《高频电路基础.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频电路基础.pptx（97页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、会计学1高频电路基础高频电路基础第1页/共97页2.1.12.1.1高频电路中的元件高频电路中的元件 1.1.电阻器电阻器 一个实际的电阻器，在一个实际的电阻器，在低频低频时主要表现为时主要表现为电阻特性电阻特性，但，但在在高频高频使用时不仅表现有使用时不仅表现有电阻特性电阻特性的一面，而且还表现有的一面，而且还表现有电电抗特性抗特性的一面。电阻器的电抗特性反映的就是高频特性。的一面。电阻器的电抗特性反映的就是高频特性。一个电阻一个电阻R的高频等效电路如图所示，其中的高频等效电路如图所示，其中CR为分布电为分布电容，容，LR为引线电感，为引线电感，R为电阻。为电阻。电阻的高频等效电路电阻的高频
2、等效电路CRRLR第2页/共97页 2.2.电感线圈的高频特性电感线圈的高频特性 电感线圈在高频频段除表现出电感电感线圈在高频频段除表现出电感L的特性外，还具有的特性外，还具有一定的一定的损耗电阻损耗电阻r和和分布电容分布电容。在分析一般。在分析一般长、中、短波长、中、短波频段频段电路时，通常忽略分布电容的影响。因而，电感线圈的等效电路时，通常忽略分布电容的影响。因而，电感线圈的等效电路可以表示为电感电路可以表示为电感L和电阻和电阻r串联，如图所示。串联，如图所示。电感线圈的串联等效电路电感线圈的串联等效电路rL第3页/共97页电阻电阻r随频率增高而增加随频率增高而增加，这主要是，这主要是集肤
3、效应集肤效应的影响。所谓的影响。所谓集肤集肤效应效应是指随着工作频率的增高，流过导线的交流电流向导线表面集中这是指随着工作频率的增高，流过导线的交流电流向导线表面集中这一现象，当频率很高时，导线中心部位几乎完全没有电流流过，这相当一现象，当频率很高时，导线中心部位几乎完全没有电流流过，这相当于把导线的横截面积减小为导线的圆环面积，导电的有效面积较直流时于把导线的横截面积减小为导线的圆环面积，导电的有效面积较直流时大为减小，电阻大为减小，电阻r增大。工作频率越高，圆环的面积越小，导线电阻就越增大。工作频率越高，圆环的面积越小，导线电阻就越大。大。高频电感器也具有高频电感器也具有自身谐振频率自身谐
4、振频率(SRF)。在在SRF上上,高频电感的高频电感的阻阻抗的幅值最大抗的幅值最大,而相角为零而相角为零,如图所示。如图所示。第4页/共97页 设：流过电感线圈的电流为设：流过电感线圈的电流为I，则电感，则电感L上的无功功率上的无功功率为为I2L，线圈的损耗功率，即电阻，线圈的损耗功率，即电阻r的消耗功率为的消耗功率为I2r，故由，故由式（式（2.1.1）得到电感的品质因数）得到电感的品质因数(2.1.1)(2.1.2)Q值是一个比值，它是感抗值是一个比值，它是感抗L与损耗电阻与损耗电阻r之比，之比，Q值值越高损耗越小，一般情况下越高损耗越小，一般情况下,线圈的线圈的Q值通常在几十到一二值通常
5、在几十到一二百左右。百左右。在无线电技术中在无线电技术中,通常引入线圈的通常引入线圈的品质因数品质因数这一参数来表示这一参数来表示线圈的损耗性能。线圈的损耗性能。rL第5页/共97页 3 3 电容电容 由介质隔开的两导体即构成电容。由介质隔开的两导体即构成电容。一个电容器的等效电路却如图一个电容器的等效电路却如图（a a）所示。）所示。理想电容器的阻抗理想电容器的阻抗1/(jC),1/(jC),如图如图2 2 2 2（b b）虚线所示）虚线所示,其中其中,f f为工作频率为工作频率,=2f,=2f。电容器的高频等效电路电容器的高频等效电路 (a)电容器的等效电路电容器的等效电路;（b）电容器的
6、阻抗特性电容器的阻抗特性 Rc为极间绝缘电阻，为极间绝缘电阻，LC为分布电感或极间电感，小容量电容的引线电感。为分布电感或极间电感，小容量电容的引线电感。高频运用时其阻抗特性实线所示。当工高频运用时其阻抗特性实线所示。当工作频率小于自身谐振频率，呈容性，作频率小于自身谐振频率，呈容性，工作频率大于自身谐振频率，呈感性工作频率大于自身谐振频率，呈感性。容性容性感性感性第6页/共97页 在分析一般在分析一般米波以下频段米波以下频段的谐振回路时，常常只考虑的谐振回路时，常常只考虑电容和损耗。电容和损耗。电容器的等效电路也有两种形式，如图所示。电容器的等效电路也有两种形式，如图所示。电容器的串、并联等
7、效电路电容器的串、并联等效电路rCRCp第7页/共97页2.1.22.1.2高频电路中的组件高频电路中的组件 谐振回路由谐振回路由电感线圈和电容电感线圈和电容组成，当外界授予一定能量，组成，当外界授予一定能量，电路参数满足一定关系时，可以在回路中产生电压和电流的电路参数满足一定关系时，可以在回路中产生电压和电流的周期振荡回路。若该电路在某一频率的交变信号作用下周期振荡回路。若该电路在某一频率的交变信号作用下,能在能在电抗原件上产生最大的电压或流过最大的电流，即具有谐振电抗原件上产生最大的电压或流过最大的电流，即具有谐振特性，故该电路又称特性，故该电路又称谐振回路谐振回路。谐振回路按电路的形式分
8、为：谐振回路按电路的形式分为：串联谐振回路串联谐振回路并联谐振回路并联谐振回路 高频电路中的无源组件或无源网络主要有高频振荡（谐振）回路、高频变压器、谐振器与滤波器等,它们完成信号的传输、频率选择及阻抗变换等功能。简单回路简单回路 耦合谐振回路第8页/共97页用途：用途：1.利用他的选频特性构成各种谐振发大器利用他的选频特性构成各种谐振发大器2.在自激振荡器中充当谐振回路在自激振荡器中充当谐振回路3.在调制、变频、解调充当选频网络在调制、变频、解调充当选频网络 本章讨论各种谐振回路在正弦稳态情况下的谐本章讨论各种谐振回路在正弦稳态情况下的谐 振特性和振特性和频率特性。频率特性。第9页/共97页
9、RpLCRSiSrLCRSiSrLCRSuS第10页/共97页串联谐振rLCRSuSZS1)阻抗特性阻抗特性X0容性容性感性感性rrLCRSuSZS0第11页/共97页rLCRSuSiS+-+-第12页/共97页3)谐振曲线谐振曲线回路电流幅值与外加电压频率之间的关系曲线。回路电流幅值与外加电压频率之间的关系曲线。rLCRSuSiS其中幅频特性幅频特性Q2Q1Q1Q20I/I0第13页/共97页小失谐谐振特性方程（通用式）谐振特性方程（通用式）失谐量失谐量广义失谐量广义失谐量式中式中第14页/共97页相频特性曲线 rLCRSuS0感性感性容性感性感性容性rLCRSuSiS0串联谐振相频特性串联
10、谐振相频特性Q1Q2第15页/共97页rLCRSuSisrLCRSuS+uC-+uL-is+ui-+uR-第16页/共97页1第17页/共97页rLCRSiSZPRpLCRSiS谐振时谐振时当当 L r 时时1 1）谐振频率）谐振频率Rp并联谐振第18页/共97页rLCRSiSZP当 L r 条件不满足时，谐振时，Z为实数，则分子中虚部必须与分母中虚部相抵消。即准确并联回路谐振频率准确并联回路谐振频率第19页/共97页RpLCRSiS+ui-rLCRSiS第20页/共97页rLCRSiS电感性电感性电容性电容性Rp0第21页/共97页rLCRSiS+-Is是与外电流相比较而言是与外电流相比较而
11、言Q2Q1Q1Q200感性感性容性容性0第22页/共97页rLCRSiS+-Is是与外电流相比较而言是与外电流相比较而言Q2Q1Q1Q200感性感性容性容性0第23页/共97页RpLCRSiSiiiCiRiL+u-1第24页/共97页RpLCRSiSii+u-RL7）信号源内阻和负载电阻的影响）信号源内阻和负载电阻的影响式中式中为回路固有品质因素为回路固有品质因素第25页/共97页例 1 设一放大器以简单并联振荡回路为负载,信号中心频率fs=10MHz,回路电容C=50 pF,(1)试计算所需的线圈电感值。(2)若线圈品质因数为Q=100,试计算回路谐振电阻及回路带宽。(3)若放大器所需的带宽
12、B=0.5 MHz,则应在回路上并联多大电阻才能满足放大器所需带宽要求?解 (1)计算L值。第26页/共97页将将f f0 0以以兆兆赫赫兹兹(MHz)(MHz)为为单单位位,以以皮皮法法(pF)(pF)为为单单位位,L L以以微微亨（亨（H H）为单位，）为单位，上式可变为一实用计算公式上式可变为一实用计算公式:将将f f0 0=f fs s=10 MHz=10 MHz代入代入,得得(2)若线圈品质因数为Q=100,试计算回路谐振电阻及回路带宽。第27页/共97页回路带宽为回路带宽为 求求满满足足0.5 0.5 MHzMHz带带宽宽的的并并联联电电阻阻。设设回回路路上上并并联联电电阻阻为为R
13、 R1 1,并并联联后后的总电阻为的总电阻为R R1 1R R0 0,总的回路有载品质因数为总的回路有载品质因数为Q QL L。由带宽公式由带宽公式,有有此时要求的带宽此时要求的带宽B B=0.5 MHz,=0.5 MHz,故故回路总电阻为回路总电阻为(3)若放大器所需的带宽B=0.5 MHz,则应在回路上并联多大电阻才能满足放大器所需带宽要求?第28页/共97页2.1.3.2.1.3.LC LC 阻抗变换网络阻抗变换网络 BX1RXR1AABX2R2等效：电路在同频率工作时，从AB端看进去阻抗 或（导纳）相等。第29页/共97页BX1RXR1AABX2R2第30页/共97页RL1CRSiSL
14、2RpCRSiS第31页/共97页3.并联谐振回路的广义形式并联谐振回路的广义形式Z1Z2ZPR1R2ZPCL表明：若表明：若R1和和R2都不很大时，则认为都不很大时，则认为R1和和R2都集中在电感之路内都集中在电感之路内第32页/共97页2.1.4.抽头并联振荡电路抽头并联振荡电路L2L1CL2L1CRLC2C1LLC2C1RL第33页/共97页iSRSL1C2C1RLiSRSL2L1C2C1RLabbacdcdL2LCRLRS iS LCRLRS iS abab第34页/共97页iSRSL2L1C2C1RLacbdiS RS LCRLab+ucb-+uab-+udb-+uab-是回路与外电
15、路之间的调节因子是回路与外电路之间的调节因子与外电路相连的那部分电抗与本回路参与分压的同性与外电路相连的那部分电抗与本回路参与分压的同性质总电抗之比。质总电抗之比。非谐振时非谐振时第35页/共97页iSRSL2L1C2C1RLacbdiLiSiCiRiLiS ；iC iR 第36页/共97页接入系数接入系数p越小越小,比值越小比值越小,所以 前面分析中假设 iLiS ；iC iR 当p较小时将不能满足.iSRSL2L1C2C1RLacbdiLiSiCiR第37页/共97页2.1.52.1.5 耦合回路耦合回路概述概述单振荡回路具有单振荡回路具有频率选择性频率选择性和和阻抗变换阻抗变换的作用。的
16、作用。但是：但是：1 1、选频特性不够理想、选频特性不够理想 2 2、阻抗变换不灵活、不方便、阻抗变换不灵活、不方便为了使网络具有矩形选频为了使网络具有矩形选频特性，或者完成阻抗变换特性，或者完成阻抗变换的需要，需要采用的需要，需要采用耦合振耦合振荡荡回路。回路。耦合振荡耦合振荡:耦合回路由两个耦合回路由两个或者两个以上的单振荡回或者两个以上的单振荡回路通过各种不同的耦合方路通过各种不同的耦合方式组成。式组成。单谐振回路单谐振回路矩形选频特性矩形选频特性f0f第38页/共97页ususisis第39页/共97页 常用的两种耦合回路常用的两种耦合回路耦合系数耦合系数k k：耦合回路的特性和功能与
17、两个耦合回路的特性和功能与两个 回路的耦合程度有关回路的耦合程度有关按耦合参量的大小：强耦合、弱耦合、临界耦合按耦合参量的大小：强耦合、弱耦合、临界耦合电感耦合回路电容耦合回路+L1 R2 L2 M C2 1V&R1 C1 IsG1L1C1C2L2G2CM+-说明回路间耦合程度的强弱第40页/共97页k k 的定义的定义:耦合回路的公共电抗绝对值与初次级回路中的同耦合回路的公共电抗绝对值与初次级回路中的同 性质电抗的几何中项之比性质电抗的几何中项之比.对电容耦合回路：对电容耦合回路：一般一般C1=C2=C：通常通常 CM C：k0)时，则Xf1呈容(Xf10)；反之，当X22呈容性(X220)
18、。1）反射电阻永远是正值反射电阻永远是正值。这是因为，无论是初级回路反这是因为，无论是初级回路反射到次级回路，还是从次级回路反射到初级回路，反射电阻射到次级回路，还是从次级回路反射到初级回路，反射电阻总是代表一定能量的损耗。总是代表一定能量的损耗。4 4）当初、次级回路同时调谐到与激励频率谐振（即当初、次级回路同时调谐到与激励频率谐振（即X X1111=X=X2222=0=0）时，反射阻抗为纯阻）时，反射阻抗为纯阻。其作用相当于在初级回路其作用相当于在初级回路中增加一电阻分量，中增加一电阻分量，且反射电阻与原回路电阻成反比。且反射电阻与原回路电阻成反比。3）反射电阻和反射电抗的值与耦合阻抗的平
19、方值反射电阻和反射电抗的值与耦合阻抗的平方值（M）2成正比成正比。当互感量当互感量M=0时，反射阻抗也等于零。时，反射阻抗也等于零。这就是单回路的情况。这就是单回路的情况。第47页/共97页is+V2-+V1-第48页/共97页is+u2m-频率特性方程频率特性方程4 频率特性曲线频率特性曲线第49页/共97页1式中分母第二项为负值，随式中分母第二项为负值，随 增加，增加，此负值增加。所以分母先减小，当此负值增加。所以分母先减小，当 较大时，分母中第三项起作用，分母较大时，分母中第三项起作用，分母随随 增大而增大。因此，随增大而增大。因此，随 增大，增大，先增大，而后减小。在先增大，而后减小。
20、在两边出现两边出现双峰双峰。峰点位置或两峰间的宽度，将谐振特性方程对峰点位置或两峰间的宽度，将谐振特性方程对 取导数，并令取导数，并令其导数为零，得其导数为零，得第50页/共97页1第51页/共97页1第52页/共97页 2.1.6.高频变压器和传输线变压器 1.1.高频变压器高频变压器是靠磁通交链是靠磁通交链,或者说是靠互感进行耦合的。或者说是靠互感进行耦合的。(1)(1)高频变压器常用高导磁率高频变压器常用高导磁率、高频损耗小的软磁材料作磁芯。高频损耗小的软磁材料作磁芯。(2)(2)高频变压器一般用于小信号场合高频变压器一般用于小信号场合,尺寸小尺寸小,线圈的匝数较少。线圈的匝数较少。高频
21、变压器的磁芯结构（a）环形磁芯;(b)罐形磁芯;(c)双孔磁芯 高频变压器及其等效电路 (a)电路符号;(b)等效电路第53页/共97页 图图 (a)(a)是是一一中中心心抽抽头头变变压压器器的的示示意意图图。初初级级为为两两个个等等匝匝数数的的线线圈圈串串联联,极极性性相相同同，设设初初次次级级匝匝比比n n=NN1 1/NN2 2。作作为为理理想想变变压压器器看看待待,线圈间的电压和电流关系分别为线圈间的电压和电流关系分别为(2 38)(2 37)图 2 16 中心抽头变压器电路 （a）中心抽头变压器电路;（b）作四端口器件应用 第54页/共97页 传输线变压器是将两根等长的导线紧靠在一起
22、，并绕在高导磁率低损耗的磁芯上构成的。最高工作频率可扩展到几百兆赫甚至上千兆赫。传输线变压器与普通变压器在传输能量的方式上是不相同的，传输线变压器负载两端的电压不是次级感应电压，而是传输线的终端电压。两根导线紧靠在一起，所以导线任意长度处的线间电容很大，且在整个线上均匀分布。其次，两根等长导线同时绕在高磁芯上，所以导线上均匀分布电感量也很大，这种电路通常又叫分布参数电路。usususRLRLRLRsRsRs(a)结构示意图结构示意图(c)变压器方式变压器方式(b)传输线方式传输线方式u1u2u1u2u1u2 在传输线变压器中，线间的分布电容不影响高频能量的传输，电磁波以电磁能交换的形式在导线间
23、介质中传播的。2.传输线变压器usRLRsu1u2i1i2第55页/共97页 图 2 18 传输线变压器的工作方式(a)传输线方式;(b)变压器方式r 为传输线的相对介电常数为传输线的相对介电常数,大于大于1(24),传输线上传输线上的波速和波长均小于自由空间电磁波的波速的波速和波长均小于自由空间电磁波的波速c和波和波长长0.传输线的主要参数是传输线的主要参数是 波速波速,波长及特性阻抗波长及特性阻抗.特性阻抗特性阻抗ZC决定于决定于 传输线的横向尺寸（导线粗细、间距、介电常数传输线的横向尺寸（导线粗细、间距、介电常数)的参数的参数.L和和C为单位线长的分布为单位线长的分布电感和分布电容。电感
24、和分布电容。第56页/共97页(1)1：1传输线变压器 1：1传输线变压器，又叫倒相变压器。当传输线无损时，可以认为u1=u2和i1=i2。usRLRsu1u2i1i2如果传输线的特性阻抗：传输线输出端的等效阻抗为：输入端（1、3端）的等效阻抗为：为了实现传输线变压器与负载的匹配，要求：为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求：1：1传输线变压器，最佳匹配状态应该满足：满足最佳功率传输条件的传输线特性阻抗为：1：1传输线变压器具有最大的功率输出。但实际上，在各种放大电路中RL正好等于信号源内阻的情况是很少的。因此，1：1传输线变压器很少用作阻抗匹配元件，而更多的是用来作为倒相器，或进行不平衡-
25、平衡以及平衡-不平衡转换。第57页/共97页usRsusususRsRsRLRLRLRLRsu1u1u2u2i2i1i1+i2(2)1：4和4：1传输线变压器 1：4传输线变压器是把负载阻抗降为1/4倍以便和信号源相匹配。在负载匹配的条件下，有 u1=u2=u和，i1=i2=i 由于变压器的1端与4端相连，输入端1端与3端的电压为u，负载RL上的电压为u1+u2=2u，输入端1的电流为i1+i2=2i，且u1u1u2u2i22ui1i1+i2+2u-i传输线变压器的输入阻抗为：传输线变压器把负载RL变换为RL/4，实现了1：4的阻抗变换。如果把输入端和输出端对调就成为4：1传输线变压器。4：1
26、传输线变压器把负载阻抗升高4倍和信号源匹配，由电压电流关系不难证明该变压器具有4：1的阻抗变换作用。i第58页/共97页 图 2 19传输线变压器的应用举例（a）高频反相器;（b 不平衡平衡变换器;（c）14 阻抗变换器;(d)3 分贝耦合器第59页/共97页2.1.7、石英晶体谐振器 1.石英晶体的物理特性：石英是矿物质硅石的一种（也可人工制造），化学成分是SiO2，其形状为结晶的六角锥体。图(a)表示自然结晶体，图(b)表示晶体的横截面。为了便于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶体内画出三种几何对称轴，连接两个角锥顶点的一根轴ZZ，称为光轴，在图(b)中沿对角线的三条XX轴，称为电
27、轴，与电轴相垂直的三条YY轴，称为机械轴。Y X1 X Y Z Y Y X X Y Y X X Y Y X X(a)(b)第60页/共97页 沿着不同的轴切下，有不同的切型，X切型、Y切型、AT切型、BT、CT等等。石英晶体具有正、反两种压电效应。当石英晶体沿某一电轴受到交变电场作用时，就能沿机械轴产生机械振动，反过来，当机械轴受力时，就能在电轴方向产生电场。且换能性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效率最高。石英晶体和其他弹性体一样，具有惯性和弹性，因而存在着固有振动频率，当晶体片的固有频率与外加电源频率相等时，晶体片就产生谐振。第61页/共97页石英晶体的特点：等效电感Lq特别大、等效电容C
28、q特别小，因此，石英晶体的Q值 很大，一般为几万到几百万。这是普通LC电路无法比拟的。由于 ，这意味着等效电路中的接入系数很小,因此外电路影响很小。第62页/共97页CoCgCoCg5Cg3CgLgLg3Lg5LgRg2.石英晶体振谐器的等效电路和符号第63页/共97页 图 2 22 晶体谐振器的等效电路 (a)包括泛音在内的等效电路;(b)谐振频率附近的等效电路(2 42)(2 43)2.石英晶体振谐器的等效电路和符号第64页/共97页（2 44）图 2 22(b)所示的等效电路的阻抗的一般表示式为 在忽略rq后,上式可化简为 （2 45）第65页/共97页图 2 23 晶体谐振器的电抗曲线
29、 fqf0电容性电容性电容性电容性电电感感性性 fXqO第66页/共97页2.22.2电子的噪声及其特性电子的噪声及其特性 噪声是一种随机信号，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。干扰与噪声的分类：自然(天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等)干扰(一般指外部干扰)人为(工业干扰和无线电器的干扰)自然噪声(热，闪烁，散粒等）噪声(内部产生)人为噪声（交流噪声，感应噪声，接触不良噪声等）本章主要讨论自然噪声，对工业干扰和天电干扰只做简略的说明。第67页/共97页2.2 2.2 电子的噪声及其特性电子的噪声及其特性 噪声是一种随机信号，其频谱分布于整个无线电工作频
30、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：自然(天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等)干扰(一般指外部干扰)人为(工业干扰和无线电器的干扰)自然噪声(热，闪烁，散粒等）噪声(内部产生)人为噪声（交流噪声，感应噪声，接触不良噪声等）本章主要讨论自然噪声，对工业干扰和天电干扰只做简略的说明。第68页/共97页2.2.1 电子噪声的来源与特性 主要由电阻、谐振回路和晶体管内部所具有的带电微粒主要由电阻、谐振回路和晶体管内部所具有的带电微粒无规则运动所产生，具有起伏噪声性质，它是一种随机过程，无规则运动所产生，具有起伏噪声性质，它是一种随机过程，遵循统计规律，其特性用概率分布特性描
31、述。遵循统计规律，其特性用概率分布特性描述。1.电阻热噪声电阻热噪声 某一瞬间某一瞬间，起伏噪声电压，起伏噪声电压的大小和方向是随机变化。的大小和方向是随机变化。一段时间内一段时间内，起伏噪声电，起伏噪声电压出现正、负的概率相同，压出现正、负的概率相同，因此平均值为常数或为零。因此平均值为常数或为零。这种因热运动而产生这种因热运动而产生的起伏电压称电阻的热噪的起伏电压称电阻的热噪声。声。电阻热噪声电压波形电阻热噪声电压波形第69页/共97页1）热噪声电压和功率谱密度）热噪声电压和功率谱密度(2.2-1)起伏噪声电压的平均值表示起伏噪声的直流分量。(2.2-2)表示起伏噪声电压的有效值表示起伏噪
32、声电压的有效值起伏噪声电压的均方根值起伏噪声电压的均方值表示起伏噪声的强度。表示起伏噪声的强度。(2.2-3)第70页/共97页(2.2-4)此式说明了噪声的功率。此式说明了噪声的功率。平均功率平均功率（2.2 5）（2.2 6）（2.2 7）（2.28）起伏噪声的功率谱起伏噪声的功率谱S(f)f0表示表示 在在1电阻上于时间电阻上于时间区间（区间（0T）内的全部噪声能量）内的全部噪声能量第71页/共97页图图 电阻热噪声等效电路电阻热噪声等效电路 2）电阻的热噪声电阻的热噪声（2.2 10）（2.2 9）（2.2 11）（2.2 12）（2.2 13）噪声电压的有效值噪声电压的有效值方均电压
33、谱密度方均电压谱密度方均电流谱密度第72页/共97页 3)3)线性电路中的热噪声线性电路中的热噪声 （2.2 15）（2.2 16）结论：结论：只要噪声源是相互独立，则总噪声服从均方叠加原则。只要噪声源是相互独立，则总噪声服从均方叠加原则。即只要求出串联电阻值，就可求得总的噪声均方值。即只要求出串联电阻值，就可求得总的噪声均方值。多个电阻的热噪声多个电阻的热噪声设：设：R1、R2串联，计算总的电阻热噪声与每个电阻热噪声关系串联，计算总的电阻热噪声与每个电阻热噪声关系第73页/共97页热噪声通过线路电路的模型热噪声通过线路电路的模型 4）热噪声通过线性网络）热噪声通过线性网络传递函数传递函数（2
34、.2 18）（2.2 19）（2.2 20）SUO和和Sui分别表示分别表示输出，输入端的噪输出，输入端的噪声电压谱密度。声电压谱密度。第74页/共97页 并联回路可以等效为并联回路可以等效为R Re e+jXjXe e（图（图 （c c）现在看上述输出噪声谱密度与现在看上述输出噪声谱密度与R Re e、X Xe e的关系。的关系。展开化简后得展开化简后得 与式与式 对比对比,可得可得（2.2 22）（2.2 21）（2.2 13）第75页/共97页可以求出可以求出输出端的均方噪声电压输出端的均方噪声电压为为式中，式中，RP为回路的并联谐振电阻。为回路的并联谐振电阻。第76页/共97页 5)噪
35、声带宽 一一个个线线性性系系统统,其其电电压压传传输输函函数数为为HH(jj)。设设输输入入一一电电阻阻热热噪噪声声,均均方方电电压压谱谱为为S SUiUi=4=4kTRkTR,输输出出均均方方电电压压谱谱为为S SUoUo,则则输输出出均均方方电电压压E E2 2n2n2为为 设设:|H(j)|的最大值为的最大值为H0,则则等效噪声带宽等效噪声带宽Bn为为f0fBn第77页/共97页 如如图图 单单振振荡荡回回路路为为例例,计计算算其其等等效效噪噪声声带带宽宽。设设回回路路为为高高QQ电路电路,谐振频率为谐振频率为f f0 0，此回路的此回路的|HH(jj)|)|2 2可近似为可近似为 式中
36、式中,f为相对于为相对于f0的频偏的频偏,由此可得等效噪声带宽为由此可得等效噪声带宽为己知己知:并联回路的并联回路的 3 dB带宽为带宽为B 0.7=f0/Q,故故第78页/共97页 2.晶体三极管的噪声 管内带电粒子的无规则运动产生相应管内带电粒子的无规则运动产生相应“无规则无规则”电压和电压和电流电流,形成管内噪声形成管内噪声.1)散弹（粒）噪声散弹（粒）噪声管内载流子随机起伏产生的噪声管内载流子随机起伏产生的噪声.2)分配噪声分配噪声 基区中载流子的复合具有随机性基区中载流子的复合具有随机性,即单位时间内复合即单位时间内复合的载流子数目由起伏变化而产生的集电极电流的载流子数目由起伏变化而
37、产生的集电极电流,基极电流起伏噪声基极电流起伏噪声.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的表面清洁处由于半导体材料及制造工艺水平造成的表面清洁处理不好引起噪声理不好引起噪声.其电流噪声谱密度与频率成反比又称其电流噪声谱密度与频率成反比又称 噪声噪声,不不是白噪声是白噪声.4)场效应管噪声场效应管噪声 沟道电阻产生的热噪声沟道电阻产生的热噪声.沟道热噪声通过沟道和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栅极电容的耦合作用在栅极上的感应噪声.（2.3 24）第79页/共97页 2.2.2 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 图图 2 2 35
38、 35 为为一一线线性性四四端端网网络络,它它的的噪噪声声系系数数定定义义为为输输入入端端的的信信号号噪声功率比噪声功率比(S/N)(S/N)i i与输出端的信号噪声功率比与输出端的信号噪声功率比(S/N)(S/N)o o的比值的比值,即即 图图 2 35 噪声系数的定义噪声系数的定义 第80页/共97页 图图中中,K KP P为为电电路路的的功功率率传传输输系系数数(或或功功率率放放大大倍倍数数)。用用NNa a表表示示线线性性电电路路内内部部附附加加噪噪声声功功率率在在输输出出端端的的输输出出,考考虑虑到到K KP P=o o/S Si i,式式(2.3(2.3 25)25)可可以以表表示
39、为示为(2.2 26)噪声系数表明：表明：一个电路的噪声系数，等于该电路的输出噪声功率一个电路的噪声系数，等于该电路的输出噪声功率N0与标准与标准信号源在输出端产生的噪声功率信号源在输出端产生的噪声功率KPNi的比值。的比值。因为一个线性系统的因为一个线性系统的输出噪声输出噪声N0等于等于标准信号源标准信号源 所产生的噪声所产生的噪声功率功率KPNi与与网络内部噪声网络内部噪声Na之和，即之和，即(2.2 27)(2.2 28)(2.2 29)输出端开路时输出端开路时,总输出方均噪声电压总输出方均噪声电压.输出端开路时输出端开路时,理想网络的输入方均噪声电压理想网络的输入方均噪声电压.输出端短
40、路时输出端短路时,总输出方均噪声电流总输出方均噪声电流输出端短路时输出端短路时,理想网络的输入方均噪声电流理想网络的输入方均噪声电流.越大，表明放大器越大，表明放大器本身产生的噪声越大本身产生的噪声越大第81页/共97页 2 2噪声温度噪声温度 将将线线性性电电路路的的内内部部附附加加噪噪声声折折算算到到输输入入端端,此此附附加加噪噪声声可可以以用用提提高高信信号号源源内内阻阻上上的的温温度度来来等等效效,这这就就是是“噪噪声声温温度度”。等等效效到到输输入入端端的的附附加加噪噪声声为为NNa a/K KP P,令令增增加加的的温温度度为为T Te e,即噪声温度即噪声温度,可得可得 则则,式
41、式(2.28)可重写为可重写为(2.2 30)(2.2 31)(2.2 32)Te 表示网络噪声性能的另一种方法表示网络噪声性能的另一种方法,它和它和NF可以互相代替可以互相代替.都是表示都是表示网络噪声性能好坏的指标网络噪声性能好坏的指标.第82页/共97页2.3.3 噪声系数的计算噪声系数的计算 1 1额定功率法额定功率法 额定功率增益KPm是指四端网络的输出额定功率Psmo和输入额定功率Psmi之比,即额定功率,又称资用功率或可用功率,是指信号源所能输出的最大功率,它是一个度量信号源容量大小的参数,是信号源的一个属性,它只取决于信号源本身的参数内阻和电动势,与输入电阻和负载无关,如图 所
42、示。当当RS=RL时，时，则输入信号额定功率为则输入信号额定功率为第83页/共97页RsESu2nRRLRiR0输入网络信号的额定功率输入网络信号的额定功率输入噪声额定功率输入噪声额定功率输入信输入信噪比噪比表明输入信噪比仅取决于表明输入信噪比仅取决于 和和 ，与网络的输入电阻无关。与网络的输入电阻无关。同理，输出信噪比与同理，输出信噪比与RL无关。无关。输入噪声额定功率为当RS=Ri时，则输入信号额定功率为第84页/共97页 根根据据噪噪声声系系数数的的定定义义,分分子子和和分分母母都都是是同同一一端端点点上上的的功功率率比比,因因此将实际功率改为额定功率此将实际功率改为额定功率,并不改变噪
43、声系数的定义并不改变噪声系数的定义,则则因为因为Nmi=kTB,Nmo=KPmNmi+Nmn,所以所以 Psim和和Psom分别为输入和输出的信号额定功率分别为输入和输出的信号额定功率.Nmi和Nmo分别为输入和输出的噪声额定功率KPm为额定功率增益为额定功率增益Nmn为网络内部的最大输出噪声功率。也可以等效到输入端,有 式中式中,Nmoi=Nmo/KPm是网络额定输出是网络额定输出噪声功率等效到输入端的数值。噪声功率等效到输入端的数值。L为网络的衰减倍数为网络的衰减倍数.(2.2 35)(2.2 36)(2.2 34)(2.2 33)设设:Nm0=kTB式（式（2.2.34）中）中第85页/
44、共97页根据定义根据定义,级联后总的噪声系数为级联后总的噪声系数为图 2 39 级联网络噪声系数 式式中中,No为为总总输输出出额额定定噪噪声声功功率率,它它由由三三部部分分组组成成:经经两两级级放放大大的的输输入入信信号号源源内内阻阻的的热热噪噪声声;经经第第二二级级放放大大的的第第一一级级网网络络内部的附加噪声内部的附加噪声;第二级网络内部的附加噪声第二级网络内部的附加噪声,即即级联四端网络的噪声系数级联四端网络的噪声系数(2.2 38)(2.2 37)第86页/共97页整个系统的噪声系数整个系统的噪声系数(2.2 39)第87页/共97页用同样的方法不难推出用同样的方法不难推出多级级联网
45、络的噪声系数多级级联网络的噪声系数的公式为的公式为 从从式式(2.2 39)可可以以看看出出,当当网网络络的的额额定定功功率率增增益益远远大大于于1时时,系系统统的的总总噪噪声声系系数数主主要要取取决决于于第第一一级级的的噪噪声声系系数数。越越是是后后面面的的网网络络,对对噪噪声声系系数数的的影影响响就就越越小小,这这是是因因为为越越到到后后级级信信号号的的功功率率越越大大,后后面面网网络络内内部部噪噪声声对对信信噪噪比比的的影影响响就就不不大大了了。因因此此,对对第第一一级级来来说说,不不但但希希望望噪噪声声系系数数小小,也希望增益大也希望增益大,以便减小后级噪声的影响。以便减小后级噪声的影
46、响。(2.2 39)第88页/共97页 例例 3 3 图图 是是一一接接收收机机的的前前端端电电路路,高高频频放放大大器器和和场场效效应应管管混混频频器器的的噪噪声声系系数数和和功功率率增增益益如如图图所所示示。试试求求前前端电路的噪声系数端电路的噪声系数(设本振产生的噪声忽略不计设本振产生的噪声忽略不计)。因此因此,前端电路的噪声系数为前端电路的噪声系数为 解 将图中的噪声系数和增益化为倍数,有第89页/共97页3 灵敏度灵敏度 灵敏度 保保持持接接收收机机输输出出端端信信噪噪比比一一定定时时,接接收收机机输输入入的最小信号电压或功率的最小信号电压或功率(设接收机有足够的增益设接收机有足够的增益)。当当RS=Ri时时第90页/共97页