声和半导体管噪声，两者有许多相同的特性。 1 1 电阻的热噪声的产生电阻的热噪声的产生 电阻由导体等材料组成，导体内的自由电子在一定的温电阻由导体等材料组成，导体内的自由电子在一定的温度下总是处于度下总是处于“无规则无规则”的热运动状态，这种热运动的方向的热运动状态，这种热运动的方向和速度都是随机的。和速度都是随机的。 自由电子的热骚动在导体内形成非常自由电子的热骚动在导体内形成非常弱的电流。弱的电流。 由于en呈现正态分布，所

4、以又称其为高斯噪声 电阻热噪声作为一种起伏噪声，具有极宽的频谱，电阻热噪声作为一种起伏噪声，具有极宽的频谱，从零频一直延伸到从零频一直延伸到1013Hz以上的频率，而且它的各个频以上的频率，而且它的各个频率分量的强度是相等的。率分量的强度是相等的。 这种频谱与白色光的光谱类这种频谱与白色光的光谱类似，因此将具有均匀连续的噪声叫做似，因此将具有均匀连续的噪声叫做白噪声白噪声，电阻的热，电阻的热噪声就是一种白噪声。噪声就是一种白噪声。 kTBRdteTLimETnTn410221) 热噪声电压和功率谱密度热噪声电压和功率谱密度)/(4)/(422HzAkTGSHzVkTRSIU在单位频带内，电阻所

5、产生的热噪声电压的均方值为在单位频带内，电阻所产生的热噪声电压的均方值为噪声功率谱密度噪声功率谱密度式中，k为玻耳兹曼常数，为1.3810-23 J/K；T为热力学温度，单位为K，RR (理想)E2n4 kTBRGI2n4 kTBG(a)(b) 电阻热噪声等效电路电阻热噪声等效电路 2) 线性电路中的热噪声线性电路中的热噪声 )(4212221RRkTBEEnn dteeTLimdteTLimETTnTTn2210202)(11电阻热噪声通过两电阻串联结论：对于线性网络产生的热噪声均方电压等效为网结论：对于线性网络产生的热噪声均方电压等效为网络的总等效电阻产生的均方电压。络的总等效电阻产生的均

6、方电压。TTTTTTTTdteeTLimedteTLimdteTLimdteeeeTLim0212202202121222101211)2(1 电阻热噪声是功率谱电阻热噪声是功率谱密度均匀的白噪声，如图密度均匀的白噪声，如图 (a)所示。但是，当它通过所示。但是，当它通过具有选频特性的线性电路具有选频特性的线性电路后，其输出功率谱密度后，其输出功率谱密度So(f)将会发生变化。若线性电将会发生变化。若线性电路的电压传输函数为路的电压传输函数为H(jf)，其 功 率 传 输 函 数其 功 率 传 输 函 数H2(f)=|H(jf)|2，如图，如图 (b)所所示，则输出端的噪声功率示，则输出端的噪

7、声功率谱密度为谱密度为2( )( )( )oiSfHfSf 热噪声通过线路电路热噪声通过线路电路 Si( f )f00fH2( f )f00ff00fSo( f )(a)(b)(c) 由于热噪声通过线性选频电路后功率谱变为频率的函数，由于热噪声通过线性选频电路后功率谱变为频率的函数，因此，输出端的噪声电压均方值因此，输出端的噪声电压均方值U2no应通过对应通过对So(f)的积分的积分求得，即求得，即2200( )( )( )nooiUSf dfHf Sf df 将上式与图 (c)对照可知，So(f)曲线与f轴之间的面积就表示输出端的噪声电压均方值，这就是它的几何意义。 式式(4.112)表明，

8、电阻热噪声通过线表明，电阻热噪声通过线性电路后，其输出电压均方值是该电阻在频带性电路后，其输出电压均方值是该电阻在频带Bn内的热噪声电压均方值的内的热噪声电压均方值的H2(f0)倍。通常，倍。通常，电路的电路的H2(f0)已知，只要求出已知，只要求出Bn，即可算出，即可算出U2no。对于其他噪声源。对于其他噪声源(如晶体管等如晶体管等)来说，只来说，只要是白噪声或在有效频带内噪声功率分布均匀，要是白噪声或在有效频带内噪声功率分布均匀，都可利用式都可利用式(4.112)来计算来计算U2on。dfSESjHSUonUiUo022)(|H(j)|2U2iSUiU2oSUo 热噪声通过线路电路 LrC

9、LrCSUi 4kTrReXe(a)(b)(c)SUo例：并联回路的输出热噪声kTrCjLjrCjSjHSUiUo411)(22 kTrCLrC4)1()1(222 并联回路可以等效为并联回路可以等效为Re+jXe（图（图（c）,现在看上现在看上述输出噪声谱密度与述输出噪声谱密度与Re、 Xe的关系。的关系。2221111)CL(rr)C(RCj)Ljr()Ljr(CjjXReee展开化简后得 对比, 可得 eUkTRS40结论：对于线性网络产生的热噪声功率谱密度等效为结论：对于线性网络产生的热噪声功率谱密度等效为网络的总等效电阻产生的热噪声功率谱密度。网络的总等效电阻产生的热噪声功率谱密度。

10、输出端的均方噪声电压为（输出端的均方噪声电压为（Q比较高时）比较高时）：fkTdffQrCr 4)2(1)(12020 fdSdfSEooUUn02fdffQRkTp 20)2(14QfkTRp240 结论：对于线性网络产生的均方噪声电压等效为网络的总等效电阻产生的均方噪声电压，其均方噪声电压带宽由线性系统的带宽决定。 由于热噪声通过线性选频电路后功率谱变为频率的函数，由于热噪声通过线性选频电路后功率谱变为频率的函数，因此，输出端的噪声电压均方值因此，输出端的噪声电压均方值U2no应通过对应通过对So(f)的积分的积分求得，即求得，即2200( )( )( )nooiUSf dfHf Sf d

11、f 将上式与图 (c)对照可知，So(f)曲线与f轴之间的面积就表示输出端的噪声电压均方值，这就是它的几何意义。等效噪声带宽等效噪声带宽Bn 定义为一个幅度是定义为一个幅度是H2(f0)的矩形功率传输特性的频率的矩形功率传输特性的频率宽度，在该宽度下矩形的面积等于实际功率传输曲线宽度，在该宽度下矩形的面积等于实际功率传输曲线的积分面积，即的积分面积，即22002020()( )( )()nnHfBHf dfHf dfBHf H2(f0)为实际功率传输为实际功率传输特性的最大值。特性的最大值。Bn与与H2(f)的关系示意图如图的关系示意图如图4.6所示。所示。由于两者面积相等，所以由于两者面积相

12、等，所以用带宽为用带宽为Bn的理想矩形传的理想矩形传输特性来等效实际特性，输特性来等效实际特性，其输出噪声电压的均方值其输出噪声电压的均方值不变。不变。 利用等效噪声带宽利用等效噪声带宽Bn，并考虑到输入为热噪声时，并考虑到输入为热噪声时，Si(f)=4kTR,则：则：22200( )( )4()noinUHf Sf dfkTRHfBH2( f )f00fH2( f0 )Bn31/)(RRRRS例例9 求如图所示网络输出至负载电阻RL上的噪声功率和额定噪声功率。题意分析：题意分析：本题所涉及的网络为纯电阻网络，讨论噪声问题肯定是热噪声问题。从题意来看，是要求纯电阻网络的热噪声功率。热噪声功率与

13、噪声均方电压或均方电流有关，计算十分简单。需要注意的是，均方噪声电压或电流是交流形式的均方值另外，ES为信号源而非噪声源。解：解：网络总的等效电阻为2nE讨论：（1）对于纯电阻网络，各个电阻产生的热噪声大小等效为网络的总等效电阻产生的热噪声（包括均方噪声电压、电流或功率）。 （2）纯电阻网络或电阻产生的最大噪声功率，即额定噪声功率为kTB。 （3）对于线性网络产生的热噪声功率谱密度等效为网络的总等效电阻产生的热噪声功率谱密度，其均方噪声电压带宽由线性系统的带宽决定。网络输出的噪声功率为网络输出的噪声功率为kTB)R(TBkRUPmax2224 2222244)RR(TBkRRRkTBR)RRR

14、(RE)RRR(R)RRE(PLLLLLLnLLLLnUomaxUULPP,RR达到最大值匹配时时当 2nE 1 1 二极管的噪声二极管的噪声 晶体二极管工作状态可分为晶体二极管工作状态可分为正偏正偏和和反偏反偏两种。两种。 正偏使用时，主要是直流通过正偏使用时，主要是直流通过pn结时产生散粒噪声。结时产生散粒噪声。 反偏使用时，因反向饱和电流很小，故其产生的散粒噪反偏使用时，因反向饱和电流很小，故其产生的散粒噪声也小，如果达到反向击穿（如稳压管），又分两种情况：声也小，如果达到反向击穿（如稳压管），又分两种情况： 齐纳击穿二极管齐纳击穿二极管主要是散粒噪声，个别的有主要是散粒噪声，个别的有1

15、/f噪声噪声(闪烁噪闪烁噪声声)。 雪崩击穿二极管的噪声较大，除有散粒噪声，还有多雪崩击穿二极管的噪声较大，除有散粒噪声，还有多态噪声，即其噪声电压在两个或两个以上不同电平上进行随态噪声，即其噪声电压在两个或两个以上不同电平上进行随机转换，不同电平可能相差若干个毫伏。机转换，不同电平可能相差若干个毫伏。 这种多电平工作这种多电平工作是由于结片内杂质缺陷和结宽的变化所引起。是由于结片内杂质缺陷和结宽的变化所引起。 硅二极管工作电压在硅二极管工作电压在4V以下是齐纳二极管，以下是齐纳二极管，7V以上的是以上的是雪崩二极管，雪崩二极管，4V7V之间两种二极管都有。之间两种二极管都有。 为了低噪声使为

16、了低噪声使用，最好选用低压齐纳二极管。用，最好选用低压齐纳二极管。 4.24.2 有源器件噪声有源器件噪声2 2 晶体三极管的噪声晶体三极管的噪声 晶体三极管的噪声是设备内部固有噪声的另一个重要来晶体三极管的噪声是设备内部固有噪声的另一个重要来源。源。 一般说来，在一个放大电路中，晶体三极管的噪声往一般说来，在一个放大电路中，晶体三极管的噪声往往比电阻热噪声强得多，在晶体三极管中，除了其中某些往比电阻热噪声强得多，在晶体三极管中，除了其中某些分布，如基极电阻分布，如基极电阻rbb会产生热噪声外，还有以下几种噪声会产生热噪声外，还有以下几种噪声来源。来源。1).散弹（粒）噪声散弹（粒）噪声 在晶

17、体管的在晶体管的PN结中（包括二极管的结中（包括二极管的PN结），每个载流结），每个载流子都是随机地通过子都是随机地通过PN结的（包括随机注入、随机复合）。结的（包括随机注入、随机复合）。 大量载流子流过结时的平均值（单位时间内平均）决定了它大量载流子流过结时的平均值（单位时间内平均）决定了它的直流电流的直流电流I0，因此真实的结电流是围绕，因此真实的结电流是围绕I0起伏的。起伏的。 这种由这种由于载流子随机起伏流动产生的噪声称为于载流子随机起伏流动产生的噪声称为散弹噪声散弹噪声，或或散粒噪散粒噪声声。012)(qIfS 因为散弹噪声和电阻热噪声都是白噪声，前面关于热噪因为散弹噪声和电阻热噪声

18、都是白噪声，前面关于热噪声通过线性系统的分析对散弹噪声也完全适用。声通过线性系统的分析对散弹噪声也完全适用。 这包括均这包括均方相加的原则，通过四端网络的计算以及等效噪声带宽等。方相加的原则，通过四端网络的计算以及等效噪声带宽等。 晶体管中有发射结和集电结，因为发射结工作于正偏，晶体管中有发射结和集电结，因为发射结工作于正偏，结电流大。结电流大。 而集电结工作于反偏，除了基极来的传输电流而集电结工作于反偏，除了基极来的传输电流外，只有反向饱和电流（它也产生散弹噪声）。外，只有反向饱和电流（它也产生散弹噪声）。 因此发射因此发射结的散弹噪声起主要作用，而集电结的噪声可以忽略。结的散弹噪声起主要作

19、用，而集电结的噪声可以忽略。 晶体管中通过发射结的少数载流子，大部分由集电极收集，晶体管中通过发射结的少数载流子，大部分由集电极收集，形成集电极电流，少数部分载流子被基极流入的多数载流子形成集电极电流，少数部分载流子被基极流入的多数载流子复合，产生基极电流。复合，产生基极电流。 由于基极中载流子的复合也具有随机由于基极中载流子的复合也具有随机性，即单位时间内复合的载流子数目是起伏变化的。性，即单位时间内复合的载流子数目是起伏变化的。 晶体管晶体管的电流放大系数的电流放大系数、只是反映平均意义上的分配比。只是反映平均意义上的分配比。 这种因这种因分配比起伏变化而产生的集电极电流、基极电流起伏噪声

20、，分配比起伏变化而产生的集电极电流、基极电流起伏噪声，称为晶体管的分配噪声。称为晶体管的分配噪声。 分配噪声本质上也是白噪声，但由于渡越时间的影响，分配噪声本质上也是白噪声，但由于渡越时间的影响，响当三极管的工作频率高到一定值后，这类噪声的功率谱密响当三极管的工作频率高到一定值后，这类噪声的功率谱密度将随频率的增加而迅速增大。度将随频率的增加而迅速增大。 2). 分配噪声分配噪声3). 闪烁噪声闪烁噪声 由于半导体材料及制造工艺水平造成表面清洁处理不好由于半导体材料及制造工艺水平造成表面清洁处理不好而引起的噪声称为闪烁噪声。而引起的噪声称为闪烁噪声。 它与半导体表面少数载流子它与半导体表面少数

21、载流子的复合有关，表现为发射极电流的起伏，其电流噪声谱密度的复合有关，表现为发射极电流的起伏，其电流噪声谱密度与频率近似成反比，又称与频率近似成反比，又称1/f噪声噪声。 因此，它主要在低频因此，它主要在低频（如几千赫兹以下）范围起主要作用。（如几千赫兹以下）范围起主要作用。 这种噪声也存在于这种噪声也存在于其他电子器件中，某些实际电阻器就有这种噪声。其他电子器件中，某些实际电阻器就有这种噪声。 晶体管晶体管在高频应用时，除非考虑它的调幅、调相作用，这种噪声的在高频应用时，除非考虑它的调幅、调相作用，这种噪声的影响也可以忽略。影响也可以忽略。 共基极放大器噪声等效电路共基极放大器噪声等效电路3

22、 3 场效应管噪声场效应管噪声 在场效应管中，由于其工作原理不是靠少数载流子的运在场效应管中，由于其工作原理不是靠少数载流子的运动，因而散弹噪声的影响很小。动，因而散弹噪声的影响很小。 场效应管的噪声有以下几场效应管的噪声有以下几个方面的来源：个方面的来源： 沟道电阻产生的热噪声，沟道热噪声通过沟道电阻产生的热噪声，沟道热噪声通过沟道和栅极电容的耦合作用在栅极上的感应噪声，闪烁噪声。沟道和栅极电容的耦合作用在栅极上的感应噪声，闪烁噪声。 必须指出，前面讨论的晶体管中的噪声，在实际放大器必须指出，前面讨论的晶体管中的噪声，在实际放大器中将同时起作用并参与放大。中将同时起作用并参与放大。 有关晶体

23、管的噪声模型和晶有关晶体管的噪声模型和晶体管放大器的噪声比较复杂，这里就不讨论了。体管放大器的噪声比较复杂，这里就不讨论了。 研究噪声的目的在于如何减少它对信号的影响。研究噪声的目的在于如何减少它对信号的影响。 因此，因此，离开信号谈噪声是无意义的。离开信号谈噪声是无意义的。 从噪声对信号影响的效果看，不在于噪声电平绝对值的从噪声对信号影响的效果看，不在于噪声电平绝对值的大小，而在于信号功率与噪声功率的相对值，大小，而在于信号功率与噪声功率的相对值，即信噪比，记即信噪比，记为为SN（信号功率与噪声功率比）（信号功率与噪声功率比）。 即便噪声电平绝对值即便噪声电平绝对值很高，但只要信噪比达到一定

24、要求，噪声影响就可以忽略。很高，但只要信噪比达到一定要求，噪声影响就可以忽略。 否则即便噪声绝对电平低，由于信号电平更低，即信噪比低否则即便噪声绝对电平低，由于信号电平更低，即信噪比低于于1，则信号仍然会淹没在噪声中而无法辨别。，则信号仍然会淹没在噪声中而无法辨别。 因此信噪比因此信噪比是描述信号抗噪声质量的一个物理量。是描述信号抗噪声质量的一个物理量。 4.34.3 噪声系数和噪声温度噪声系数和噪声温度1 1 噪声系数的定义噪声系数的定义噪声系数可由下式表示噪声系数可由下式表示 输输出出端端信信噪噪比比输输入入端端信信噪噪比比 FNnipnanipnonooniioiFPGPPGPPPPPN

25、SNSN 1/)/()/( nooniidBFPPPPN/lg10)( 设设Pi为信号源的输入信号功率，为信号源的输入信号功率，Pni为信号源内阻为信号源内阻RS产生的产生的噪声功率，噪声功率，Po和和Pno分别为信号和信号源内阻在负载上所产生分别为信号和信号源内阻在负载上所产生的输出功率和输出噪声功率的输出功率和输出噪声功率,Pna表示线性电路内部附加噪声功表示线性电路内部附加噪声功率在输出端的输出率在输出端的输出。 描述放大器噪声系数的等效图描述放大器噪声系数的等效图要描述放大系统的固有噪声的大小，就要用噪声系数，要描述放大系统的固有噪声的大小，就要用噪声系数，其定义为其定义为 已知噪声功

26、率是与带宽已知噪声功率是与带宽B相联系的。相联系的。 噪声系数与输入信号大小无关。定义：噪声系数与输入信号大小无关。定义：Pni为信号为信号源内阻源内阻Rs的最大输出功率，为的最大输出功率，为kTB 噪声系数的大小与四端网络输入端的匹配情况无噪声系数的大小与四端网络输入端的匹配情况无关关 噪声系数的定义只适用于线性或准线性电路噪声系数的定义只适用于线性或准线性电路 信噪比与负载的关系信噪比与负载的关系 设信号源内阻为设信号源内阻为RS，信号源的电压为，信号源的电压为US（有效值），（有效值），当它与负载电阻当它与负载电阻RL相接时，在负载电阻相接时，在负载电阻RL上的信噪比计上的信噪比计 算如

27、下：算如下：LLssoRRRUP2信号源内阻噪声在信号源内阻噪声在RL上的功率上的功率 在负载两端的信噪比结论：在负载两端的信噪比结论： 信号源与任何负载相接本不信号源与任何负载相接本不影响其输入端信噪比，即无论负载为何值，其信噪比都不影响其输入端信噪比，即无论负载为何值，其信噪比都不变，其值为负载开路时的信号电压平方与噪声电压均方值变，其值为负载开路时的信号电压平方与噪声电压均方值之比。之比。 LLsnnoR)RR(EP22在负载两端的信噪比在负载两端的信噪比22nsnoooEUPPNS信号源在信号源在RL上的功率上的功率用额定功率和额定功率增益表示的噪声系数用额定功率和额定功率增益表示的噪

28、声系数放大器输入信号源电路如图所示。放大器输入信号源电路如图所示。 任何信号源加上负载后，任何信号源加上负载后，其信噪比与负载大小无关其信噪比与负载大小无关，信噪比均为信号均方电压（或，信噪比均为信号均方电压（或电流）与噪声均方电压（或电流）之比。电流）与噪声均方电压（或电流）之比。放大器的噪声系数放大器的噪声系数NF为为anipaanoanoaoaniaiFPGPP/PP/PN输出端额定功率信噪比输入端额定功率信噪比 Pasi和和Pao分别为放大器的输入和输出额定信号功率，分别为放大器的输入和输出额定信号功率，Pani和和Pano分别为放大的输入和输出额定噪声功率，分别为放大的输入和输出额定

29、噪声功率，Gpa为为放大器的额定功率增益。放大器的额定功率增益。以额定功率表示的噪声系数以额定功率表示的噪声系数2. 噪声系数的计算 额定功率额定功率, 又称资用功率或可用功率又称资用功率或可用功率, 是指信号源所能输出是指信号源所能输出的最大功率的最大功率, 它是一个度量信号源容量大小的参数它是一个度量信号源容量大小的参数, 是信是信号源的一个属性号源的一个属性, 它只取决于信号源本身的参数它只取决于信号源本身的参数内阻内阻和和电动势电动势, 与输入电阻和负载无关与输入电阻和负载无关, 如图所示。如图所示。 SSaiSSaiRIPREP22414 RSESRL RSISRSRL RS(a)(

30、b)（a） 电压源; （b） 电流源 放大器的噪声系数放大器的噪声系数NF为为anipaanoanoaoaniaiFPGPPPPPN / 输出端额定功率信噪比输出端额定功率信噪比输入端额定功率信噪比输入端额定功率信噪比 对于无源二端口网络，输出端匹配时，输出的额定噪声功率Pano= kTB, 所以噪声系数:因为Pani= kTB, papaGkTBGkTB1 kTBGPPGPNpaanoanipaanoF 抽头回路的噪声系数抽头回路的噪声系数 将信号源电导等效到回路两端将信号源电导等效到回路两端, 为为p2gS, 等效到回路两端的信号源电流为等效到回路两端的信号源电流为pIS, 输出端匹配时信

31、号源的最大输出功率，输出端匹配时信号源的最大输出功率，即二端网络输出端最大功率为：即二端网络输出端最大功率为：)(4222SSsmogpgIpP 输入端信号源的最大输出功率输入端信号源的最大输出功率,即二端网络最大输入功率为即二端网络最大输入功率为 ： 因此因此, 网络的噪声系数为网络的噪声系数为SSSSssssmosmipmFgpggpgpgggIpgIPPGN2222221)(441pISGSLCGSSsmigIP42例例10 求如图所示虚线所含网络噪声系数。方法一：额定功率增益法SSSERRRRU313 31/)(RRRRS 31312313244RRRRRRERRRRRUPSSSSSs

32、mo SSsmiREP42 US 313123132441RRRRRRERRRRREPPGNSSSSSSsmosmipaF )(3131RRRRRRRSSS 331213122RRRRRRRRRRSSSS 3211)(1RRRRRRSSS 方法二：开路电压法（戴维南定理）UnnipanaFPGPN 1 LSLniSLniiRERRRRRERRRRRUNni2231323132 31 naRanRanPPP 而：而：LSLnRSLnnaRRERRRRRERRRRRUPnR22313213132111 LSSLnRSSLnnaRRERRRRRRERRRRRRUPnR22311233112333 L

33、SLSSLSnipanaFRERRRRRERRRRRRERRRRPGPNninRnR2231322311223133111 SSRRRRRRR23321123)(1 SSSRRRRRR3211)(1 根据定义, 级联后总的噪声系数为3. 级联网络噪声系数级联网络噪声系数 式中, Pno为总输出额定噪声功率, 它由三部分组成: 经两级放大的输入信号源内阻的热噪声; 经第二级放大的第一级网络内部的附加噪声; 第二级网络内部的附加噪声, 即21221nanapanipapanoPPGPGGP RLNNanipaanoanoaoaniaiPGPPPPP / 输出端额定功率信噪比输出端额定功率信噪比输入

34、端额定功率信噪比输入端额定功率信噪比 FN 按噪声系数的表达式按噪声系数的表达式, Pna1和和Pna2可分别表示为可分别表示为kTBGNPGNPkTBGNPGNPpaFnipaFnapaFnipaFna222222111111)1()1()1()1( 则 kTBGNNGkTBNGkTBNGGkTBGPpaFFpaFpaFpapapano)1()1()1(22122121 将上式代入定义，得 1211PaFFFGNNN 多级放大器噪声系数的计算多级放大器噪声系数的计算)1(21321421312111111 npapapaFnpapapaFpapaFpaFFnFGGGNGGGNGGNGNNN多

35、级放大器噪声系数计算等效图多级放大器噪声系数计算等效图多级放大器的总噪声系数计算公式为：多级放大器的总噪声系数计算公式为：NNNN 从上式可以看出, 当网络的额定功率增益远大于1时, 系统的总噪声系数主要取决于第一级的噪声系数。 越是后面的网络, 对噪声系数的影响就越小, 这是因为越到后级信号的功率越大, 后面网络内部噪声对信噪比的影响就不大了。 因此, 对第一级来说, 不但希望噪声系数小, 也希望增益大, 以便减小后级噪声的影响。 ) 1(21321421312111111 npapapaFnpapapaFpapaFpaFFnFGGGNGGGNGGNGNNN多级放大器的总噪声系数计算公式为：

36、多级放大器的总噪声系数计算公式为： 例例11 下图下图 是一接收机的前端电路是一接收机的前端电路, 高频放大器和高频放大器和场效应管混频器的噪声系数和功率增益如图所示。场效应管混频器的噪声系数和功率增益如图所示。 试试求前端电路的噪声系数求前端电路的噪声系数(设本振产生的噪声忽略不计设本振产生的噪声忽略不计)。 高频放大器NF13 dBKP1(dB)10 dBFET混频器NF26.5 dBKP2(dB)9 dB本地振荡器至中放 解 将图中的噪声系数和增益化为倍数将图中的噪声系数和增益化为倍数, 有有47410947102101010650290230111.N.GNG.F.P.FP因此, 前端

37、电路的噪声系数为 )dB.(.GNNNPFFF73352350211214 噪声温度噪声温度 将线性电路的内部附加噪声折算到输入端将线性电路的内部附加噪声折算到输入端, 此附此附加噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效加噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效, 这就是这就是“噪声温度噪声温度”。设。设 等效到输入端的附加噪声为等效到输入端的附加噪声为Pna/GPa, 令增加的温度为令增加的温度为Te, 即噪声温度即噪声温度, 可得可得BkTGPepana 这样, TNTTTkTBBkTPBkTNFeeenieF)1(111 )1(21213121 npmpmpmenpmpmepmeeeKKKT

38、KKTKTTT多级放大器的等效噪声温度为：多级放大器的等效噪声温度为： 晶体管放大器的噪声系数晶体管放大器的噪声系数 根据下图所示，共基极放大器噪声可得各噪声源在放大器根据下图所示，共基极放大器噪声可得各噪声源在放大器输出端所产生的噪声电压均方值总和，然后根据噪声系数输出端所产生的噪声电压均方值总和，然后根据噪声系数的定义，可得到放大器的噪声系数的计算公式的定义，可得到放大器的噪声系数的计算公式共基极放大器噪声等效电路共基极放大器噪声等效电路20200212)(21ffIIraRrrRRrRrNecesebbssesbbF5 5 噪声系数与灵敏度噪声系数与灵敏度 噪声系数噪声系数是用来衡量部件

39、是用来衡量部件(如放大器如放大器)和系统和系统(如接收机如接收机)噪声性能的。噪声性能的。 而噪声性能的好坏，又决定了输出端的信号而噪声性能的好坏，又决定了输出端的信号噪声功率比噪声功率比(当信号一定时当信号一定时)。 同时，当要求一定的输出信同时，当要求一定的输出信噪比时，它又决定了输入端必需的信号功率，也就是说决噪比时，它又决定了输入端必需的信号功率，也就是说决定放大或接收微弱信号的能力。定放大或接收微弱信号的能力。 对于接收机来说，接收微弱信号的能力，可以用一重对于接收机来说，接收微弱信号的能力，可以用一重要指标要指标灵敏度来衡量。灵敏度来衡量。 所谓所谓灵敏度灵敏度就是保持接收机输就是

40、保持接收机输出端信噪比一定时，接收机输入的最小电压或功率出端信噪比一定时，接收机输入的最小电压或功率(设接收设接收机有足够的增益机有足够的增益)。 例12 某电视接收机，正常接受时所需的最小信噪比为20dB，电视接收机的带宽为6MHz，接收机的前端噪声系数为10，若信号源内阻为75，问接收机前端输入的信号灵敏度应多大？解：一般接收机前端增益有1020dB，所以前端的噪声系数为接收机噪声系数10。据噪声系数的定义，可得：1000101020NSNNSFi在多级网络级连中，信号的通频带近似等于噪声带宽，则输入的额定噪声功率为：kTBSPUini则，要求输入的信号功率为：pWkTBPNSNPniFs

41、i8 .231062901037. 1100010006230而，功率匹配时：SSSiREP42VRPESSiS5 .8475108 .2344 12讨论：提高灵敏度的方法降低接收机的噪声系数；降低接收机前端设备的温度T灵敏度（用功率表示）也可表示为：)dB(N)dBMHz(Blg)dB()dBm(PFminSi10114 虽然线性电路虽然线性电路(如晶体管放大器如晶体管放大器)有噪声模型，但是用计算有噪声模型，但是用计算方法决定噪声系数是有一定困难方法决定噪声系数是有一定困难(如模型中的一些参数很难准如模型中的一些参数很难准确得到确得到)的，因此常用测量的方法来确定一个电路和系统的噪的，因此

42、常用测量的方法来确定一个电路和系统的噪声系数。声系数。 随着频率范围、随着频率范围、 采用仪器或要求精度不同，有多采用仪器或要求精度不同，有多种测量噪声系数的方法。种测量噪声系数的方法。1) 用噪声信号源的测量方法用噪声信号源的测量方法下图是一测量系统的构成。下图是一测量系统的构成。噪声噪声信号源信号源待测待测放大器放大器辅助辅助放大器放大器均方均方电压表电压表6 6 噪声系数的测量噪声系数的测量2) 无噪声源的测量方法无噪声源的测量方法 当无合适的噪声信号源，而又要测量部件或系统的噪当无合适的噪声信号源，而又要测量部件或系统的噪声系数时，可以采用间接的方法，与上图类似，将噪声信声系数时，可以

43、采用间接的方法，与上图类似，将噪声信号源换成一高频信号源即可。号源换成一高频信号源即可。 测量的方法如下：设信号源的内阻为测量的方法如下：设信号源的内阻为RS，并与系统匹，并与系统匹配。配。 首先，关断信号源（保留源电阻），在系统的输出端首先，关断信号源（保留源电阻），在系统的输出端测出噪声功率值或电压均方根值。测出噪声功率值或电压均方根值。 然后，加正弦信号，使然后，加正弦信号，使输出电压远大于噪声电压值，测出中心频率的电压增益或输出电压远大于噪声电压值，测出中心频率的电压增益或功率增益，再改变信号源频率重复上述测量。功率增益，再改变信号源频率重复上述测量。 降低噪声系数的措施降低噪声系数的

44、措施 根据上面所讨论的结果，有根据上面所讨论的结果，有3种经常采用的减小噪声系数种经常采用的减小噪声系数的措施。的措施。1. 选用低噪声器件和元件选用低噪声器件和元件2. 正确选择晶体管放大级的直流工作点正确选择晶体管放大级的直流工作点3. 选择合适的信号源内阻选择合适的信号源内阻特特点点： 工工作作频频率率高高，中中心心频频率率几几百百 kHz几几百百 MHz 具具有有选选频频特特性性，一一般般负负载载采采用用谐谐振振回回路路 晶晶体体管管工工作作在在线线性性区区，可可看看成成线线性性元元件件，可可 用用有有源源四四端端网网络络参参数数微微变变等等效效电电路路来来分分析析。4.44.4 高频

45、小信号放大器概述高频小信号放大器概述主主要要要要求求： （质质量量指指标标）通通频频带带：7 . 0f2B 稳稳定定性性：指指放放大大器器的的工工作作点点，晶晶体体管管参参数数，电电路路元元件件参参数数变变化化时时，放放大大器器的的稳稳定定程程度度。即即当当 IC，UCE Au ,rbe f 元元件件参参数数变变化化 B 噪声系数：噪声系数：希希望望放放大大器器本本身身产产生生的的噪噪声声越越小小越越好好，要要求求噪噪声声系系数数接接近近 1。以以上上这这些些要要求求相相互互之之间间即即有有联联系系又又有有矛矛盾盾，例例如如增增益益和和稳稳定定性性，通通频频带带和和选选择择性性等等。（high

46、 frequency small signal amplifiers）4.5.1 晶体管的高频小信号等效模型晶体管的高频小信号等效模型 4.5.2 高频小信号调谐放大器高频小信号调谐放大器 4.5.3 高频调谐放大器的稳定性高频调谐放大器的稳定性CberbbCbcrbcrbeubercegm ube4.5.1 晶体管的高频小信号等效模型晶体管的高频小信号等效模型晶体管的高频小信号等效电路主要有两种表示方法：晶体管的高频小信号等效电路主要有两种表示方法： 物物理理模模型型等等效效电电路路：混混合合参参数数等等效效电电路路。 网网络络参参数数等等效效电电路路：y 参参数数等等效效电电路路。一一 混

47、合混合参数等效电路参数等效电路注注意意：C bc和和rbb的的存存在在对对晶晶体体管管的的高高频频运运用用的的十十分分不不利利的的。 Cbc将将输输出出交交流流电电流流反反馈馈到到输输入入端端，可可能能会会引引起起放放大大器器自自激激。 rbb在在共共基基电电路路中中会会引引起起高高频频负负载载反反馈馈，降降低低晶晶体体管管的的电电流流放放大大系系数数。 eb rcerbcreeCbeCbcrbbrbecrccbgm ube+u1-+u2-i1i2二二 Y参数等效电路参数等效电路 yieyoeyreuceyfeube输入短路时的输出导纳0uce2oebeuiy 输出短路时的输入导纳0ubebi

48、eceuiy +ube-+uce-ibic由由上上可可求求出出各各Y参参数数: 注注意意：以以上上短短路路参参数数为为晶晶体体管管本本身身的的参参数数，只只与与晶晶体体管管的的特特征征有有关关，与与外外电电路路无无关关，又又称称为为内内参参数数。导纳输出短路时的正向转输0ubecfeceuiy 导纳输入短路时的反向转输0ucebrebeuiy ceoebefeccerebeiebofriuyuyiuyuyiuyuyiuyuyi212211yieyoeyreuceyfeube三三 混混合合 参参数数等等效效电电路路与与y参参数数等等效效电电路路的的转转换换四四个个 y 参参数数都都是是复复数数，

49、为为了了计计算算方方便便，可可表表示示为为：oeoeoeieieieCjgyCjgy refejrerejfefeeyyeyy CiegiegoeCoebbebebbbebebierCj)gr1(Cjgy bbebebbbcbcbrerCj)gr1(Cjgy bbebebbbmferCj)gr1(gy bbebebbbebcbmbbcbceoerCj)gr1(CjggrCjgy 四四 晶晶体体管管的的高高频频参参数数1 截截止止频频率率 f2 特特 征征 频频 率率Tf f0 2/0 Tf f1 ffj10 20)ff(1 有有3 最最高高振振荡荡频频率率maxf定定义义：晶晶体体管管的的功功

50、率率增增益益1 pG时时的的工工作作频频率率为为maxf可可以以证证明明：cbebbbmmaxCCr4g21f 以以上上三三个个频频率率参参数数的的大大小小顺顺序序为为： fffT max。4.5.2 高频小信号调谐放大器一一、电电路路结结构构和和工工作作原原理理下下图图为为一一个个典典型型的的共共射射极极高高频频调调谐谐放放大大器器的的实实际际电电路路 1 直直流流偏偏置置电电路路 Rb1Rb2ReEc45123Rb1Rb2ReyLCbCeCB1B2VTLEc仿真2 高高频频交交流流等等效效电电路路放放大大电电路路由由三三部部分分组组成成晶晶体体管管：T输出回路：输出回路：LC 并联谐振回路

51、，并联谐振回路，输出变压器输出变压器 B2,及负载及负载 YL32154B1B2CLyLVT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管45123Rb1Rb2ReyLCbCeCB1B2VTLEc32154yieyoeyreuceyfeubeCyLL+u54-3 放放大大器器 Y 参参数数等等效效电电路路其其中中：ieieieCjgy oeoeoeCjgy LLLCjgy +u31-+u21-32154B1B2CLyLVT32154yieyoeyreuceyfeubeCyLL+u54-+u31-+u21-yLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSCp1yfeubegoyfeubeyoeY

52、LyLyfeubeyoe把把晶晶体体管管集集电电极极回回路路和和负负载载Ly折折合合到到振振荡荡回回路路两两端端 beiouuupuuA312 31254oupuu +u54-LjCjguypubefe 1131 +u31-其其 中中 ： L22oe21L22oe21oCpCpCCgpgpgg LLLoeoeoeCjgyCjgy )ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe21u +u31-p1yfeubep1yfeube+u31-p1yfeubeyLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSCp1yfeubego)ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe

53、21u 其其中中： LCfo 21为为调调谐谐放放大大器器的的谐谐振振频频率率。另另外外（常常用用） ，当当谐谐振振时时，off ，0 f +u31-由由上上式式可可以以看看出出：一一般般情情况况下下，放放大大器器在在回回路路调调谐谐时时，输输出出电电压压与与输输入入电电压压之之间间的的相相位位差差并并不不是是180o。)21 (12121oLfefevffjQgyppLjCjgyppA LoeofefeogpgpgyppgyppA22212121 归归一一化化电电压压增增益益为为：22oLo11)ff2Q(11AA 为为放放大大器器谐谐振振曲曲线线。 oAA 如如果果令令21112 oAA即

54、即可可求求出出放放大大器器的的通通频频带带为为：Lo7.0Qff2B 可可见见：QL B1B BCyppgyppAfefevo 2|2121 BCBfCfQCgooLo 22 CyppBAfevo 2| 21结论：增益带宽积恒定结论：增益带宽积恒定LoQffB 7 . 02 oAA 17 . 0f2 如如果果令令1 . 02111 . 01 . 0 oLoffQAA 可可 得得 ：Lo21.0Qf110f2 说说明明谐谐振振曲曲线线与与矩矩形形相相差差较较远远，选选择择性性较较差差，这这是是单单调调谐谐放放大大器器的的缺缺点点。1 .0f2 例例7 一中频放大器线路如图所示，已知放大器工作频率

55、为 ，回路电容 ，中频变压器接入系数 ， ，线圈品质因数 。晶体管的Y参数（在工作频率上）为: ， ， ， ， 。设后级输入电导仍为 ，求：（1）回路有载品质因数和通频带；（2）放大器谐振电压增益；（3）中和电容010.7fMHz50CpF11/0.35pNN22/0.03pNN0100Q 1.0ieGmS41ieCpF180reYjS 40feYmS4.3oeCpF45oeGSieGNCCRQ0LcbC题意分析题意分析：本题是小信号放大器分析的基本题。由于图中只有一个谐振回路，属于单调谐回路，根据 即可计算，但要注意的是：公式中C等效到回路中的总电容，g为等效到回路中的总电导 由于采用了中和

56、电路，计算增益时应认为放大器本身是稳定，而且不必考虑由 引起的反馈。本题的关键在于回路中的总电容、总电阻到底由哪些元件组成的。SQCg 6 .331001050107 .1014. 32126000 解解：（1）由于 为回路的总电容，g为回路的总电阻。Cg包括三个部分组成：回路本身的损耗以及三极管输出电导和后级输入电导等效到回路中的损耗。回路本身的损耗，即回路本身的并联谐振电导为晶体管输出电阻折合到回路两端的电阻为Sgpgoeoe 5 . 5104535. 06221 下一级输入电阻折合到回路两端的电阻为Sgpgieie 9 . 0100 . 103. 03222 则回路两端总电阻为Sgggg

57、oeieL 40 同样，可以求得回路总电容为：pFCpCpCCCCCoeieoeie54.503 . 435. 04103. 050222122 因此9 .841040/1054.50107 .1014. 32/61260 gCQL KHzQfBL1269 .84107 .10607 . 0 （2）谐振时的电压增益为5 .101040/104003. 035. 0/63210 gYppAfeu讨论讨论：本题中回路中的总电容是由回路本身的电容C以及三极管的输入电容、输出电容分别折合到回路中构成的，应注意电容的折合与电阻、电感应注意电容的折合与电阻、电感是不同的是不同的；回路的总电阻包括回路本身的

58、谐振电阻以及三极管的输入电阻、输出电阻分别折合到回路中三个部分。在不同的应用时，等效所包含的内容是不一样的，应具体问题具体分析。cbCNNN 11（3） 中和电容pFCNNNNcb44. 168. 265. 035. 0/1/11 cb21 CNNCN三、多级单调谐放大器若单级放大器的增益不能满足要求，就要采用多级放大器若单级放大器的增益不能满足要求，就要采用多级放大器设设放放大大器器有有 n 级级，各各级级的的电电压压增增益益分分别别为为un3u2u1uAA,A,A，则则总总电电压压增增益益nA为为：un3u2u1unAAAAA 而而谐谐振振时时的的电电压压总总增增益益为为：n0u03u02

59、u01u0nAAAAA Au1Au2Aun12n1 LonnnQffB12217 . 0 222207 .00011011211nnLnuunuunnffQAAAAAA 归归一一化化电电压压增增益益为为：1100Qff2n1L01.0 121100Kn1n11.0 （2）n级放大器的矩形系数级放大器的矩形系数图示电路为一单调谐回路中频放大器，晶体管3DG6C 的直流工作点是 V CE 8V， I E 2 mA；工作频率 f 0 10.7 MHz；调谐回路采用中频变压器L 13 4H， Q 0 100，其抽头为 N 12 5 圈， N 13 = 20圈， N 45 = 5圈。已知晶体管参数如下：

60、g ie 2860 S； C ie 18 pF ；goe 200S； C oe 7pF； y fe 45mS； ? fe 54 o；y re 0.31 mS； ? re 88.5 o试计算放大器的：1）单级电压增益 A v0 ；2）单级通频带2 f 0.7 ；3）四级的总电压增益（A V0 ）4 4）四级的总通频带 （2 f 0.7）4 5）如四级的总通频带 保持和单级的通频带2f 0.7 相同， 则单级的通频带应加宽多少？四级的总电压增益下降多少？此时，单级放大器的负载回路应并联上一个多大的电阻？yieyreuceyfeubeyoeYSyL4.5.3 高频调谐放大器的稳定性高频调谐放大器的稳