物理學(xué)院高頻電子線路g1-3

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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)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(dòng)的總稱。要的信號和各種電磁擾動(dòng)的總稱。 干擾與噪聲是兩個(gè)同義的術(shù)語，習(xí)慣上將干擾與噪聲是兩個(gè)同義的術(shù)語，習(xí)慣上將外部來的不需要信號稱為干擾，內(nèi)部產(chǎn)生的稱外部來的不需要信號稱為干擾，內(nèi)部產(chǎn)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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)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(shè)備、不需要的無線電臺(tái)、人為干

2、擾：高頻和工頻設(shè)備、不需要的無線電臺(tái)、產(chǎn)生電火花的設(shè)備、氣體放電器件。產(chǎn)生電火花的設(shè)備、氣體放電器件。自然干擾：雷電、帶電的雨、雪和灰塵運(yùn)動(dòng)、流自然干擾：雷電、帶電的雨、雪和灰塵運(yùn)動(dòng)、流星余跡以及太陽的活動(dòng)等。星余跡以及太陽的活動(dòng)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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)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(dǎo)體管噪聲。（純電抗不產(chǎn)生噪聲）半導(dǎo)體管噪聲。（純電抗

3、不產(chǎn)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?qū)w或?qū)w)內(nèi)的自由電子熱運(yùn)內(nèi)的自由電子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。自由電子的熱運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)產(chǎn)生的。自由電子的熱運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。 熱運(yùn)動(dòng)引起噪聲熱運(yùn)動(dòng)引起噪聲電壓，在導(dǎo)體內(nèi)形成電壓，在導(dǎo)體內(nèi)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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ) 當(dāng)電阻的溫度為當(dāng)電阻的溫度為T(K)時(shí)電阻兩端的噪聲電壓時(shí)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(shí)的帶寬。測量電壓

4、時(shí)的帶寬。K: 波爾茨曼常數(shù)波爾茨曼常數(shù)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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ) 【例】 試計(jì)算510k電阻的噪聲均方值電壓和均方值電流。設(shè)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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)R2Un22Un12R1RUn222212121212444()4nnnnnnnUUUkTR BkTR BkT RRBkTRBRRR（1）多個(gè)電阻的熱噪聲）多個(gè)電阻的熱噪聲多個(gè)電阻混聯(lián)（溫度相同）時(shí)的熱噪聲等與混聯(lián)多個(gè)電阻混聯(lián)（溫度相同）時(shí)的熱噪聲等與混聯(lián)后的總電阻產(chǎn)生的熱噪聲。后的總電阻產(chǎn)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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)2 2 熱噪聲通過線性網(wǎng)絡(luò)熱噪聲通過線性網(wǎng)絡(luò)|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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)3、噪聲帶寬、噪聲帶寬 在最壞情況下，在最壞情況下，R=RN，傳送傳送到負(fù)載到負(fù)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(nèi)的噪聲電壓均方值：）內(nèi)的噪聲電壓均方值：kTRUN42 高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎(chǔ)高頻電路基礎(chǔ) 由于由于帶通帶通線性系統(tǒng)的濾

7、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，功率頻譜密度變成了變化，功率頻譜密度變成了頻率的函數(shù)。了頻率的函數(shù)。 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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ) 工程中將系統(tǒng)功率傳輸函數(shù)工程中將系統(tǒng)功率傳輸函數(shù)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(shù)的比值定義為率傳輸函數(shù)的比值定義為BN，即，即 dffHfSdffSUioNo 0202)()()(等效噪聲帶寬等

8、效噪聲帶寬)()(202oNfHdffHB 為為f = fo時(shí)的時(shí)的功率傳輸函數(shù)值功率傳輸函數(shù)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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)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(gòu)成晶體管的發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的體電構(gòu)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(huì)產(chǎn)生熱噪聲阻和引線電阻均會(huì)產(chǎn)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 2章章 高頻電路基礎(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)2 2、 散彈噪聲散彈噪聲散彈噪聲是晶體管的主要噪

9、聲源。它是由單位時(shí)間散彈噪聲是晶體管的主要噪聲源。它是由單位時(shí)間內(nèi)通過結(jié)的載流子數(shù)目隨機(jī)起伏而造成的。人內(nèi)通過結(jié)的載流子數(shù)目隨機(jī)起伏而造成的。人們將這種現(xiàn)象比擬為靶場上大量射擊時(shí)彈著點(diǎn)對靶們將這種現(xiàn)象比擬為靶場上大量射擊時(shí)彈著點(diǎn)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(zhì)上它與電在本質(zhì)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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ) 3 3、 分配噪聲分配噪聲 在晶體管中在晶體管中, , 通過發(fā)射結(jié)的非平衡載流子大部分到達(dá)通過發(fā)射結(jié)的非平衡載流子大部分到達(dá)集電結(jié)集電結(jié)

10、, , 形成集電極電流形成集電極電流, , 而小部分在基區(qū)內(nèi)復(fù)合而小部分在基區(qū)內(nèi)復(fù)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(jī)的這兩部分電流的分配比例是隨機(jī)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(chǎn)生噪聲產(chǎn)生噪聲, , 這就是分配噪聲。這就是分配噪聲。 分配噪聲實(shí)際上也是一種散彈噪聲分配噪聲實(shí)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。高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)4 4、 閃爍噪聲閃

11、爍噪聲 產(chǎn)生這種噪聲的機(jī)理目前還不甚明了產(chǎn)生這種噪聲的機(jī)理目前還不甚明了, , 一般認(rèn)為是由于一般認(rèn)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(diǎn)是頻譜集中其特點(diǎn)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(shí)增大。在高頻工作時(shí), , 可以忽略閃爍噪聲?？梢院雎蚤W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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)3 3、 場效應(yīng)管噪聲場效應(yīng)管噪聲 場效應(yīng)管是依靠多子在溝道中的漂移運(yùn)動(dòng)而工作的場效應(yīng)管是依靠多子在溝道中的漂移運(yùn)動(dòng)而工作的, ,

12、 溝溝道中多子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)會(huì)在場效應(yīng)管的漏極電流中產(chǎn)生類似道中多子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)會(huì)在場效應(yīng)管的漏極電流中產(chǎn)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(yīng)管的主要噪聲源。這是場效應(yīng)管的主要噪聲源。其次便是柵極漏電流產(chǎn)生的散彈噪聲。其次便是柵極漏電流產(chǎn)生的散彈噪聲。 場效應(yīng)管的閃爍噪聲在場效應(yīng)管的閃爍噪聲在高頻時(shí)同樣可以忽略。高頻時(shí)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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)第四節(jié)、噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度第四節(jié)、噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度1、噪聲系數(shù)、噪聲系數(shù) 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

13、信噪比SN來衡量信來衡量信號的質(zhì)量。號的質(zhì)量。信噪比信噪比SN越大，信號質(zhì)量越好。越大，信號質(zhì)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(shù)噪聲系數(shù)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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ) NF表明電路的噪聲性能，如果是無噪聲網(wǎng)絡(luò)，表明電路的噪聲性能，如果是無噪聲網(wǎng)絡(luò)， NF =1, 否則否則NF 1,內(nèi)部噪聲越大，內(nèi)部噪聲越大， NF越大。越大。() /1iioFoPioipapapiiSNNNSKNNNKNKNKNN高頻電子線路高頻電子線路第第

14、2 2章章 高頻電路基礎(chǔ)高頻電路基礎(chǔ) 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)NF常用常用db表示：表示：FN10 lgiiooSNdbSN 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)NF表明當(dāng)一個(gè)信號從電路的輸入傳到輸出表明當(dāng)一個(gè)信號從電路的輸入傳到輸出端時(shí)，信噪比惡化的程度。例如，噪聲系數(shù)為端時(shí)，信噪比惡化的程度。例如，噪聲系數(shù)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(gè)理想的無噪聲對一個(gè)理想的無噪聲放大放大器，器，噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)NF=0dB。在計(jì)算噪聲系數(shù)時(shí)，輸入噪聲功率取信號源內(nèi)阻在計(jì)算噪聲系數(shù)時(shí)，輸入噪聲功率取信號源內(nèi)阻RS 的最大輸出功率，的最大輸出功率，Ni=kTB, RS的溫

15、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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)多級級聯(lián)電路總噪聲系數(shù)的計(jì)算多級級聯(lián)電路總噪聲系數(shù)的計(jì)算設(shè)設(shè)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(nèi)電阻產(chǎn)生的熱噪聲功率，即電路內(nèi)電阻產(chǎn)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 NN11111111111111111 ; (1)oAFppiiAFpipiFpisNNKK

16、 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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ) 同理，可求得同理，可求得第二級電路的內(nèi)部噪聲功率第二級電路的內(nèi)部噪聲功率 :2222(1)AFpiNNKN第一級電路的內(nèi)部噪聲功率第一級電路的內(nèi)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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ) 兩級級聯(lián)電路總噪聲因數(shù)兩級級聯(lián)電路總噪聲因數(shù): 111211121222121211/(/)(1)1iioo

17、FoooiippiFppiFpippiFFpsNNNHsNssNKKNNKKNNKNKKNNNK121212oppipAANK 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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)推廣，推廣，n級級聯(lián)電路的總噪聲因數(shù)級級聯(lián)電路的總噪聲因數(shù) :32111212(1)111FFnFFpppppp nNNNFNKK KK KK結(jié)論：為了降低多級電路總噪聲系數(shù)，往往要盡量降低第一級、結(jié)論：為了降低多級電路總噪聲系數(shù)，往往要盡量降低第一級、第二級的噪聲系數(shù)。這就是接收機(jī)的前端放大器（第一級或第二第二級的噪聲系數(shù)。這就是接收機(jī)的前端放

18、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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)無源四端網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)：無源四端網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)：/1/iioFoopmipmsNNNLsNKNK 在接收機(jī)的輸入端加入一個(gè)衰減器（或者因在接收機(jī)的輸入端加入一個(gè)衰減器（或者因饋線引入衰減），就會(huì)使系統(tǒng)（包括衰減器和接饋線引入衰減），就會(huì)使系統(tǒng)（包括衰減器和接收機(jī)）的噪聲系數(shù)增加。收機(jī)）的噪聲系數(shù)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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)2、等效噪聲溫度、等效噪聲溫度 對任何一個(gè)線性電路所產(chǎn)生的熱噪聲輸出，都可以用

19、溫度對任何一個(gè)線性電路所產(chǎn)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(nèi)阻號源內(nèi)阻RS，處于環(huán)境溫度，處于環(huán)境溫度T所產(chǎn)生的熱噪聲，所產(chǎn)生的熱噪聲， kTBNi 高頻電子線路高頻電子線路第第2 2章章 高頻電路基礎(chǔ)高頻電路基礎(chǔ) 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) : TN表明一個(gè)信號在通過一個(gè)

20、接收機(jī)傳輸時(shí)，信噪比降低表明一個(gè)信號在通過一個(gè)接收機(jī)傳輸時(shí)，信噪比降低的程度。的程度。TN越小，接收機(jī)的質(zhì)量就越好。越小，接收機(jī)的質(zhì)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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)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(jī)接收微弱有用信號能力強(qiáng)弱接收機(jī)接收微弱有用信號能力強(qiáng)弱 定義：在保證必要的輸出信噪比條件下，接收機(jī)輸入端定義：在保證必要的輸出信噪比條件下，接

21、收機(jī)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(qiáng)。能力也越強(qiáng)。 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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)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(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)/(3)10lg10lg10lg10lg10lg/ ()10lg10lg 3 20 ( 115) 23 11592iioFoiooioFis NNNNGNsNGNN dBmNGNdBm (4)/()80 ( 92)12oo