最新噪聲的來源與特點

1、8.2 8.2 噪聲的來源與特點噪聲的來源與特點 8.2.1 8.2.1 電阻熱噪聲電阻熱噪聲 電阻中的帶電微粒（自由電子）在一定溫度下受到電阻中的帶電微粒（自由電子）在一定溫度下受到熱激發(fā)后，在導(dǎo)體內(nèi)部作無規(guī)則的運動（熱騷動）而相熱激發(fā)后，在導(dǎo)體內(nèi)部作無規(guī)則的運動（熱騷動）而相互碰撞，兩次碰撞之間行進時，就產(chǎn)生一持續(xù)時間很短互碰撞，兩次碰撞之間行進時，就產(chǎn)生一持續(xù)時間很短的脈沖電流。許多這樣的隨機熱騷動的電子所產(chǎn)生的這的脈沖電流。許多這樣的隨機熱騷動的電子所產(chǎn)生的這種脈沖電流的組合，就在電阻內(nèi)部形成了無規(guī)律的電流。種脈沖電流的組合，就在電阻內(nèi)部形成了無規(guī)律的電流。在一足夠長的時間內(nèi)，其電流平

2、均值等于零，而瞬時值在一足夠長的時間內(nèi)，其電流平均值等于零，而瞬時值就在平均值的上下變動，稱為起伏電流。就在平均值的上下變動，稱為起伏電流。 8.2.1 電阻熱噪聲是由電阻內(nèi)部自由電子的熱運動而電阻熱噪聲是由電阻內(nèi)部自由電子的熱運動而產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。起伏電流：起伏電流：起伏電流流經(jīng)電阻起伏電流流經(jīng)電阻 r時，電阻兩端就會產(chǎn)生噪聲電壓時，電阻兩端就會產(chǎn)生噪聲電壓 n和噪聲功率。常以和噪聲功率。常以 ( )vsf表示噪聲的電壓功率譜密度，表示噪聲的電壓功率譜密度， ( )isf表示噪聲的電流功率譜密度。表示噪聲的電流功率譜密度。 理論和實踐證明，當(dāng)溫度為理論和實踐證明，當(dāng)溫度為t t（k k）時，

3、阻值為的電阻）時，阻值為的電阻所產(chǎn)生的噪聲電壓功率譜密度和噪聲電流功率譜密度分別所產(chǎn)生的噪聲電壓功率譜密度和噪聲電流功率譜密度分別為為 ( )4vsfktr1( )44isfktktgr8.2.1 在頻帶寬度在頻帶寬度b b內(nèi)產(chǎn)生的熱噪聲電壓均方值和電流的均內(nèi)產(chǎn)生的熱噪聲電壓均方值和電流的均方值分別為方值分別為 24nktrb24niktgbk以上各式中，以上各式中， 為玻耳茲曼常數(shù)（為玻耳茲曼常數(shù)（soltzmann constantsoltzmann constant）=1.38=1.38 2310jk； 為熱力學(xué)溫度，單位為為熱力學(xué)溫度，單位為 ktk。因此，噪聲電壓或電流的有效值為因此

4、，噪聲電壓或電流的有效值為 24nktrb24niktgb 為便于運算，把電阻為便于運算，把電阻r r看作一個噪聲電壓源（或電看作一個噪聲電壓源（或電流源）和一個理想無噪聲的電阻串聯(lián)（或并聯(lián)），如流源）和一個理想無噪聲的電阻串聯(lián)（或并聯(lián)），如圖圖8.2.18.2.1所示。所示。 8.2.1 當(dāng)實際電路中包含多個電阻時。每一個電阻都將引當(dāng)實際電路中包含多個電阻時。每一個電阻都將引入一個噪聲源。一般若有多個電阻并聯(lián)時，總噪聲電流入一個噪聲源。一般若有多個電阻并聯(lián)時，總噪聲電流等于各個電導(dǎo)所產(chǎn)生的噪聲電流的均方值相加，如圖等于各個電導(dǎo)所產(chǎn)生的噪聲電流的均方值相加，如圖8.2.2(a)8.2.2(a)

5、；若有多個電阻串聯(lián)時，總噪聲電壓等于各個；若有多個電阻串聯(lián)時，總噪聲電壓等于各個電阻所產(chǎn)生的噪聲電壓的均方值相加，如圖電阻所產(chǎn)生的噪聲電壓的均方值相加，如圖8.2.2(b)8.2.2(b)。 例例8.2.1 8.2.1 試求兩個處于相同溫度的電阻 1r和 2r并聯(lián)后，在頻帶 b內(nèi)的總均方值噪聲電壓。 解：先利用電流源進行計算。由于 1r和 2r是并聯(lián)的，因此將它們分別用電流源噪聲等效電路表示，如圖8.2.3所示。在頻帶寬度b內(nèi)產(chǎn)生的熱電流的均方值為2114niktg b111gr8.2.12224niktg b221gr因此 22212124()nnniiikt gg b所以 22122121

6、24nnir rktbrrgg 再利用圖8.2.4所示的電壓源進行計算。 8.2.122n在輸出端口所產(chǎn)生的噪聲電壓均方值為 2222222112212124nnktr brrrrrr 所以 2221212124nnnr rktbrr顯然，兩種計算方法得到的結(jié)果是相同的。 8.2.121n在輸出端口所產(chǎn)生的噪聲電壓均方值為 24nktrb2222111222212124nnktr brrrrrr 對于對于lclc并聯(lián)諧振電路，所產(chǎn)生的噪聲電壓均方值為并聯(lián)諧振電路，所產(chǎn)生的噪聲電壓均方值為 24nektr b式中，式中， er為諧振電路的諧振電阻。為諧振電路的諧振電阻。 對圖對圖8.2.5(a)

7、8.2.5(a)所示的電路來說，損耗電阻所示的電路來說，損耗電阻r所產(chǎn)生的噪所產(chǎn)生的噪聲電壓均方值為聲電壓均方值為 24nrktrb 在回路諧振時，折算到在回路諧振時，折算到ab兩端的電壓均方值為兩端的電壓均方值為 222222444nnrelqktrbrlktbktr br得到如圖得到如圖8.2.5(b)所示的等效電路。所示的等效電路。 8.2.1 （2）如果網(wǎng)絡(luò)中的電阻處于不同的溫度或是受不）如果網(wǎng)絡(luò)中的電阻處于不同的溫度或是受不同帶寬的限制，只能按均方疊加法則即功率相加原則同帶寬的限制，只能按均方疊加法則即功率相加原則進行計算；進行計算；8.2.1總結(jié)以上分析得到如下結(jié)論：總結(jié)以上分析得

8、到如下結(jié)論： （1 1）對處于相同溫度的電阻所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，無）對處于相同溫度的電阻所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，無論是串聯(lián)還是并聯(lián)，總的均方值噪聲電壓等于網(wǎng)絡(luò)論是串聯(lián)還是并聯(lián)，總的均方值噪聲電壓等于網(wǎng)絡(luò)總電阻所產(chǎn)生的均方值噪聲電壓；總電阻所產(chǎn)生的均方值噪聲電壓； （3 3）純電抗元件既不消耗功率也不產(chǎn)生熱噪聲，實）純電抗元件既不消耗功率也不產(chǎn)生熱噪聲，實際的電抗元件一般都含有電阻成份，也與普通電阻一際的電抗元件一般都含有電阻成份，也與普通電阻一樣產(chǎn)生熱噪聲。樣產(chǎn)生熱噪聲。 8.2.2 8.2.2 晶體三極管的噪聲晶體三極管的噪聲 和電阻一樣，在晶體管中，電子不規(guī)則的熱運動同和電阻一樣，在晶體管中，電子不規(guī)則的

9、熱運動同樣會產(chǎn)生熱噪聲。發(fā)射極和集電極電阻的熱噪聲一般很樣會產(chǎn)生熱噪聲。發(fā)射極和集電極電阻的熱噪聲一般很小，可以忽略。因此這類由電子熱運動所產(chǎn)生的噪聲，小，可以忽略。因此這類由電子熱運動所產(chǎn)生的噪聲，主要存在于基極電阻主要存在于基極電阻 bbr內(nèi)，其噪聲電壓的均方值為內(nèi)，其噪聲電壓的均方值為 24bnbbktr b一、熱噪聲（一、熱噪聲（thermal noisethermal noise） 它是由單位時間內(nèi)通過它是由單位時間內(nèi)通過pnpn結(jié)載流子數(shù)目的隨機起伏結(jié)載流子數(shù)目的隨機起伏而造成的。而造成的。2iosqioi式中式中 為流過為流過pn結(jié)的電流，結(jié)的電流， q為電子電荷量。為電子電荷量

10、。 由于晶體三極管的發(fā)射結(jié)正偏，所以散粒噪聲主要由于晶體三極管的發(fā)射結(jié)正偏，所以散粒噪聲主要決定于發(fā)射極工作電流決定于發(fā)射極工作電流 ei，其噪聲電流的均方值為，其噪聲電流的均方值為 22eneiqi b二、散粒噪聲（二、散粒噪聲（shot noiseshot noise） 散粒噪聲的大小與晶體管的靜態(tài)工作點電流有關(guān)，散粒噪聲的大小與晶體管的靜態(tài)工作點電流有關(guān)，其功率譜密度為其功率譜密度為 散粒噪聲是晶體管的主要噪聲源。散粒噪聲是晶體管的主要噪聲源。 分配噪聲本質(zhì)上也是白噪聲。但由于渡越時間的分配噪聲本質(zhì)上也是白噪聲。但由于渡越時間的影響，當(dāng)晶體管的工作頻率高到一定值后，這類噪聲影響，當(dāng)晶體管

11、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。的功率譜密度將隨頻率的增加而迅速增大。8.2.2三、分配噪聲（三、分配噪聲（distribution noisedistribution noise）分配噪聲只出現(xiàn)在晶體三極管內(nèi)。分配噪聲只出現(xiàn)在晶體三極管內(nèi)。 分配噪聲就是集電極電流隨基區(qū)載流子復(fù)合數(shù)量的分配噪聲就是集電極電流隨基區(qū)載流子復(fù)合數(shù)量的變化而變化所引起的噪聲。亦即由發(fā)射極發(fā)出的載流子變化而變化所引起的噪聲。亦即由發(fā)射極發(fā)出的載流子分配到基極和集電極的數(shù)量隨機變化而引起。分配到基極和集電極的數(shù)量隨機變化而引起。 理論和實踐表明，分配噪聲可用晶體管集電極電流理論和實

12、踐表明，分配噪聲可用晶體管集電極電流的均方值表示為的均方值表示為 22202(1)cncqiqib式中，式中， cqi是三極管集電極靜態(tài)電流；是三極管集電極靜態(tài)電流； o是低頻時共基極是低頻時共基極電流放大系數(shù)；電流放大系數(shù)；是高頻時共基極電流放大系數(shù)。其值為是高頻時共基極電流放大系數(shù)。其值為 01fjf22021 ()ff式中式中 f為共基極晶體管截止頻率；為共基極晶體管截止頻率； f為晶體管工作頻率。為晶體管工作頻率。顯然顯然 是頻率的函數(shù)。是頻率的函數(shù)。8.2.2 四、四、 1 f噪聲噪聲或稱閃爍噪聲（或稱閃爍噪聲（flicker noise） 噪聲產(chǎn)生的原因目前尚有不同見解。，它與半導(dǎo)

13、噪聲產(chǎn)生的原因目前尚有不同見解。，它與半導(dǎo)體材料制作時表面清潔處理和外加電壓有關(guān)。體材料制作時表面清潔處理和外加電壓有關(guān)。 1 f8.2.2 所以晶體管的分配噪聲不是白噪聲，它的功率譜密所以晶體管的分配噪聲不是白噪聲，它的功率譜密度隨工作頻率的變化而變化。頻率越高，噪聲越大。度隨工作頻率的變化而變化。頻率越高，噪聲越大。 8.2.3 8.2.3 場效應(yīng)管的噪聲場效應(yīng)管的噪聲 散粒噪聲是由柵極內(nèi)的電荷不規(guī)則起伏所引起的噪散粒噪聲是由柵極內(nèi)的電荷不規(guī)則起伏所引起的噪聲。對結(jié)型場效應(yīng)管來說，則由通過聲。對結(jié)型場效應(yīng)管來說，則由通過pnpn結(jié)的漏電流引起結(jié)的漏電流引起的噪聲電流均方值為的噪聲電流均方值

14、為 22nggiqi b式中式中 gi為柵極漏泄電流。為柵極漏泄電流。 8.2.3場效應(yīng)管的噪聲也有四個來源：場效應(yīng)管的噪聲也有四個來源： 一、散粒噪聲一、散粒噪聲二、溝道內(nèi)的電子不規(guī)則熱運動所引起的熱噪聲二、溝道內(nèi)的電子不規(guī)則熱運動所引起的熱噪聲 場效應(yīng)管的溝道電阻由柵極電壓控制。因此溝道電場效應(yīng)管的溝道電阻由柵極電壓控制。因此溝道電阻中載流子的熱運動也會產(chǎn)生熱噪聲，它可用一個與輸阻中載流子的熱運動也會產(chǎn)生熱噪聲，它可用一個與輸出阻抗并聯(lián)的噪聲電流源來表示：出阻抗并聯(lián)的噪聲電流源來表示： 24ndfsiktgb式中，式中， fsg為場效應(yīng)管的跨導(dǎo)。為場效應(yīng)管的跨導(dǎo)。 三、漏極和源極之間的等效電阻噪聲三、漏極和源極之間的等效電阻噪聲 在漏極和源極之間，柵極的作用達(dá)不到的部分可用等在漏極和源極之間，柵極的作用達(dá)不到的部分可用等效串聯(lián)電阻效串聯(lián)電阻 r表示。由此會產(chǎn)生電阻熱噪聲，其大小可表示。由此會產(chǎn)生電阻熱噪聲，其