近代電子測量技術(shù)噪聲系數(shù)分析儀

近代電子測量技術(shù)噪聲系數(shù)分析儀噪聲系數(shù)測試的基本概念噪聲系數(shù)測試原理典型器件的噪聲系數(shù)測試第2頁,共59頁，2024年2月25日，星期天噪聲系數(shù)測試的基本概念第3頁,共59頁，2024年2月25日，星期天器件性能對信號質(zhì)量的影響（一）第4頁,共59頁，2024年2月25日，星期天器件性能對信號質(zhì)量的影響（二）第5頁,共59頁，2024年2月25日，星期天噪聲的來源

第6頁,共59頁，2024年2月25日，星期天噪聲的分類熱噪聲(ThermalNoise/JohnsonNoise)散粒噪聲（ShotNoise）閃爍噪聲1/f噪聲（Flicker）第7頁,共59頁，2024年2月25日，星期天熱噪聲

它是由于導(dǎo)體中自由電子的無規(guī)則熱運動形成的噪聲。因為導(dǎo)體具有一定的溫度，導(dǎo)體中每個自由電子的熱運動方向和速度不規(guī)則地變化，因而在導(dǎo)體中形成了起伏噪聲電流，在導(dǎo)體兩端呈現(xiàn)起伏電壓。電阻產(chǎn)生的起伏噪聲電壓均方值：

式中：k為玻耳茲曼常數(shù),k=1.38

10-23J/K；T為電阻溫度,

以絕對溫度(K)計量,對于室溫17℃,R為電阻的阻值；Bn為測試設(shè)備的通頻帶。電阻熱噪聲的功率譜密度是與頻率無關(guān)的常數(shù)。通常把功率譜密度為常數(shù)的噪聲稱為“白噪聲”，電阻熱噪聲在無線電頻率范圍內(nèi)就是白噪聲的一個典型例子。

第8頁,共59頁，2024年2月25日，星期天電阻的噪聲等效電路第9頁,共59頁，2024年2月25日，星期天散粒噪聲由有源電路或器件中的存在的隨機電流引起，它與熱噪聲類似其值與頻率無關(guān)，因此也是一種白噪聲，其噪聲電流的均方根值為：其中q為電子電量（1.6×10-19C）,不難發(fā)現(xiàn)其大小與隨機電流的大小成正比。第10頁,共59頁，2024年2月25日，星期天閃爍噪聲

1/f噪聲因其大小與頻率成反比例關(guān)系而得名。1/f噪聲的主要參數(shù)是拐點頻率fa，該點的1/f噪聲等于熱噪聲功率。半導(dǎo)體器件內(nèi)的1/f噪聲的分布特性取決于其工藝。比如BiCMOS器件的fa大約為4～8kHz；MOSEFT器件的fa大約為1MHz。1/f噪聲的幅度分布不是高斯分布。第11頁,共59頁，2024年2月25日，星期天噪聲系數(shù)（一）

噪聲總是伴隨著信號出現(xiàn)。信號與噪聲的功率比值S/N簡稱“信噪比”。決定檢測能力的是接收機輸出端的信噪比。噪聲系數(shù)的定義是：接收機輸入端信號噪聲比與輸出端信號噪聲比的比值。

噪聲系數(shù)F有明確的物理意義：它表示由于接收機內(nèi)部噪聲的影響，使接收機輸出端的信噪比相對其輸入端的信噪比變壞的倍數(shù)。

定義1第12頁,共59頁，2024年2月25日，星期天噪聲系數(shù)還可表示為：為接收機的額定功率增益是輸入端噪聲通過“理想接收機”后，在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率定義2噪聲系數(shù)（二）

第13頁,共59頁，2024年2月25日，星期天實際接收機的輸出額定噪聲功率由兩部分組成:接收機內(nèi)部噪聲在輸出端所呈現(xiàn)的額定噪聲功率實際接收機總會有內(nèi)部噪聲因此F＞1．只有當接收機是“理想接收機”時，才會有F＝1。

噪聲系數(shù)（三）

第14頁,共59頁，2024年2月25日，星期天對噪聲系數(shù)的兩點說明1）噪聲系數(shù)只適用于的線性電路和準線性電路。

2）噪聲系數(shù)F是沒有量綱的數(shù)值，通常用分貝表示：F(dB)＝10lgF(dB)3)噪聲系數(shù)是接收機本身固有的特性，與輸入信號、噪聲的功率無關(guān)。第15頁,共59頁，2024年2月25日，星期天等效噪聲溫度（一）

為了更直觀地比較內(nèi)部噪聲與外部噪聲的大小，可以把接收機內(nèi)部噪聲在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率等效到輸入端來計算。等效噪聲溫度”或簡稱“噪聲溫度”，此時接收機就變成沒有內(nèi)部噪聲的“理想接收機”

第16頁,共59頁，2024年2月25日，星期天等效噪聲溫度（二）

第17頁,共59頁，2024年2月25日，星期天F(倍數(shù))11.051.11.525810F(dB)00.210.411.763.016.999.0310(K)014.529145290116020302610對于低噪聲接收機和低噪聲器件，常用噪聲溫度來表示其噪聲性能。等效噪聲溫度（三）

第18頁,共59頁，2024年2月25日，星期天系統(tǒng)噪聲系數(shù)指標的規(guī)劃

第19頁,共59頁，2024年2月25日，星期天級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)（一）

先考慮兩個單元電路級聯(lián)的情況第20頁,共59頁，2024年2月25日，星期天級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)（二）

n級電路級聯(lián)時接收機總噪聲系數(shù)為若接收機的噪聲性能用等效噪聲溫度表示，則它與各級噪聲溫度之間的關(guān)系為：第21頁,共59頁，2024年2月25日，星期天結(jié)論：為了使接收機的總噪聲系數(shù)小，要求各級的嗓聲系數(shù)小、額定功率增益高。而各級內(nèi)部噪聲的影響并不相同，級數(shù)越靠前，對單噪聲系數(shù)的影響越大。所以總噪聲系數(shù)主要取決于最前面幾級，這就是接收機要采用高增益低噪聲高放的主要原因。級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)（三）

第22頁,共59頁，2024年2月25日，星期天級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)（四）

級連線路噪聲系數(shù)計算舉例：

第23頁,共59頁，2024年2月25日，星期天噪聲系數(shù)測試原理第24頁,共59頁，2024年2月25日，星期天Y值法（一）一種較為普遍地測試噪聲系數(shù)的方法（也是最為精確的方法，即Y值法）已知輸出噪聲的計算公式：第25頁,共59頁，2024年2月25日，星期天如果我們令

第26頁,共59頁，2024年2月25日，星期天Y值法（二）

其含義是噪聲源超過標準噪聲溫度T0（290K）熱噪聲的倍數(shù)。反應(yīng)了噪聲源輸出噪聲功率的能力。ENR（ExcessNoiseRatio）超噪比第27頁,共59頁，2024年2月25日，星期天Y值法（三）調(diào)節(jié)衰減器對噪聲源接通和斷開提供相同的輸出，這樣所調(diào)節(jié)衰減值就是Y，這種方法的測試精度通?？蛇_0.1dB。在具體的測試中，當噪聲源確定時ENR為一個常數(shù)。公式中唯一的變量是Y，Y為測試情況下（有噪聲源接在輸入端）器件的輸出功率與器件在輸入嚴格地限制在290K時，輸出功率之比。第28頁,共59頁，2024年2月25日，星期天基于Y值法的噪聲系數(shù)分析儀第29頁,共59頁，2024年2月25日，星期天AgilentN897X噪聲系數(shù)測試儀

第30頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第31頁,共59頁，2024年2月25日，星期天噪聲源（一）

測量噪聲指數(shù)的方法，是根據(jù)注入接收機的已知噪聲來觀察接收機的輸出響應(yīng)。這個噪聲源通常大多數(shù)是白噪聲它也是熱噪聲。熱噪聲是電子隨機運動的結(jié)果。這種噪聲在領(lǐng)域內(nèi)是等能分布，因而它就具有標形或高斯平穩(wěn)分布的常數(shù)功率密度。噪聲源必須能夠產(chǎn)生—個有效的噪聲功率，大于被測量元件的噪聲功率。有幾種常用的噪聲源，它們是正向偏壓半導(dǎo)體二極管、限溫二極管、氣體放電管和熱／冷電阻源。第32頁,共59頁，2024年2月25日，星期天噪聲源（二）雪崩二級管（AvalancheDiode）產(chǎn)生噪聲激勵信號的等效電路（匹配網(wǎng)絡(luò)的存在是考慮到DUT的接入可能會改變噪聲源的阻抗！）。最常用的噪聲源是：二極管和氣體放電管，它們分別可達到幾百MHz和幾十GHz。例如，氣體放電管和飽和二極管噪聲源的等效輸出噪聲溫度通常為10000～20000K，用ENR(dB)表示為l5.2～l8.3dB。第33頁,共59頁，2024年2月25日，星期天任何寬帶噪聲的產(chǎn)生都只可能是類白噪聲的而不可能是理想的，所以噪聲源在出廠時會配有一個ENR表反映噪聲源的特性，以便在有同頻段測量時用于精確地計算和校正！噪聲源（三）第34頁,共59頁，2024年2月25日，星期天幾種噪聲源的主要指標ENR范圍注：15dB的ENR更適用于通常測量，可以測量達30dB的噪聲系數(shù)，而6dB的ENR適用于極低噪聲系數(shù)的測量（噪聲檢波器可以有較好的線性度）。工作頻段：噪聲源（四）第35頁,共59頁，2024年2月25日，星期天ENR精度

第36頁,共59頁，2024年2月25日，星期天典型器件的噪聲系數(shù)測試第37頁,共59頁，2024年2月25日，星期天可分析的器件或系統(tǒng)第38頁,共59頁，2024年2月25日，星期天基本測量模式放大器（無頻率轉(zhuǎn)換）的噪聲系數(shù)和增益測量流程開機（欲獲得更高的精確性，建議等候NFA預(yù)熱至少一小時）輸入超噪比ENR數(shù)據(jù)設(shè)置測量頻率設(shè)置帶寬和平均校準分析儀顯示測量結(jié)果第39頁,共59頁，2024年2月25日，星期天輸入超噪比ENR

數(shù)據(jù)（一）第一種類型例如Agilent346B是一種正常的噪聲源，這些噪聲源的ENR數(shù)據(jù)需要使用以前存儲在磁盤上的ENR數(shù)據(jù)或者使用小鍵盤以手動方式輸入；另一種類型例如AgilentN4000A是智能噪聲源SNS可以自動或經(jīng)請求上載數(shù)據(jù)。第40頁,共59頁，2024年2月25日，星期天輸入超噪比ENR數(shù)據(jù)（二）第41頁,共59頁，2024年2月25日，星期天設(shè)置測量頻率

在設(shè)置您希望測量的頻率之前您需要選擇一個頻率模式共有三種頻率模式可供使用：Sweep掃描在掃描頻率模式中設(shè)置進行掃描的起始和終止頻率或等值中心和范圍頻率，您還需要設(shè)置測量點數(shù)這些測量點在頻率范圍中均勻分布，最大點數(shù)為401，默認點數(shù)為11。所選頻率點數(shù)越大測量所需的時間越長）List清單

清單頻率模式允許您在進行測量的位置輸入頻率點，這將允許您在覆蓋范圍小于掃描模式中覆蓋范圍的相關(guān)區(qū)域指定測量點可允許非均勻分布的測量點。頻率單限制為401個條目。Fixed固定

在單一固定頻率進行頻率測量第42頁,共59頁，2024年2月25日，星期天設(shè)置帶寬和平均帶寬和平均對速度抖動和測量準確性的影響抖動是測量噪聲時產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象，欲降低抖動必須增加平均值數(shù)目或測量帶寬。如果帶寬降低則需要增加平均值數(shù)目以保持相同的誤差。所選的平均值數(shù)目越多，測量越準確，因為這樣會降低測量的抖動。但是必須與完成測量所需的時間進行對照，因此應(yīng)當在測量的速度和準確性誤差之間作出權(quán)衡和選擇。第43頁,共59頁，2024年2月25日，星期天校準分析儀（一）NFA測量的噪聲系數(shù)實際上是包括了DUT與噪聲系數(shù)測試儀前端整個鏈路的噪聲系數(shù)，即。第44頁,共59頁，2024年2月25日，星期天校準分析儀（二）第45頁,共59頁，2024年2月25日，星期天校準分析儀（三）第46頁,共59頁，2024年2月25日，星期天顯示測量結(jié)果（一）第47頁,共59頁，2024年2月25日，星期天顯示測量結(jié)果（二）第48頁,共59頁，2024年2月25日，星期天擴展頻率測量模式（一）

系統(tǒng)下變頻器模式DUT是一臺非變頻裝置例如放大器或濾波器其頻率超出NFA的測量范圍測量系統(tǒng)內(nèi)要求下變頻用DUT外接混頻器將相關(guān)信號變換為NFA頻率范圍內(nèi)的頻率。第49頁,共59頁，2024年2月25日，星期天下變頻DUT模式在該模式中DUT包含一臺下變頻裝置例如混頻器或接收器。共有兩種模式可供選擇1.可變頻率LO和固定IF在進行此項測量時NFA鎖定在一個頻率LO執(zhí)行掃描2.固定頻率LO和可變IF在進行此項測量時LO鎖定在一個頻率NFA執(zhí)行掃描說明：在兩種模式中進行單邊帶測量時需要執(zhí)行過濾以便移除無用邊帶。理想的情況是這些濾波器應(yīng)當包含在校準路徑和測量路徑中，但是如果未包含在路徑中，可以輸入損耗補償以解釋所有其他錯誤。擴展頻率測量模式（二）

第50頁,共59頁，2024年2月25日，星期天下變頻DUT模式擴展頻率測量模式（三）

第51頁,共59頁，2024年2月25日，星期天擴展頻率測量模式（四）

下變頻DUT模式第52頁,共59頁，2024年2月25日，星期天上變頻DUT模式

在該模式中DUT包含一個上變頻裝置例如發(fā)射機共有兩種模式可供選擇：1.可變頻率LO和固定IF在進行此項測量時NFA鎖定在一個頻率LO執(zhí)行掃描2.固定頻率LO和可變IF在進行此項測量時LO鎖定在一個頻率NFA執(zhí)行掃描擴展頻率測量模式（五）

第53頁,共59頁，2024年2月25日，星期天影響測量真實性的因素

可被消除的誤差因素電連接器EMI干擾電纜損耗溫度的影響DUT的50歐失配第54頁,共59頁，2024年2月25日，星期天電連接器保證連接器的牢固連接（可靠的屏蔽）——力矩搬手合適的力矩（ProperTorque）:TypeN(10in-lbs),APC