大三上-通信電路原理課件

2022年12月29日《通信電路原理》1笫3章高頻放大器3.1引言3.2晶體管的高頻小信號(hào)等效電路和參數(shù)3.3高頻小信號(hào)寬帶放大器3.4放大器的噪聲2022年12月29日《通信電路原理》23.4

放大器的噪聲3.4.1電阻的熱噪聲3.4.2電子器件的噪聲3.4.3噪聲系數(shù)3.4.4級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲3.4.5噪聲溫度3.4.6接收機(jī)的靈敏度與最小可檢測(cè)信號(hào)3.4.7低噪聲放大器的指標(biāo)（補(bǔ)充）（*）3.4.8低噪聲放大器（*）隨機(jī)噪聲是所有電阻和電子器件固有的，是通信系統(tǒng)內(nèi)部噪聲的主要來(lái)源，它限制了系統(tǒng)處理微弱信號(hào)的能力，因此是決定通信接收機(jī)性能的關(guān)鍵因素。2022年12月29日《通信電路原理》33.4.1

電阻的熱噪聲（1）電阻熱噪聲的產(chǎn)生機(jī)理（2）噪聲功率和噪聲電壓（3）噪聲電壓功率譜密度（4）白色噪聲和有色噪聲（5）電阻器的噪聲等效電路（6）電阻器的噪聲等效電路的計(jì)算（7）等效噪聲頻帶與半功率點(diǎn)頻帶2022年12月29日《通信電路原理》43.4.1

電阻的熱噪聲（續(xù)1）（1）產(chǎn)生機(jī)理：自由電子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。自由電子與晶格碰撞，產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間=10-13-10-14s的電窄脈沖；這些電沖擊是連續(xù)的、隨機(jī)起伏的，可被視為是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。

；這無(wú)數(shù)個(gè)電窄脈沖疊加的總效果定義為電阻熱噪聲；2022年12月29日《通信電路原理》53.4.1

電阻的熱噪聲（續(xù)2）（2）噪聲功率和噪聲電壓：噪聲功率則趨于一有限值：噪聲功率也可用噪聲電壓方均值表示。（單位電阻）在相當(dāng)長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，噪聲電壓或電流的平均值趨于零：2022年12月29日《通信電路原理》63.4.1

電阻的熱噪聲（續(xù)3）（3）噪聲電壓功率譜密度為：?jiǎn)挝活l帶的噪聲功率很?。弘娮锜嵩肼暤念l率覆蓋范圍很寬：=1013-1014

為自由電子每秒碰撞次數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，f<<，所以有近似式單位頻帶的噪聲電壓功率在很寬的頻帶內(nèi)均可視為是一恒定值；（1010Hz<<1013Hz

）；所以命名電阻熱噪聲為白噪聲。3.4.1

電阻的熱噪聲（續(xù)4）（4）白色噪聲和有色噪聲：電阻器單位頻帶噪聲功率在很寬的頻率范圍內(nèi)均為恒定，故類比光學(xué)中的白色光功率譜在可見(jiàn)光頻段內(nèi)均勻分布的特點(diǎn)，命名這種噪聲為“白噪聲”。在有效頻帶內(nèi)，功率譜分布不均勻的噪聲稱為“有色噪聲”。白噪聲通過(guò)有限頻帶網(wǎng)絡(luò)后，變成了有色噪聲。2022年12月29日《通信電路原理》83.4.1

電阻的熱噪聲（續(xù)5）舉例：在常溫（T=290K）下工作的1k電阻，與帶寬為BW=100kHz的理想網(wǎng)絡(luò)相連接，求該電阻的噪聲電壓均方值與噪聲電壓均方根值。若在頻帶△f內(nèi)，傳輸函數(shù)具有常數(shù)幅度特性，則噪聲電壓均方值為：2022年12月29日《通信電路原理》93.4.1

電阻的熱噪聲（續(xù)6）（5）電阻器的噪聲等效電路：為了便于電路的噪聲特性分析，實(shí)際電阻器一般被等效為一理想無(wú)噪聲電阻與噪聲功率源相串聯(lián)的電路。問(wèn)題：如果用噪聲等效電流源，如何表示？2022年12月29日《通信電路原理》103.4.1

電阻的熱噪聲（續(xù)7）（6）電阻器的噪聲等效電路的計(jì)算：串連電阻的噪聲等效電路問(wèn)題1：如果兩個(gè)電阻的溫度不同，如何等效？問(wèn)題2：如果兩個(gè)電阻并聯(lián)，如果等效？2022年12月29日《通信電路原理》113.4.1

電阻的熱噪聲（續(xù)8）（7）等效噪聲頻帶與半功率點(diǎn)頻帶：物理意義：寬度為的矩形面積與曲線下面的面積是相等的，定義其為等效噪聲頻帶。

左圖所示半功率點(diǎn)頻帶和等效噪聲頻帶之間的關(guān)系。3.4.1

電阻的熱噪聲（續(xù)9）例：RC并聯(lián)電路如圖，求端口噪聲電壓均方值。等效噪聲帶寬：半功率點(diǎn)通頻帶：RC并聯(lián)電路的等效噪聲帶寬稍大于半功率點(diǎn)通頻帶。2022年12月29日《通信電路原理》133.4.2

電子器件的噪聲（1）晶體管的噪聲（2）場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲3.4.2

電子器件的噪聲（續(xù)1）（1）晶體管的噪聲電阻熱噪聲（白噪聲）：各電極的體電阻（基極體電阻）自由電子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。散粒噪聲：（白噪聲）這是電子流的不均勻性引起的。分配噪聲：

（有色噪聲）載流子在基區(qū)分配比例隨機(jī)變化所產(chǎn)生的噪聲稱為分配噪聲。1/f噪聲：（有色噪聲）閃爍噪聲，低頻時(shí)比較顯著。在1KHz以上，則可以忽略。附錄3.2.1共基噪聲模型3.4.2

電子器件的噪聲（續(xù)2）

（2）場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲溝道電阻熱噪聲（白噪聲）：由導(dǎo)電溝道電阻產(chǎn)生的噪聲。：場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移跨導(dǎo)。柵極散粒噪聲：是由于柵極內(nèi)電荷不規(guī)則起伏引起的。（白噪聲）：柵極泄漏電流。柵極感應(yīng)噪聲：溝道中的起伏噪聲通過(guò)溝道與柵極之間的電容，在柵極上感應(yīng)產(chǎn)生的噪聲。工作頻率越高，該噪聲影響越大。（有色噪聲）1/f噪聲：與雙極型晶體管一樣，場(chǎng)效應(yīng)管也存在1/f噪聲，其產(chǎn)生機(jī)理和形態(tài)與雙極晶體管大致相同。（有色噪聲）2022年12月29日《通信電路原理》163.4.3

噪聲系數(shù)（1）噪聲系數(shù)的定義（2）對(duì)噪聲系數(shù)物理意義的三種理解（3）噪聲系數(shù)的計(jì)算（4）無(wú)源網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的計(jì)算3.4.3

噪聲系數(shù)（續(xù)1）在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源激勵(lì)下，網(wǎng)絡(luò)輸入信噪比與其輸出信噪比的比值。即信噪比變壞的程度?！皹?biāo)準(zhǔn)信號(hào)源”是指信號(hào)電壓為，內(nèi)阻為，并僅含有產(chǎn)生的白噪聲的信號(hào)源。（1）噪聲系數(shù)的定義：噪聲指數(shù)NF=10logF（dB）2022年12月29日《通信電路原理》183.4.3

噪聲系數(shù)（續(xù)2）（2）對(duì)噪聲系數(shù)物理意義的三種理解：信噪比惡化的程度：網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲功率和輸入噪聲功率在輸出端的比值：任何實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)，都是在理想網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的基礎(chǔ)上加上一個(gè)增量。2022年12月29日《通信電路原理》193.4.3

噪聲系數(shù)（續(xù)3）（3）噪聲系數(shù)的計(jì)算---匹配狀態(tài)額定功率：信號(hào)源（包括噪聲源）能夠輸出的最大功率（匹配時(shí)）額定功率增益：放大器輸入端和輸出端分別匹配時(shí)的功率增益。2022年12月29日《通信電路原理》203.4.3

噪聲系數(shù)（續(xù)4）（4）無(wú)源網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的計(jì)算信噪比的特點(diǎn)分析：在計(jì)算輸入信噪比時(shí)，與和之間是否匹配無(wú)關(guān)。類似，在計(jì)算輸出信噪比時(shí)，與輸出端是否匹配無(wú)關(guān)。3.4.3

噪聲系數(shù)（續(xù)5）（4）無(wú)源網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的計(jì)算（續(xù)）無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)等于其網(wǎng)絡(luò)衰減系數(shù)。2022年12月29日《通信電路原理》223.4.3

噪聲系數(shù)（續(xù)6）（4）無(wú)源網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的計(jì)算（續(xù)）求長(zhǎng)度為50m，衰減量為0.082dB/m的高頻電纜的噪聲系數(shù)。3.4.4

級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲網(wǎng)絡(luò)1網(wǎng)絡(luò)2而級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的總的輸出噪聲功率為：和分別為兩網(wǎng)絡(luò)的額定功率增益。和分別為兩網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)。和分別表示兩網(wǎng)絡(luò)的附加噪聲功率。由得到：3.4.4

級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲（續(xù)）如令為級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的總功率增益：上式說(shuō)明：級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)，主要由網(wǎng)絡(luò)前級(jí)的噪聲系數(shù)確定。前級(jí)的噪聲系數(shù)越小，功率增益越高，則級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)就越小。依此類推，N級(jí)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的總的噪聲系數(shù)為：則級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲系數(shù)為：2022年12月29日《通信電路原理》253.4.5

噪聲溫度網(wǎng)絡(luò)的噪聲性能也可以用噪聲溫度來(lái)表示。但要注意的是，網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度不是該網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際物理溫度，而是用以表征該網(wǎng)絡(luò)噪聲性能的一種假想溫度。

實(shí)際網(wǎng)絡(luò)可用一無(wú)噪聲網(wǎng)絡(luò)和一噪聲源等效。設(shè)是由信號(hào)源內(nèi)阻在一假想溫度下產(chǎn)生的噪聲電壓。此溫度是網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度。一、噪聲溫度的定義及與噪聲系數(shù)的關(guān)系2022年12月29日《通信電路原理》263.4.5

噪聲溫度（續(xù)）

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)噪聲較小時(shí)，用噪聲溫度來(lái)表示更方便些。舉例：=1.1，；=1.05，。由得到：網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度與網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)相類似，兩者具有固定的轉(zhuǎn)換關(guān)系。（網(wǎng)絡(luò)輸入端等效與網(wǎng)絡(luò)輸出端等效的區(qū)別）

2022年12月29日《通信電路原理》273.4.5

噪聲溫度（續(xù)）

二、級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度網(wǎng)絡(luò)1網(wǎng)絡(luò)22022年12月29日《通信電路原理》283.4.6接收機(jī)的靈敏度與最小可檢測(cè)信號(hào)定義：接收機(jī)的靈敏度是當(dāng)接收端處于匹配時(shí)，為保證一定的輸出信噪比，所需要的最小有用信號(hào)功率。由接收機(jī)的最小可檢測(cè)信號(hào)電壓式中為接收機(jī)的輸入電阻。得到：3.4.6接收機(jī)的靈敏度與最小可檢測(cè)信號(hào)（續(xù)1）舉例：輸入電阻為的接收機(jī)，噪聲指數(shù)為6dB，BW=1MZ。當(dāng)要求輸出信噪比為1時(shí)，接收機(jī)的最小有用信號(hào)功率和電壓為多少？噪聲指數(shù)為6dB，則。當(dāng)輸入電阻為時(shí)，最小可檢測(cè)信號(hào)電壓為：解：2022年12月29日《通信電路原理》30dBm：以為零電平的分貝。3.4.6接收機(jī)的靈敏度與最小可檢測(cè)信號(hào)（續(xù)2）還可以表示為：100080040020010080402010842130292623201916131096302022年12月29日《通信電路原理》313.4.7

低噪聲放大器的指標(biāo)（補(bǔ)充）LNA（Low-Noise-Amplifier）應(yīng)用于接收機(jī)射頻前端的前級(jí)，用來(lái)放大微弱信號(hào)。LNA的主要指標(biāo)是：低的噪聲系數(shù)；放大器本身產(chǎn)生的噪聲功率小，前級(jí)；合適的增益；

有效放大信號(hào)，減小后級(jí)噪聲影響；足夠的線性范圍；

在較大輸入范圍內(nèi)不產(chǎn)生失真；輸入輸出阻抗的匹配；在射頻放大器電路中，常用1dB增益壓縮點(diǎn)來(lái)度量放大器的線性。3.4.7

低噪聲放大器的指標(biāo)（續(xù)1）

參考：陳邦媛編《射頻通信電路》P75當(dāng)輸入信號(hào)大到器件的高次項(xiàng)不能忽略時(shí)（設(shè)只考慮到三次項(xiàng)），基波信號(hào)電流幅度為：可得到大信號(hào)平均跨導(dǎo)為：由此可見(jiàn)大信號(hào)平均跨導(dǎo)與輸入信號(hào)幅度有關(guān)，這與線性放大器的跨導(dǎo)僅與工作點(diǎn)有關(guān)而與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)不同。通常，此時(shí)平均跨導(dǎo)隨輸入信號(hào)幅度的增大而減小，此為增益壓縮。（1）放大器的1dB增益壓縮點(diǎn)3.4.7

低噪聲放大器的指標(biāo)（續(xù)2）1dB增益壓縮點(diǎn)定義為使增益比線性放大器下降1dB所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)幅度值。它與器件類型和放大器工作點(diǎn)有關(guān)?？赏茖?dǎo)得出：由平均跨導(dǎo)公式和1dB增益壓縮點(diǎn)定義：3.4.7

低噪聲放大器的指標(biāo)（續(xù)3）（2）三階互調(diào)截點(diǎn)IIP3

參考：陳邦媛《射頻通信電路》P77當(dāng)兩個(gè)頻率十分接近的信號(hào)輸入放大器時(shí)，由于器件的非線性會(huì)產(chǎn)生許多組合頻率分量。（下章討論）因?yàn)榻M合頻率分量和比較靠近基波分量，所以有可能落在放大器頻帶內(nèi)并形成對(duì)有用信號(hào)的干擾。這些由非線性器件的三次方項(xiàng)產(chǎn)生的干擾組合頻率分量，就是三階互調(diào)。2022年12月29日《通信電路原理》353.4.7

低噪聲放大器的指標(biāo)（續(xù)4）三階互調(diào)截點(diǎn)IP3

定義為三階互調(diào)功率達(dá)到和基波功率相等的點(diǎn)。2022年12月29日《通信電路原理》36由定義，則對(duì)應(yīng)三階截點(diǎn)的輸入信號(hào)幅度為：3.4.7

低噪聲放大器的指標(biāo)（續(xù)5）基波功率為：三階互調(diào)功率為：將上述方程化為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，則有：假設(shè)兩個(gè)頻率十分接近的信號(hào)輸入幅度相同，為2022年12月29日《通信電路原理》373.4.8

低噪聲放大器（1）晶體管放大器的噪聲系數(shù)（2）場(chǎng)效應(yīng)管放大器的噪聲系數(shù)（3）減小噪聲系數(shù)的措施（4）低噪聲放大器的輸入阻抗匹配2022年12月29日《通信電路原理》383.4.8

低噪聲放大器

（1）晶體管放大器的噪聲系數(shù)例：共基極放大器的噪聲等效電路假定等效電路噪聲源是彼此統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。返回2022年12月29日《通信電路原理》39（1）晶體管放大器的噪聲系數(shù)（續(xù)1）

信號(hào)源內(nèi)阻

的熱噪聲基極電阻

的熱噪聲發(fā)射結(jié)的散粒噪聲集電結(jié)的分配噪聲晶體管放大器的噪聲系數(shù)：計(jì)算各噪聲源引起的輸出噪聲功率，并計(jì)算噪聲系數(shù)。（1）晶體管放大器的噪聲系數(shù)（續(xù)2）討論：噪聲系數(shù)與工作頻率有關(guān)工作頻率較低時(shí)，噪聲系數(shù)幾乎與工作頻率無(wú)關(guān)。主要是基極電阻的熱噪聲和散粒噪聲，是白噪聲。工作頻率較高時(shí)，噪聲系數(shù)隨工作頻率增加而增加。這是高頻區(qū)，除熱噪聲和散粒噪聲外，主要是分配噪聲。工作頻率很低時(shí)，噪聲不可忽略。附錄3.2.1噪聲系數(shù)與信源內(nèi)阻有關(guān)F是信源內(nèi)阻Rg的函數(shù)，且有一最佳值使放大器噪聲系數(shù)為最小。噪聲系數(shù)與晶體管工作狀態(tài)有關(guān)F與工作狀態(tài)的關(guān)系較復(fù)雜，（re，fa）可由實(shí)驗(yàn)方法確定。2022年12月29日《通信電路原理》41（2）場(chǎng)效應(yīng)管放大器的噪聲系數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲有四個(gè)來(lái)源：柵極散粒噪聲；溝道熱噪聲；柵極感應(yīng)噪聲和1/f噪聲。笫一種和笫二種噪聲是主要的，尤其以笫二種噪聲最重要。笫二種噪聲的場(chǎng)效應(yīng)管噪聲等效電路見(jiàn)下圖。計(jì)算放大器的噪聲系數(shù)，可以將噪聲源折合到放大器的輸出端或輸入端，這里是折合到輸入端。2022年12月29日《通信電路原理》42（2）場(chǎng)效應(yīng)管放大器的噪聲系數(shù)（續(xù)）

場(chǎng)效應(yīng)管放大器的噪聲系數(shù)為場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電導(dǎo)；為信號(hào)源的內(nèi)電導(dǎo)；為場(chǎng)效應(yīng)管溝道熱噪聲的等效噪聲電阻。在高頻放大電路中（笫一級(jí)），通常選擇噪聲系數(shù)最小。即所謂最小噪聲系數(shù)匹配。（3）減小噪聲系數(shù)的措施選用和噪聲系數(shù)小的晶體管。選用低噪聲器件和元件選用場(chǎng)效應(yīng)管（砷化鎵金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管）。謹(jǐn)慎選用電阻元件，選用金屬膜電阻。正確選擇晶體管放大器的直流工作點(diǎn)對(duì)不同的信號(hào)源內(nèi)阻，最佳的是不同的。用改變的方法來(lái)獲得低噪聲放大。選擇合適的信號(hào)源內(nèi)阻信源內(nèi)阻有最佳值，使噪聲系數(shù)最小。選擇合適的工作帶寬。選用合適的放大電路：共發(fā)-共基和共源-共柵低噪聲放大電路。降低接收機(jī)前端主要器件的工作溫度；熱噪聲是主要來(lái)源之一。2022年12月29日《通信電路原理》44（4）低噪聲放大器的輸入阻抗匹配低噪聲放大器與其信號(hào)源的匹配是很重要的。放大器與源的匹配有兩種方式：一是以獲得噪聲系數(shù)最小為目的的噪聲匹配；二是以獲得最大功率傳輸和最小反射損耗為目的的共軛匹配。一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在絕大多數(shù)的低噪聲放大器均采用后一種匹配方法；同時(shí)，力求兩種匹配接近。低噪聲放大器的輸入匹配有的是在集成電路內(nèi)部就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，有的需要外接匹配網(wǎng)絡(luò)，由具體產(chǎn)品決定。2022年12月29日《通信電路原理》45（4）低噪聲放大器的輸入阻抗匹配（續(xù)）

匹配網(wǎng)絡(luò)可以用純電阻網(wǎng)絡(luò)，也可以用電抗網(wǎng)絡(luò)。電阻匹配網(wǎng)絡(luò)適合于寬帶放大，但它們要消耗功率，并增加噪聲。采用無(wú)損耗的電抗網(wǎng)絡(luò)不會(huì)增加噪聲，但只適合窄帶放大。（a）（b）（c）（d）LNA的匹配方式圖（d）中采用電感負(fù)反饋，與晶體管的輸入電容等調(diào)諧后實(shí)現(xiàn)匹配，這種結(jié)構(gòu)適用于窄帶放大，與其他方式相比，它能獲得較好的噪聲性能。思考題：放大器的噪聲小結(jié)電阻熱噪聲和電子器件噪聲的特性。噪聲的幾種表示方法：噪聲系數(shù)；噪聲溫度，等效噪聲帶寬。網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的幾種描述方法；用額定功率法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)。級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的計(jì)算。接