高频电路基础 最新课件.ppt

第二章 高频电路基础•高频电路中的元器件•高频电路中的基本电路•电子噪声及其特性•噪声系数和噪声温度第一节 高频电路中的元器件线性（无源元件）：电感线圈、电容器和电阻器，构成振荡回路和滤波器等线性电路非线性（有源器件）：二极管、晶体管和集成电路元器件非线性器件线性应用：小信号放大器非线性应用：大功率放大器、振荡器、调制、解调一、高频电路中的元件1.高频电阻（1）常用的电阻：金属膜电阻、碳膜电阻、线绕电阻（2）主要参数：电阻值、额定功率和稳定性 电阻值：高频时电阻值将增加； 额定功率：在正常工作状态下电阻器容许消耗的功率； 稳定性：电阻器的工作条件变化时（eg.温度升高或降低），其电阻值的变换应在容许的范围内金属膜电阻线绕电阻碳膜电阻贴片电阻（3）电阻的高频特性     图 2-1 电阻的高频等效电路 电抗特性分布电容引线电感：频率越高，感抗越大一个电阻R的高频等效电路如图2-1所示, 其中, CR为分布电容, LR为引线电感, R为电阻2.高频电容（1）主要参数：电容量、工作电压、损耗角、品质因数、SRF 在高频电子线路中所用的电容器的电容量从几个皮法到几百微法。

工作电压：在很长时间内工作（eg.10000小时以上），电容两端可以承受的最大电压 损耗角 ：电流超前电压的相角与90°之间的差值，决定电容器品质的 优劣理想 =？ 品质因数QC  ： 理想QC = ?(2) 高频特性 由介质隔开的两导体即构成电容 一个电容器的等效电路如图2-2（a）所示 理想电容器的阻抗1/(jωC), 如图2-2（b）虚线所示, 其中, f为工作频率, ω=2πf                     图2 — 2 电容器的高频等效电路             (a) 电容器的等效电路; （b） 电容器的阻抗特性 f < SRF,容性f > SRF,感性3 高频电感（1） 主要参数：电感量、分布电容、损耗、品质因数、SRF损耗：主要指交流电阻，用品质因数Q表征;品质因数Q：高频电感的感抗与其串联的损耗电阻之比随频率的升高而下降2）高频特性：f < SRF,感性f > SRF,容性 图 2-3 高频电感器的自身谐振频率SRF 第二节第二节 高频电路中的基本电路高频电路中的基本电路1.1.选频的基本概念选频的基本概念 所谓选频就是选出需要的频率分量并且滤除不所谓选频就是选出需要的频率分量并且滤除不需要的频率分量需要的频率分量。

2.2.选频网络的分类选频网络的分类简单振荡回路简单振荡回路简单振荡回路简单振荡回路耦合振荡回路耦合振荡回路耦合振荡回路耦合振荡回路振荡回路（由振荡回路（由振荡回路（由振荡回路（由L L L L、、、、C C C C组成）组成）组成）组成）各种滤波器各种滤波器各种滤波器各种滤波器石英晶体谐振器石英晶体谐振器石英晶体谐振器石英晶体谐振器陶瓷滤波器陶瓷滤波器陶瓷滤波器陶瓷滤波器声表面波滤波器声表面波滤波器声表面波滤波器声表面波滤波器抽头并联振荡回路抽头并联振荡回路抽头并联振荡回路抽头并联振荡回路选频网络在本课程选频网络在本课程的用途的用途 ● ● 前端选择性电路前端选择性电路 ● ● 高频小信号放大器负载高频小信号放大器负载 ● ● 中频放大器负载中频放大器负载 ● ● 高频功率放大器负载高频功率放大器负载 ● ● 混频器负载混频器负载 ● ● 正弦波振荡器回路正弦波振荡器回路 ● ● 调制电路负载调制电路负载一、高频振荡回路一、高频振荡回路1.1.简单振荡回路简单振荡回路•概述概述•谐振及谐振条件谐振及谐振条件•谐振特性谐振特性•能量关系能量关系•谐振曲线和通频带谐振曲线和通频带•信号源内阻及负载对串联谐振回路的影响信号源内阻及负载对串联谐振回路的影响串联振荡回路并联振荡回路 ●●由电感线圈和电容器组成的由电感线圈和电容器组成的单个振荡电路，称为简单振荡回单个振荡电路，称为简单振荡回路。

信号源与电容和电感串接，路信号源与电容和电感串接，就构成串联振荡回路就构成串联振荡回路●●串联振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最串联振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最小值，而偏离这个特定频率的时候阻抗将迅速小值，而偏离这个特定频率的时候阻抗将迅速增大单振荡回路的这种特性称为谐振特性，增大单振荡回路的这种特性称为谐振特性，这个特定频率就叫做谐振频率这个特定频率就叫做谐振频率●●谐振回路具有选频和滤波作用谐振回路具有选频和滤波作用串联振荡回路串联振荡回路——概述概述串联振荡回路串联振荡回路——谐振及谐振条件谐振及谐振条件1. 1. 阻抗阻抗 当当 时时达到最大达到最大 当当     0 0时时,|Z| >R,|Z| >R，，   > >  0 0 ，， X X > 0 > 0 呈感性，电流滞后电压，呈感性，电流滞后电压，  > 0> 0   < <  0 0 ，， X X < 0 < 0 呈容性，电流超前电压，呈容性，电流超前电压，  < 0< 0   = =  0 0 |Z| = R |Z| = R X X = 0 = 0 达到串联谐振。

达到串联谐振 当回路谐振时的感抗或容抗，称之为当回路谐振时的感抗或容抗，称之为特性阻抗特性阻抗用 表示表示串联振荡回路串联振荡回路————谐振特性谐振特性1)2) 谐振时电流最大且与电压源同相谐振时电流最大且与电压源同相3)2 2、谐振频率、谐振频率f f0 0若 则 当 ， 为最大值，此时回路发生串联谐振，称使 的信号频率为谐振频率以o表示，即所以 因此也称x = o L – 为串联谐振回路的谐振条件%%%% 3.3.品质因数品质因数Q Q     谐谐振振时时回回路路感感抗抗值值（（或或容容抗抗值值））与与回回路路电电阻阻R R的的比比值值称称为为回回路路的品质因数，以的品质因数，以Q Q表示，它表示回路损耗的大小表示，它表示回路损耗的大小 当谐振时：当谐振时： 因因此此串串联联谐谐振振时时，，电电感感L L和和电电容容C C上上的的电电压压达达到到最最大大值值且且为为输输入入信信号号电电压压的的Q Q倍倍，，故故串串联联谐谐振振也也称称为为电电压压谐谐振振。

因因此此，，必必须须预先注意回路元件的耐压问题预先注意回路元件的耐压问题结论：结论：①①电感线圈与电容器两端的电压模值相等，且等于外加电压电感线圈与电容器两端的电压模值相等，且等于外加电压 的的Q Q倍倍②Q②Q值一般可以达到几十或者几百，故电容或者电感两端的值一般可以达到几十或者几百，故电容或者电感两端的 电压可以是信号电压的几十或者几百倍，称为电压谐振，电压可以是信号电压的几十或者几百倍，称为电压谐振， 在实际应用的时候要加以注意在实际应用的时候要加以注意③③串联谐振时电路中的电流或者电压可以绘成向量图串联谐振时电路中的电流或者电压可以绘成向量图注意：注意：损耗电阻是包含在损耗电阻是包含在R R中的中的，所以，所以故：故： 超前超前 的角度小于的角度小于O4.4.广义失谐系数广义失谐系数 ：： 广义失谐是表示回路失谐大小的量，广义失谐是表示回路失谐大小的量， 其定义为：其定义为： 当当     0即失谐不大时即失谐不大时：： 当谐振时：当谐振时：  = 0。

串联单振荡回路由电感线圈（包括其损串联单振荡回路由电感线圈（包括其损耗电阻）和电容器构成，电抗元件电感和电容耗电阻）和电容器构成，电抗元件电感和电容不消耗外加电动势的能量，电路进入稳定状态不消耗外加电动势的能量，电路进入稳定状态后，二者只储存和交换能量，消耗能量的只有后，二者只储存和交换能量，消耗能量的只有损耗电阻损耗电阻串联振荡回路串联振荡回路—— —— 能量关系能量关系 W 是一个不随时间变化的常数这说明回路中储存的能量是一个不随时间变化的常数这说明回路中储存的能量是不变的，只是圈与电容器之间相互转换且电抗元是不变的，只是圈与电容器之间相互转换且电抗元件不消耗外加电动势的能量，外加电动势只提供回路电阻件不消耗外加电动势的能量，外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡所以回路谐振时所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡所以回路谐振时电流最大电流最大结论：结论：①①电感上储存的瞬时能量的最大值与电容上储存的瞬时能量电感上储存的瞬时能量的最大值与电容上储存的瞬时能量 的最大值相等的最大值相等②②能量能量W是一个不随着时间变化的常数，这说明整个回路中是一个不随着时间变化的常数，这说明整个回路中 储存的能量保持不变，只是圈和电容器之间相互转换，储存的能量保持不变，只是圈和电容器之间相互转换， 电抗元件不消耗外加电源的能量。

电抗元件不消耗外加电源的能量③③外加电源只是提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的外加电源只是提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的 等幅振荡，谐振时振荡器回路中的电流最大等幅振荡，谐振时振荡器回路中的电流最大串联振荡回路串联振荡回路——谐振曲线和通频带谐振曲线和通频带 串串联联谐谐振振回回路路中中电电流流幅幅值值与与外外加加电电动动势势频频率率之之间间的关系曲线称为的关系曲线称为谐振曲线谐振曲线 可用可用N N( (f f) )表示谐振曲线的函数表示谐振曲线的函数Q Q值不同即损耗值不同即损耗R R不同时，对曲线有很大影响，不同时，对曲线有很大影响，Q Q值大曲线尖锐，选择性好，值大曲线尖锐，选择性好，Q Q值小曲线钝，通带宽值小曲线钝，通带宽通频带通频带定义定义: :回路外加电压的幅值不变时，改变频率，回路电流回路外加电压的幅值不变时，改变频率，回路电流I I下降下降到到I Io o 的的 时所对应的频率范围称为谐振回路的通频带时所对应的频率范围称为谐振回路的通频带, ,用用B B表示表示: : 当当 时时 而而 所以所以也可用线频率也可用线频率f0表示，即表示，即  通常把没有接入信号源内阻和负载电阻时回路本身的通常把没有接入信号源内阻和负载电阻时回路本身的Q值叫做无载值叫做无载Q（空载（空载Q值）值）如式如式 串联振荡回路串联振荡回路————信号源内阻及负载对串联谐信号源内阻及负载对串联谐振回路的影响振回路的影响其中其中R R为回路本身的损耗，为回路本身的损耗，R RS S为信号源内阻，为信号源内阻，R RL L为负载为负载通常把接有信号源内阻和负载电阻时回路的通常把接有信号源内阻和负载电阻时回路的Q Q值叫做值叫做有载有载Q QL,L, 如式如式结论：结论： 串联谐振回路通常适用于信号源内阻串联谐振回路通常适用于信号源内阻Rs很小很小 ( (恒压源）和负载电阻恒压源）和负载电阻RL也不大的情况。

也不大的情况并联谐振回路并联谐振回路• 概述概述• 谐振条件谐振条件• 谐振特性谐振特性• 谐振曲线、相频特性和通频带谐振曲线、相频特性和通频带• 信号源内阻和负载电阻对并联谐振回路信号源内阻和负载电阻对并联谐振回路的影响的影响   对于信号源内阻和负载比较大的情况，宜采用并联对于信号源内阻和负载比较大的情况，宜采用并联谐振回路谐振回路 结构：电感线圈结构：电感线圈L L、电容、电容C C、外加信号源相互并联的、外加信号源相互并联的 振荡回路振荡回路其中由于外加信号源内阻很大，为了其中由于外加信号源内阻很大，为了 分析方便，采用恒流源分析方便，采用恒流源并联振荡回路并联振荡回路——概述概述     1.    1. 回路回路阻抗阻抗由图可知，并联谐振回路的阻抗为一般 L >> R Is C L + – R Vo  谐振时的阻抗特性：谐振时的阻抗特性：因此回路谐振时：因此回路谐振时：并联振荡回路并联振荡回路————谐振条件谐振条件谐振条件谐振条件: :若若 不成立不成立谐振时谐振时Z Z为实数为实数, ,故故2.2.谐振频率谐振频率f f0 03.3.品质因数品质因数       谐振时电感支路或者电容支路的电流幅值为外加电流源谐振时电感支路或者电容支路的电流幅值为外加电流源I IS S的的 QP倍。

因此，倍因此，并联谐振又称为电流谐振并联谐振又称为电流谐振 一般一般Q为几十到几百，因此信号源的电流不是很大，而支路内的电流却是很大为几十到几百，因此信号源的电流不是很大，而支路内的电流却是很大4.4.广义失谐广义失谐 表示回路失谐大小的量表示回路失谐大小的量 1 . 谐振曲线谐振曲线 串联回路用电流比来表示，并联回路用电压比来表示串联回路用电流比来表示，并联回路用电压比来表示 回路端电压回路端电压 谐振时回路端电压谐振时回路端电压 由此可作出谐振曲线由此可作出谐振曲线 并联振荡回路并联振荡回路————谐振曲线、相频特性和通频带谐振曲线、相频特性和通频带在小失谐时：在小失谐时：结论：结论：相角：相角：2. 相频特性相频特性 串联电路里串联电路里 是指回路电流是指回路电流与信号源电压与信号源电压 的相角差而并的相角差而并联电路是联电路是 是指回路端电压对信号源电流是指回路端电压对信号源电流I Is s的相角差。

的相角差   = =  p p 时时   = 0 = 0 回路呈纯阻回路呈纯阻   > >  p p 时时   < 0 < 0 回路呈回路呈容性容性   < <  p p 时时   > 0 > 0 回路呈回路呈感性感性 相频曲线如图所示相频曲线如图所示 当回路端电压下降到最大值的当回路端电压下降到最大值的 时所对应的频率范围时所对应的频率范围                                       即即 通频带通频带   3 . 通频带通频带并联振荡回路并联振荡回路————信号源内阻和负载电阻对并联信号源内阻和负载电阻对并联谐振回路的影响谐振回路的影响 例例 2-1 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? 解解 (1) 计算L值 由式(2 — 2), 可得将f0以兆赫兹(MHz)为单位, Ｃ以皮法(pF)为单位, L以微亨（μH）为单位， 上式可变为一实用计算公式: 将f0=fs=10 MHz代入, 得          (2) 回路谐振电阻和带宽由式(2 — 12)回路带宽为         (3) 求满足0.5  MHz带宽的并联电阻 设回路上并联电阻为R1, 并联后的总电阻为R1∥R0, 总的回路有载品质因数为QL 由带宽公式, 有此时要求的带宽B=0.5 MHz, 故回路总电阻为   需要在回路上并联7.97 kΩ的电阻 例例1 1：有一并联谐振回路如图，并联回路的无载：有一并联谐振回路如图，并联回路的无载Q Q值值 Q Qp p = 80 = 80，谐振电阻，谐振电阻 R Rp p = 25k = 25k ，谐振频率，谐振频率f fo o = 30MHz= 30MHz，， 信号源电流幅度信号源电流幅度 I Is s = 0.1mA = 0.1mA(1)(1)若信号源内阻若信号源内阻R Rs s = 10k = 10k ，当负载电阻，当负载电阻R RL L不接时，不接时，问通频带问通频带B B和谐振时输出电压幅度和谐振时输出电压幅度V Vo o是多少？是多少？(2) (2) 若若R Rs s = 6k = 6k ，，R RL L = 2k = 2k ，求此时的通频带，求此时的通频带B B和和V Vo o 是多少？是多少？解解：：(1) ∵∵ Rs = 10k ，，而(2)  故并联电阻愈小，即故并联电阻愈小，即Q QL L越低，通带愈宽。

越低，通带愈宽 串联谐振回路并联谐振回路阻抗或导纳 谐振频率 品质因数Q  通频带B=相频特性曲线  失谐时阻抗特性  >0，x > 0 回路呈感性     < 0，x<0  回路呈容性  >p，B > 0 回路呈容性      < p，B<0  回路呈感性 谐振电阻最小           = R最大有载Q值z = R + jx = R+j (L-        ) = 广义失谐系数：谐振曲线：接入系数接入系数P P 即为抽头点电压与端电压的比即为抽头点电压与端电压的比根据能量等效原则：根据能量等效原则：由于由于 , ,因此因此P P是小于是小于1 1的正数，即的正数，即 R < R0 即由高抽头向低抽头转换时，等效阻抗降低为原来的即由高抽头向低抽头转换时，等效阻抗降低为原来的p p2 2倍2 2 抽头并联振荡回路抽头并联振荡回路 接入系数：接入系数： 因此因此1) 激励源与回路的电感部分连接激励源与回路的电感部分连接在不考虑在不考虑 之间的互感之间的互感M时时:★★当抽头改变时当抽头改变时,p,p值改变值改变, ,可以改变回路在可以改变回路在dbdb两端的等效阻抗两端的等效阻抗当考虑当考虑 和和 之间的互感之间的互感M时接入系数时接入系数L1L22) 激励源与回路的电容部分连接激励源与回路的电容部分连接对于电容抽头电路而言对于电容抽头电路而言, ,接入系数接入系数 应该指出接入系数应该指出接入系数 或或 都是假定窄带高都是假定窄带高Q Q，回路处于谐振或失谐不大，流过电容或电感的，回路处于谐振或失谐不大，流过电容或电感的电流比外部电流大得多电流比外部电流大得多时才成立。

时才成立              3)负载电阻或电容的折合负载电阻或电容的折合 结论：结论：1 1、抽头改变时，、抽头改变时， 或或 、、 的比值改的比值改 变，即变，即P改变改变 2 2、抽头由低、抽头由低高，等效导纳降低高，等效导纳降低P2倍，倍，Q值提高许值提高许 多，即等效电阻提高了多，即等效电阻提高了 倍，并联电阻加大，倍，并联电阻加大，Q 值提高电容减小，阻抗加大电容减小，阻抗加大图2 — 9 几种常见抽头振荡回路 L1L2L1L2L1L24) 电流源的折合电流源的折合右右图图表表示示电电流流源源的的折折合合关关系系因因为为是等效变换，变换前后其功率不变是等效变换，变换前后其功率不变 ★★电压源和电流源的变比是电压源和电流源的变比是 而不是而不是 从从ab端到端到bd端电压变换比为端电压变换比为1/P ，，在保持功率相同的条件下，电流变换比就是在保持功率相同的条件下，电流变换比就是P倍。

倍即由低抽头向高抽头变化时，电流源减小了即由低抽头向高抽头变化时，电流源减小了P倍由于由于 因此，抽头的目的是：因此，抽头的目的是： 减小信号源内阻和负载对回路和影响减小信号源内阻和负载对回路和影响 负载电阻和信号源内阻小时应采用串联方式；负载电阻和信号源内阻小时应采用串联方式；负载电阻和信号源内阻大时应采用并联方式；负载电阻和信号源内阻大时应采用并联方式；负载电阻信号源内阻不大不小采用部分接入方式负载电阻信号源内阻不大不小采用部分接入方式  例例 2-2 如图2 — 11， 抽头回路由电流源激励, 忽略回路本身的固有损耗, 试求回路两端电压u(t)的表示式及回路带宽 图 2 — 11 例2的抽头回路  解解 由于忽略了回路本身的固有损耗, 因此可以认为Q→∞ 由图可知, 回路电容为 谐振角频率为 电阻R1的接入系数等效到回路两端的电阻为  回路两端电压u(t)与i(t)同相, 电压振幅U=IR=2 V, 故 输出电压为  回路有载品质因数 回路带宽 三、石英晶体谐振器三、石英晶体谐振器 1. 1. 物理特性物理特性 石英是矿物质硅石的一种（也可人工制造），化学成分是石英是矿物质硅石的一种（也可人工制造），化学成分是SiOSiO2 2，其形，其形状为结晶的六角锥体。

图状为结晶的六角锥体图(a)(a)表示自然结晶体，图表示自然结晶体，图(b)(b)表示晶体的横截面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何对称轴，连接两个角锥顶点的一根轴ZZZZ，称为光轴，在图，称为光轴，在图(b)(b)中沿对角中沿对角线的三条线的三条XXXX轴，称为电轴，与电轴相垂直的三条轴，称为电轴，与电轴相垂直的三条YYYY轴，称为机械轴轴，称为机械轴   沿沿着着不不同同的的轴轴切切下下，，有有不不同同的的切切型型，，X切切型型、、Y切切型型、、AT切切型、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，晶体片就产生谐振时，晶体片就产生谐振2. 等效电路及阻抗特性等效电路及阻抗特性        石英片相当一个串联谐振电路，可用集石英片相当一个串联谐振电路，可用集中参数中参数Lq、、Cq、、rq来模拟，来模拟，Lq为晶体的质为晶体的质量（惯性），量（惯性），Cq 为等效弹性模数，为等效弹性模数，rg 为为机械振动中的摩擦损耗机械振动中的摩擦损耗      右图表示石英谐振器的基频等效电路右图表示石英谐振器的基频等效电路 电电容容C0称称为为石石英英谐谐振振器器的的静静电电容容其其容量主要决定于石英片尺寸和电极面积容量主要决定于石英片尺寸和电极面积 一一般般C0在在几几PF ~ 几几十十PF式式中中  —石石英英介介电常数，电常数，s —极板面积，极板面积，d —石英片厚度石英片厚度接入系数    石英晶体的特点是：石英晶体的特点是：①①等效电感等效电感Lq特别大、等效电容特别大、等效电容Cq特别小，因此，特别小，因此，石英晶体的石英晶体的Q值值 很大，一般为几万到很大，一般为几万到几百万。

这是普通几百万这是普通LC电路无法比拟的电路无法比拟的 ② ② 由于由于 ，这意味着等效电路中的接入系数，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很小，因此外电路影响很小 石英谐振器的等效电抗（阻抗特性）石英谐振器的等效电抗（阻抗特性） 石英晶体有两个谐振角频率一个是石英晶体有两个谐振角频率一个是左边支路的串联谐振频率左边支路的串联谐振频率fq，即石英片，即石英片本身的自然频率另一个为石英谐振器本身的自然频率另一个为石英谐振器的并联谐振频率的并联谐振频率fp 串联谐振频率串联谐振频率 并联谐振频率并联谐振频率 显然显然     接入系数接入系数P很小，一般为很小，一般为10-3数量级，所以数量级，所以fp与与fq很接近。

很接近 上式忽略上式忽略 r rq q 后可简化为后可简化为 当当  = =  q q时时z z0 0 = 0 L = 0 Lq q、、C Cq q串谐谐振，当串谐谐振，当  = =  p p，，z z0 0 = =  ，，回路并谐谐振回路并谐谐振当当 为容性 当当 时时, ,jx0 为感性其电抗曲线如图所示其电抗曲线如图所示 并不等于石英晶体片本身的等效电感并不等于石英晶体片本身的等效电感L Lq q 石英晶体滤波器工作时，石英晶体两个谐振频率之石英晶体滤波器工作时，石英晶体两个谐振频率之间感性区的宽度决定了滤波器的通带宽度间感性区的宽度决定了滤波器的通带宽度 必须指出，在必须指出，在 q与与 p的角频率之间，谐振器所呈的角频率之间，谐振器所呈现的等效电感现的等效电感 第三节第三节 电子噪声及其特性电子噪声及其特性 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，因此它是影响各类接收机性能的主要因素之一。

率范围，因此它是影响各类接收机性能的主要因素之一 一、定义和分类一、定义和分类 定义：干扰（或噪声），指除有用信号以外的一切不需要的定义：干扰（或噪声），指除有用信号以外的一切不需要的信号及各种电磁骚动的总称信号及各种电磁骚动的总称 外部干扰自然：天电干扰，宇宙干扰，大地干扰人为：工业干扰，电台干扰，无线电器干扰内部噪声自然：热噪声，散粒噪声人为：接触不良噪声分类：二、   电子噪声的来源与特性 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影响主要出现在有用信号比较弱的场合较弱的场合，在电子线路中，噪声来源主要有两方面：，在电子线路中，噪声来源主要有两方面： 电电阻热噪声阻热噪声和和半导体管噪声半导体管噪声，两者有许多相同的特性两者有许多相同的特性 1 1 电阻的热噪声电阻的热噪声 内部噪声主要由电阻、谐振电路和电子器件内部所具有内部噪声主要由电阻、谐振电路和电子器件内部所具有的带电微粒无规则运动所产生的的带电微粒无规则运动所产生的。

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（Un）呈现正态分布，所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10101313HzHz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 1) 热噪声电压和功率谱密度热噪声电压和功率谱密度在单位频带内，电阻所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均方电压谱密度均方电压谱密度式中，k为玻耳兹曼常数，为1.37×10-23 J/K；B 为测量此电压时的带宽；T为热力学温度，单位为K均方电流谱密度均方电流谱密度最大噪声功率最大噪声功率 (额定功率额定功率) kTB噪声功率谱密度噪声功率谱密度 kT 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 ①电阻热噪声通过两电阻串联②  热噪声通过线性网络结论：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例：并联回路的热噪声法一： 并联回路可以等效为Re+jXe（图（c））,现在看上述输出噪声谱密度与Re、 Xe的关系展开化简后得 可得， 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等效电阻产生的热噪声功率谱密度法二：结论：（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kTB3）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 等效噪声带宽Bn为（2 — 58） 3) 噪声带宽噪声带宽 以图2-33的单振荡回路为例, 计算其等效噪声带宽 设回路为高Q电路, 设谐振频率为f0， Δf为相对于f0的频偏，由此可得等效噪声带宽为己知并联回路的 3 dB带宽为B 0.7= f0/Q, 故晶体管的噪声通常比电阻的热噪声大得多，其来源主要有四个方面 • 热噪声• 散粒（散弹）噪声• 分配噪声 • 1/f噪声 (闪烁噪声) 2 2 晶体三极管的噪声晶体三极管的噪声1).散弹（粒）噪声散弹（粒）噪声 在晶体管的在晶体管的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 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 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α、、β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，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 3 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个场效应管的噪声有以下几个方面的来源：方面的来源： 沟道电阻产生的热噪声，沟道热噪声通过沟道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。

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 有关晶体管的噪声模型和晶体有关晶体管的噪声模型和晶体管放大器的噪声比较复杂，这里就不讨论了管放大器的噪声比较复杂，这里就不讨论了  一、一、怎样衡量噪声性能的好坏？怎样衡量噪声性能的好坏？问题一：一个设备的噪声性能能否只用设备的输出问题一：一个设备的噪声性能能否只用设备的输出噪声功率噪声功率No的大小做为衡量的标准？的大小做为衡量的标准？ 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，离开因此，离开信号谈噪声是无意义的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S／／N（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是描述信号抗噪声质量描述信号抗噪声质量的一个物理量的一个物理量 第四节第四节 噪声系数和噪声温度噪声系数和噪声温度问题二：是否可以用信噪比来衡量一个设备的噪声性能？问题二：是否可以用信噪比来衡量一个设备的噪声性能？回答：不合适！回答：不合适！ 信噪比只能说明信号的质量，不能反映该设备对信号质量的信噪比只能说明信号的质量，不能反映该设备对信号质量的影响其中：其中： Si ——放大器的输入信号功率放大器的输入信号功率 So——放大器的输出信号功率放大器的输出信号功率 Ni ——放大器的输入噪声功率放大器的输入噪声功率 No——放大器的输出噪声功率放大器的输出噪声功率 Na——放大器的内部噪声功率放大器的内部噪声功率 KP——放大器的功率放大倍数放大器的功率放大倍数 NF—噪声系数噪声系数用信号通过放大器前后信噪比的变用信号通过放大器前后信噪比的变化来表示该网络的噪声性能是一种化来表示该网络的噪声性能是一种比较合适的方法。

比较合适的方法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 要描述放大系统的固有噪声的大小，就要用噪声系数，其要描述放大系统的固有噪声的大小，就要用噪声系数，其定义为定义为（2-60）因为（2-61）（2-62）Na越大，越大，NF越大越大NF>1噪声系数的定义噪声系数的定义噪声系数用dB表示：理想无噪系统的噪声系数为0dB1.1.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 Psmi和和Psmo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，Nmi和和Nmo分别为放大器的输入和输出额定噪声功率，分别为放大器的输入和输出额定噪声功率，Kpm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二二. .、、 噪声系数的计算噪声系数的计算 放大器的噪声系数放大器的噪声系数NF为为                                 对于无源二端口网络，输出端匹配时，输出的额定噪声功率Nmo= kTB,  所以噪声系数:因为Nmi= kTB, 抽头回路的噪声系数            将信号源电导等效到回路两端, 为p2gS, 等效到回路两端的信号源电流为pIS, 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： 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例例1  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＋＋US－－方法二：开路电压法（戴维南定理）＋＋Un－－根据定义, 级联后总的噪声系数为2. 级联网络噪声系数级联网络噪声系数         式中, No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 按噪声系数的表达式, Na1和Na2可分别表示为 则 将上式代入式（2 — 76）, 得 (2 — 77) 用同样的方法不难推出多级级联网络的噪声系数的公式为(2 — 78)         从式(2 — 78)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            例2-3   下图是一接收机的前端电路, 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 试求前端电路的噪声系数(设本振产生的噪声忽略不计)   解解 将图中的噪声系数和增益化为倍数, 有因此, 前端电路的噪声系数为 3 3 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3 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75Ω，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10～20dB，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：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：则，要求输入的信号功率为：而，功率匹配时：讨论：提高灵敏度的方法①降低接收机的噪声系数；②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： 降低噪声系数的措施降低噪声系数的措施 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    本节讨论的内容是学习通信电子线路的重要基础。

本节讨论的内容是学习通信电子线路的重要基础 1. 各种形式的选频网络在通信电子线路中得到广各种形式的选频网络在通信电子线路中得到广泛的应用它能选出我们需要的频率分量和滤除不泛的应用它能选出我们需要的频率分量和滤除不需要的频率分量，因此掌握各种选频网络的特性及需要的频率分量，因此掌握各种选频网络的特性及分析方法是很重要的分析方法是很重要的 2. 选频网络可分为两大类第一类是由电感和电选频网络可分为两大类第一类是由电感和电容元件组成的谐振回路，它又分为单振荡回路和耦容元件组成的谐振回路，它又分为单振荡回路和耦合振荡回路，第二类是各种滤波器，主要有合振荡回路，第二类是各种滤波器，主要有LC集中集中滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等滤波器等     本本 节节 小小 结结3. 串联谐振回路是指电感、电容、信号源三者串联谐振回路是指电感、电容、信号源三者串联；并联谐振回路是指电感、电容、信号源串联；并联谐振回路是指电感、电容、信号源三者并联串并联谐振回路的共同点是：三者并联串并联谐振回路的共同点是： ③ ③ 广义失谐都是表示回路失谐大小的量，用广义失谐都是表示回路失谐大小的量，用ξξ表示。

表示 串联时：串联时： 并联时：并联时：    ① ① 当当Q值很高时，谐振频率均为值很高时，谐振频率均为 ② ② 特性阻抗均可表示为特性阻抗均可表示为串并联谐振回路的不同点是：串并联谐振回路的不同点是： ① ① 品质因数的表示形式不同，品质因数的表示形式不同， 串联谐振回路中：串联谐振回路中： 并联谐振回路中：并联谐振回路中： ② ② 串联谐振回路谐振时，其电感和电容上的电压串联谐振回路谐振时，其电感和电容上的电压 为信号源电压的为信号源电压的Q Q倍，称为电压谐振；并联谐振倍，称为电压谐振；并联谐振 回路谐振时其电感和电容支路的电流为信号源回路谐振时其电感和电容支路的电流为信号源 电流的电流的Q Q倍，称为电流谐振倍，称为电流谐振     ④ ④ 通频带均可表示为通频带均可表示为③ ③ 串联谐振回路失谐时，当串联谐振回路失谐时，当f f > > f f0 0时回路呈感性，时回路呈感性，f f < < f f0 0时回路呈容性；并联谐振回路失谐时，当时回路呈容性；并联谐振回路失谐时，当f f > > f f0 0时回路呈容性，时回路呈容性，f f < < f f0 0时回路呈感性。

时回路呈感性 ④ ④ 串联谐振回路的频率特性串联谐振回路的频率特性 并联谐振回路的频率特性并联谐振回路的频率特性  4 4、串并联阻抗等效互换时：、串并联阻抗等效互换时：X串串= =X并并，，R并并= =Q2R串串（（Q较大时）较大时）    5 5、回路采用抽头接入的目的是为了减少负载和信、回路采用抽头接入的目的是为了减少负载和信号源内阻对回路的影响，由低抽头折合到回路的高号源内阻对回路的影响，由低抽头折合到回路的高端时，等效电阻提高了端时，等效电阻提高了 倍，等效导纳减小了倍，等效导纳减小了倍，即采用抽头接入时，回路倍，即采用抽头接入时，回路Q Q值提高了值提高了  6 6、由相互间有影响的两个单振荡回路组成的回路称为耦合、由相互间有影响的两个单振荡回路组成的回路称为耦合回路以耦合系数回路以耦合系数K K表示耦合的强弱，耦合因数表示耦合的强弱，耦合因数  表示相对临表示相对临介耦合时的相对强弱耦合回路中的反映阻抗是用来说明一介耦合时的相对强弱耦合回路中的反映阻抗是用来说明一个回路对耦合的另一回路电流影响。

次级回路的电阻反映到个回路对耦合的另一回路电流影响次级回路的电阻反映到初级回路仍为电阻，次级回路的电抗反映到初级回路仍为电初级回路仍为电阻，次级回路的电抗反映到初级回路仍为电抗，但抗的性质相反抗，但抗的性质相反7 7、选择性滤波器主要有、选择性滤波器主要有LCLC集中选择性滤波器、石英晶体滤波集中选择性滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷波波器和声表面波滤器根据其各自特点应用到不器、陶瓷波波器和声表面波滤器根据其各自特点应用到不同场合其中石英晶体滤波器的同场合其中石英晶体滤波器的Q Q值最高，选择性最好；声表值最高，选择性最好；声表面波滤波器工作频率高，抗辐射能力强，广泛用于通信设备面波滤波器工作频率高，抗辐射能力强，广泛用于通信设备中。