高頻小信號諧振放大器

第一章高頻小信號諧振放大器1.1LC選頻網(wǎng)絡(luò)1.2高頻小信號調(diào)諧放大器

1.3集中選頻放大器1.4電噪聲當(dāng)前1頁，總共168頁。1.1LC選頻網(wǎng)絡(luò)

1.1.1選頻網(wǎng)絡(luò)的基本特性1.1.2LC選頻回路*1.1.4雙耦合諧振回路及其選頻特性1.1.3LC阻抗變換網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前2頁，總共168頁。LC選頻網(wǎng)絡(luò)由電感線圈和電容組成，當(dāng)外界授予一定能量，電路參數(shù)滿足一定關(guān)系時(shí)，可以在回路中產(chǎn)生電壓和電流的周期振蕩回路。若該電路在某一頻率的交變信號作用下,能在電抗原件上產(chǎn)生最大的電壓或流過最大的電流，即具有諧振特性，故該電路又稱諧振回路。諧振回路按電路的形式分為：1.串聯(lián)諧振回路2.并聯(lián)諧振回路3.耦合諧振回路1.1LC選頻網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前3頁，總共168頁。用途：1.利用他的選頻特性構(gòu)成各種諧振發(fā)大器2.在自激振蕩器中充當(dāng)諧振回路3.在調(diào)制、變頻、解調(diào)充當(dāng)選頻網(wǎng)絡(luò)本章討論各種諧振回路在正弦穩(wěn)態(tài)情況下的諧振特性和頻率特性。當(dāng)前4頁，總共168頁。1.1.1選頻網(wǎng)絡(luò)的基本特性要求選頻電路的通頻帶寬度與傳輸信號有效頻譜寬度相一致。理想的選頻電路通頻帶內(nèi)的幅頻特性fof1f2理想實(shí)際α(f)=H(f)/H(fo)f0.40.60.81.00.20通頻帶外的幅頻特性應(yīng)滿足理想的幅頻特性應(yīng)是矩形，既是一個(gè)關(guān)于頻率的矩形窗函數(shù)。

矩形窗函數(shù)的選頻電路是一個(gè)物理不可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，實(shí)際選頻電路的幅頻特性只能是接近矩形當(dāng)前5頁，總共168頁。

矩形窗函數(shù)的選頻電路是一個(gè)物理不可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，實(shí)際選頻電路的幅頻特性只能是接近矩形定義矩形系數(shù)K0.1表示選擇性：2Δf0.7稱為通頻帶：顯然，理想選頻電路的矩形系數(shù)K0.1=1，而實(shí)際選頻電路的矩形系數(shù)均大于1。fof1f22Δf0.72Δf0.1理想實(shí)際α(f)=H(f)/H(fo)f0.40.60.81.00.20當(dāng)前6頁，總共168頁。另外，為不引入信號的相位失真，要求在通頻帶范圍內(nèi)選頻電路的相頻特性應(yīng)滿足即理想條件下信號有效頻帶寬度內(nèi)的各頻率分量都延遲一個(gè)相同時(shí)間τ，這樣才能保證輸出信號中各頻率分量之間的相對關(guān)系與輸入信號完全相同。+π/2φ(f)f-π/20理想實(shí)際當(dāng)前7頁，總共168頁。實(shí)際選頻回路的相頻特性曲線并不是一條直線，所以回路的電流或端電壓對各個(gè)頻率分量所產(chǎn)生的相移不成線性關(guān)系，這就不可避免地會(huì)產(chǎn)生相位失真，使選頻回路輸出信號的包絡(luò)波形產(chǎn)生變化φo+π/2φ(f)f-π/20-φofof1f22Δf0．7理想實(shí)際當(dāng)前8頁，總共168頁。1.1.2LC選頻回路當(dāng)前9頁，總共168頁。RpLCRSiSRLCRSiSRLCRSuS當(dāng)前10頁，總共168頁。

串聯(lián)LC諧振回路RLCRSuSRLCRSuSZS串聯(lián)LC諧振回路仿真當(dāng)前11頁，總共168頁。RLCRSuS當(dāng)前12頁，總共168頁。RLCRSuSii當(dāng)前13頁，總共168頁。RLCRSuS當(dāng)前14頁，總共168頁。RLCRSuS電容性電感性R當(dāng)前15頁，總共168頁。Q2>Q1Q11OQ2OQ1Q2同樣定義串聯(lián)諧振回路端電流的相位為當(dāng)前16頁，總共168頁。RLCRSuS+uC-+uL-ii+ui-+uR-仿真當(dāng)前17頁，總共168頁。1矩形系數(shù):=9.96當(dāng)前18頁，總共168頁。RLCRSuSRL仿真當(dāng)前19頁，總共168頁。并聯(lián)LC諧振回路RpLCRSiSRLCRSiS

并聯(lián)LC諧振回路仿真當(dāng)前20頁，總共168頁。RLCRSiSZP當(dāng)前21頁，總共168頁。RLCRSiSRpLCRSiS當(dāng)前22頁，總共168頁。RpLCRSiS+ui-當(dāng)前23頁，總共168頁。RLCRSiS當(dāng)前24頁，總共168頁。RLCRSiS當(dāng)前25頁，總共168頁。電感性電容性Rp當(dāng)前26頁，總共168頁。仿真Q2>Q1Q11OQ2OQ1Q2同樣定義并聯(lián)諧振回路端電壓的相位為當(dāng)前27頁，總共168頁。RpLCRSiSiiiCiRiL+ui-仿真當(dāng)前28頁，總共168頁。1當(dāng)前29頁，總共168頁。RpLCRSiSRL仿真當(dāng)前30頁，總共168頁。例1設(shè)一并聯(lián)諧振回路，諧振頻率f0=10MHz，回路電容C＝50pF，試計(jì)算所需的線圈電感L。又若線圈品質(zhì)因素為Q＝100，試計(jì)算回路諧振電阻及回路帶寬。若放大器所需的帶寬為0.5MHz,則應(yīng)在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿足要求？解：（1）計(jì)算L值（2）回路的諧振電阻和帶寬當(dāng)前31頁，總共168頁。（3）求滿足0.5MHz帶寬的并聯(lián)電阻設(shè)回路并聯(lián)電阻為，回路有載品質(zhì)因數(shù)為將已知條件帶入，可得：當(dāng)前32頁，總共168頁。RLCRSiS返回ZPRLCRSuSZS當(dāng)前33頁，總共168頁。RLCRSuSRLCRSiSRpLCRSiS當(dāng)前34頁，總共168頁。RLCRSuSRpLCRSiS+ui-ii當(dāng)前35頁，總共168頁。RLCRSuSRLCRSiS當(dāng)前36頁，總共168頁。RLCRSuSRLCRSiS當(dāng)前37頁，總共168頁。電感性電容性電容性電感性RpR當(dāng)前38頁，總共168頁。Q2>Q1Q11OQ2或OQ1Q2或同樣定義并聯(lián)（串聯(lián)）諧振回路端電壓（電流）的相位為當(dāng)前39頁，總共168頁。RpLCRSiSiiiCiRiL+ui-RLCRSuS+uC-+uL-ii+ui-+uR-當(dāng)前40頁，總共168頁。11當(dāng)前41頁，總共168頁。RpLCRSiSRLRLCRSuSRL當(dāng)前42頁，總共168頁。例2(習(xí)題1.2)：串聯(lián)回路如下圖所示。信號源頻率

f=1MHz。電壓振幅V=0.1V。將1-1端短接，電容C調(diào)到100pF時(shí)諧振。此時(shí)，電容

C兩端的電壓為10V。如1-1端開路再串接一阻抗Z（電阻和電容串聯(lián)），則回路失諧，電容C調(diào)到200pF時(shí)重新諧振。此時(shí)，電容C兩端的電壓為2.5V。試求：線圈的電感L，回路品質(zhì)因數(shù)

Q以及未知阻抗Z。當(dāng)前43頁，總共168頁。解：（1）計(jì)算L值（2）空載品質(zhì)因數(shù)和有載品質(zhì)因數(shù)電容：（3）計(jì)算阻抗回路的諧振電阻當(dāng)前44頁，總共168頁。1.1.3LC阻抗變換網(wǎng)絡(luò)

BX1RXR1AABX2R2當(dāng)前45頁，總共168頁。BX1RXR1AABX2R2當(dāng)前46頁，總共168頁。BX1RXR1AABX2R2當(dāng)前47頁，總共168頁。RL1CRSiSL2RpCRSiS當(dāng)前48頁，總共168頁。二變壓器阻抗變換電路RL'假設(shè)初級電感線圈的圈數(shù)為N1，次級圈數(shù)為N2，且初次間全耦合(k=1)，線圈損耗忽略不計(jì)，則等效到初級回路的電阻RL'上所消耗的功率應(yīng)和次級負(fù)載RL上所消耗功率相等當(dāng)前49頁，總共168頁。從功率等效角度證明：理想變壓器無損耗：二變壓器阻抗變換電路可通過改變比值調(diào)整RL'的大小。當(dāng)前50頁，總共168頁。三回路抽頭的阻抗變換L2L1CL2L1CRLC2C1LLC2C1RL當(dāng)前51頁，總共168頁。iSRSL1C2C1RLiSRSL2L1C2C1RLabbacdcdL2LCRL'RS'iS'LCRL'RS'iS'abab當(dāng)前52頁，總共168頁。iSRSL2L1C2C1RLacbdiS'RS'LCRL'ab+ucb-+uab-+udb-+uab-當(dāng)前53頁，總共168頁。iSRSL2L1C2C1RLacbdiS'RS'LCRL'ab+ucb-+uab-+udb-+uab-當(dāng)前54頁，總共168頁。iSRSL2L1C2C1RLacbdiLiSiCiRiL>>iS；iC>>iR當(dāng)前55頁，總共168頁。iSRSL2L1C2C1RLacbdiLiSiCiR當(dāng)前56頁，總共168頁。例4應(yīng)用部分接入法的選頻電路接入系數(shù)對回路有載品質(zhì)因數(shù)影響明顯減小。仿真當(dāng)前57頁，總共168頁。例5如圖，抽頭回路由電流源激勵(lì),忽略回路本身的固有損耗,試求回路兩端電壓u(t)的表示式及回路帶寬。解由于忽略了回路本身的固有損耗,因此可以認(rèn)為Q→∞。由圖可知,回路電容為諧振角頻率為當(dāng)前58頁，總共168頁。電阻R1的接入系數(shù)等效到回路兩端的電阻為由于回路兩端電壓u(t)與i(t)同相,電壓振幅U=IR=2V,故輸出電壓為回路有載品質(zhì)因數(shù)回路帶寬當(dāng)前59頁，總共168頁。例6如圖所示并聯(lián)諧振回路，信號源與負(fù)載都為部分接入。已知RS、RL，并知回路參數(shù)L、C1、C2和空載品質(zhì)因數(shù)Q0，求（1）fo與B

；（2）RL不變，要求總負(fù)載與信號源匹配，如何調(diào)整回路參數(shù)？題意分析：并聯(lián)諧振回路是高頻電路中的最基本、最重要的電路之一，掌握其基本參數(shù)與特性非常重要。對這些內(nèi)容一定要十分熟練。本題的主要目的就是考查這部分內(nèi)容。另外，題目考查的內(nèi)容還有抽頭接入回路、接入系數(shù)、阻抗變換和匹配的概念。在求帶寬（通頻帶）時(shí)還要注意有載QL值和空（無）載Q0值的區(qū)別。iSRSL1L2C1C2RLacbd當(dāng)前60頁，總共168頁。計(jì)算fo與B再考慮有載時(shí)的情況。這里先不考慮信號源，設(shè)RL對回路的接入系數(shù)為p2

，則:把RL折合到回路兩端，變?yōu)閷τ?，先考慮空載時(shí)的情況：解：iSRSL1L2C1C2RLacbd當(dāng)前61頁，總共168頁?；芈繁旧淼牟⒙?lián)諧振電阻它與并聯(lián)，構(gòu)成總的回路負(fù)載因此，有載QL值為

iSRSL1L2C1C2RLacbdiS'RS'LCRp'ab若考慮時(shí)，也可以求得考慮影響后的回路帶寬當(dāng)前62頁，總共168頁。若要使Rp″與Rs匹配，即Rp″=Rs，需調(diào)整Rp″。由于RL不變，Rp″中可調(diào)整的參數(shù)有p1、p2、Q0和L。但實(shí)際上L及Q0一般不變，而且回路f0也不能變。2.設(shè)信號源對回路的接入系數(shù)為p1，則總負(fù)載折合到信號源處為：討論：一般地，阻抗變換時(shí)，由回路的低端折合到高端（部分接入到全接入）電阻增加，即除以p2（因?yàn)閜通常不大于1）。反之，乘以p2。計(jì)算這類題目時(shí)，要特別注意所有負(fù)載對Q值、通頻帶等參數(shù)的影響。iSRSL″C″R0″ab因此，可通過調(diào)整p1和p2來實(shí)現(xiàn)。調(diào)整p1就是調(diào)整L的抽頭位置，調(diào)整p2就是調(diào)整C1和C2。需要注意的是，調(diào)C1和C2時(shí)要保持C不變。當(dāng)前63頁，總共168頁。*1.1.4雙耦合諧振回路及其選頻特性仿真當(dāng)前64頁，總共168頁。ususisis當(dāng)前65頁，總共168頁。isis+u2m-+u2m-當(dāng)前66頁，總共168頁。1當(dāng)前67頁，總共168頁。1當(dāng)前68頁，總共168頁。1當(dāng)前69頁，總共168頁。1.2高頻小信號調(diào)諧放大器

（highfrequencysmallsignalamplifiers）概述1.2.1晶體管的高頻小信號等效模型

1.2.2高頻小信號調(diào)諧放大器

1.2.3高頻調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性當(dāng)前70頁，總共168頁。當(dāng)前71頁，總共168頁。當(dāng)前72頁，總共168頁。當(dāng)前73頁，總共168頁。Cb'erbb'Cb'crb'crb'eub'ercegmub’e1.2.1晶體管的高頻小信號等效模型eb'rcerb'creeCb'eCb'crbb'rb'ecrccbgmub’e當(dāng)前74頁，總共168頁。+u1-+u2-i1i2二

Y參數(shù)等效電路當(dāng)前75頁，總共168頁。yieyoeyreuceyfeube+ube-+uce-ibic當(dāng)前76頁，總共168頁。yieyoeyreuceyfeubeCiegiegoeCoe當(dāng)前77頁，總共168頁。當(dāng)前78頁，總共168頁。1當(dāng)前79頁，總共168頁。當(dāng)前80頁，總共168頁。1.2.2高頻小信號調(diào)諧放大器Rb1Rb2ReEc45123Rb1Rb2ReyLCbCeCB1B2VTLEc仿真當(dāng)前81頁，總共168頁。32154B1B2CLyLVT輸入回路輸出回路晶體管45123Rb1Rb2ReyLCbCeCB1B2VTLEc當(dāng)前82頁，總共168頁。32154yieyoeyreuceyfeubeCyLL+u54-+u31-+u21-32154B1B2CLyLVT當(dāng)前83頁，總共168頁。32154yieyoeyreuceyfeubeCyLL+u54-+u31-+u21-當(dāng)前84頁，總共168頁。yLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSCp1yfeubegoyfeubeyoeYLyLyfeubeyoe+u54-+u31-+u31-p1yfeubep1yfeube+u31-當(dāng)前85頁，總共168頁。p1yfeubeyLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSCp1yfeubego+u31-當(dāng)前86頁，總共168頁。1B當(dāng)前87頁，總共168頁。當(dāng)前88頁，總共168頁。1當(dāng)前89頁，總共168頁。例7一中頻放大器線路如圖所示，已知放大器工作頻率為，回路電容，中頻變壓器接入系數(shù)，，線圈品質(zhì)因數(shù)。晶體管的Y參數(shù)（在工作頻率上）為:，，，，。設(shè)后級輸入電導(dǎo)仍為，求：（1）回路有載品質(zhì)因數(shù)和通頻帶；（2）放大器電壓增益；（3）中和電容當(dāng)前90頁，總共168頁。題意分析：本題是小信號放大器分析的基本題。由于圖中只有一個(gè)諧振回路，屬于單調(diào)諧回路，根據(jù)即可計(jì)算，但要注意的是：公式中C∑等效到回路中的總電容，g∑為等效到回路中的總電導(dǎo)由于采用了中和電路，計(jì)算增益時(shí)應(yīng)認(rèn)為放大器本身是穩(wěn)定，而且不必考慮由引起的反饋。本題的關(guān)鍵在于回路中的總電容、總電阻到底由哪些元件組成的。當(dāng)前91頁，總共168頁。解：（1）由于為回路的總電容，R∑為回路的總電阻。R∑包括三個(gè)部分組成：回路本身的損耗以及三極管輸出電阻和后級輸入阻抗等效到回路中的損耗?；芈繁旧淼膿p耗，即回路本身的并聯(lián)諧振電阻為晶體管輸出電阻折合到回路兩端的電阻為下一級輸入電阻折合到回路兩端的電阻為當(dāng)前92頁，總共168頁。則回路兩端總電阻為同樣，可以求得回路總電容為：因此當(dāng)前93頁，總共168頁。（2）諧振時(shí)的電壓增益為討論：本題中回路中的總電容是由回路本身的電容C以及三極管的輸入電容、輸出電容分別折合到回路中構(gòu)成的，應(yīng)注意電容的折合與電阻、電感是不同的；回路的總電阻包括回路本身的諧振電阻以及三極管的輸入電阻、輸出電阻分別折合到回路中三個(gè)部分。在不同的應(yīng)用時(shí)，等效所包含的內(nèi)容是不一樣的，應(yīng)具體問題具體分析。（3）當(dāng)前94頁，總共168頁。三、多級單調(diào)諧放大器Au1Au2Aun當(dāng)前95頁，總共168頁。當(dāng)前96頁，總共168頁。（2）n級放大器的矩形系數(shù)當(dāng)前97頁，總共168頁。圖示電路為一單調(diào)諧回路中頻放大器，晶體管3DG6C的直流工作點(diǎn)是VCE

＝8V，IE＝2mA；工作頻率f0

＝10.7MHz；；調(diào)諧回路采用中頻變壓器L1~3＝4μH，Q0

＝100，其抽頭為N1~2＝5圈，N1~3

=20圈，N4~5

=5圈。已知晶體管參數(shù)如下：gie＝2860μS；Cie

＝18pF；goe

＝200μS；Coe

＝7pF；yfe

＝45mS；?fe＝－54o；yre＝0.31mS；?re＝－88.5o試計(jì)算放大器的：1）單級電壓增益Av0；2）單級通頻帶2Δf0.7；3）四級的總電壓增益（AV0）44）四級的總通頻帶（2Δf0.7）45）如四級的總通頻帶

保持和單級的通頻帶2Δf0.7相同，則單級的通頻帶應(yīng)加寬多少？四級的總電壓增益下降多少？此時(shí)，單級放大器的負(fù)載回路應(yīng)并聯(lián)上一個(gè)多大的電阻？當(dāng)前98頁，總共168頁。當(dāng)前99頁，總共168頁。當(dāng)前100頁，總共168頁。當(dāng)前101頁，總共168頁。當(dāng)前102頁，總共168頁。yieyreuceyfeubeyoeYSyL1.2.3高頻調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性實(shí)際上yre≠0，即輸出電壓可以反饋到輸入端，引起輸入電流的變化，從而可能使放大器工作不穩(wěn)定。如果這個(gè)反饋?zhàn)銐虼?，且在相位上滿足正反饋條件，則會(huì)出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象。1.共發(fā)射極放大器的最大穩(wěn)定增益

u'beuce由于內(nèi)反饋的存在，在放大器的輸入端將產(chǎn)生一個(gè)反饋電壓u'be，定義穩(wěn)定系數(shù)S:S＝ube(jω)／u'be(jω)u'be(jω)=-yreuce/

(YS+yie)=-yreuce/y1uce(jω)=-yfeube/

(yL+yoe)=-yfeube/y2S＝ube(jω)／u'be(jω)=y1y2/yfeyre

當(dāng)前103頁，總共168頁。當(dāng)晶體管的工作頻率遠(yuǎn)低于特征頻率fT時(shí):

yfe≈|yfe|≈gm,yre≈jωCb'c，φre＝90o

經(jīng)推導(dǎo)得放大器的電壓增益與穩(wěn)定系數(shù)S的平方根成反比:當(dāng)取S=1時(shí)，稱為臨界穩(wěn)定，其電壓增益稱為臨界穩(wěn)定電壓增益。實(shí)際中常取S=5，此時(shí)電壓增益稱為最大穩(wěn)定增益。即為

S＝ube(jω)／u'be(jω)=y1y2/yfeyre

當(dāng)S為正實(shí)數(shù)時(shí)，表明ube(jω)／u'be(jω)同相，滿足自激振蕩的相位條件。

當(dāng)|S|>1時(shí)，|ube(jω)|>|u'be(jω)|，不滿足振幅條件，放大器不會(huì)自激；當(dāng)|S|≤1時(shí)，放大器不穩(wěn)定。

為使放大器遠(yuǎn)離自激狀態(tài)而穩(wěn)定地工作，單級放大器通常選|S|＝5～10。

當(dāng)前104頁，總共168頁。2.提高放大器的穩(wěn)定性的方法一是從晶體管本身想辦法，減小其反向傳輸導(dǎo)納yre的值。

二是從電路上設(shè)法消除晶體管的反向作用，使它單向化，具體方法有中和法與失配法。中和法通過在晶體管的輸出端與輸入端之間引入一個(gè)附加的外部反饋電路(中和電路)，來抵消晶體管內(nèi)部參數(shù)yre的反饋?zhàn)饔谩?/p>

CNCL2L1VT2VT1ECCL1L2VT1VT2CNCb'ciNif當(dāng)前105頁，總共168頁。具體線路：

用一個(gè)電容CN來抵消yre的虛部(反饋電容)的影響，就可達(dá)到中和的目的。

固定的中和電容CN只能在某一個(gè)頻率點(diǎn)起到完全中和的作用，對其它頻率只能有部分中和作用。中和電路的效果很有限。

電橋平衡時(shí)，CD兩端的回路電壓不會(huì)反映到AB兩端,即對應(yīng)兩邊阻抗之比相等?！獴AViCN+–VoCb￠cCDL1L2例當(dāng)前106頁，總共168頁。失配法信號源內(nèi)阻不與晶體管輸入阻抗匹配，晶體管輸出端負(fù)載阻抗不與本級晶體管的輸出阻抗匹配。原理：由于阻抗不匹配，輸出電壓減小，反饋到輸入電路的影響也隨之減小。使增益下降，提高穩(wěn)定性。使Yi=yie，即使后項(xiàng)0，則必須加大YL晶體管實(shí)現(xiàn)單向比，只與管子本身參數(shù)有關(guān)，失配法一般采用共發(fā)一共基級聯(lián)放大.則當(dāng)前107頁，總共168頁。

中和法與失配法比較

中和法：優(yōu)點(diǎn)：簡單，增益高缺點(diǎn)：①只能在一個(gè)頻率上完全中和，不適合寬帶②因?yàn)榫w管離散性大，實(shí)際調(diào)整麻煩，不適于批量生產(chǎn)。③采用中和對放大器由于溫度等原因引起各種參數(shù)變化沒有改善效果。失配法：優(yōu)點(diǎn)：①性能穩(wěn)定，能改善各種參數(shù)變化的影響；②頻帶寬，適合寬帶放大，適于波段工作；③生產(chǎn)過程中無需調(diào)整，適于大量生產(chǎn)。缺點(diǎn)：增益低。

當(dāng)前108頁，總共168頁。1.3集中選頻放大器1.3.1集中選頻放大器的組成第二種形式第一種形式當(dāng)前109頁，總共168頁。1.3.2集中選頻濾波器

1）石英晶體的物理特性：石英是礦物質(zhì)硅石的一種（也可人工制造），化學(xué)成分是SiO2，其形狀為結(jié)晶的六角錐體。圖(a)表示自然結(jié)晶體，圖(b)表示晶體的橫截面。為了便于研究，人們根據(jù)石英晶體的物理特性，在石英晶體內(nèi)畫出三種幾何對稱軸，連接兩個(gè)角錐頂點(diǎn)的一根軸ZZ，稱為光軸，在圖(b)中沿對角線的三條XX軸，稱為電軸，與電軸相垂直的三條YY軸，稱為機(jī)械軸。

Y

X1

X

Y

Z

Y

Y

X

X

Y

Y

X

X

Y

Y

X

X

(a)

(b)

1石英晶體濾波器

當(dāng)前110頁，總共168頁。

沿著不同的軸切下，有不同的切型，X切型、Y切型、AT切型、BT、CT……等等。石英晶體具有正、反兩種壓電效應(yīng)。當(dāng)石英晶體沿某一電軸受到交變電場作用時(shí)，就能沿機(jī)械軸產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，反過來，當(dāng)機(jī)械軸受力時(shí)，就能在電軸方向產(chǎn)生電場。且換能性能具有諧振特性，在諧振頻率，換能效率最高。

石英晶體和其他彈性體一樣，具有慣性和彈性，因而存在著固有振動(dòng)頻率，當(dāng)晶體片的固有頻率與外加電源頻率相等時(shí)，晶體片就產(chǎn)生諧振。當(dāng)前111頁，總共168頁。2）石英晶體振諧器的等效電路和符號

石英片相當(dāng)一個(gè)串聯(lián)諧振電路，可用集中參數(shù)Lq、Cq、rq來模擬，Lq為晶體的質(zhì)量（慣性），Cq

為等效彈性模數(shù)，rg

為機(jī)械振動(dòng)中的摩擦損耗。

右圖表示石英諧振器的基頻等效電路。電容C0稱為石英諧振器的靜電容。其容量主要決定于石英片尺寸和電極面積。

一般C0在幾PF～幾十PF。式中

—石英介電常數(shù)，s—極板面積，d—石英片厚度

C0

rq

Cq

Lq

JT

b

a

rqLqCqCoab當(dāng)前112頁，總共168頁。石英晶體的特點(diǎn)是：①等效電感Lq特別大、等效電容Cq特別小，因此，石英晶體的Q值很大，一般為幾萬到幾百萬。這是普通LC電路無法比擬的。

②由于，這意味著等效電路中的接入系數(shù)很小,因此外電路影響很小。當(dāng)前113頁，總共168頁。3）.石英諧振器的等效電抗（阻抗特性）石英晶體有兩個(gè)諧振角頻率。一個(gè)是左邊支路的串聯(lián)諧振角頻率q，即石英片本身的自然角頻率。另一個(gè)為石英諧振器的并聯(lián)諧振角頻率p。串聯(lián)諧振頻率

并聯(lián)諧振頻率

顯然

接入系數(shù)p很小，一般為10-3數(shù)量級，所以p與q很接近。當(dāng)前114頁，總共168頁。上式忽略rq后可簡化為

當(dāng)=q時(shí)z0=0Lq、Cq串諧諧振，當(dāng)=p，z0=，回路并諧諧振。當(dāng)為容性。當(dāng)時(shí),jx0

為感性。其電抗曲線如上圖所示。

xo

容性

O

容性

wq

wp

感性

當(dāng)前115頁，總共168頁。并不等于石英晶體片本身的等效電感Lq。石英晶體濾波器工作時(shí)，石英晶體兩個(gè)諧振頻率之間感性區(qū)的寬度決定了濾波器的通帶寬度。必須指出，在q與p的角頻率之間，諧振器所呈現(xiàn)的等效電感當(dāng)前116頁，總共168頁。2.陶瓷濾波器

利用某些陶瓷材料的壓電效應(yīng)構(gòu)成的濾波器，稱為陶瓷濾波器。它常用鋯鈦酸鉛[Pb(zrTi)O3]壓電陶瓷材料（簡稱PZT）制成。

這種陶瓷片的兩面用銀作為電極，經(jīng)過直流高壓極化之后具有和石英晶體相類似的壓電效應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：容易焙燒，可制成各種形狀；適于小型化；且耐熱耐濕性好。它的等效品質(zhì)因數(shù)QL為幾百，比石英晶體低但比LC濾波高。當(dāng)前117頁，總共168頁。1)陶瓷片的“壓電效應(yīng)”與“反壓電效應(yīng)”2)兩端陶瓷濾波器（外形及符號）兩個(gè)諧振頻率：當(dāng)前118頁，總共168頁。

3）三端陶瓷濾波器實(shí)物圖：當(dāng)前119頁，總共168頁。3聲表面波濾波器(SAWF)實(shí)物圖：當(dāng)前120頁，總共168頁。聲表面波濾波器應(yīng)用實(shí)例：

V1是預(yù)中放部分，起前置放大作用；Z1為SAWF起集中選頻作用；TA7680AP為彩電圖像中頻放大器IC。當(dāng)前121頁，總共168頁。1.4電噪聲1.4.1概述1.4.2噪聲的來源和特點(diǎn)1.4.3噪聲系數(shù)計(jì)算方法

當(dāng)前122頁，總共168頁。1.4.1

概述

噪聲是一種隨機(jī)信號，其頻譜分布于整個(gè)無線電工作頻率范圍，因此它是影響各類收信機(jī)性能的主要因素之一。干擾與噪聲的分類如下：

干擾一般指外部干擾，可分為自然的和人為的干擾。自然干擾有天電干擾、宇宙干擾和大地干擾等。人為干擾主要有工業(yè)干擾和無線電器的干擾。

噪聲一般指內(nèi)部噪聲，也可以分為自然的和人為的噪聲。本章主要討論自然噪聲，對工業(yè)干擾和天電干擾只做簡略的說明。當(dāng)前123頁，總共168頁。1.4.2噪聲的來源和特點(diǎn)理論上說，任何電子線路都有電子噪聲，但是因?yàn)橥ǔｋ娮釉肼暤膹?qiáng)度很弱，因此它的影響主要出現(xiàn)在有用信號比較弱的場合，在電子線路中，噪聲來源主要有兩方面：電阻熱噪聲和半導(dǎo)體管噪聲，兩者有許多相同的特性。1電阻的熱噪聲電阻由導(dǎo)體等材料組成，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在一定的溫度下總是處于“無規(guī)則”的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種熱運(yùn)動(dòng)的方向和速度都是隨機(jī)的。自由電子的熱騷動(dòng)在導(dǎo)體內(nèi)形成非常弱的電流。當(dāng)前124頁，總共168頁。由于en呈現(xiàn)正態(tài)分布，所以又稱其為高斯噪聲當(dāng)前125頁，總共168頁。電阻熱噪聲作為一種起伏噪聲，具有極寬的頻譜，從零頻一直延伸到10-13Hz以上的頻率，而且它的各個(gè)頻率分量的強(qiáng)度是相等的。這種頻譜與白色光的光譜類似，因此將具有均勻連續(xù)的噪聲叫做白噪聲，電阻的熱噪聲就是一種白噪聲。當(dāng)前126頁，總共168頁。1)熱噪聲電壓和功率譜密度在單位頻帶內(nèi)，電阻所產(chǎn)生的熱噪聲電壓的均方值為噪聲功率譜密度式中，k為玻耳茲曼常數(shù)，為1.38×10-23J/K；T為熱力學(xué)溫度，單位為K，當(dāng)前127頁，總共168頁。電阻熱噪聲等效電路當(dāng)前128頁，總共168頁。2)線性電路中的熱噪聲①電阻熱噪聲通過兩電阻串聯(lián)②熱噪聲通過線路電路結(jié)論：對于線性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的熱噪聲功率譜密度等效為網(wǎng)絡(luò)的總等效電阻產(chǎn)生的熱噪聲功率譜密度。當(dāng)前129頁，總共168頁。例：并聯(lián)回路的熱噪聲當(dāng)前130頁，總共168頁。并聯(lián)回路可以等效為Re+jXe（圖（c））,現(xiàn)在看上述輸出噪聲譜密度與Re、Xe的關(guān)系。展開化簡后得對比,可得結(jié)論：對于線性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的熱噪聲功率譜密度等效為網(wǎng)絡(luò)的總等效電阻產(chǎn)生的熱噪聲功率譜密度。當(dāng)前131頁，總共168頁。輸出端的均方噪聲電壓為當(dāng)前132頁，總共168頁。例9求如圖所示網(wǎng)絡(luò)輸出至負(fù)載電阻RL上的噪聲功率和額定噪聲功率。題意分析：本題所涉及的網(wǎng)絡(luò)為純電阻網(wǎng)絡(luò)，討論噪聲問題肯定是熱噪聲問題。從題意來看，是要求純電阻網(wǎng)絡(luò)的熱噪聲功率。熱噪聲功率與噪聲均方電壓或均方電流有關(guān)，計(jì)算十分簡單。需要注意的是，均方噪聲電壓或電流是交流形式的均方值另外，ES為信號源而非噪聲源。解：網(wǎng)絡(luò)總的等效電阻為當(dāng)前133頁，總共168頁。討論：（1）對于純電阻網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)電阻產(chǎn)生的熱噪聲大小等效為網(wǎng)絡(luò)的總等效電阻產(chǎn)生的熱噪聲（包括均方噪聲電壓、電流或功率）。（2）純電阻網(wǎng)絡(luò)或電阻產(chǎn)生的最大噪聲功率，即額定噪聲功率為kTB。（3）對于線性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的熱噪聲功率譜密度等效為網(wǎng)絡(luò)的總等效電阻產(chǎn)生的熱噪聲功率譜密度，其均方噪聲電壓帶寬由線性系統(tǒng)的帶寬決定。網(wǎng)絡(luò)輸出的噪聲功率為當(dāng)前134頁，總共168頁。2二極管的噪聲晶體二極管工作狀態(tài)可分為正偏和反偏兩種。正偏使用時(shí)，主要是直流通過pn結(jié)時(shí)產(chǎn)生散粒噪聲。反偏使用時(shí)，因反向飽和電流很小，故其產(chǎn)生的散粒噪聲也小，如果達(dá)到反向擊穿（如穩(wěn)壓管），又分兩種情況：齊納擊穿二極管主要是散粒噪聲，個(gè)別的有1/f噪聲(閃爍噪聲)。雪崩擊穿二極管的噪聲較大，除有散粒噪聲，還有多態(tài)噪聲，即其噪聲電壓在兩個(gè)或兩個(gè)以上不同電平上進(jìn)行隨機(jī)轉(zhuǎn)換，不同電平可能相差若干個(gè)毫伏。這種多電平工作是由于結(jié)片內(nèi)雜質(zhì)缺陷和結(jié)寬的變化所引起。

硅二極管工作電壓在4V以下是齊納二極管，7V以上的是雪崩二極管，4V～7V之間兩種二極管都有。為了低噪聲使用，最好選用低壓齊納二極管。當(dāng)前135頁，總共168頁。3晶體三極管的噪聲晶體三極管的噪聲是設(shè)備內(nèi)部固有噪聲的另一個(gè)重要來源。一般說來，在一個(gè)放大電路中，晶體三極管的噪聲往往比電阻熱噪聲強(qiáng)得多，在晶體三極管中，除了其中某些分布，如基極電阻rbb′會(huì)產(chǎn)生熱噪聲外，還有以下幾種噪聲來源。1).散彈（粒）噪聲在晶體管的PN結(jié)中（包括二極管的PN結(jié)），每個(gè)載流子都是隨機(jī)地通過PN結(jié)的（包括隨機(jī)注入、隨機(jī)復(fù)合）。大量載流子流過結(jié)時(shí)的平均值（單位時(shí)間內(nèi)平均）決定了它的直流電流I0，因此真實(shí)的結(jié)電流是圍繞I0起伏的。這種由于載流子隨機(jī)起伏流動(dòng)產(chǎn)生的噪聲稱為散彈噪聲，或散粒噪聲。當(dāng)前136頁，總共168頁。因?yàn)樯椩肼暫碗娮锜嵩肼暥际前自肼?，前面關(guān)于熱噪聲通過線性系統(tǒng)的分析對散彈噪聲也完全適用。這包括均方相加的原則，通過四端網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算以及等效噪聲帶寬等。

晶體管中有發(fā)射結(jié)和集電結(jié)，因?yàn)榘l(fā)射結(jié)工作于正偏，結(jié)電流大。而集電結(jié)工作于反偏，除了基極來的傳輸電流外，只有反向飽和電流（它也產(chǎn)生散彈噪聲）。因此發(fā)射結(jié)的散彈噪聲起主要作用，而集電結(jié)的噪聲可以忽略。當(dāng)前137頁，總共168頁。晶體管中通過發(fā)射結(jié)的少數(shù)載流子，大部分由集電極收集，形成集電極電流，少數(shù)部分載流子被基極流入的多數(shù)載流子復(fù)合，產(chǎn)生基極電流。由于基極中載流子的復(fù)合也具有隨機(jī)性，即單位時(shí)間內(nèi)復(fù)合的載流子數(shù)目是起伏變化的。晶體管的電流放大系數(shù)α、β只是反映平均意義上的分配比。這種因分配比起伏變化而產(chǎn)生的集電極電流、基極電流起伏噪聲，稱為晶體管的分配噪聲。

分配噪聲本質(zhì)上也是白噪聲，但由于渡越時(shí)間的影響，響當(dāng)三極管的工作頻率高到一定值后，這類噪聲的功率譜密度將隨頻率的增加而迅速增大。2).分配噪聲當(dāng)前138頁，總共168頁。3).閃爍噪聲由于半導(dǎo)體材料及制造工藝水平造成表面清潔處理不好而引起的噪聲稱為閃爍噪聲。它與半導(dǎo)體表面少數(shù)載流子的復(fù)合有關(guān)，表現(xiàn)為發(fā)射極電流的起伏，其電流噪聲譜密度與頻率近似成反比，又稱1/f噪聲。因此，它主要在低頻（如幾千赫茲以下）范圍起主要作用。這種噪聲也存在于其他電子器件中，某些實(shí)際電阻器就有這種噪聲。晶體管在高頻應(yīng)用時(shí)，除非考慮它的調(diào)幅、調(diào)相作用，這種噪聲的影響也可以忽略。當(dāng)前139頁，總共168頁。4場效應(yīng)管噪聲在場效應(yīng)管中，由于其工作原理不是靠少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)，因而散彈噪聲的影響很小。場效應(yīng)管的噪聲有以下幾個(gè)方面的來源：溝道電阻產(chǎn)生的熱噪聲，溝道熱噪聲通過溝道和柵極電容的耦合作用在柵極上的感應(yīng)噪聲，閃爍噪聲。

必須指出，前面討論的晶體管中的噪聲，在實(shí)際放大器中將同時(shí)起作用并參與放大。有關(guān)晶體管的噪聲模型和晶體管放大器的噪聲比較復(fù)雜，這里就不討論了。當(dāng)前140頁，總共168頁。研究噪聲的目的在于如何減少它對信號的影響。因此，離開信號談噪聲是無意義的。

從噪聲對信號影響的效果看，不在于噪聲電平絕對值的大小，而在于信號功率與噪聲功率的相對值，即信噪比，記為S／N（信號功率與噪聲功率比）。即便噪聲電平絕對值很高，但只要信噪比達(dá)到一定要求，噪聲影響就可以忽略。否則即便噪聲絕對電平低，由于信號電平更低，即信噪比低于1，則信號仍然會(huì)淹沒在噪聲中而無法辨別。因此信噪比是描述信號抗噪聲質(zhì)量的一個(gè)物理量。1.4.3噪聲系數(shù)計(jì)算方法當(dāng)前141頁，總共168頁。1噪聲系數(shù)的定義噪聲系數(shù)可由下式表示設(shè)Pi為信號源的輸入信號功率，Pni為信號源內(nèi)阻RS產(chǎn)生的噪聲功率，Po和Pno分別為信號和信號源內(nèi)阻在負(fù)載上所產(chǎn)生的輸出功率和輸出噪聲功率,Pna表示線性電路內(nèi)部附加噪聲功率在輸出端的輸出。描述放大器噪聲系數(shù)的等效圖要描述放大系統(tǒng)的固有噪聲的大小，就要用噪聲系數(shù)，其定義為當(dāng)前142頁，總共168頁。已知噪聲功率是與帶寬B相聯(lián)系的。噪聲系數(shù)與輸入信號大小無關(guān)。定義：Pni為信號源內(nèi)阻Rs的最大輸出功率，為kTB噪聲系數(shù)的大小與四端網(wǎng)絡(luò)輸入端的匹配情況無關(guān)噪聲系數(shù)的定義只適用于線性或準(zhǔn)線性電路當(dāng)前143頁，總共168頁。信噪比與負(fù)載的關(guān)系設(shè)信號源內(nèi)阻為RS，信號源的電壓為US（有效值），當(dāng)它與負(fù)載電阻RL相接時(shí)，在負(fù)載電阻RL上的信噪比計(jì)算如下：信號源內(nèi)阻噪聲在RL上的功率在負(fù)載兩端的信噪比結(jié)論：信號源與任何負(fù)載相接本不影響其輸入端信噪比，即無論負(fù)載為何值，其信噪比都不變，其值為負(fù)載開路時(shí)的信號電壓平方與噪聲電壓均方值之比。在負(fù)載兩端的信噪比信號源在RL上的功率當(dāng)前144頁，總共168頁。用額定功率和額定功率增益表示的噪聲系數(shù)放大器輸入信號源電路如圖所示。任何信號源加上負(fù)載后，其信噪比與負(fù)載大小無關(guān)，信噪比均為信號均方電壓（或電流）與噪聲均方電壓（或電流）之比。放大器的噪聲系數(shù)NF為Pasi和Pao分別為放大器的輸入和輸出額定信號功率，Pani和Pano分別為放大的輸入和輸出額定噪聲功率，Gpa為放大器的額定功率增益。以額定功率表示的噪聲系數(shù)2.噪聲系數(shù)的計(jì)算

當(dāng)前145頁，總共168頁。額定功率,又稱資用功率或可用功率,是指信號源所能輸出的最大功率,它是一個(gè)度量信號源容量大小的參數(shù),是信號源的一個(gè)屬性,它只取決于信號源本身的參數(shù)——內(nèi)阻和電動(dòng)勢,與輸入電阻和負(fù)載無關(guān),如圖所示。

（a）電壓源;（b）電流源當(dāng)前146頁，總共168頁。放大器的噪聲系數(shù)NF為對于無源二端口網(wǎng)絡(luò)，輸出端匹配時(shí)，輸出的額定噪聲功率Pano=kTB,所以噪聲系數(shù):因?yàn)镻ani=kTB,

當(dāng)前147頁，總共168頁。抽頭回路的噪聲系數(shù)將信號源電導(dǎo)等效到回路兩端,為p2gS,等效到回路兩端的信號源電流為pIS,輸出端匹配時(shí)信號源的最大輸出功率，即二端網(wǎng)絡(luò)輸出端最大功率為：

輸入端信號源的最大輸出功率,即二端網(wǎng)絡(luò)最大輸入功率為：因此,網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)為當(dāng)前148頁，總共168頁。例10求如圖所示虛線所含網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)。方法一：額定功率增益法＋US－當(dāng)前149頁，總共168頁。當(dāng)前150頁，總共168頁。方法二：開路電壓法（戴維南定理）＋Un－當(dāng)前151頁，總共168頁。當(dāng)前152頁，總共168頁。根據(jù)定義,級聯(lián)后總的噪聲系數(shù)為3.級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)式中,Pno為總輸出額定噪聲功率,它由三部分組成:經(jīng)兩級放大的輸入信號源內(nèi)阻的熱噪聲;經(jīng)第二級放大的第一級網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的附加噪聲;第二級網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的附加噪聲,即RLNN當(dāng)前153頁，總共168頁。按噪聲系數(shù)的表達(dá)式,Pna1和Pna2可分別表示為則將上式代入定義，得當(dāng)前154頁，總共168頁。多級放大器噪聲系數(shù)的計(jì)算多級放大器噪聲系數(shù)計(jì)算等效圖多級放大器的總噪聲系數(shù)計(jì)算公式為：NNNN當(dāng)前155頁，總共168頁。從上式可以看出,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的額定功率增益遠(yuǎn)大于1時(shí),系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要取決于第一級的噪聲系數(shù)。越是后面的網(wǎng)絡(luò),對噪聲系數(shù)的影響就越小,這是因?yàn)樵降胶蠹壭盘柕墓β试酱?后面網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲對信噪比的影響就不大了。因此,對第一級來說,不但希望噪聲系數(shù)小,也希望增益大,以便減小后級噪聲的影響。多級放大器的總噪聲系數(shù)計(jì)算公式為：當(dāng)前156頁，總共168頁。例11下圖是一接收機(jī)的前端電路,高頻放大器和場效應(yīng)管混頻器的噪聲系數(shù)和功率增益如圖所示。試求前端電路的