六双极型晶体管的噪声特性PPT课件.ppt

第六章双极型晶体管的噪声特性 半导体器件物理 PhysicsofSemiconductorDevices 2007 3 30 双极型晶体管的噪声特性 噪声与噪声系数晶体管的噪声源电子器件和放大器的噪声等效电路降低器件本身噪声的方法常见噪声 干扰的简单识别方法 噪声 是指落入信息信号通带内的任何不需要的信号 图1噪声对信号的影响 干扰 由系统外部产生的噪声失真 由系统电路产生的线性失真和非线性失真 双极型晶体管的噪声特性 6 1噪声与噪声系数 噪声 非相关噪声 相关噪声 无论信息信号是否出现 在任何时间都存在 仅在信息信号出现时产生 信号的失真和无用信号的干扰等都属于相关噪声 非相关噪声还可以划分为外部噪声和内部噪声两大类 1 外部噪声 其主要来源有 大气噪声 宇宙噪声和人为噪声 工业干扰 外部噪声又称外界环境噪声 它是通过通信系统的天线进入而形成干扰的 双极型晶体管的噪声特性 图2多种源的平均无线电噪声功率谱密度 确定了通信接收机的噪声系数 双极型晶体管的噪声特性 2 内部噪声 内部噪声主要来自通信系统内部电路器件 电路中的电阻是无源器件噪声源 而二极管 晶体三极管和场效应管等则是有源器件噪声源 这些噪声源所产生的噪声可分为热噪声 散粒噪声 1 f噪声 分配噪声和闪烁噪声等 散粒噪声 分配噪声和闪烁噪声等是由有源器件产生的 热噪声则在无源和有源器件中都会出现 双极型晶体管的噪声特性 噪声系数 用信号功率S与噪声功率N之比 即信噪比S N来衡量信号的质量 信噪比S N越大 信号质量越好 定义输入信噪比和输出信噪比的比值为噪声因数F 即 F 表明电路的噪声性能 双极型晶体管的噪声特性 将噪声因数F用对数表示 就是噪声系数NF 即 噪声系数NF 表明当一个信号从电路的输入传到输出端时 信噪比恶化的程度 例如 噪声系数为3dB的放大器表明输出端的信噪比比输入端小3dB 对一个理想的无噪声放大器 噪声因数F 1 噪声系数NF 0dB 双极型晶体管的噪声特性 多级级联电路总噪声系数的计算 设输入 输出信号功率为Si So 输入 输出噪声功率为Ni No 第一级的输入噪声Ni1和第二级的输入噪声Ni2分别是各级电路内电阻产生的热噪声功率 即Ni1 Ni2 kTB 第一级的输出噪声功率 双极型晶体管的噪声特性 同理 可求得第二级电路的内部噪声功率 第一级电路的内部噪声功率 两级的输出噪声功率 双极型晶体管的噪声特性 推广 n级级联电路的总噪声因数 两级级联电路总噪声因数 结论 为了降低多级电路总噪声系数 往往要尽量降低第一级 第二级的噪声系数 这就是接收机的前端放大器 第一级或第二级电路 必须采用低噪声放大器的原因 双极型晶体管的噪声特性 噪声温度电路的噪声温度是用以表征该电路噪声特性的一个理想温度 与噪声系数具有固定的转换关系 规定右图中为信号源内阻在假想温度时产生的噪声电压均方值 该假想温度即为电路的噪声温度 双极型晶体管的噪声特性 其中为电路实际温度 当电路内部噪声较大时 用噪声系数描述较方便 可以避免很长的数字 当电路内部噪声较小时 用噪声温度描述电路的噪声特性具有较大优越性 注意 以上分析只有当电路产生的噪声也是白噪声时才正确 双极型晶体管的噪声特性 6 2晶体管的噪声源晶体管中 主要三种噪声源 热噪声 散粒噪声 1 f噪声 1 热噪声 热噪声 布朗噪声 由电阻 或导体 内的自由电子热运动产生的 自由电子的热运动是随机运动 1927年贝尔实验室的约翰逊 J B Johnson 通过实验证明了热噪声的平均功率正比于带宽和温度的乘积 N 噪声功率 即噪声平均功率 单位W B 带宽 Hz T 绝对温度 K 室温 27 273 300K 在绝对温度为零时 没有自由电子随机运动 即热噪声为零 双极型晶体管的噪声特性 工程中噪声功率常用对数函数功率单位dBm表示 一个dBm的对数函数表达式为 由式中可知 1mV功率为0dBm N 1mw时 dBm为正 N 1mw时 则dBm为负值 在室温17 对任何带宽的噪声功率可用下式计算 双极型晶体管的噪声特性 讨论 1 在整个频段内 当温度一定时 在固定带宽的任何频率范围 其热噪声功率是个定值 热噪声的功率在频谱上是均匀分布的 白噪声2 N是指热噪声源的额定输出功率 即电阻热噪声源可能输出的最大功率 N仅与温度 T 和通带 B 有关 与本身电阻和负载无关 双极型晶体管的噪声特性 功率谱密度与噪声带宽 在最坏情况下 噪声功率传送到负载R上的条件是R RN 噪声源等效电路 噪声电压均方值 在单位带宽 1Hz 内的噪声电压均方值 电压均方频谱密度 电阻热噪声的功率谱密度S f 双极型晶体管的噪声特性 2019 12 27 18 由于带通线性系统的滤波作用 滤除了热噪声中的一部分频率分量 使其频率发生了变化 功率频谱密度变成了频率的函数 图4热噪声通过线性电路对功率频谱密度的变化 系统输出端的噪声电压均方值 双极型晶体管的噪声特性 工程中将系统功率传输函数H2 f 曲线与f轴之间的面积与功率传输函数的比值定义为BN 即 图5等效噪声带宽示意图 等效噪声带宽 双极型晶体管的噪声特性 电阻热噪声通过带通线性系统后 其输出电压均方值是热噪声功率谱密度S f 与功率传输函数H2 f 和等效噪声带宽BN的乘积 电阻热噪声或在有效带宽内功率分布均匀的噪声 都可以由上式来求得输出噪声电压均方值 如晶体三极管的发射区 基区和集电区的半导体体电阻和三个极的引线电阻等都会产生热噪声 场效应管的沟道热噪声等 双极型晶体管的噪声特性 双极型晶体管的噪声特性 2 散粒噪声是电子管和晶体管器件中产生的一种电流噪声 是载流子不均匀通过势垒区时造成的电流微小起伏 在场效应管中 主要导电电流不流经势垒 只是结型场效应管栅极反向电流通过PN结 有不大的散粒噪声 散弹噪声具有白噪声性质 电流噪声谱密度为 通过势垒电流的平均值 电子电荷 3 1 f噪声 电阻的低频噪声来源于电阻中导电微粒的不连续性 又名闪烁噪声 或称接触噪声 常数 与电阻材料及制造工艺有关 流过电阻的直流电流 过剩噪声具有很强的低频谱密度 在高频时则强度急剧减小 又名1 f噪声 是低频电子线路中的主要噪声源 双极型晶体管的噪声特性 爆裂噪声实质上是由一系列幅度较大而脉冲宽度又不相等的随机脉冲构成的 又名尖峰噪声 爆裂噪声是由于半导体材料的缺陷 如结晶位错 重金属杂质凝聚 而造成的 双极型晶体管的噪声特性 1 f噪声 爆裂噪声 主要是由于三极管表面清洁不好或有缺陷而造成的 其强度还与半导体材料的纯度及外加电压有关 在双极型晶体三极管中 由于载流子在基区中的随机复合过程所引起的IB IC分配比例变化所产生的噪声即为分配噪声 由于基区复合状态与工作频率有关 因而分配不是白噪声 噪声电流功率谱密度为 双极型晶体管的噪声特性 双极型晶体管的噪声特性 多个噪声源作用于电路时的计算若多个噪声源是相互独立的 则其总效果是个别噪声源单独作用的均方值相加 即功率相加 若它们之间不是相互独立无关的 则视其相关程度不同而有所差别 双极型晶体管的噪声特性 在低频及中频区 结型场效应管的电流噪声比晶体管的电流噪声小得多 在高频段时 电流噪声可能变得比晶体管还要大 绝缘栅型场效应管一般不适宜作低噪声前放 但在源电阻很大时可以采用 常用有源器件的噪声性能比较 适当选择晶体管的工作点可使噪声系数达到最小值 但当工作点降低时 可能使噪声系数减小而信噪比得不到应有的提高 低噪声放大器中采用稳压管作为电源使用时最好选用齐纳二极管 若在稳压管两端并联大容量电容可进一步减小噪声 6 4降低器件本身噪声的方法 双极型晶体管的噪声特性 选用合适的放大电路 三种组态连接的噪声系数差别不大 特别是在低频时差别更小 可根据其他因素确定 共射组态可减小后级噪声的影响 共集组态有较高的输入阻抗 双极型晶体管的噪声特性 空间电磁耦合造成的干扰 根据不同的具体条件 有时静电感应是主要的 有时磁感应是主要的 干扰频率有高有低 从而抑制方法也有所不同 对于静电干扰来说 分布电容越大 干扰信号频率越高 被干扰部件对地阻抗越大 则产生的干扰越严重 磁干扰是通过干扰源和被干扰部件之间的互感耦合造成的 电路中的磁性材料元件是重要的磁干扰源 带磁芯的电感对磁干扰最敏感 双极型晶体管的噪声特性 减小杂散电场和磁场干扰的方法 使电路结构及布线合理化 采用屏蔽 静电屏蔽采用电导率高的材料更为有效 此时应该将干扰源或被干扰部件接地 磁屏蔽以采用高磁导率的材料制作更好 其结构可以使将干扰源或被干扰部件用屏蔽罩屏蔽起来 也可以将其隔离 对于传输弱信号又处于干扰电磁场中的远距离传输线 可以采用屏蔽线并采用多点接地方式 且露在屏蔽层外的线越短越好 还可在合适时 在前置放大器的输入端采用选频滤波器和差动线路来抑制干扰 双极型晶体管的噪声特性 模拟信号与数字信号混合电路 印制板的地线布线 模拟信号与数字信号混合电路的印制板 在布线时应将模拟地和数字地分开 最后才将两个接地点接于电源的地端 否则数字信号将通过地线对模拟信号产生干扰 原因参见右图所示 双极型晶体管的噪声特性 电路中信号的相互干扰 或外来信号的干扰 寄生振荡 一般是大幅度强信号干扰弱信号如时钟信号 高增益宽带放大器的输入端 开关电源尖峰等 可由电路中有用的负反馈环因环路相移大而在某一频率满足自激条件产生 也可由分布参数形成寄生反馈而产生