高頻電子線路4

1、高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎第三節(jié)第三節(jié) 電子噪聲及其特性電子噪聲及其特性 干擾（或噪聲）是除有用信號外的一切不需干擾（或噪聲）是除有用信號外的一切不需要的信號和各種電磁擾動的總稱。要的信號和各種電磁擾動的總稱。 干擾與噪聲是兩個同義的術語，習慣上將干擾與噪聲是兩個同義的術語，習慣上將外部來的不需要信號稱為干擾，內部產生的稱外部來的不需要信號稱為干擾，內部產生的稱為噪聲。為噪聲。一、概述一、概述高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎干擾分為人為干擾和自然干擾干擾分為人為干擾和自然干擾人為干擾：高頻和工頻設備、不需要的無線電臺、人為干

2、擾：高頻和工頻設備、不需要的無線電臺、產生電火花的設備、氣體放電器件。產生電火花的設備、氣體放電器件。自然干擾：雷電、帶電的雨、雪和灰塵運動、流自然干擾：雷電、帶電的雨、雪和灰塵運動、流星余跡以及太陽的活動等。星余跡以及太陽的活動等。抑制干擾的方法：消除干擾源、躲避干擾、切斷抑制干擾的方法：消除干擾源、躲避干擾、切斷干擾傳播途徑。干擾傳播途徑。高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎二、電子噪聲的來源與特性二、電子噪聲的來源與特性 在電子線路中，噪聲來源主要是：電阻熱噪聲和在電子線路中，噪聲來源主要是：電阻熱噪聲和半導體管噪聲。（純電抗不產生噪聲）半導體管噪聲。（純電抗

3、不產生噪聲） 1、熱噪聲、熱噪聲: 熱噪聲熱噪聲(布朗噪聲布朗噪聲)由電阻由電阻(或導體或導體)內的自由電子熱運內的自由電子熱運動產生的。自由電子的熱運動是隨機運動。動產生的。自由電子的熱運動是隨機運動。 熱運動引起噪聲熱運動引起噪聲電壓，在導體內形成電壓，在導體內形成起伏的電流，引起的起伏的電流，引起的噪聲稱為起伏噪聲或噪聲稱為起伏噪聲或熱噪聲。熱噪聲。高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎 當電阻的溫度為當電阻的溫度為T(K)時電阻兩端的噪聲電壓時電阻兩端的噪聲電壓的均方值為：的均方值為：2201lim4TnnTUu dtkTBRTB: 測量電壓時的帶寬。測量電壓

4、時的帶寬。K: 波爾茨曼常數波爾茨曼常數23137 10 J/K.k4nUkTBR表示起伏電壓交流分量的有效值高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎2201lim4TnnTUu dtkTBRT電阻的熱噪聲是白噪聲。電阻的熱噪聲是白噪聲。均方電壓譜密度和均方電流譜密度為：均方電壓譜密度和均方電流譜密度為：)/(4)/(422HzAkTGSHzVkTRSIUS( f )f0高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎 【例】 試計算510k電阻的噪聲均方值電壓和均方值電流。設K, k。 解解: 22135232210532321014. 3105101

5、02901038. 1441016. 810105102901038. 144ARBWkTIVBWkTRUnn高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎R2Un22Un12R1RUn222212121212444()4nnnnnnnUUUkTR BkTR BkT RRBkTRBRRR（1）多個電阻的熱噪聲）多個電阻的熱噪聲多個電阻混聯（溫度相同）時的熱噪聲等與混聯多個電阻混聯（溫度相同）時的熱噪聲等與混聯后的總電阻產生的熱噪聲。后的總電阻產生的熱噪聲。 高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎2 2 熱噪聲通過線性網絡熱噪聲通過線性網絡|H(j)|

6、2U2iSUiU2oSUo22200()()()oiU oU inU oU iUHjUSHjSUSdfHjSdf 高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎3、功率譜密度與噪聲帶寬功率譜密度與噪聲帶寬 在最壞情況下，在最壞情況下，R=RN，傳送傳送到負載到負載R上噪聲功率是：上噪聲功率是： 噪聲源等效電路噪聲源等效電路222444()NNUUkTRBNkTBRRR 噪聲電壓均方值噪聲電壓均方值:kTRBUN42 在單位帶寬（在單位帶寬（1Hz）內的噪聲電壓均方值：）內的噪聲電壓均方值：kTRUN42 電阻熱噪聲的功率譜密度電阻熱噪聲的功率譜密度()4sfk TR高頻電子線

7、路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎 由于由于帶通帶通線性系統(tǒng)的濾波作線性系統(tǒng)的濾波作用，濾除了熱噪聲中的一部用，濾除了熱噪聲中的一部分頻率分量，使其頻率發(fā)生分頻率分量，使其頻率發(fā)生了變化了變化，功率頻譜密度變成，功率頻譜密度變成了頻率的函數。了頻率的函數。 系統(tǒng)輸出端的噪聲電壓均方值：系統(tǒng)輸出端的噪聲電壓均方值：dffHfSdffSUioNo 0202)()()(高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎 工程中將系統(tǒng)功率傳輸函數工程中將系統(tǒng)功率傳輸函數H2(f )曲線與曲線與f 軸之間的面積與功軸之間的面積與功率傳輸函數的比值定義為率傳輸函數的比值定

8、義為BN，即，即 dffHfSdffSUioNo 0202)()()(等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬)()(202oNfHdffHB 為為f = fo時的時的功率傳輸函數值功率傳輸函數值高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎二、晶體管噪聲二、晶體管噪聲 晶體管噪聲主要包括以下四部分。晶體管噪聲主要包括以下四部分。 1 1 、熱噪聲、熱噪聲 構成晶體管的發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的體電構成晶體管的發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的體電阻和引線電阻均會產生熱噪聲阻和引線電阻均會產生熱噪聲, , 其中以基區(qū)體電阻其中以基區(qū)體電阻r rbbbb的影響為主。的影響為主。 高頻電子線路高頻電子線路第第2

9、 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎2 2、 散彈噪聲散彈噪聲散彈噪聲是晶體管的主要噪聲源。它是由單位時間散彈噪聲是晶體管的主要噪聲源。它是由單位時間內通過結的載流子數目隨機起伏而造成的。人內通過結的載流子數目隨機起伏而造成的。人們將這種現象比擬為靶場上大量射擊時彈著點對靶們將這種現象比擬為靶場上大量射擊時彈著點對靶中心的偏離中心的偏離, , 故稱為散彈噪聲。故稱為散彈噪聲。 在本質上它與電在本質上它與電阻熱噪聲類似阻熱噪聲類似, , 屬于均勻頻譜的白噪聲。屬于均勻頻譜的白噪聲。高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎 3 3、 分配噪聲分配噪聲 在晶體管中在晶體管中,

10、, 通過發(fā)射結的非平衡載流子大部分到達通過發(fā)射結的非平衡載流子大部分到達集電結集電結, , 形成集電極電流形成集電極電流, , 而小部分在基區(qū)內復合而小部分在基區(qū)內復合, , 形成基極形成基極電流。電流。 這兩部分電流的分配比例是隨機的這兩部分電流的分配比例是隨機的, , 從而造成集電極從而造成集電極電流在靜態(tài)值上下起伏變化電流在靜態(tài)值上下起伏變化, , 產生噪聲產生噪聲, , 這就是分配噪聲。這就是分配噪聲。 分配噪聲實際上也是一種散彈噪聲分配噪聲實際上也是一種散彈噪聲, , 但它的功率頻譜但它的功率頻譜密度是隨頻率變化的密度是隨頻率變化的, , 頻率越高頻率越高, , 噪聲越大。噪聲越大。

11、高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎4 4、 閃爍噪聲閃爍噪聲 產生這種噪聲的機理目前還不甚明了產生這種噪聲的機理目前還不甚明了, , 一般認為是由于一般認為是由于晶體管表面清潔處理不好或有缺陷造成的晶體管表面清潔處理不好或有缺陷造成的, , 其特點是頻譜集中其特點是頻譜集中在約在約 k k以下的低頻范圍以下的低頻范圍, , 且功率頻譜密度隨頻率降低而且功率頻譜密度隨頻率降低而增大。在高頻工作時增大。在高頻工作時, , 可以忽略閃爍噪聲。可以忽略閃爍噪聲。 高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎3 3、 場效應管噪聲場效應管噪聲 場效應管是

12、依靠多子在溝道中的漂移運動而工作的場效應管是依靠多子在溝道中的漂移運動而工作的, , 溝溝道中多子的不規(guī)則熱運動會在場效應管的漏極電流中產生類似道中多子的不規(guī)則熱運動會在場效應管的漏極電流中產生類似電阻的熱噪聲電阻的熱噪聲, , 稱為溝道熱噪聲稱為溝道熱噪聲, , 這是場效應管的主要噪聲源。這是場效應管的主要噪聲源。其次便是柵極漏電流產生的散彈噪聲。其次便是柵極漏電流產生的散彈噪聲。 場效應管的閃爍噪聲在場效應管的閃爍噪聲在高頻時同樣可以忽略。高頻時同樣可以忽略。 高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎第四節(jié)、第四節(jié)、噪聲系數和等效噪聲溫度噪聲系數和等效噪聲溫度1、噪

13、聲系數、噪聲系數 用信號功率用信號功率S與噪聲功率與噪聲功率N之比，即之比，即信噪比信噪比SN來衡量信來衡量信號的質量。號的質量。信噪比信噪比SN越大，信號質量越好。越大，信號質量越好。定義輸入信噪比和輸出信噪比的比值為定義輸入信噪比和輸出信噪比的比值為噪聲系數噪聲系數NF，即，即() /1iioFoPioipapapiiSNNNSKNNNKNKNKNN高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎 NF表明電路的噪聲性能，如果是表明電路的噪聲性能，如果是無噪聲網絡，無噪聲網絡， NF =1, 否則否則NF 1,內部噪聲越大，內部噪聲越大， NF越大。越大。() /1iioF

14、oPioipapapiiSNNNSKNNNKNKNKNN高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎 噪聲系數噪聲系數NF常用常用db表示：表示：FN10 lgiiooSNdbSN 噪聲系數噪聲系數NF表明當一個信號從電路的輸入傳到輸出表明當一個信號從電路的輸入傳到輸出端時，信噪比惡化的程度。例如，噪聲系數為端時，信噪比惡化的程度。例如，噪聲系數為3dB的放大器表的放大器表明輸出端的信噪比比輸入端小明輸出端的信噪比比輸入端小3dB。對一個理想的無噪聲對一個理想的無噪聲放大放大器，器，噪聲系數噪聲系數NF=0dB。在計算噪聲系數時，輸入噪聲功率取信號源內阻在計算噪聲系數時，輸

15、入噪聲功率取信號源內阻RS 的最大輸出功率，的最大輸出功率，Ni=kTB, RS的溫度取的溫度取290K。高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎多級級聯電路總噪聲系數的計算多級級聯電路總噪聲系數的計算設設輸入、輸出信號功率為輸入、輸出信號功率為Si 、So，輸入、輸出噪聲功率為，輸入、輸出噪聲功率為Ni 、No。第一級的輸入噪聲。第一級的輸入噪聲Ni1和第二級的輸入噪聲和第二級的輸入噪聲Ni2分別是各級分別是各級電路內電阻產生的熱噪聲功率，即電路內電阻產生的熱噪聲功率，即Ni1=Ni2= kTB。第一級的輸出噪聲功率第一級的輸出噪聲功率:1111opiANK NN11

16、111111111111111 ; (1)oAFppiiAFpipiFpisNNKK NsNNK NK NNK N 高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎 同理，可求得同理，可求得第二級電路的內部噪聲功率第二級電路的內部噪聲功率 :2222(1)AFpiNNKN第一級電路的內部噪聲功率第一級電路的內部噪聲功率: 兩級的輸出噪聲功率兩級的輸出噪聲功率: : 121212oppipAANK KNKNN1111( 1) AFpiNNKN1121222(1)FppiFpiNK KNNKN高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎 兩級級聯電路總噪聲因數兩

17、級級聯電路總噪聲因數: 111211121222121211/(/)(1)1iiooFoooiippiFppiFpippiFFpsNNNHsNssNKKNNKKNNKNKKNNNK121212oppipAANK KNKNN1121222(1)FppiFpiNK KNNKN高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎推廣，推廣，n級級聯電路的總噪聲因數級級聯電路的總噪聲因數 :32111212(1)111FFnFFpppppp nNNNFNKK KK KK結論：結論：為了降低多級電路總噪聲系數，往往要盡量降低第一級、為了降低多級電路總噪聲系數，往往要盡量降低第一級、第二級的噪

18、聲系數。這就是接收機的前端放大器（第一級或第二第二級的噪聲系數。這就是接收機的前端放大器（第一級或第二級電路）必須采用低噪聲放大器的原因。級電路）必須采用低噪聲放大器的原因。 高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎無源四端網絡的噪聲系數：無源四端網絡的噪聲系數：/1/iioFoopmipmsNNNLsNKNK 在接收機的輸入端加入一個衰減器（或者因在接收機的輸入端加入一個衰減器（或者因饋線引入衰減），就會使系統(tǒng)（包括衰減器和接饋線引入衰減），就會使系統(tǒng)（包括衰減器和接收機）的噪聲系數增加。收機）的噪聲系數增加。高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電

19、路基礎2、等效噪聲溫度、等效噪聲溫度 對任何一個線性電路所產生的熱噪聲輸出，都可以用溫度對任何一個線性電路所產生的熱噪聲輸出，都可以用溫度為為TN和處于電路輸入端的電阻熱噪聲功率來等效，即和處于電路輸入端的電阻熱噪聲功率來等效，即AiANpNNkT BKANNTkB NA為電路熱噪聲輸出功率，為電路熱噪聲輸出功率，NiA為為NA折算到電路輸入端的折算到電路輸入端的熱噪聲功率，熱噪聲功率，Kp為電路功率增益。而電路輸入熱噪聲為電路功率增益。而電路輸入熱噪聲Ni是由信是由信號源內阻號源內阻RS，處于環(huán)境溫度，處于環(huán)境溫度T所產生的熱噪聲，所產生的熱噪聲， kTBNi 高頻電子線路高頻電子線路第第2

20、 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎 噪聲系數噪聲系數 : TN表明一個信號在通過一個接收機傳輸時，信噪比降低表明一個信號在通過一個接收機傳輸時，信噪比降低的程度。的程度。TN越小，接收機的質量就越好。越小，接收機的質量就越好。TN的典型值范圍通的典型值范圍通常從常從20K到到4000K左右。左右。FN1ApiNK N 1pNpK kT BK kTB TTN 1 (1)NFTNT等效噪聲溫度等效噪聲溫度:高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎四、四、 接收靈敏度接收靈敏度 接收靈敏度接收靈敏度S(dBm) 接收機接收微弱有用信號能力強弱接收機接收微弱有用信號能力強弱 定

21、義：在保證必要的輸出信噪比條件下，接收機輸入端定義：在保證必要的輸出信噪比條件下，接收機輸入端所需的最小有用信號電平。所需的最小有用信號電平。 該電平越低，則接收靈敏度越高，表示接收微弱信號的該電平越低，則接收靈敏度越高，表示接收微弱信號的能力也越強。能力也越強。 令輸出信噪比為令輸出信噪比為: :ooNSD iiiFoioSNSNSN DNiiFSN N D高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎解：解： (1)/100( 115)15dBiisN o(2) 10lg()()()100 2080oiisG dBsss dBmG dBdBm高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎高頻電路基礎/(3)10lg10lg10lg10lg10lg/ ()10lg10lg 3 20 ( 115) 23 11592iioFoiooioFis NNNNGNsNGNN dBmNGNdBm (4)/()80 ( 92)