第1章_噪声与干扰15-03-09

1、第一章：噪声与干扰第一章：噪声与干扰 邓邓 钢钢GG内容提要内容提要内部噪声内部噪声( (噪声噪声) )：由电路内部产：由电路内部产生生噪声和干扰泛指除有用信号以外噪声和干扰泛指除有用信号以外的其他一切无用信号，将极大影的其他一切无用信号，将极大影响电子设备的性能指标：响电子设备的性能指标：外部噪声外部噪声( (干扰干扰) )：来自电路外部：来自电路外部本章主要讨论自然噪声：本章主要讨论自然噪声：噪声的来源和特点噪声的来源和特点噪声的表示和计算噪声的表示和计算干扰和噪声都具有随机性干扰和噪声都具有随机性电阻热噪声的来源与特点电阻热噪声的来源与特点由电阻内部的自由电子无规则的由电阻内部的自由电子

2、无规则的热运动产生，又称为起伏噪声：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是许多持续时间极短的脉冲电流叠加的结果加的结果长时看总和为零，但在每一瞬时电长时看总和为零，但在每一瞬时电流在某一方向都有一定数值流在某一方向都有一定数值频率范围很宽，可认为是频率范围很宽，可认为是“白白噪声噪声”电阻热噪声的大小电阻热噪声的大小( (一一) )噪声电压的均方值：噪声电压的均方值：2201lim( )TnnTee t dtT可看做是噪声电压在单位电阻上消耗的可看做是噪声电压在单位电阻上消耗的平均功率平均功率功率谱密度功率谱密度 ：单位频带内的功：单位频带内的功率率( )S f电阻热噪声

3、电压的功率谱密度：电阻热噪声电压的功率谱密度：( )4(/)S fkTR WHz231.38 10/kJK波尔兹曼常数波尔兹曼常数T T为热力学温度为热力学温度R R为电阻的阻值为电阻的阻值11()( )fffPfS f df电阻热噪声的大小电阻热噪声的大小( (二二) )( )4(/)S fkTR WHz若系统工作频带若系统工作频带( (或测量噪声功率或测量噪声功率时的频带宽度时的频带宽度) )为为 ，则电阻热噪，则电阻热噪声的均方值为：声的均方值为：f24nekTR f有效值为：有效值为：24nnEekTR f实际电路中实际电路中的电阻建模的电阻建模形式：形式：24/nikT fR例题例题

4、放大器的工作带宽为放大器的工作带宽为2MHz2MHz，信号源，信号源电阻为电阻为 ，当工作温度为，当工作温度为 ，电，电压增益为压增益为 ，输入信号有效值为，输入信号有效值为 时，试计算输出信号中有用信号和噪时，试计算输出信号中有用信号和噪声的有效值，假定放大器所产生的噪声的有效值，假定放大器所产生的噪声及其它噪声可以忽略声及其它噪声可以忽略20027 C2005 V23644 1.38 10300 2 102002.57niVkTR fV 200 51200 2.570.514oinoniVA VmVVA VmV关于关于dBdB、dBmdBm等的说明等的说明( )10( )10()20log

5、()10logv iv ippAdBAA dBAdBdB代表相对大小代表相对大小10(,)10log1,1APA dBm dBWmW WdBmdBm等代表等代表绝对大小绝对大小1030mWdBmdBW 3_, 13_mWdBmdBWdBmmW010_dBmdB10_1mWdBmW电阻热噪声的电阻热噪声的额定噪声功率额定噪声功率当噪声源的负载与其当噪声源的负载与其内阻匹配时，噪声源内阻匹配时，噪声源能够实现最大功率传能够实现最大功率传输输LRR对于实数阻抗网络来对于实数阻抗网络来说，当说，当 时，时，nPkT f额定噪声功率：额定噪声功率：仅与噪声源本身有关，与负载无关，表仅与噪声源本身有关，与

6、负载无关，表示噪声源输出功率的最大能力示噪声源输出功率的最大能力与电阻本身的大小无关，仅与温度和系与电阻本身的大小无关，仅与温度和系统带宽有关统带宽有关2/ 4MSSPVR例题例题以下关于电阻额定噪声功率的描述中正确的为以下关于电阻额定噪声功率的描述中正确的为_。A.A.电阻的额定噪声功率受到其温度的影响电阻的额定噪声功率受到其温度的影响B.B.电阻的额定噪声功率受到其阻值的影响电阻的额定噪声功率受到其阻值的影响C.C.电阻的额定噪声功率仅由其负载值大小决定电阻的额定噪声功率仅由其负载值大小决定D.D.电阻的额定噪声功率仅由测量带宽大小决定电阻的额定噪声功率仅由测量带宽大小决定A A设设温度为

7、温度为2727，测量带宽为测量带宽为2MHz2MHz，则，则1M1M电阻电阻的的额定噪声功率为额定噪声功率为_W=_mW _W=_mW =_dBm=_dBm；若其他条件不变而将电阻值；若其他条件不变而将电阻值改为改为10M10M，此时的此时的额定噪声功率为额定噪声功率为_W=_mW =_dBm_W=_mW =_dBm。（k=1.38k=1.38* *1010-23-23J/KJ/K）8.288.28* *1010-15-158.288.28* *1010-12-12-110.8-110.8等效噪声带宽等效噪声带宽请自行阅读课本请自行阅读课本电抗元件的热噪声？电抗元件的热噪声？理想电抗元件不产生

8、热噪声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，而被认定的损耗电阻或漏电导，而被认为是有噪元件为是有噪元件电感的损耗电阻一般不能忽略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电容的损耗电阻通常可以忽略晶体管的噪声晶体管的噪声( (一一) )晶体管噪声的来源有如下四种：晶体管噪声的来源有如下四种：热噪声热噪声晶体管三个区的体电阻和引线电阻均会晶体管三个区的体电阻和引线电阻均会产生热噪声。其中产生热噪声。其中 为主要噪声源为主要噪声源bbr散粒噪声散粒噪声( (散弹噪声散弹噪声) )由于载流子随机通过由于载流子随机通过PNPN结

9、，使得不同的结，使得不同的瞬间发射极或集电极电流在平均值上下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作不规则的起伏变化而形成0( )2ISfqI其电流功率谱密度为：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其大小与平均电流值 成正比。故在低成正比。故在低噪声放大器中，第一级的工作电流设计噪声放大器中，第一级的工作电流设计得较小得较小0I b er ？晶体管的噪声晶体管的噪声( (二二) )分配噪声分配噪声由于载流子在基区复合的随机性，造成由于载流子在基区复合的随机性，造成集电极电流和基极电流的随机波动而引集电极电

10、流和基极电流的随机波动而引起的噪声，也是电流噪声起的噪声，也是电流噪声低频噪声低频噪声包括闪烁噪声包括闪烁噪声( ( 噪声噪声) )及爆裂噪声，及爆裂噪声，通常与晶体管表面状态或内部缺陷有关通常与晶体管表面状态或内部缺陷有关1/ f闪烁噪声的特点是在低频闪烁噪声的特点是在低频( (几千赫以下几千赫以下) )区域，其噪声强度显著增加，且随频率区域，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，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也存在于其它元器件中

11、场效应管的噪声场效应管的噪声沟道热噪声沟道热噪声由导电沟道中多子不规则的热运动而产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生，是场效应管的主要噪声源栅极感应噪声栅极感应噪声产生原因与双极型晶体管大致相同产生原因与双极型晶体管大致相同24ndmikTgf沟道热噪声通过栅极电容沟道热噪声通过栅极电容 的耦合，在的耦合，在栅极上感应而产生噪声，其值随功率频栅极上感应而产生噪声，其值随功率频率及率及 的增高而变大的增高而变大gsCgsC闪烁噪声闪烁噪声( ( 噪声噪声) )1/ f栅极散粒噪声栅极散粒噪声由栅极内电荷的不规则起伏引起由栅极内电荷的不规则起伏引起二极管的噪声二极管的噪

12、声二极管正偏状态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，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在低频范围内还需要考虑其闪烁噪声二极管反偏状态二极管反偏状态由于反向饱和电流较小，故散弹噪声较小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，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，除散弹噪雪崩型稳压管的噪声较大，除散弹噪声外还有由于声外还有由于PNPN结内的缺陷和不均匀性结内的缺陷和不均匀性而造成的多态噪

13、声而造成的多态噪声天线噪声天线噪声天线欧姆电阻产生的噪声，通常可忽略天线欧姆电阻产生的噪声，通常可忽略接收外来噪声能量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：接收天线端口噪声的两个来源：用天线的辐射电阻用天线的辐射电阻 在温度在温度 产生的热产生的热噪声来表示天线的噪声性能：噪声来表示天线的噪声性能：ARaT24naAnekT R BWaT ：天线的等效噪声温度，：天线的等效噪声温度，不一定等于天线周围的

14、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，额定噪当天线与接收机输入端匹配时，额定噪声功率为：声功率为：24nninimanAePPkT BWR多个噪声源作用于电路时的计算多个噪声源作用于电路时的计算若各噪声源是若各噪声源是互不相关互不相关的，即各噪的，即各噪声源中任一噪声源在某特定时间上的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，则时间上的数值大小无关，则总输出噪总输出噪声功率等于各自输出功率之和声功率等于各自输出功率之和222212nnnnkeeee否则需要考虑噪声源之间的相关系否则需要考虑噪声源之间的

15、相关系数数信噪比的定义信噪比的定义从噪声对信号影响的效果来看，不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于信号功率与噪声功率的相对值相对值所以在电路的某一点所以在电路的某一点上，常用信号功率与噪上，常用信号功率与噪声功率的比值声功率的比值( (即即信噪信噪比比 ) )来表示噪声对有来表示噪声对有用信号的影响用信号的影响/S N信噪比不能表示从输入到输出电路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在信号中注入了多少噪声噪声系数的定义噪声系数的定义线性网络输入端信噪比线性网络输入端信噪比和输出端信噪比的比值和输

16、出端信噪比的比值/sinisonoPPFPP10lg()NFF dB/sininononosononisosinipnioPPPPPFPPPPPPAPpA：电路对信号的功率增益：电路对信号的功率增益nioP：输入噪声经过电路后，在电路输出：输入噪声经过电路后，在电路输出端产生的噪声功率端产生的噪声功率nonaopninaonioPPAPPPnaoP ：电路内部噪声在：电路内部噪声在输出端产生的噪声功输出端产生的噪声功率率11naonionaonaonioniopniPPPPFPPAP 例题例题设某放大器的功率增益设某放大器的功率增益 ，其固有噪声功率其固有噪声功率 。分别计算。分别计算 和和

17、时的噪声系数之时的噪声系数之值值10lg20pAdB10naoPW1niPW10niPW解：解：10111.1100 1naopniPFA P (1)niif PW100pA (10)niif PW10111.01100 10naopniPFA P 故为使噪声系数有一个确切的定义，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输入噪声功率一般规定为信号源内阻产生的热噪声功率产生的热噪声功率级联电路的噪声系数级联电路的噪声系数32111212(1)111npppppp nFFFFFAAAAAA影响级联放影响级联放大器噪声性大器噪声性能的主要因能的主要因素是第一级素是第一级的噪声

18、系数的噪声系数及其功率增及其功率增益益注意：若注意：若A0dBA0dB呢？呢？噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法( (一一) )按定义计算按定义计算/sininononosononisosinipnioPPPPPFPPPPPPAP11naonionaonaonioniopniPPPPFPPAP 信噪比与负载的关系信噪比与负载的关系2202220()sLsLsosononnLsLVRRRPVSNPeeRRR即负载上的信噪比与负即负载上的信噪比与负载大小无关载大小无关噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法( (二二) )开路电压法和短路电流法开路电压法和短路电流法噪声系数也可表示成输出端开噪声系数

19、也可表示成输出端开路时的两均方电压之比或输出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端短路时的两均方电流之比/sinisonoPPFPP2222nononionioviFFvi或22,nonovi：分别为网络输出端：分别为网络输出端开开路路和和短路短路时总的输出噪声均时总的输出噪声均方方电压电压和均方和均方电流电流22,nioniovi：分别为网络输出端：分别为网络输出端开开路路和和短路短路时时理想理想网络的输出网络的输出噪声均方噪声均方电压电压和均方和均方电流电流/sininononosononisosinipnioPPPPPFPPPPPPAP例题例题开路电压法开路电压法204()

20、nosvkT f RR22044naoniosvkT fRvkT fR2222011nonaosnioniovvRFRvv 短路电流法短路电流法204noskT fiRR22020204()4()naossnioskTR fiRRkTRfiRR2222011nonaosnionioiiRFRii 噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法( (三三) )额定功率法额定功率法由信噪比与负载的关系可知，由信噪比与负载的关系可知，可用额定功率表示实际功率可用额定功率表示实际功率/sinisonoPPFPP所谓额定功率是指网络的输入、所谓额定功率是指网络的输入、输出端都达到阻抗匹配，输入输出端都达到阻抗匹配

21、，输入和输出功率达到最大和输出功率达到最大/1/simnimnomnaomsomnompmnimpmnimPPPPFPPAPAP 式中各参数均为匹配条件下的式中各参数均为匹配条件下的取值取值例题例题额定功率法额定功率法000/1simnimsimsomnomsomsssPPPFPPPRRRRR 输出端的等效戴维南输出端的等效戴维南电路参数为：电路参数为：0,ssosVV RRR20220444()ssimssssomosVPRVVPRRRnimnomPPkT f噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法( (四四) )无源有耗网络的噪声系数无源有耗网络的噪声系数/sinisonoPPFPP使用额定功

22、率法：使用额定功率法：/simnimnomsomnompmnimPPPFPPAP对于输入、输出端均匹配的无源有耗网对于输入、输出端均匹配的无源有耗网络，其络，其nomnimPPkT f1nompmnimpmPFLAPA例题例题totalAtotalNF图中，图中，A A为衰减器（无源有耗网络），为衰减器（无源有耗网络），B B为为放大器，假定放大器，假定A A、B B均处于匹配状态，试计均处于匹配状态，试计算该级联电路的增益算该级联电路的增益 及噪声系数及噪声系数 噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法( (五五) )噪声系数与以下因素有关：噪声系数与以下因素有关：测量网络的噪声系数时，规定信测

23、量网络的噪声系数时，规定信号源内阻取标准噪声温度，即：号源内阻取标准噪声温度，即：0290TK信号源内阻信号源内阻存在使网络噪声系数最小的最佳存在使网络噪声系数最小的最佳源阻抗源阻抗输入噪声输入噪声 ( (信号源噪声温度信号源噪声温度) )nioP网络内部噪声网络内部噪声naoP噪声系数的概念仅适用于线性网噪声系数的概念仅适用于线性网络络噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法( (六六) )在进行计算时，无论是电压与电流转在进行计算时，无论是电压与电流转换，还是分压系数与分流系数，都要换，还是分压系数与分流系数，都要是是平方关系平方关系一般情况下：一般情况下：串联形式的电路用开路电压法串联形式的

24、电路用开路电压法并联形式的电路用短路电流法并联形式的电路用短路电流法当电路较复杂时，用额定功率法较当电路较复杂时，用额定功率法较为简便，但需注意本法只适用于无为简便，但需注意本法只适用于无源网络源网络等效噪声温度等效噪声温度( (一一) )将有噪声线性网络的内部噪声折算到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，即将其信号源内阻上的温度来等效，即将其视为信号源内阻视为信号源内阻 处于温度处于温度 时产生时产生的噪声，而将原网络看做理想无噪声的噪声，而将原网络看做理想无噪声网络，这个网络，这个 就称为等效噪声温度就称

25、为等效噪声温度0sReTeT00(1)1/eeTFTFTT 推导可得：推导可得：多级级联网络的等效多级级联网络的等效噪声温度公式请自行噪声温度公式请自行查看课本查看课本等效噪声温度等效噪声温度( (二二) )当系统与前端匹配时，可将等效噪声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，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：从而实际处理时比较方便，此时有：()ninimaePPk TTf其中其中 为信号源噪声的等效噪声温度为信号源噪声的等效噪声温度aT等效噪声温度比较适合描述噪声系数等效噪声温度比较适合描述噪声系数接近接近1 1的部件，原因在于其提供了比的部件，原因在于其提供了比较高的分辨率较高的分辨率噪声系数与灵敏度噪声系数与灵敏度( (一一) )灵敏度：在给定接收机要求的输