第3章 放大器中的噪聲

3.9放大器中的噪聲（P100）一、什么是干擾(interference)？◆通信，要求以無(wú)線或有線的方式，將信息安全、準(zhǔn)確、及時(shí)、不失真地傳遞給對(duì)方?！粜盘?hào)在媒質(zhì)中傳播，不可避免受到各種干擾：

?雨天的閃電、雷聲?工廠的電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)的電火花?電臺(tái)之間的相互干擾（“美國(guó)之音”）?來(lái)自宇宙的x射線、γ射線、宇宙射線◆定義：妨礙通信設(shè)備正常傳輸和接收的（外部）電磁振蕩?！舴诸愖匀桓蓴_：天電干擾、宇宙干擾、大地干擾人為干擾：無(wú)線電臺(tái)的干擾、工業(yè)干擾1二、什么是“噪聲”（noise）？

“噪聲”與“干擾”是孿生兄弟，但有區(qū)別：◆

定義：一般指內(nèi)部噪聲，由帶電粒子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。

（如：在電阻、晶體管、諧振回路的內(nèi)部，由帶電微粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生噪聲）◆分類：外部噪聲：包括各種電磁干擾：天電干擾，宇宙干擾，大地干擾，工業(yè)干擾，…內(nèi)部噪聲：由元器件內(nèi)部帶電粒子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，大多為白噪聲（在整個(gè)頻域內(nèi)，功率譜密度均勻分布的噪聲；亦即：所有不同頻率點(diǎn)上能量相等的隨機(jī)噪聲）◆注：白噪聲,無(wú)處不有。2與通信設(shè)備的性能密切相關(guān)。如：對(duì)接收機(jī)的靈敏度、可靠性、選擇性等有影響。三、干擾與噪聲對(duì)通信的影響四、干擾與噪聲涉及的知識(shí)面各種技術(shù)資料（如：設(shè)備使用說(shuō)明書(shū)、元器件功能介紹等資料）、教科書(shū)中，都會(huì)涉及到，而且是一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)。3五、研究的主要內(nèi)容

１.電阻、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部噪聲的主要來(lái)源；２.噪聲的表示與計(jì)算；（重點(diǎn)）３.降噪的主要措施。43.9.1噪聲的來(lái)源與表示（P100）一、噪聲的起源電阻、晶體管、諧振回路中都有大量的自由電子。這些自由電子處在無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)中，不停地碰撞、復(fù)合，產(chǎn)生二次電子；溫度越高，電子的運(yùn)動(dòng)越劇烈，是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程（是一個(gè)隨機(jī)變化的值）。電阻中，電子的每一次無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，都會(huì)在電阻的兩端感應(yīng)出一個(gè)很小的電壓；因此，大量熱運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)在電阻的兩端產(chǎn)生起伏噪聲電壓vn（t）。

51.噪聲電壓的平均值：代表噪聲的直流分量。

◆對(duì)于白噪聲,

?！粼肼曤妷簐n

(t)總是在平均值附近上下波動(dòng)?！?/p>

缺點(diǎn)：不能反應(yīng)噪聲的起伏強(qiáng)度。

◆起伏噪聲電壓的變化是不規(guī)律的，沒(méi)有一定的周期，因此必須在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（T→∞）取平均值。二、噪聲的表示方法注：6２.噪聲電壓的均方值（方差）：代表噪聲功率。

均方值：(P102)均方根值：，表示噪聲電壓交流分量的有效值。7３.噪聲電壓的頻譜（P102）電子器件內(nèi)部，帶電粒子作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，可看成是無(wú)數(shù)個(gè)持續(xù)時(shí)間τ

極短（10-13~10-14

s）的脈沖疊加起來(lái)的。對(duì)于幅度為1，寬度為τ

的單個(gè)脈沖，時(shí)域中的波形和頻域中的振幅頻譜密度見(jiàn)下圖：時(shí)域頻域8在整個(gè)無(wú)線電頻率f范圍內(nèi)，

(T表信號(hào)周期,T=1/f)

∴單個(gè)噪聲脈沖的振幅頻譜密度在整個(gè)無(wú)線電頻率范圍里都是均等的。但不存在整個(gè)噪聲電壓的頻譜(理由見(jiàn)P103)。其中，振幅頻譜密度可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：9４.噪聲的功率譜S（f）（P103）

◆噪聲的頻譜特性，只能用功率譜表示?！艄β首V表示單位頻率內(nèi)噪聲的功率，單位為?！粼肼暤钠骄β士捎晒β首V來(lái)計(jì)算：均方值（方差）103.9.2電阻熱噪聲(P104)一、熱噪聲的產(chǎn)生二、電阻熱噪聲的計(jì)量１.功率譜：２.平均功率：電阻內(nèi)自由電子的熱騷動(dòng)起伏電流噪聲電壓。（噪聲電壓的均方值）（噪聲電流的均方值）式中，波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度（=攝氏溫度+273），單位為K;為電路的等效噪聲帶寬；R(或Ｇ)為內(nèi)的電阻（或電導(dǎo)）值。11噪聲電壓的有效值：噪聲電流的有效值：3.諧振電路的熱噪聲功率（P105）因此：式中，Rp

為諧振電路中的諧振電阻為電路的等效噪聲帶寬（P105）123.9.4晶體管的噪聲（P107）一、熱噪聲

主要存在于 (基區(qū)體電阻）內(nèi)。二、散粒噪聲

是晶體管噪聲的主要來(lái)源，主要由晶體管的發(fā)射結(jié)產(chǎn)生。其噪聲電流的均方值為：三、分配噪聲

主要原因：基區(qū)少子復(fù)合的隨機(jī)性引起的起伏性。四、閃爍噪聲（1/f噪聲）

與信號(hào)頻率f成反比，高頻區(qū)沒(méi)有。（P108）133.9.5場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲(P109)一、熱噪聲由漏、源之間的等效電阻產(chǎn)生；由溝道內(nèi)電子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。二、散粒噪聲由柵、源之間ＰＮ結(jié)的泄漏電流引起。三、閃爍噪聲注：場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲比晶體管低得多。14（1）信噪比（SNR＝signalnoiseratio）：同一地點(diǎn)或同一端口

有用信號(hào)功率與噪聲功率的比值，表征噪聲對(duì)信號(hào)的危害程度。3.10噪聲系數(shù)的表示和計(jì)算（P111）◆符號(hào)：◆表示方法：一、幾個(gè)基本概念①用十進(jìn)制表示：②用dB

表示：S/N（dB)◆十進(jìn)制與dB之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：十進(jìn)制→dB:

dB→十進(jìn)制:

15（2）噪聲系數(shù):輸入信噪比與輸出信噪比的比值。

◆物理意義：反映了信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，信噪比變壞的程度?！舴?hào)：Fn◆表示方法：①用十進(jìn)制表示：②用dB

表示：Fn（dB)◆十進(jìn)制與dB之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：十進(jìn)制→dB:16放大器在放大有用信號(hào)的同時(shí)，也放大噪聲。此時(shí)，噪聲包括兩個(gè)部分：放大器的外部噪聲Pni、放大器的內(nèi)部噪聲。設(shè)放大器的額定功率增益為AP，則有：上兩式相除，可得：∴

輸出信噪比比輸入信噪比變小、變壞了?！?/p>

噪聲系數(shù)

Fn

>1的意義：信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器

后，輸出信噪比比輸入信噪比變壞的程度。Fn越小越好。

注：噪聲溫度可代表相應(yīng)的噪聲功率（P114）。輸入端噪聲的功率可表示為

(P113)（P111）輸入端的噪聲經(jīng)放大后在輸出端呈現(xiàn)的功率放大器自身的噪聲經(jīng)放大后在輸出端呈現(xiàn)的功率17∴噪聲系數(shù)FN

反應(yīng)了放大器自身的內(nèi)部噪聲

帶來(lái)危害的程度。越小越好！計(jì)算可得：放大器自身的噪聲經(jīng)放大后在輸出端呈現(xiàn)的功率輸入端的噪聲經(jīng)過(guò)放大后在輸出端呈現(xiàn)的功率18可以證明，多級(jí)放大器的噪聲系數(shù)為：討論：的大小決定于第一級(jí)的和。3.10.3多級(jí)放大器的噪聲系數(shù)(P115)第一級(jí)放大器的額定功率增益第二級(jí)放大器的額定功率增益第m-1

級(jí)放大器的額定功率增益19例1某接收機(jī)由高放、混頻、中放三級(jí)組成。已知：高放級(jí)噪聲系數(shù)Fn1＝3dB

；混頻級(jí)的噪聲系數(shù)Fn2＝10dB,額定功率增益APH2＝0.2

；中放噪聲系數(shù)Fn3＝6dB。要求：加入高放前、后，整機(jī)的噪聲系數(shù)之比為十分之一，求高放級(jí)的額定功率增益APH1。未加入高放前，混頻為第一級(jí)，中放為第二級(jí)，其噪聲系數(shù)為解：將噪聲系數(shù)的dB數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)：高放混頻中放20根據(jù)噪聲系數(shù)公式，加入高放后，依題意，加入高放后，噪聲系數(shù)為加入前的1/10,解此方程有：總結(jié)（1）加入高放后，整機(jī)的噪聲系數(shù)大幅度下降。所以，第一級(jí)應(yīng)采用低噪聲、高增益的電路。（2）整機(jī)噪聲系數(shù)不是各級(jí)噪聲系數(shù)的簡(jiǎn)單相加；各級(jí)有不同的加權(quán)系數(shù)。高放混頻中放21例2：接收機(jī)等效噪聲帶寬近似為信號(hào)帶寬，約為10kHz，輸出信噪比為20dB，要求接收機(jī)的靈敏度為0.08PW，問(wèn)室溫下（270C）接收機(jī)的噪聲系數(shù)應(yīng)為多大？P113注：提高接收機(jī)靈敏度的方法有兩個(gè)：

①降低整機(jī)的噪聲系數(shù)；②降低接收機(jī)前端設(shè)備的溫度。解：將輸出信噪比的dB數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)：根據(jù)噪聲系數(shù)的概念有：22例3某接收機(jī)由輸入、輸出兩級(jí)構(gòu)成。當(dāng)輸出信噪比超過(guò)40dB(1040/10=104)時(shí)，會(huì)輸出滿意結(jié)果。該接收機(jī)輸入級(jí)的噪聲系數(shù)是10dB(=1010/10=10),功率傳輸系數(shù)是0.2；輸出級(jí)的噪聲系數(shù)是3dB(=103/10=2),并具有較高增益。若輸入信噪比為105，問(wèn)這樣的接收機(jī)構(gòu)造形式是否滿足要求，是否需要加一個(gè)前置放大器？若前置放大器增益為10dB(=1010/10=10),則其噪聲系數(shù)應(yīng)為多大？解：依題意可知，該接收機(jī)對(duì)總的噪聲系數(shù)Fn的要求為：若不加前置放大器，則總不滿足要求。為滿足要求，應(yīng)加前置放大器;設(shè)其噪聲系數(shù)為Fn0,則：即：前置放大器的噪聲系數(shù)Fn0應(yīng)小于8.6。?前置輸入

輸出23減少噪聲系數(shù)的措施一、選用低噪聲的元器件二、正確選擇晶體管放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)特別是第一級(jí)，低噪聲、高增益（100倍以上）三、選擇合適的工作帶寬嚴(yán)格限制線性放大部分的通頻帶