通信电路—低噪放与混频器及振荡器

1、第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器Here comes your footer Page 16.1 6.1 低噪声放大器的功能特点低噪声放大器的功能特点6.2 6.2 网络模型与参数网络模型与参数6.3 6.3 低噪声放大器的主要电路组态低噪声放大器的主要电路组态Here comes your footer Page 2第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器6.16.1、低噪声放大器的功能特点、低噪声放大器的功能特点Here comes your footer Page 36.16.1、低噪声放大器的功能特点、低噪声放大器的功能特点第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器位于接收机的最位于接

2、收机的最前端前端：噪声尽可能低噪声尽可能低，应具有适当的增益；，应具有适当的增益；直接与天线通过传输线相连，需有直接与天线通过传输线相连，需有良好阻抗匹配（良好阻抗匹配（R RS S=R=RININ）；应具有较好的反向隔离度；应具有较好的反向隔离度；应具有应具有较高的动态范围较高的动态范围，实现增益可调；，实现增益可调；应具有一定的应具有一定的选选频频功能功能；Here comes your footer Page 46.16.1、低噪声放大器的功能特点、低噪声放大器的功能特点第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器 一般情况下近似满足：一般情况下近似满足： 则最低噪声系数出现在：则最低噪声系数

3、出现在：源阻源阻抗与输入阻抗共轭抗与输入阻抗共轭的情况下；的情况下； 因此阻抗匹配与噪声匹配经常不能同时满足；因此阻抗匹配与噪声匹配经常不能同时满足；Here comes your footer Page 56.26.2、二端口网络与参数、二端口网络与参数第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器 线性网络线性网络信号输信号输入端入端+_+V1V2I1I2信号输信号输出端出端p 线性网络可以表示系统、模块、具体电路等线性网络可以表示系统、模块、具体电路等p 根据模块输入输出模型，可以用一端口、二端口、。根据模块输入输出模型，可以用一端口、二端口、。、。、N N端口表示端口表示p 一般用电压、电流来

4、表示网络的线性特性一般用电压、电流来表示网络的线性特性Here comes your footer Page 66.26.2、二端口网络与参数二端口网络与参数 S S参数参数第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器IncidentTransmittedS21S11ReflectedS22ReflectedTransmittedIncidentb1a1b2a2S12DUTb1= S11a1+ S12a2b2= S21a1+ S22a2Port 1Port 2S参数的获取不需要对模块终端进行开路或者短路操作，参数的获取不需要对模块终端进行开路或者短路操作，而只需要将端口匹配至而只需要将端口匹配至Z0

5、不会引起较大的驻波，不会产生震荡不会引起较大的驻波，不会产生震荡S参数也可直接转换为参数也可直接转换为Z或者或者Y参数参数Here comes your footer Page 76.26.2、二端口网络与参数二端口网络与参数 S S参数参数第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器入射波反射波传输波高频输入小信号可以看作是高频输入小信号可以看作是入射波入射波由于模块阻抗不匹配，存在由于模块阻抗不匹配，存在反射波反射波还有部分信号则通过模块，在另外一端产生还有部分信号则通过模块，在另外一端产生传输波传输波Here comes your footer Page 86.26.2、二端口网络与参数二端口

6、网络与参数 S S参数参数第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器入射波传输波S21S11反射波b1a1b2DUTZ0Loada2bSaSa2=211+22212bSaSa1=111+2S11=反射波入射波=b1a1a2=0S21=正向传输波入射波=b2a1 a2=0在端口二处加匹配阻抗，进行传输和反射波测量在端口二处加匹配阻抗，进行传输和反射波测量Here comes your footer Page 96.26.2、二端口网络与参数二端口网络与参数 S S参数参数第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器 b反射波传输波入射波2a2S12b1Z0Loada1DUTS22S22=反射波入射波=b2

7、a2a1=0S12=反向传输波入射波=b1a2a1=0在端口一处加匹配阻抗，进行传输和反射波测量在端口一处加匹配阻抗，进行传输和反射波测量Here comes your footer Page 106.26.2、二端口网络与参数二端口网络与参数 S S参数参数第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器S11S11： 代表代表正向反射系数正向反射系数，反映输入端的匹配情况，反映输入端的匹配情况S22S22： 代表代表反向反向反射系数反射系数，反映输出端的反映输出端的匹配情况匹配情况S21S21： 代表代表正向功率传输系数正向功率传输系数，反映增益或者衰减，反映增益或者衰减S12S12： 代表代表反相

8、功率传输系数反相功率传输系数，反映隔离度，反映隔离度p 模块的模块的S参数一般需要测量不同频率点处的值参数一般需要测量不同频率点处的值p S参数一般为复数参数一般为复数p S参数一般用对数形式表示参数一般用对数形式表示111112212222baSSSSbaHere comes your footer Page 116.26.2、二端口网络与参数二端口网络与参数 S S参数参数第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器入射波反射波传输波反射部分反射部分反射波反射波入射波入射波VSWRS-ParameterS11，S22反射系数反射系数阻抗阻抗回波回波损耗损耗211110absa 111111SVS

9、WRS20lgPPRL 入射反射011inZZ 6.26.2、二端口网络与参数二端口网络与参数 S S参数参数第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器111 1122221 1222VS VS VVS VS V根据负载反射系数定义，有根据负载反射系数定义，有0Z2V2V22LVV S S参数方程参数方程 输入输入端反射系数端反射系数11221111221LinLVS SSVS同理，得到输出端反射系数同理，得到输出端反射系数12212222111SoutSS SVSVS6.26.2、二端口网络与参数二端口网络与参数 S S参数参数第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器inout 反射波入射波122

10、1112211LinLS SSS1221222211SoutSS SSSHere comes your footer Page 14http:/ 1、2 2为必做；为必做；6 6、7 7二选一；二选一；1515周提交实验报告；周提交实验报告；6.36.3、低噪声放大器的主要电路组态、低噪声放大器的主要电路组态BJTBJT晶体管高频模型晶体管高频模型第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器 小信号等效模型小信号等效模型 电路电路中的所有参数均与工作点中的所有参数均与工作点Q有关有关6.36.3、低噪声放大器的主要电路组态、低噪声放大器的主要电路组态第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器电路组成：电

11、路组成：晶体管、偏置、输入匹配晶体管、偏置、输入匹配和输出负载和输出负载四大部分四大部分 典型电路典型电路晶体管晶体管 偏置偏置输入匹配网络输入匹配网络输出负载输出负载6.36.3、低噪声放大器的主要电路组态、低噪声放大器的主要电路组态第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器6.36.3、低噪声放大器的主要电路组态、低噪声放大器的主要电路组态第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器选择合适的选择合适的直直流偏置流偏置，得到，得到直流工作点直流工作点画出放大器画出放大器的的交流交流通路通路代入小代入小信号模信号模型型，计算放大，计算放大器各参数器各参数画交流通路图的原则画交流通路图的原则 直流直流电

12、源是电源是交流交流地地 大大电容电容（交流旁路电容）（交流旁路电容）短路短路 大大电感电感（扼流圈（扼流圈) )开路开路 仅做偏置用的直流电阻仅做偏置用的直流电阻可不画可不画射频放大器分析步骤：射频放大器分析步骤：6.36.3、低噪声放大器的主要电路组态、低噪声放大器的主要电路组态CMOS LNACMOS LNA第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器1栅极匹配电阻型共源结构栅极匹配电阻型共源结构2 共栅放大器结构共栅放大器结构3 并联并联-串联反馈放大器结构串联反馈放大器结构1FFinVVRRRAA1FRK20VA 第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器6.36.3、低噪声放大器的主要电路组态

13、、低噪声放大器的主要电路组态CMOS LNACMOS LNA4 源简并电感型共源放大器结构源简并电感型共源放大器结构1mgsgssgsinL gj Lj Lj CCZ1,1()(1)mTm effminTsgssTsssgGg QLCRLRR第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器6.36.3、低噪声放大器的主要电路组态、低噪声放大器的主要电路组态CMOS LNACMOS LNA跨导增强技术：跨导增强技术：将所需等效跨导提升一倍，可降低偏置电流；将所需等效跨导提升一倍，可降低偏置电流；第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器6.36.3、低噪声放大器的主要电路组态、低噪声放大器的主要电路组态CMO

14、S LNACMOS LNA噪声噪声抵消技术：抵消技术：共栅共栅LNA噪声抵消原理噪声抵消原理噪声抵消实例噪声抵消实例第六章第六章 低噪声放大器低噪声放大器6.36.3、低噪声放大器的主要电路组态、低噪声放大器的主要电路组态CMOS LNACMOS LNA增益控制增益控制方法方法u(a)开关负载开关负载u(b)旁路开关旁路开关u(c)电流分流电流分流u(d)衰减网络衰减网络Here comes your footer Page 24第七章第七章 混频器混频器7.1 7.1 混频器混频器的功能特点的功能特点7.2 7.2 混频器的基本原理混频器的基本原理7.3 7.3 混频器的基本组态混频器的基本

15、组态Here comes your footer Page 25第七章第七章 混频器混频器7.17.1、混频器的功能特点、混频器的功能特点Here comes your footer Page 26第七章第七章 混频器混频器7.17.1、混频器的功能特点、混频器的功能特点增益增益/ / 损耗损耗(Conversion Gain/Loss)(Conversion Gain/Loss) 同同LNALNA相似，适当的增益有助于抑制后续电路的噪声；相似，适当的增益有助于抑制后续电路的噪声；噪声系数噪声系数 由于仍然处在系统的前端，混频器的由于仍然处在系统的前端，混频器的NFNF对系统噪声有较大的影响；

16、对系统噪声有较大的影响； 分为单边带（分为单边带（SSBSSB）和双边带（）和双边带（DSBDSB）噪声系数）噪声系数线性度线性度 位于射频前端最后一级，线性度十分重要；位于射频前端最后一级，线性度十分重要；隔离度隔离度( ( 平衡度平衡度) ) LO-IF LO-IF feedthroughfeedthrough( ( 馈通）：结构选择、滤波特性；馈通）：结构选择、滤波特性； LO-RF LO-RF feedthroughfeedthrough ：本振泄漏、自混频、信号阻塞：本振泄漏、自混频、信号阻塞( ( 灵敏度退化灵敏度退化) )Here comes your footer Page 2

17、7第七章第七章 混频器混频器7.17.1、混频器的功能特点、混频器的功能特点混频器为三端口器件，端口之间信号存在泄漏并影响收发机性能：混频器为三端口器件，端口之间信号存在泄漏并影响收发机性能：p LOLO泄漏至泄漏至RFRF：影响影响LNALNA，严重情况直接通过天线向外辐射，严重情况直接通过天线向外辐射p RFRF泄漏至泄漏至LOLO：影响影响VCOVCO振荡频率精度振荡频率精度p LOLO泄漏至泄漏至IFIF：堵塞混频器后续电路，通常可被滤除堵塞混频器后续电路，通常可被滤除p RFRF泄漏至泄漏至IFIF：一般被一般被IF IF 滤波器滤除滤波器滤除RFLOIF零中频接收机需要考虑更多的端

18、口隔离，否则会产生诸如偶次失真、零中频接收机需要考虑更多的端口隔离，否则会产生诸如偶次失真、本振泄漏、直流偏移等问题本振泄漏、直流偏移等问题Here comes your footer Page 28第七章第七章 混频器混频器7.17.1、混频器的功能特点、混频器的功能特点单边噪声系数单边噪声系数(SSB)：需要需要考虑镜像部分噪声功率考虑镜像部分噪声功率如低中频接收机如低中频接收机双边噪声系数双边噪声系数(DSB)：射频信号位于本振两边射频信号位于本振两边如零中频接收机如零中频接收机理想情况：单边噪声系数理想情况：单边噪声系数(SSB)=双边噪声系数双边噪声系数(DSB)+3dBHere c

19、omes your footer Page 29第七章第七章 混频器混频器7.27.2、混频器的基本、混频器的基本分类分类l非线性时不变混频器非线性时不变混频器单管混频器单管混频器平方律平方律MOS管混频器管混频器l线性时变混频器线性时变混频器双平衡双平衡单平衡单平衡Here comes your footer Page 30第七章第七章 混频器混频器7.27.2、混频器的基本原理、混频器的基本原理非线性混频非线性混频 混频器实现频谱线性搬移可以通过器件混频器实现频谱线性搬移可以通过器件非线性非线性特性中特性中平方平方项项 但非线性特性中的但非线性特性中的其他项其他项产生组合频率，形成干扰和失

20、真产生组合频率，形成干扰和失真期望中频期望中频组合频率组合频率利用真空管或者利用真空管或者BJTBJT管的非线性管的非线性I-VI-V关系可实现混频关系可实现混频Here comes your footer Page 31第七章第七章 混频器混频器7.27.2、混频器的基本原理、混频器的基本原理非线性混频非线性混频(1)TVsII e第七章第七章 混频器混频器7.27.2、混频器的基本原理、混频器的基本原理非线性混频非线性混频长沟道长沟道MOSMOS管的电流电压接近平方律关系，管的电流电压接近平方律关系， V VRFRF, V, VLOLO 在在输入端通过某种方式线性相加：输入端通过某种方式线

21、性相加：第七章第七章 混频器混频器7.27.2、混频器的基本原理、混频器的基本原理线性时变混频器线性时变混频器基本原理：基本原理：Here comes your footer Page 34第七章第七章 混频器混频器7.27.2、混频器的基本原理、混频器的基本原理线性时变混频器线性时变混频器线性时变混频器的谐波混频现象线性时变混频器的谐波混频现象Here comes your footer Page 35第七章第七章 混频器混频器7.27.2、混频器的基本组态、混频器的基本组态吉尔伯特混频器吉尔伯特混频器跨导级跨导级电流极性切换电流极性切换负载、中频输出负载、中频输出Here comes yo

22、ur footer Page 36第七章第七章 混频器混频器7.27.2、混频器的基本组态、混频器的基本组态单平衡混频器单平衡混频器思考：单平衡混频器的转换增益及频率变换规律思考：单平衡混频器的转换增益及频率变换规律Here comes your footer Page 37第七章第七章 混频器混频器7.27.2、混频器的基本组态、混频器的基本组态无源电流混频器无源电流混频器本振开关仅传导射频电流，对幅度不敏感；本振开关仅传导射频电流，对幅度不敏感；跨阻放大器构造了射频虚地，提高了射频电流的利用率；跨阻放大器构造了射频虚地，提高了射频电流的利用率；具有线性度高，抗阻塞的优点；具有线性度高，抗阻

23、塞的优点；Here comes your footer Page 38第八章第八章 振荡器振荡器8.1 8.1 振荡器振荡器的功能特点的功能特点8.2 8.2 振荡器振荡器的工作原理的工作原理8.3 8.3 振荡器的几种基本组态振荡器的几种基本组态Here comes your footer Page 39第八章第八章 振荡器振荡器振荡器振荡器：无需输入信号，可自动将：无需输入信号，可自动将直流电源的能量直流电源的能量 转变转变为特定频率和振幅的为特定频率和振幅的交变能量交变能量的的电路；电路；基本原理：利用反馈电路实现自激振荡；基本原理：利用反馈电路实现自激振荡； 振荡器的振荡器的指标：指标

24、：频率频率频率的准确度与稳定度频率的准确度与稳定度 振幅振幅振幅的大小与稳定性振幅的大小与稳定性 波形波形及波形的失真及波形的失真 驱动能力驱动能力能带动一定阻抗的负载能带动一定阻抗的负载 8.18.1、振荡器的功能特点、振荡器的功能特点Here comes your footer Page 40第八章第八章 振荡器振荡器8.28.2、振荡器的工作原理、振荡器的工作原理反馈系统：反馈系统：A(s)F(s)vsvvvifo( )( )( )( )( )1( ) ( )1( )osV sA sA sH sV sA s F sT s其中其中: :( )( )( ),( )( )( )oifoA sV

25、 s V sF sVs V s开环传递函数开环传递函数( (或称之为或称之为环路增益环路增益) )为：为：( )( )( )( ) ( )fiT sVs V sA s F s闭环传递函数闭环传递函数：( )( ) ( )( )( )( )1( ) ( )( )oisifiV sA s V sV sV sVsA s F sV sHere comes your footer Page 41第八章第八章 振荡器振荡器8.28.2、振荡器的工作原理、振荡器的工作原理满足振荡的条件（起振）：满足振荡的条件（起振）：巴肯豪森准则：巴肯豪森准则：1 1、在振荡频率处，环路增益的相移满足、在振荡频率处，环路增

26、益的相移满足360360度度/0/0度；度；2 2、在振荡频率处，环路增益的幅频响应大于、在振荡频率处，环路增益的幅频响应大于1 1；Here comes your footer Page 42第八章第八章 振荡器振荡器8.28.2、振荡器的工作原理、振荡器的工作原理维持振荡的条件（稳定）：维持振荡的条件（稳定）：1 1、在振荡频率处，环路增益的相移满足、在振荡频率处，环路增益的相移满足360360度度/0/0度；度；2 2、在振荡频率处，环路增益的幅频响应等于、在振荡频率处，环路增益的幅频响应等于1 1；注意：注意： 1、起振的初始信号由电路自身噪声引起，经环路不断放、起振的初始信号由电路自

27、身噪声引起，经环路不断放大，最终增益下降为大，最终增益下降为1，幅度趋于稳定；，幅度趋于稳定； 2、环路增益大信号特性与小信号特性可能存在区别，故、环路增益大信号特性与小信号特性可能存在区别，故最终振荡频率可能会与起振频率存在微小差异；最终振荡频率可能会与起振频率存在微小差异； Here comes your footer Page 43第八章第八章 振荡器振荡器8.28.2、振荡器的工作原理、振荡器的工作原理稳定条件稳定条件：是指在外界干扰作用使得电路偏离平衡状态后，由于电路内是指在外界干扰作用使得电路偏离平衡状态后，由于电路内部的自我矫正作用，恢复原来的平衡状态所要求满足的条件。有振幅和部

28、的自我矫正作用，恢复原来的平衡状态所要求满足的条件。有振幅和相位两方面的稳定条件。相位两方面的稳定条件。振幅稳定条件：振幅稳定条件：0()0iipivvT jv故有振幅稳定条件：故有振幅稳定条件：Here comes your footer Page 44第八章第八章 振荡器振荡器8.28.2、振荡器的工作原理、振荡器的工作原理振荡曲线iTV起始起始点点 自动起振自动起振1T 平衡平衡点点 且且 稳定稳定 1T 0平衡点iVT曲线曲线A曲线曲线B起始起始点点 不能起振不能起振1T 平衡点平衡点N ： 平衡点平衡点M ： 0iTV平 衡 点1T 但但 不稳定不稳定1T 0平衡点iVT且且 稳定稳

29、定振幅稳定条件分析振幅稳定条件分析Here comes your footer Page 45第八章第八章 振荡器振荡器8.28.2、振荡器的工作原理、振荡器的工作原理dtd相位超前，频率必然上升相位迟后，必然是频率下降相位稳定条件相位稳定条件分析分析结论：结论：为使为使相位稳定相位稳定，振荡器的环路增益的，振荡器的环路增益的相位频率特性相位频率特性 在在平衡点处必须是平衡点处必须是负斜率负斜率的。的。T0平衡点THere comes your footer Page 46第八章第八章 振荡器振荡器8.28.2、振荡器的工作原理、振荡器的工作原理相位稳定条件相位稳定条件分析分析000002(2

30、)eTzeQarctg Q 相频曲线相频曲线 越越陡陡，即，即 越越大，稳定性大，稳定性越好越好TT结论：结论：选频回路的选频回路的 Q 值值越高越高，振荡器的，振荡器的频率稳定性越好频率稳定性越好 Here comes your footer Page 47第八章第八章 振荡器振荡器8.38.3、振荡器的几种基本组态、振荡器的几种基本组态LCLC振荡器振荡器采用采用LCLC振荡回路作为选频网络的反馈振荡器统称振荡回路作为选频网络的反馈振荡器统称为为LCLC振荡器。振荡器。根据反馈网络的类型，可以有根据反馈网络的类型，可以有互感（变压器）耦互感（变压器）耦合型合型LCLC振荡器振荡器和和三点式三点式LCLC振荡器振荡器等两种实现结构。等两种实现结构。Here comes your footer Page 48第八章第八章 振荡器振荡器8.38.3、振荡器的几种基本组态、振荡器的几种基本组态互感耦合型互感耦合型LCLC振荡器：振荡器：Here comes your footer Page 49第