第1章_噪声与干扰13-02-25

第一章 噪声与干扰 邓钢Gdeng 内容提要 内容提要 由电路内部产生的无用信号称为内部噪声 简称噪声 噪声和干扰泛指除有用信号以外的其他一切无用信号 将极大影响电子设备的性能指标 来自电路外部的无用信号称为外部噪声 通常也称为干扰 本章主要讨论自然噪声 噪声的来源和特点 噪声的表示和计算 干扰和噪声都具有随机性 电阻热噪声的来源与特点 第一节 噪声的来源和特点 由电阻内部的自由电子无规则的热运动产生 又称为起伏噪声 是许多持续时间极短的脉冲电流叠加的结果 长时看总和为零 但在每一瞬时电流在某一方向都有一定数值 频率范围很宽 可认为是 白噪声 电阻热噪声的大小 一 第一节 噪声的来源和特点 噪声电压的均方值 可看做是噪声电压在单位电阻上消耗的平均功率 功率谱密度 单位频带内的功率 电阻热噪声电压的功率谱密度 波尔兹曼常数 T为热力学温度 R为电阻的阻值 电阻热噪声的大小 二 第一节 噪声的来源和特点 若系统工作频带 或测量噪声功率时的频带宽度 为 则电阻热噪声的均方值为 有效值为 实际电路中的电阻建模形式 电阻热噪声的额定噪声功率 第一节 噪声的来源和特点 易知当噪声源的负载与其内阻匹配时 噪声源能够实现最大功率传输 对于实数阻抗网络来说 当时 该功率又被称为噪声源的资用功率 availablepower 仅与噪声源本身有关 与负载无关 表示噪声源输出功率的最大能力 与电阻本身的大小无关 仅与温度和系统带宽有关 例题 第一节 噪声的来源和特点 放大器的工作带宽为2MHz 信号源电阻为 当工作温度为 电压增益为 输入信号有效值为时 试计算输出信号有效值 有用信号和噪声 假定放大器所产生的噪声及其它噪声可以忽略 等效噪声带宽 第一节 噪声的来源和特点 若输入信号为白噪声 定义线性系统的等效噪声带宽为 则有 等效噪声带宽与输入噪声无关 而由传递函数决定 有频响的线性网络使白噪声变成有色噪声 例题 第一节 噪声的来源和特点 设下图中的电容为无损耗电容 求输出端噪声电压的均方值 无噪声RC网络的传递函数为 故 等效噪声带宽为 电抗元件的热噪声 第一节 噪声的来源和特点 理想电抗元件不产生热噪声 实际的电感和电容 由于存在一定的损耗电阻或漏电导 而被认为是有噪元件 电感的损耗电阻一般不能忽略 电容的损耗电阻通常可以忽略 晶体管的噪声 一 第一节 噪声的来源和特点 晶体管噪声的来源有如下四种 热噪声 晶体管三个区的体电阻和引线电阻均会产生热噪声 其中为主要噪声源 散粒噪声 散弹噪声 由于载流子随机通过PN结 使得不同的瞬间发射极或集电极电流在平均值上下作不规则的起伏变化而形成 其电流功率谱密度为 散粒噪声也是与频率无关的白噪声 但其大小与平均电流值成正比 故在低噪声放大器中 第一级的工作电流设计得较小 晶体管的噪声 二 第一节 噪声的来源和特点 分配噪声 由于载流子在基区复合的随机性 造成集电极和基极电流的随机波动而引起的噪声 也是电流噪声 低频噪声 包括闪烁噪声 噪声 及爆裂噪声 通常与晶体管表面状态或内部缺陷有关 闪烁噪声的特点是在低频 几千赫以下 区域 其噪声强度显著增加 且随频率降低而升高 大体上与频率成反比 工作频率越高 分配噪声越大 闪烁噪声是低频电子线路的主要噪声源 也存在于其它元器件中 场效应管的噪声 第一节 噪声的来源和特点 沟道热噪声 由导电沟道中多子不规则的热运动而产生 是场效应管的主要噪声源 栅极感应噪声 产生原因与双极型晶体管大致相同 沟道热噪声通过栅极电容的耦合 在栅极上感应而产生噪声 其值随功率频率及的增高而变大 闪烁噪声 噪声 栅极散粒噪声 由栅极内电荷的不规则起伏引起 二极管的噪声 第一节 噪声的来源和特点 二极管正偏状态 正偏状态下的二极管也存在散弹噪声电流 在低频范围内还需要考虑其闪烁噪声 二极管反偏状态 由于反向饱和电流较小 故散弹噪声较小 反偏工作状态下主要针对稳压二极管 齐纳型稳压管主要呈现的是散弹噪声 在频率较低时也有闪烁噪声 雪崩型稳压管的噪声较大 除散弹噪声外还有由于PN结内的缺陷和不均匀性而造成的多态噪声 天线噪声 一 第一节 噪声的来源和特点 天线欧姆电阻产生的噪声 通常可忽略 接收外来噪声能量 主要包括接收周围介质辐射的噪声能量和各种外界环境噪声 与其周围的介质温度 天线的指向及频率有关 接收天线端口噪声的两个来源 用天线的辐射电阻在温度产生的热噪声来表示天线的噪声性能 天线的等效噪声温度 不一定等于天线周围的温度 当天线与接收机输入端匹配时 额定噪声功率为 天线噪声 二 第一节 噪声的来源和特点 天线的环境噪声是指大气电离层的衰落和天气的变化等因素引起的自然噪声 以及来自太阳 银河系和月球的无线电辐射产生的宇宙噪声 环境噪声是不稳定的 在空间的分布也是不均匀的 例如 自然噪声随季节 昼夜时间以及频率的变化都将发生变化 通常 银河系的辐射较强 其主要影响在米波段以下 长期观测表明 这种影响是稳定的 太阳的影响最大又极不稳定 它与太阳的黑子变化等有关 多个噪声源作用于电路时的计算 第一节 噪声的来源和特点 若各噪声源是互不相关的 即各噪声源中任一噪声源在某特定时间上的噪声电压的瞬时值与另一噪声源在该时间上的数值大小无关 则总输出噪声功率等于各自输出功率之和 否则需要考虑噪声源之间的相关系数 信噪比的定义 第二节 噪声的表示和计算 从噪声对信号影响的效果来看 不在于噪声电平的绝对值的大小 而在于信号功率与噪声功率的相对值 所以在电路的某一点上 常用信号功率与噪声功率的比值 即信噪比 来表示噪声对有用信号的影响 信噪比不能表示从输入到输出电路在信号中注入了多少噪声 噪声系数的定义 第二节 噪声的表示和计算 即网络输入端的信噪比和输出端信噪比的比值 电路对信号的功率增益 输入噪声经过电路后 在电路输出端产生的噪声功率 电路内部噪声在输出端产生的噪声功率 噪声系数的定义 例 第二节 噪声的表示和计算 设某放大器的功率增益 其固有噪声功率 分别计算和时的噪声系数之值 解 故为使噪声系数有一个确切的定义 输入噪声功率一般规定为信号源内阻产生的热噪声功率 噪声系数示例 第二节 噪声的表示和计算 NF频率特性曲线 噪声系数等值线图 可见噪声系数还和放大器的工作条件有关 级联电路的噪声系数 第二节 噪声的表示和计算 影响级联放大器噪声性能的主要因素是第一级的噪声系数及其功率增益 注意 若A 0呢 噪声系数的计算方法 一 第二节 噪声的表示和计算 按定义计算 信噪比与负载的关系 即信号源加上负载后的信噪比与负载大小无关 噪声系数的计算方法 二 第二节 噪声的表示和计算 额定功率法 由信噪比与负载的关系可知 可用额定功率表示实际功率 所谓额定功率是指网络的输入 输出端都达到阻抗匹配 输入和输出功率达到最大 式中各参数均为匹配条件下的取值 噪声系数的计算方法 例一 第二节 噪声的表示和计算 额定功率法 输出端的等效戴维南电路参数为 噪声系数的计算方法 三 第二节 噪声的表示和计算 开路电压法和短路电流法 噪声系数也可表示成输出端开路时的两均方电压之比或输出端短路时的两均方电流之比 分别为网络输出端开路和短路时总的输出噪声均方电压和均方电流 分别为网络输出端开路和短路时理想网络的输出噪声均方电压和均方电流 噪声系数的计算方法 例二 第二节 噪声的表示和计算 开路电压法 短路电流法 噪声系数的计算方法 四 第二节 噪声的表示和计算 无源有耗网络的噪声系数 使用额定功率法 对于输入 输出端均匹配的无源有耗网络 其 级联电路的噪声系数 例 第二节 噪声的表示和计算 图中 A为衰减器 无源有耗网络 B为放大器 假定A B均处于匹配状态 试计算该级联电路的增益及噪声系数 噪声系数的计算方法 五 第二节 噪声的表示和计算 噪声系数与网络内部噪声大小有关 噪声系数与以下因素有关 噪声系数与输入噪声的大小或者说与信号源噪声温度有关 测量网络的噪声系数时 规定信号源内阻取标准噪声温度 即 网络噪声系数还与信号源内阻有关 因此存在使网络噪声系数最小的最佳源阻抗 噪声系数的计算方法 六 第二节 噪声的表示和计算 在进行计算时 无论是电压与电流转换 还是分压系数与分流系数 都要是平方关系 一般情况下 分析串联形式的电路用开路电压法较简单 分析并联形式的电路用短路电流法较方便 当电路较复杂时 用额定功率法较为简便 但需注意额定功率法只适用于无源网络 噪声系数的概念仅适用于线性网络 上节内容回顾 上节内容回顾 电阻热噪声的来源 自由电子的无规则热运动 电阻热噪声电压的均方值及功率 实际电路中的电阻建模形式 额定功率及热噪声源的额定功率 等效噪声带宽的定义及计算 噪声系数的定义与计算方法 级联噪声系数的计算 等效噪声温度 一 第二节 噪声的表示和计算 将有噪声线性网络的内部噪声折算到电路输入端 此内部噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效 即将其视为信号源内阻处于温度时产生的噪声 而将原网络看做理想无噪声网络 这个就称为等效噪声温度 推导可得 多级级联网络的等效噪声温度公式请自行查看课本 等效噪声温度 二 第二节 噪声的表示和计算 当系统与前端匹配时 可将等效噪声温度与信号源内阻的噪声温度叠加 从而实际处理时比较方便 此时有 其中为信号源噪声的等效噪声温度 等效噪声温度比较适合描述噪声系数接近1的部件 原因在于其提供了比较高的分辨率 噪声系数与灵敏度 一 第二节 噪声的表示和计算 当要求一定的输出信噪比时 噪声性能决定了输入端必需的信号功率 灵敏度就是在给定接收机要求的输出端信噪比的条件下 接收机所能检测的最低输入信号电平 接收机天线的等效噪声温度 接收机的噪声系数 标准噪声温度 即290K 接收机带宽 接收机所要求的输出信噪比 噪声系数与灵敏度 二 第二节 噪声的表示和计算 当时 灵敏度为 例 设接收机带宽为1MHz 噪声系数为20dB 若希望输出信噪比为10dB 则灵敏度为 降低噪声系数的措施 第三节 降低噪声系数的措施 选用低噪声元器件 正确选择晶体管的直流工作点 选择合适的信号源内阻 选择合适的工作频带 选择合适的放大电路 降低热噪声 干扰 第四节 干扰 请自行阅读课本 低噪声放大器的性能特点 第五节 低噪声放大器 低噪声放大器 LowNoiseAmplifier LNA 是射频接收机前端的主要部件 主要有以下几个特点 噪声越小越好 要求其有一定的增益 但其增益又不宜过大 线性范围大 增益最好可调节 其输入端必须很好地与天线或天线滤波器匹配 以达到功率最大传输或有最小的噪声系数 并能保证滤波器的性能 应具有一定的选频性能 主要性能指标 低噪声系数 足够的线性范围 合适的增益 输入 输出阻抗的匹配 输入 输出间良好的隔离等 低噪声放大器的结构特点 第五节 低噪声放大器 无论采用何种工艺 器件 其电路结构都差不多 均由晶体管 偏置 输入匹配和负载四大部分组成 其设计的基本特点是 共源 共栅级联增大输入 输出间的隔离 双端输入 输出改善线性 源极电感负反馈或共栅组态实现输入阻抗匹配 合理设置偏置元件和偏置值改善噪声 输出采用LC回路选频和阻抗变换 上节内容回顾 上节内容回顾 电阻热噪声的来源 自由电子的无规则热运动 电阻热噪声电压的均方值 实际电路中的电阻建模形式 额定功率及热噪声源的额定功率 等效噪声带宽的定义及计算 场效应管 晶体管 二极管 天线的噪声 噪声系数的定义与计算 级联噪声系数的计算 等效噪声温度 噪声系数与灵敏度的关系 例 第二节 噪声的表示和计算 如图所示放大器及输入信号 设放大器的带宽BW 300kHZ 试求 输入信噪比输出信号功率输出噪声功率输出信噪比 输入信噪比 输出信号功率 例 第二节 噪声的表示和计算 如图所示放大器及输入信号 设放大器的带宽BW 300kHZ 试求 输入信噪比输出信号功率输出噪声功率输出信噪比 放大器内部噪声等效到输入端的功率为 例 第二节 噪声的表示和计算 如图所示放大器及输入信号 设放大器的带宽BW 300kHZ 试求 输入信噪比输出信号功率输出噪声功率输出信噪比