射頻電路設(shè)計技術(shù)第六章

第6章噪聲與

非線性失真評價一個射頻系統(tǒng)性能的優(yōu)劣時，有兩個很重要的指標(biāo)：（1）噪聲系數(shù)（2）非線性失真當(dāng)一個系統(tǒng)處于小信號工作時，其許多性能指標(biāo)都與噪聲有關(guān)；當(dāng)信號增大時，二極管和晶體管都存在非線性失真。6.1噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)定義為輸入信噪功率比與輸出信噪功率比的比值：噪聲系數(shù)用分貝表示如下：可見，噪聲系數(shù)表示信號通過系統(tǒng)后，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲引起信噪比惡化的程度。有以下特性：（1）如果系統(tǒng)是無噪的，不管系統(tǒng)的增益多大，輸入的信號和噪聲都同樣被放大相同倍數(shù)，而沒有添加任何其他噪聲，因此輸入、輸出的信噪比相等，相應(yīng)的噪聲系數(shù)為1。（2）有噪系統(tǒng)的噪聲系數(shù)均大于1，是因為系統(tǒng)內(nèi)部噪聲增大了輸出噪聲，使得輸出信噪比減小。6.2噪聲溫度用等效噪聲溫度來描述系統(tǒng)噪聲的實際內(nèi)涵是把系統(tǒng)內(nèi)部噪聲看做信號源內(nèi)阻在溫度To所產(chǎn)生的熱噪聲功率，同時可以把由天線引入的外部噪聲也看做是由信號源內(nèi)阻處于另一溫度Ti所產(chǎn)生的熱噪聲功率，從而外部和內(nèi)部噪聲功率的疊加也是等效溫度相加。6.2.1噪聲溫度與

噪聲系數(shù)的關(guān)系等效噪聲溫度和噪聲系數(shù)是用兩種不同的方法來描述同一個系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲特性。兩者之間關(guān)系式如下表示：對于一個無噪系統(tǒng)，由于F=1，即噪聲系數(shù)為0dB，它的等效噪聲溫度也為零。6.2.2噪聲溫度的測試等效噪聲溫度特別適用于描述那些噪聲系數(shù)接近于1的部件，因為等效噪聲溫度對于這些部件的噪聲性能提供了比較高的分辨率。噪聲溫度的測試電路如下圖所示：噪聲溫度的計算通過以上測試平臺可計算出噪聲溫度：噪聲系數(shù)的計算當(dāng)噪聲溫度為290K時，噪聲因子定義為：可推導(dǎo)出噪聲系數(shù)的計算式如下：6.3級聯(lián)器件的噪聲系數(shù)射頻信號經(jīng)過濾波器、低噪聲放大器、混頻器及中頻放大器等單元模塊的傳輸，由于每個單元都有固有噪聲，因而經(jīng)傳輸后都將使輸入信噪比變差。在更多級級聯(lián)系統(tǒng)中，可以推導(dǎo)出總的等效噪聲溫度和噪聲系數(shù)分別是：由以上分析，可知前面幾級的噪聲系數(shù)對系統(tǒng)的影響較大。為了降低級聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，必須降低第一、二級的噪聲系數(shù)，并適當(dāng)提高其功率增益，以降低后面各級的噪聲對于系統(tǒng)的影響。如果第一級沒有增益，反而有損耗，對降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)不利，比如，在接收機的天線和第一級低噪聲放大器之間接一無源有耗濾波器。6.4交調(diào)失真在由各種有源器件構(gòu)成的線性放大器中，由于有源器件的特性是非線性的，在放大過程中總會產(chǎn)生各種各樣的失真。討論有源器件非線性特性對線性放大器的影響，可分為兩種不同的情況：一是電路輸入端只有一個有用信號輸入時；二是輸入端除有用信號外，還輸入一個或多個信號的情況。6.4.1輸入端僅有一個

有用信號1.諧波分量輸入為有用余弦波信號：則輸出電流為：盡管輸入是單一頻率的信號，通過非線性器件，輸出電流中不僅含有基波頻率的分量，而且還出現(xiàn)了平均分量和頻率為N（N為正整數(shù)）的各次諧波分量。射頻放大器一般都是頻帶放大器，這些諧波由于離基波較遠，一般都可以濾除，因此諧波對放大器的影響不是很大。2.增益壓縮當(dāng)信號大到器件的高次項不能忽略時，若只考慮到三次項，則基波信號電流為：增益壓縮定義及含義如下圖所示：1dB壓縮點的計算也可以通過計算來確定1dB壓縮點的輸入信號值。根據(jù)1dB壓縮點的定義，可以寫出下式：通過上式變換可以得到：可見與器件類型和放大器工作點有關(guān)系。6.4.2輸入端有兩個以上

的信號1.交調(diào)失真設(shè)輸入兩個信號：

因此，除了產(chǎn)生諧波和的分量之外，還會產(chǎn)生很多組合頻率的分量（m和n為含零的正整數(shù)），這就是交調(diào)失真。2.堵塞

如果電路輸入的有用信號為弱信號，而另一個是強干擾信號，則輸出的有用信號的基波電流分量為：

當(dāng)V1遠大于V2時，由于a3小于零，因而隨著干擾信號的增大將導(dǎo)致跨導(dǎo)變小，從而使輸出信號電流變小，甚至趨于零，這就稱為堵塞。3.交叉調(diào)制如果放大器的輸入端有較強的干擾信號和相對較弱的有用信號，且干擾信號是振幅調(diào)制信號，如：分析求得輸出有用信號的基波電流分量為：表明干擾信號的幅度調(diào)制信息轉(zhuǎn)移到了有用信號的幅度上，如果有用信號也是幅度調(diào)制信號，則通過幅度解調(diào)后將會得到干擾信號，這就是交叉調(diào)制失真。4.互相調(diào)制當(dāng)兩個頻率十分接近的信號輸入放大器時，能落在放大器頻帶內(nèi)的頻率分量除了基波之外，還可能有組合頻率和，這是因為它們比較靠近基波分量所造成的。這些組合頻率分量形成對有用信號的干擾。這些干擾并不是由兩輸入信號的諧波產(chǎn)生，而是由這兩個輸入信號的相互調(diào)制（相乘）引起的，所以稱為互相調(diào)制失真，又稱為互調(diào)失真?？稍谙旅鎯蓚€指標(biāo)中選一個來衡量放大器的互調(diào)失真程度：（1）互調(diào)失真比（2）三階互調(diào)截點5.三階互調(diào)截點若忽略增益壓縮，則基波分量幅度為，互調(diào)失真比IMR定義為在輸入信號幅度為V時，三階互調(diào)分量的幅度與基波幅度之比：也可以表示為功率之比：更常用“三階截點IIP3”來說明三階互調(diào)失真的程度。三階互調(diào)截點IIP3定義為三階互調(diào)功率與基波功率相等的點，此點所對應(yīng)的輸入功率表示為IIP3，對輸出功率表示為OIP3（一般在放大器中常用OIP3作參考，在混頻器中常用IIP3作參考）。6.估計IIP3的幾種方法（1）求IIP3的一種方法是通過瞬態(tài)模擬，使兩個幅值相等頻率近似相同的正弦輸入信號驅(qū)動該放大器。當(dāng)輸入幅值改變時計算交調(diào)，并比較輸出頻譜中的三次相互調(diào)制乘積項及基波項。（2）采用功率級數(shù)兩個系數(shù)的比可計算出三階交調(diào)的簡單表達式，并且可推導(dǎo)出另一種適合于手工計算的方法。增量增益的表達式：將這最后三個系數(shù)代入求解IIP3的公式，就可得到所希望的用三個增量增益表示的IIP3的表達式：7.多級級聯(lián)的情況兩級放大器中三階互調(diào)截點輸入功率與各級的關(guān)系是：對于三級或更多級，可以寫出更為一般的形式：6.5動態(tài)范圍接收機（特別是移動的接收機）所接收到的信號強弱是不固定的，通信系統(tǒng)的有效性取決于它的動態(tài)范圍，即高性能的工作所能承受的信號變化范圍。動態(tài)范圍的下限是靈敏度，它受到基波噪聲的限制。動態(tài)范圍的上限由最大可接收的信號失真決定。線性動態(tài)范圍（lineardynamicrange）定義為：產(chǎn)生1dB壓縮點的輸入信號電平與靈敏度（或基底噪聲）之比。無雜散動態(tài)范圍（Spurious-FreeDynamicRange，SFDR）既下限輸入信號為靈敏度（或下限為基底噪聲），輸入信號的上限規(guī)定為：此輸入信號在輸出