高频电子线路第二版第3章高频小信号放大器.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高频电子线路,退出,下页,上页,首页,哈尔滨工程大学,第,3,章高频小信号放大器,本章教学基本要求,1.,掌握小信号调谐放大器的电路、工作原理和分析方法；了解宽频带放大器与集中选频滤波器的特点和使用方法。,2.,了解电子电路中噪声的来源和影响因素；掌握电阻热噪声的有关计算。,3.,掌握噪声系数的定义和计算方法；了解噪声温度的概念。,4.,了解低噪声放大器的作用、性能特点和实现电路；了解接收机的噪声指标的含义和灵敏度的概念。,本章的教学内容,3.1,概述,3.2,晶体管的高频小信号等效电路,3.3,晶体管小信号谐振放大器,3.4,小信号谐振放大器的稳定性,3.5,场效应管高频小信号放大器,3.6,线性宽带集成放大电路,3.7,放大电路的噪声与低噪声放大器,3.1,概述,3.1.1,高频小信号放大器的功能,高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真地放大。,高频小信号放大器的特点是,：,（,1,）高频是指被放大信号的,频率在数百千赫至数百兆赫,。由于频率高，放大器的晶体管的,极间电容的作用不能忽略,。,（,2,）小信号是指放大器,输入信号小,，可以认为放大器的晶体管,(,或场效应管,),是,在线性范围内工作,。这样就可以将,晶体管,(,或场效应管,),看成为线性元件,，分析电路时可将其,等效为二端口网络,。也就是放大器工作于线性放大状态，输入信号电压为 时,输出电压,为,，其中 为放大器的电压增益。从信号所含频谱来看，,输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是完全相同的,。,3.1.2,高频小信号放大器的分类与用途,高频小信号放大器,的分类,：,按照所放大信号的频谱宽窄可分为,宽带小信号,放大器和,窄带小信号,放大器；,按照所用负载的性质可分为,谐振,和,非谐振,小信号放大器。,高频小信号放大器的主要用途,：,接收机的,前置高频放大,器,(,低噪声放大器,),；,接收机的,中频放大,器。,3.1.3,高频小信号放大器的主要技术指标,1.,电压增益与功率增益,电压增益,等于放大器输出电压与输入电压之比；,功率增益 等于放大器输出给负载的功率与输入功率之比。,2.,通频带,通频带的定义是放大器的,电压增益下降到最大值的,倍时，所对应的频带宽度,。常用 来表示。,3.,矩形系数,矩形系数是表征放大器选择性好坏的一个参量。而,选择性是表示选取有用信号，抑制无用信号的能力,。,理想的频带放大器的频率,响应曲线应是矩形。即,理想幅频特性,4.,噪声系数,噪声系数是用来表征放大器的噪声性能好坏的一个参量。,线性网络,(,小信号放大器,),的噪声系数的定义是线性网络,输入端信号噪声功率比,P,si,/,P,ni,与,输出端信号噪声功率比,P,so,P,no,的,比值,。用,N,F,来表示。,即,对于放大器来说，总是希望放大器本身产生的噪声越小越好，即要求噪声系数接近于,1,。,即放大器本身产生的噪声为零,。,3.2,晶体管的高频小信号等效电路,晶体管和场效应管是组成放大器的主要器件。,晶体管,和,场效应管,的特性是,非线的,在分析不同类形的放大器时，会根据具体条件进行相应的近似等效,。,3.2.1,晶体管的,Y,参数等效电路,称为,输出短路时的,输入导纳；,称为,输入短路时的,反向传输导纳；,称为,输出短路时的,正向传输导纳；,称为,输入短路时的,输出导纳。,对于,共发射极组态,的,y,参数等效电路,对于,共基极组态的,y,参数等效电路,对于,共,集电,极组态的,y,参数等效电路,3.2.2,晶体管的混合,等效电路,是基区扩展电阻,是发射结电阻,是发射结的结电容,。,I,EQ,为静态工作点电流,(,mA,),表示晶体管放大作用的等效电流源,，,而 ，表示晶体管的放大能力，称为跨导，单位为,S,。,混合,等效电路的简化,r,ce,是集电极与发射极之间电阻，其数值很大，可忽略其影响,。,C,ce,是集电极与发射极之间的电容，其值很小，等效时可合并到集电极负载电路中去。,是集电结的结电阻,由于集电结处于反向偏置，其数值很大；,是集电结的结电容，其数值较小,。,高频率范围内,的值比,的容抗值要大得多，通常对,等效电路进行简化时常用 代,替 和 的并联电路。简化等,效电路如图所示。,混合,等效电路的参数的估算,从晶体管器件手册中可查得,。,C,ob,是晶体管共基接法且发射极开路时,c,、,b,间的结电容，,从晶体管器件手册中可查得,。,的数值可,通过手册给岀的特征频率,和,放大电路的静态工作点的数值,由,和,计算数值,。,y,参数与混合,等效电路参数的变换关系,可根据,y,参数的定义求出，其近似计算公式为,3.2.3,晶体管的高频参数,1.,截止频率,当 下降到低频电流放大系数 的 倍时，所对应的频率称为 的截止频率 。,根据定义,很小,忽略流过 电流,可得,对应低频,和 可忽略,则,根据定义，,所对应的 为 。,已知 时,任意频率 的 的计算,2.,特征频率,特征频率的定义是，,当 下降,到,1,时所对应的频率。,晶体管的,当 ，时，但这并不意着晶体管已经没有放大作用，这时放大器电压增益还有可能大于,1,。,3.,最高振荡频率,晶体管的功率增益 时所对应的频率称最高振荡频率 。,3.3,晶体管小信号谐振放大器,3.3.1,单调谐回路谐振放大器,单调谐,3.3.2,单调谐回路放大器的等效电路及分析,1.,放大器的,y,参数等效电路、输入导納和输岀导納,信号源用,I,S,负载为,T,2,放,和,Y,S,等效 大器的输入,导纳,Y,ie2,设从,T,1,管的,ce,两端向谐振回路看的等效负载导纳为,由晶体管内部特性决定,而 又要由外部负载 所决定,放大器的输入导纳,Y,i,为,同理可得出,放大器的输出导纳,Y,o,由于,y,re,的存在,，放大器负载导纳 的变化会引起放大器输入导纳,Y,i,的变化。,Y,s,的变化会引起放大器输出导纳,Y,o,变化,。,也就是放大器前后级参数的变化会产生相互影响,。,2.,简化的等效电路,(,假设晶体管的,),变压器一次侧的电感量为,L,，在工作频率时其空载品质因数为,Q,0,，则,空载谐振电导,g,0,=1/,0,LQ,0,。,总电导,总电容,3.3.3,单调谐回路放大器的技术指标,1.,电压增益,由等效电路,则,放大器谐振时，,对应的谐振频率,谐振电压增益,谐振电压增益的模,谐振电压增益的相移,2.,谐振时的功率增益,根据定义,可得,(1),谐振时的最大功率增益,在回路无损耗,(),及匹配,(),条件下,最大功率增益由,晶体管本身参数决定,与外电路参数无关。,(2),回路有损耗和失配时的功率增益,失配损耗,回路插入损耗,回路,失配损耗,令,称失配系数,。,可得,失配损耗,为,匹配时,n,=1,失配损耗为,1,；,n,不等于,1,失配损耗均小于,1,。,失配损耗,回路的插入损耗,(,的影响,),(3),用插入损耗和失配损耗表示的功率增益与电压增益,功率增益,：,由于,失配损耗,和,插入损耗,谐振放大器的,功率增益小于晶体管可能提供的最大功率增益。,电压增益,：,在回路无损耗,(),及匹配,(),条件下,电压增益最大值为,谐振电压增益的模为,3.,谐振曲线,谐振放大器带宽窄,可认为,f,在,f,0,附近变化,，,则,f,=,f,-,f,0,，称为一般失谐,。,令,=,Q,L,2,f,/,f,0,，,称为,广义失谐,可得,取其模可得,谐振曲线的表示形式,下图是分别用,、,和,表示的放大器的谐振特性曲线。,用频率表示,用广义失谐表示,用一般失谐表示,4.,放大器的通频带,根据通频带的定义，,时所对应的,2,f,为放大器的通频带。,可得,单级单调谐放大器通频带为,5.,放大器的矩形系数,根据矩形系数的定义,其中，,2,f,0.1,是 时所对应的频带宽度，,3.3.4,多级单调谐回路放大器的主要技术指标,1.,多级单调谐回路放大器的电压增益,设各放大级参数相同,则,则,m,级放大器的总电压增益为,2.,多级单调谐谐振放大器的谐振曲线,m,级相同的放大器级联时，,总谐振曲线为,3.,多级单调谐谐振放大器的通频带,m,级相同的放大器级联时，,m,级,总通频带,级数越多,通频带越窄,m,级,通频带与单级通频带的关系,4.,多级单调谐谐振放大器的矩形系数,根据矩形系数的定义,令,A,m,/,A,m0,=0.1,求得,m,级单调谐谐振放大器的矩形系数为,级数越多，矩,形系数越小。,3.4,小信号谐振放大器的稳定性,3.4.1,谐振放大器存在不稳定的原因,晶体管为双向器件,放大器的输出电压可通过晶体管的,y,re,反向作用到输入端，,引起输入电流的变化,，这种反馈作用将可能,引起放大器产生自激等不良后果,。,3.4.2,放大器的稳定系数及稳定增益,1.,放大器的稳定系数,S,定义,：,S,越大,放大器越稳定；,S,=1,为维持自激振荡的条件。,S,的估算,：,输,入,回路,同理，输出回路也可用相同形式表示，即,通常，放大器输入回路和输出回路相同，即,则,正反馈即相位相同的条件，可得,2.,单级调谐放大器的稳定增益,稳定增益,：,是指晶体管不加任何稳定措施,，,而满足稳定系数,S,(,例如,S,5,),要求时，放大器工作于谐振频率的最大电压增益。,设各级放大器的参数均相同，且,晶体管接入谐振回路的接入系数为 ，,下级负载接入谐振回路的接入系数为 ，,则单级调谐放大器的电压增益为,由于各级参数相同，从输出电压,U,o,处向放大器输出端看，可认为其等效导纳为,Y,S,，,可得,由 则,谐振电压增益,代入,S,式,稳定电压增益的说明：,稳定电压增益 的计算公式通常是在已知晶体管参数的条件下，根据稳定系数,S,的要求来确定自己设计的放大器的允许的最高电压增益。也就是说，在不加任何稳定措施的情况下，你所,制作的放大器的实际的电压增益 ，这个放大器一定是稳定的。,在设计小信号调谐放大器时,需要考虑,对,稳定电压增益进行核算,判断自已设计的放大器的电压增益选取,合不,合理。,例,：,已知某晶体管在工作频率为,10.7MHz,时，,（,26.4-j36.4,）,mS,；,=,（,0.08-j0.3,）,mS,。,用其做中频放大器，若,S,5,认为是稳定的，试计算稳定电压增益。,解：,在没有任何稳定措施条件下，,放大器电压增益不大于,12.5,能满足稳定系数的要求,。,3.4.3,提高谐振放大器稳定性的措施,由于,y,re,的反馈作用,，晶体管是一个,双向器件,。,使晶体管,y,re,的反馈作用消除的过程称为,单向化,。,单向化的目的就是提高放大器的稳定性。,单向化的方法有,中和法,和,失配法,。,1.,中和法,在晶体管,放大器的输出,与输入之间,引入一个附加的,外部,反馈电路,Y,N,，以抵消晶,体管内部,y,re,的反馈作用,称,为,中和。,在,Y,N,与,y,re,同性质条件下,变压器的,同名端保证电,流流向相反,通常,y,re,可以近似用电容 等效,Y,N,也就是,中和,电容,C,N,。,图,(a),应用较多 图,(b),C,N,只能在一个频率点完全中和,2.,失配法,失配法的,实质是降低放大器的电压增益,，以确保满足稳定的要求,也就是保证,。,降低电压增益的方法：,减小放大器的负载电阻,(,回路并电阻、,改变接入系数,),；,放大器增加负反馈,。,单管放大,器,的晶体管的,y,re,限制了放大器的稳定电压增益,晶体管的放大能力,不能得到充分的发挥,。,在单个晶体管的,y,re,一定的条件下,采用什么样的办法提高,放大器的,稳定电压增益呢,?,失配法的典型应用是共射,-,共基级联放大,。,(1),共射,-,共基级联放大的特点,对于前级,共射晶体管,放大器,来说，它,的,负载,是,输入导纳较大的,共基晶体管,大的负载导纳使,电压增益低,，但它仍有,较大的电流增益,。,后级,共基放大,的,电流增益小，,电压增益大,。,组合后的放大器的,总电压增益,和,功率增益,都与单管共射放大电路差不多，但稳定性高。,输入回路与晶体管采用部分接入，而输出回路与晶体管直接接入，这是由于共基晶体管输出电阻很大，不用部分接入。,(2),共射,-,共基级联晶体管可以等效为一个共射晶体管,在晶体管,y,ie,y,re,；,y,fe,y,ie,；,y,fe,y,oe,的条件下，相同晶体管组成的,共射,-,共基组态的等效晶体管的,y,参数为：,共射,-,共基复合管的输入导纳 和正向传输导纳 大致与单管参数相等，,反向传输导纳 远小于单管的 约小一二个数量级,。说明复合管内部反馈很弱，放大器的工作稳定性提高了。而输出导纳 也只是单管的几分之一。,3.5,场效应管高频小信号放大器,场效应管的优点,：,输入阻抗高、动态范围大、噪声小、线性好、抗辐射能力强,。,在分立元件的高频放大器中，有取代晶体管的趋势。,3.5.1,结型场效应管高频小信号放大器,共源,-,共栅级联,等效为一个,共源的场效应管,其反向传,输导纳很小，内部反馈很,弱，放大器的稳定性高。,场效应管共源,-,共栅高频放大器由于具有,电压增益较高、工作稳定、高频特性好、动态范围大、噪声小、线性好,等特点，在通信系统的高频放大中应用较为广泛。,3.5.2,双栅场效应管高频小信号放大器,有两个控制栅极,第二栅级,g,2,具有一定的屏蔽作用，使得漏极与第一栅极之间的反馈电容变得很小，一般均小于,0.05pF,。这样的管子制做的放大器的工作稳定性高。,右,图是高频调谐器中的具有自动增益控制作用的双栅场效应管高频放大器。,从结构上来看可认为是共源,-,共栅放大器的形式。,改变第二栅极,g,2,的,电压时，,可以改变场效,应管正向传输特性曲线,的斜率，从而改变高频,放大器的增益,可实现,自动增益控制。,3.6,线性宽带集成放大电路,3.6.1,线性宽频带集成放大电路,1.,利用负反馈的集成宽频带放大器,国产,8FZ1,集成放大电路是属于,利用负反馈展宽频带的放大器,，其电路如图,所示,。它是两个晶体管组成的直接耦合放大器，电路中具有两级电流并联负反馈。,2.,共射共基集成宽频带放大器,MC1490,集成放大器,电路特点,：,由,T,1,、,T,2,组成,共射差分输入级,，驱动由,T,3,、,T,4,和,T,5,、,T,6,组成的,共基差分放大器,。,由于,T,3,T,4,T,5,T,6,的基极,是通过,AGC,直流电压控制，,相当于基极交流接地。,从放大来看，是由,T,1,、,T,3,和,T,2,、,T,6,组成共射,共基差分放大,电路，其差动输出由,T,3,和,T,6,的,集电极输出。而,T,4,和,T,5,的,基极直流电压的变化,只是对,T,3,和,T,6,起分流作用，,使其电压增益变化，达到自动电压增益控制的目的。,T,3,和,T,6,的集电极输出直接,与,T,7,和,T,10,的基极相连,，而,T,7,、,T,8,组成,共集,-,共射级联,，,T,10,T,9,也组成,共集,-,共射级联,，则共集,-,共射组合管,T,7,T,8,和,T,10,T,9,组成,差分放大器的输出级,，其输出由,T,8,和,T,9,的,集电极输出。,T,12,T,13,T,14,T,15,T,16,和二极管构成偏置电路。,放大流程：,信号经,T,1,T,3,和,T,2,T,6,组成共射共基组合差分放大的输入级放大，再经,T,7,、,T,8,和,T,10,、,T,9,组成共集共射组合差分放大输出，这样的电路具有足够高的增益和足够宽的带宽。其中,T,7,和,T,10,的共集组态构成隔离级的作用，隔离了共射高增益输出对管,T,8,T,9,对前级,T,3,T,6,集电极的分流作用，从而也保证了电路的增益和带宽。,AGC,电路的功能是由,T,4,实现。,T,4,T,5,的基极通过,70,电阻引出到,AGC,控制端（脚,5,），,AGC,电压较低时，,T,4,T,5,截止，不影响电路正常工作。当,AGC,电压超过,5V,时，,T,4,T,5,导通，因而分流了,T,3,T,6,的射极输入电流，即有效地控制了放大器的增益。这种,AGC,方式不仅控制效率高，而且放大器的输入输出阻抗也不会因改变增益时受影响。,MC1490,的应用电路,工作频率为,30MHz,，电路采用了两个单调谐回路,L,1,C,1,和,L,2,C,2,，均调谐于,30 MHz,。,3.6.2,线性宽频带集成放大器与集中滤波器构成选频,放大器,(1),集中滤波器在宽频带放大器之后,这是一种常用的接法，如图所示，它要求放大器与滤波器之间要实现阻抗匹配。阻抗匹配能使放大器有较大的功率增益，同时能使滤波器有正常的频率特性。因为滤波器的频率特性与其输入端匹配、输岀端匹配有关，不匹配时不能得到预期的正常频率特性。,(2),集中滤波器在宽频带放大器之前,这种接法的特点是频带外的强干扰信号不会直接进入放大器，避免强干扰信号使放大器进入非线性状态产生新的干扰，如图所示。但若选用的集中滤波器的衰减较大时，进入放大器的信号较小，放大器信噪比变小。通常可在集中滤波器前加前置放大器，以提高信噪比。,3.7,放大电路的噪声与低噪声放大器,*,什么是噪声？,在放大电路或电子设备的输出端与有用信号同时存在的,一种随机变化的电流或电压,，,没有有用信号时，它也存在。,*,为什么要研究噪声,?,放大电路对微弱信号的放大要受到内部噪声的限制。,由于放大电路具有内部噪声,，当外来信号通过放大电路放大输出的同时，也有内部噪声输出。,若外来信号小到一定值时，放大器输出信号和噪声大小差不多,，,在放大器的输出端难于分辨信号,。,因,而研究噪声的特性以及减小噪声对电子电路系统的影响是很必要的。,3.7.1,放大电路内部噪声的来源和特点,电子电路内部噪声的主要来源是电阻热噪声和有源器件（晶体管、场效应管）的噪声。,1.,电阻的热噪声,(1),电阻的热噪声是电阻材料的,自由电子在外界温度作用下产生无规则运动，在电阻两端产生起伏电压。,(2),噪声电压 是随机变化的，在相当长时间内平均值为零。可以用其平方后的平均值 ，即噪声电压均方值表示,(3),电阻热噪声 具有很宽的频谱，而且各个频率分量的强度是相等的，称为白噪声。,(4),电阻热噪声的均方值可以用噪声功率谱密度 表示。而功率谱密度表示单位频带内的功率。热噪声在极宽的频带内具有均匀的功率谱密度。电阻热噪声功率谱密度为,式中，,k,为波尔兹曼常数,，,J/K,；,T,为电阻的绝对温度值,(,K,),。,(5),电阻热噪声可以用噪声电压方均值 或用噪声电流方均值 表示。其中 是电路的等效噪声带宽，单位为,Hz,。,2.,晶体三极管的噪声,(1),由基区电阻 产生的热噪声。其功率谱密度,(2),散粒噪声是流过,PN,结的载流子在平均电流 上随机起伏引入的噪声。其电流功率谱密度 ，其中 为载流子电荷量；为结的平均电流。,(3),分配噪声是集电极电流随基区载流子复合数量的起伏变化所引起的噪声。,(4),闪烁噪声又称为,1/,f,噪声。它主要在低频,(,几千赫以下,),范围起主要作用。这种噪声产生的原因与半导体材料制作时表面清洁处理和外加电压有关，在高频工作时通常不考虑它的影响。,3.,场效应管的噪声,(1),导电沟道电阻产生的热噪声,；,(2),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。,3.7.2,噪声电路的计算,1.,噪声等效电压源和等效电流源,在,f,n,频带内，温度为,T,的一个电阻的热噪声可用,等效电压源,或,等效电流源,如,图所示的等效电路表示。,2.,串并联电阻的噪声计算,计算两个串联电阻的总噪声电压，在两个噪声源互不相关的条件下，不能直接把噪声电压相加，而,只能把产生噪声的两个源的功率相加,(,或将两个噪声电压的方均值相加,),。,串联电阻的噪声,(,在 和,T,相同条件下,),并联电阻噪声,R,1,产生的热噪声电压均方,值 在并联电路两端产生的噪,声电压均方值为,R,2,产生的热噪声电压均方值 在并联电路两端产生的噪声电压均方值为,3.7.3,线性网络的噪声系数及计算,1.,等效噪声频带宽度,放大电路具有一定的频率特性，,电阻热噪声是均匀频谱的白噪声，,噪声,通过放大电路,(,线性网络,),后，,输出噪声是否也是均匀频谱呢,?,设二端口网络的,电压传输系数为,A,(,f,),，,输入端的噪声功率谱密度为,S,i,(,f,),。把输入端的噪声功率谱密度乘以网络的功率传输系数,A,2,(,f,),，即可得输出端的噪声功率谱密度,S,o,(,f,),输入端的均匀功率谱密度为,S,i,(,f,),的白噪声,，通过功率传输系数为,A,2,(,f,),的线性网络后，,输出端的噪声功率谱密度就不再是均匀的了。,如何求得噪声电压的均方值呢,?,由于起伏噪声电压的均方值与功率,谱密度之间存在的关系为,线性网络输出端的噪声电压均方值,可写成,图中,S,o,(,f,),曲线与横座标轴,f,之间的面,积就表示输出端噪声电压的均方值,。,等效噪声带宽,是按噪声功率相等,(,几何意义即面积相等,),来等效的。虚线表示的宽度为 、高度为 的矩形面积与曲线,下的面积相等。,即为等效噪声带宽。,根据功率相等的条件，可得,则,线性网络输出端的噪声电压均方值为,因为,所以,通常，,是已知的,只要求出 就很容易算出,对于其它噪声源来说，只要噪声功率谱密度是均匀的白噪声，都可以应用 来计算其通过线性网络后输出噪声电压的均方值。,注意：,线性网络的等效噪声带宽 与信号通频带,2,f,0.7,是不同的两个概念。,是从噪声的角度引出来的,，而,2,f,0.7,是对信号而言的,。但是二者之间有一定的关系。,对于常用的单调谐并联谐振回路来,说,。,隨,着回路级数,m,的增加，等效噪声带宽与信号通频带的差别越来越小。,2,.,噪声系数,(1),噪声系数的定义,线性网络,输入端信号噪声功率比,P,si,/,P,ni,与,输出端信号噪声功率比,P,so,/,P,no,的比值。用,N,F,来表示。,用分贝数表示,它表示信号通过线性网络后，信号噪声功率比变坏的程度。,(2),噪声系数用线性网络本身产生噪声功率的表示形式,根据噪声系数的基本定义。将它作适当的变换，可有另一种表示形式,式中，,A,P,=,P,so,/,P,si,为线性网络的功率增益。,A,P,P,ni,表示信号源产生的噪声通过线性网络放大后在输出端产生的噪声功率，用,P,noI,表示。,P,no,是线性网络的输出噪声功率,。,它是,由两部分组成的，一部分是,P,noI,=,A,P,P,ni,，另一部分是线性网络本身产生的噪声在输出端呈现的噪声功率,P,noII,。即,所以，噪声系数又可写成,可以看出,噪声系数与线性网络内部噪声有关,。,如果,线性网络是理想无噪网络,，,P,noII,=0,，则,N,F,=1,。,如果,线性网络本身有噪声,，,P,noII,0,，则,N,F,1,。,(3),噪声系数用额定功率和额定功率增益的表示形式,网络输入端,：,*,额定输入信号功率,当信号源内阻,R,s,与线性网络的输入电阻,R,i,相等时，信号源有最大功率输出。,其值为,*,额定输入噪声功率,网络输出端,：,*,额定输岀信号功率,当,网络的输出电阻,R,o,与负载电阻,R,L,相等,时，输出端匹配所对应的输岀信号功率,用 表示。,*,额定输岀噪声功率,当,网络的输出电阻,R,o,与负载电阻,R,L,相等,时，输出端匹配所对应的输岀,噪声,功率,用 表示。,当,R,s,R,i,或,时，额定信号功率和额定噪声功率的数值不变,。,但这时的额定功率不表示实际的功率。,*,线性网络,额定功率增益,A,PH,：,线性网络的输入和输出都匹配时,(,即,R,s,=,R,i,R,o,=,R,L,时,),的功率增益，即,。,额定功率增益的概念在线性网络不匹配时，也是存在的。,噪声系数也可以定义为,因为匹配条件下的测量容易实现,用此式计算和测量噪声比较方便。,3.,噪声温度,噪声温度是用来表征线性网络内部噪声的一种形式,。,噪声温度,的概念是，,把线性网络的内部噪声看成是由,信号源内阻,R,s,在,温度为,T,i,时所产生的噪声。,设线性网络内部噪声在输出端得到的额定输出噪声功率,为,并在,输入端虚设一个噪声源,等效的概念是,：,其中,T,i,叫做等效噪声温度，简称噪声温度。,由于噪声系数用额定噪声功率表示为,是输入噪声功率通过网络后，在输出端得到的额定输出噪声功率 ；,是线性网络本身产生的噪声在输出端呈现的额定噪声功率 。,噪声系数用噪声温度表示,式中，,T,为室温，可认为,T,=290K,。,T,i,为线性网络的等效噪声温度。,4.,级联网络的噪声系数,设两级网络每一级的额定功率增益和噪声系数分别为,A,PH1,、,N,F1,和,A,PH2,、,N,F2,，通带均为,f,n,。,第一级网络的额定输入噪声功率,因为,第一级网络的噪声系数,第一级网络的额定输出噪声功率 为,(,它是由哪些噪声组成呢,?),第一级额定输出噪声功率 是由两部分组成,：,通过第一级网络传输的信号源噪声功率,kT,f,n,A,PH1,；,第一级网络本身产生的输出噪声功率,P,n1,。,可得,同理，,第二级网络的额定输出噪声功率 也是由两部分组成,：,第一级网络输出的额定输出噪声功率,，经第二级网络的输出部分,A,PH2,；,第二级网络本身产生的输出噪声功率,P,n2,则第二级网络的额定输出噪声功率 为,根据噪声系数的定义，两级网络的总噪声系数为,可以求得,n,级级联网络的总噪声系数为,多级网络总的噪声系数主要取决于前面两级，,后面各级的影响很小。,通常，要求第一级的,N,F1,要小,而,A,PH1,要大。,5.,无源二端口网络的噪声系数,无源二端口网络广泛应用于各种无线电设备中。例如接收机的输入回路、天线至接收机的传输线以及,LCR,滤波器等。,设,A,PH,是该网络的,额定功率传输系数,，,R,s,是信号源内阻，是信号源内阻热噪声电压的均方值，,R,L,是负载。,从网络的输出端,ab,向左看，可以用,(,R,+j,X,),的串联等效电路来代替。电抗部分不产生热噪声，只有电阻,R,产生热噪声。,不管这个等效电阻,R,多大,，,它的额定输出噪声功率是,。,由信号源加到网络的额定输入噪声功率是 。,一个无源二端口网络的噪声系数,N,F,等于它的额定功率传输系数,A,PH,的倒数,。这个结果对任何无源网络，不管其内部电路如何，都是适用的。,例,3.7.1,计算下图所示无源二端口网络的噪声系数。,图,3.7.7,无源二端口网络,解,:(1),根据电路理论,和 组成网络可等效为,(2),网络的额定输岀功率 为,(3),网络的额定输入功率为,(4),网络的噪声系数为,例,3.7.2,图,3.7.8,是一个接收机方框图。接收信号经过传输线,L,送至混频器,M,，然后由中频放大器放大。求整个接收机的噪声系数。,图,3.7.8,接收机方框图,解：,传输线,L,的噪声系数是,可得接收机的噪声系数,3.7.4,接收机的灵敏度与最小可检测信号,1.,接收机的灵敏度,是指保证接收机输出端一定信噪比时，接收端所要求的最小有用信号功率。,2.,最小可检测信号电压,是与最小有用信号功率相对应的输入端处于匹配时的有用信号幅度。,接收机,输入电阻与信号源内阻相等匹配时,，可得,最小可检测信号电压为,式中，为接收机的输入电阻。,例,3.7.3,一个输入电阻为,50,的接收机,噪声系数,N,F,=6dB,通频带为,2MHz,，当要求输出信噪比为,2,时，接收机的最小有用信号功率和电压各为多少？,解：由于接收机是多级级联电路，通频带近似等于等效噪声带宽，,即,。,即,输出信噪比,用分贝,（,dBm,）,表示，则,当输入电阻为,50,时，最小可检测电压振幅为,3.7.5,低噪声放大器,1.,低噪声放大器的特点,（,1,）由于工作于接收机的最前端，根据接收机系,统总噪声系数的关系式可知，,要求前置低噪声放大器,的噪声系数越小越好。,为了抑制后面各级噪声对接收,机系统总噪声系数的影响，还,要求它具有一定的功率,增益。,但是为了不使低噪声放大器后面的混频器过载 而产生非线性失真，它的,功率增益又不宜过大。,同时,要求放大器在工作频段内应该是稳定的。,（,2,）由于低噪声放大器接收的信号很微弱，且,受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，故要,求低噪声放大器是一个,小信号线性放大器，且要有,足够大的线性范围。,（,3,）低噪声放大器应具有一定的选频功能，,抑,制带外和鏡频干扰，通常是频带放大器。,（,4,）低噪声放大器一般是通过传输线直接与天,线或天线滤波器连接，,放大器的输入端,必须和它们,实现很好的,阻抗匹配,，满足最大功率传输或最小噪,声系数的要求，且能保证滤波器的性能正常。,2.,减小噪声系数的措施,根据共基放大器噪声等效电路分析可知，共基,放大器的噪声系数,N,F,为,(1),选用低噪声器件和元件,选用 和噪声系数小的晶体管或噪声电平低的,场效应管。尤其是砷化镓半导体场效应管，其噪声,系数可低到,0.51dB,。电路中的电阻元件宜选用金属,膜电阻。,(,2),正确选择晶体管放大器的直流工作点,与晶体管的参数 、和 等有直接关,系，而这些参数又直接与晶体管的直流工作状态,有关。,(3),选择合适的信号源内阻,当 较小时，随 增大而减小。而 当较大,时，放大器噪声系数 式中的第四项起主要作用。,(4),选择合适的工作带宽,带宽增大时噪声也增大,带宽过窄会使正常信号,失真。,(5),选用合适的放大电路,工作频率低选用共射放大，工作频率高选用共,基放大。,