第2章电路噪声(本科)

1、 电子设备性能很大程度上与噪声和干扰有关，接电子设备性能很大程度上与噪声和干扰有关，接收机的灵敏度与噪声有关，例如，人们收听广播时收机的灵敏度与噪声有关，例如，人们收听广播时, , 常常会听到常常会听到“沙沙沙沙”声；声； 观看电视时观看电视时, , 常常会看到常常会看到“雪花雪花”似的背景或波纹线似的背景或波纹线, , 这些都是接收机中的这些都是接收机中的放大器和其它元器件存在噪声的结果。噪声对有用放大器和其它元器件存在噪声的结果。噪声对有用信号的接收产生了干扰信号的接收产生了干扰, , 特别是当有用信号较弱时特别是当有用信号较弱时, , 噪声的影响就更为突出噪声的影响就更为突出, , 严重

2、时会使有用信号淹没严重时会使有用信号淹没在噪声之中而无法接收。因此提高接收机的灵敏度在噪声之中而无法接收。因此提高接收机的灵敏度有时比增加发射级的功率更有效。有时比增加发射级的功率更有效。 第第2 2章章 电路的噪声电路的噪声一、研究噪声和干扰的必要性一、研究噪声和干扰的必要性 噪声与干扰没有本质区别，习惯上从器件外部窜扰进来的噪声与干扰没有本质区别，习惯上从器件外部窜扰进来的, 称为外部噪声即干扰；从器件内部产生的称为外部噪声即干扰；从器件内部产生的, 称为噪声。重点介称为噪声。重点介绍噪声，对干扰进行了解。绍噪声，对干扰进行了解。 二、干扰和噪声的分类二、干扰和噪声的分类噪声的分类：电阻热

3、噪声、噪声的分类：电阻热噪声、 晶体管噪声和场效应管噪声晶体管噪声和场效应管噪声。干扰的分类干扰的分类自然干扰：天电干扰、宇宙干扰、大地干扰自然干扰：天电干扰、宇宙干扰、大地干扰人为干扰：工业干扰、无线电台干扰人为干扰：工业干扰、无线电台干扰第第2 2章章 电路的噪声电路的噪声三、干扰（三、干扰（补充内容补充内容）（了解）（了解）1 1、工业干扰：由各种电器设备产生电流或电压的急剧变化、工业干扰：由各种电器设备产生电流或电压的急剧变化 所形成的电磁辐射，作用在接收天线上，是影响各种无线电所形成的电磁辐射，作用在接收天线上，是影响各种无线电设备正常工作的重要因素。工业干扰的波段主要集中在对中设备

4、正常工作的重要因素。工业干扰的波段主要集中在对中波波段（波波段（300300千赫兹至千赫兹至30003000千赫兹）的干扰，如：电动机、电千赫兹）的干扰，如：电动机、电焊机、电吹风、汽车的点火系统、电器开关等。焊机、电吹风、汽车的点火系统、电器开关等。克服工业干扰的方法：克服工业干扰的方法：在干扰源处加防护滤波器。在干扰源处加防护滤波器。在电器开关、电动机点数电刷接触处并联一个电阻和电容，在电器开关、电动机点数电刷接触处并联一个电阻和电容， 以减小电火花的作用。以减小电火花的作用。在接收机的电源变压器初级加滤波器在接收机的电源变压器初级加滤波器工业干扰形成的干扰属于脉冲干扰，工业干扰形成的干扰

5、属于脉冲干扰，它的频谱很宽，从极低频它的频谱很宽，从极低频率到几百兆赫兹的超高频段。它的传播途径：直接辐射率到几百兆赫兹的超高频段。它的传播途径：直接辐射 沿电力线传输，并通过电源进入接收机（主要的传播途径）。沿电力线传输，并通过电源进入接收机（主要的传播途径）。2 2、电台干扰：指无线电发送设备所产生的干扰。、电台干扰：指无线电发送设备所产生的干扰。 抑制方法：混频器的方法（讲混频器时会讲到）。抑制方法：混频器的方法（讲混频器时会讲到）。3 3、天电干扰：大气各种电骚动如：雷电现象、带点灰尘的运、天电干扰：大气各种电骚动如：雷电现象、带点灰尘的运 动等。同样属于脉冲干扰。动等。同样属于脉冲干

6、扰。 克服天电干扰只能在接收机上采取措施：克服天电干扰只能在接收机上采取措施： 电源线加滤波电路。电源线加滤波电路。 采用窄频带加抗脉冲干扰电路采用窄频带加抗脉冲干扰电路。4 4、宇宙干扰：来自宇宙天体的电磁辐射。对一般无线电设备、宇宙干扰：来自宇宙天体的电磁辐射。对一般无线电设备 影响较小影响较小。2.5 2.5 放大器的噪声和干扰放大器的噪声和干扰2.1.1电阻热噪声电阻热噪声 电路内部的噪声主要来源于无源器件和有源器件产生的噪声电路内部的噪声主要来源于无源器件和有源器件产生的噪声 电阻热噪声是由于电阻内部自由电子的热运动产生的。电阻热噪声是由于电阻内部自由电子的热运动产生的。 在在运动中

7、自由电子经常相互碰撞运动中自由电子经常相互碰撞, 因而其运动速度的大小和方向都因而其运动速度的大小和方向都是不规则的。是不规则的。 温度越高温度越高, 运动越剧烈。只有当温度下降到绝对运动越剧烈。只有当温度下降到绝对零度时零度时, 运动才会停止。自由电子这种热运动在导体内形成非常运动才会停止。自由电子这种热运动在导体内形成非常微弱的电流微弱的电流, 这种电流呈杂乱起伏的状态这种电流呈杂乱起伏的状态, 称为起伏噪声电流。称为起伏噪声电流。起伏噪声电流流过电阻本身就会在其两端产生起伏噪声电压。起伏噪声电流流过电阻本身就会在其两端产生起伏噪声电压。 由于起伏噪声电压的变化是不规则的由于起伏噪声电压的

8、变化是不规则的, 其瞬时振幅和瞬时其瞬时振幅和瞬时相位是随机的相位是随机的, 所以无法计算其瞬时值。所以无法计算其瞬时值。2.1 2.1 电路内部的噪声电路内部的噪声 但是但是, 起伏噪声的均方值是确定的起伏噪声的均方值是确定的, 可以用功率计测量出可以用功率计测量出来。来。实验发现实验发现, 在整个无线电频段内在整个无线电频段内, 当温度一定时当温度一定时, 单位电阻单位电阻上所消耗的平均功率在单位频带内几乎是一个常数上所消耗的平均功率在单位频带内几乎是一个常数, 即其功率即其功率频谱密度是一个常数。频谱密度是一个常数。对照白光内包含了所有可见光波长这对照白光内包含了所有可见光波长这一现象一

9、现象, , 人们把这种在整个无线电频段内具有均匀频谱的起人们把这种在整个无线电频段内具有均匀频谱的起伏噪声称为白噪声。伏噪声称为白噪声。 1 1、电阻热噪声、电阻热噪声 四、电噪声四、电噪声见教材见教材P24 图图2.1和图和图2.22.1 2.1 电路内部的噪声电路内部的噪声阻值为阻值为的电阻产生的噪声电流功率频谱密度和噪声电压功率频的电阻产生的噪声电流功率频谱密度和噪声电压功率频谱密度分别为：谱密度分别为： 热热噪噪声声的的等等效效带带宽宽: :nnnn2If,W/HZ4kTgR4kTffR4kTfi(f)sW/HZ4kTRff4kTRfu(f)snnn2Uk=1.3810-23JK， k

10、是波尔兹曼常数是波尔兹曼常数, T是电阻温度是电阻温度, 以绝对温度以绝对温度计量计量。 2.1 2.1 电路内部的噪声电路内部的噪声在频带宽度为内产生的热噪声均方值电流和均方值电压在频带宽度为内产生的热噪声均方值电流和均方值电压分别为：分别为：一个实际电阻可以分别用噪声电流源和噪声电压源表示一个实际电阻可以分别用噪声电流源和噪声电压源表示, 如图所示。如图所示。 nu2f(f)sunI2f(f)si 注意：注意：1、热噪声电压虽很小，但被多级放大后，特别是接收、热噪声电压虽很小，但被多级放大后，特别是接收 信号很微弱的情况下，使有用信号淹没在噪声中信号很微弱的情况下，使有用信号淹没在噪声中

11、而无法被接受。而无法被接受。结论：结论：温度越高，电阻的热噪声越大。温度越高，电阻的热噪声越大。2、理想电抗元件是不会产生噪声的、理想电抗元件是不会产生噪声的, 但实际电抗元件但实际电抗元件 是有损耗电阻的是有损耗电阻的, 这些损耗电阻会产生噪声。对于这些损耗电阻会产生噪声。对于 实际电感的损耗电阻一般不能忽略实际电感的损耗电阻一般不能忽略, 而对于实际电而对于实际电 容的损耗电阻一般可以忽略。容的损耗电阻一般可以忽略。2.1 2.1 电路内部的噪声电路内部的噪声 ）热噪声）热噪声 构成晶体管的发射区、基区、集电区的体电阻和引线电构成晶体管的发射区、基区、集电区的体电阻和引线电阻均会产生热噪声

12、阻均会产生热噪声, , 其中以基区体电阻其中以基区体电阻r rbbbb的影响为主。因的影响为主。因此此应尽量选用基区体电阻小的三极管应尽量选用基区体电阻小的三极管。 2.1.3 2.1.3 晶体三极管噪声晶体三极管噪声结论：结论：主要是发射极电流向基极扩散形成的电流起伏。主要是发射极电流向基极扩散形成的电流起伏。 故发射极静态电流越大，散粒噪声越大。故发射极静态电流越大，散粒噪声越大。nEen2fqI2i 噪声电流均方根：噪声电流均方根：散散粒粒）散粒噪声）散粒噪声 晶体管的晶体管的主要噪声源主要噪声源。它是由单位时间内通过结的。它是由单位时间内通过结的载流子数目随机起伏而造成的。人们将这种现

13、象比拟为靶场载流子数目随机起伏而造成的。人们将这种现象比拟为靶场上大量射击时子弹对靶中心的偏离上大量射击时子弹对靶中心的偏离, , 故称为散粒噪声。在本故称为散粒噪声。在本质上它与电阻热噪声类似质上它与电阻热噪声类似, , 属于均匀频谱的白噪声。属于均匀频谱的白噪声。）分配噪声）分配噪声 在晶体管中在晶体管中, , 通过发射结的非平衡载流子大部分到达集通过发射结的非平衡载流子大部分到达集电结电结, , 形成集电极电流形成集电极电流, , 而小部分在基区内复合而小部分在基区内复合, , 形成基极形成基极电流。电流。 这两部分电流的分配比例是随机的这两部分电流的分配比例是随机的, , 从而造成集电

14、极从而造成集电极电流在静态值上下起伏变化电流在静态值上下起伏变化, , 产生噪声产生噪声, , 这就是分配噪声。这就是分配噪声。 数数共基极直流电流放大倍共基极直流电流放大倍共基极电流放大倍数共基极电流放大倍数 方值：方值： 集电极分配噪声电流均集电极分配噪声电流均：oO2nCcn2:1f2qIi结论：结论：集电极静态电流越大，分配噪声越大。集电极静态电流越大，分配噪声越大。 4）闪烁噪声）闪烁噪声 2.1 2.1 电路内部的噪声电路内部的噪声 产生这种噪声的机理目前还不甚明了产生这种噪声的机理目前还不甚明了, 一般认为一般认为是由于晶体管表面清洁处理不好或有缺陷造成的是由于晶体管表面清洁处理

15、不好或有缺陷造成的, 其其特点是频谱集中在约特点是频谱集中在约1khz以下的低频范围以下的低频范围, 且功率频且功率频谱密度随频率降低而增大。在高频工作时谱密度随频率降低而增大。在高频工作时, 可以忽略可以忽略闪烁噪声闪烁噪声。 1、信噪比：信噪比： 四端网络某一端口处信号功率与噪声功率之比。四端网络某一端口处信号功率与噪声功率之比。 信噪比信噪比SNR(Signal to Noise Ratio)通常用分贝数表示。通常用分贝数表示。噪声功率噪声功率信号的功率信号的功率某特定频某特定频: :：nsnspp(dBpp10lgS/N率率） 2.3 2.3 噪声系数噪声系数2.3.1 噪声系数的定义

16、噪声系数的定义）ooo(dBpp10lgS/Nns输输出出信信噪噪比比：）(dBpp10lgS/Nnisii输输入入信信噪噪比比：体会：体会：信噪比表示信号本身质量的好坏，信噪比越大，信噪比表示信号本身质量的好坏，信噪比越大， 说明信号本身的质量越好。说明信号本身的质量越好。输入信噪比与输出信噪比的表示：输入信噪比与输出信噪比的表示：见教材见教材P32P332、 噪声系数噪声系数 如果放大器内部不产生噪声如果放大器内部不产生噪声, 当输入信号与噪声通过它时当输入信号与噪声通过它时, 二二者都得到同样的放大者都得到同样的放大, 那么放大器的输出信噪比与输入信噪比相等。那么放大器的输出信噪比与输入

17、信噪比相等。而实际放大器是由晶体管和电阻等元器件组成而实际放大器是由晶体管和电阻等元器件组成,热噪声和散粒噪声热噪声和散粒噪声构成其内部噪声构成其内部噪声, 所以输出信噪比总是小于输入信噪比。所以输出信噪比总是小于输入信噪比。为了衡量为了衡量放大器噪声性能的好坏放大器噪声性能的好坏, 提出了噪声系数这一性能指标。提出了噪声系数这一性能指标。 00nsnisioifp/Pp/PN/SN/SN放大器的噪声系数放大器的噪声系数Nf(Noise Figure)定义定义为输入信噪比与输出信噪比的比值为输入信噪比与输出信噪比的比值, 即即:用分贝数表示用分贝数表示:dB/pp/pp10lgNnosonis

18、if在输出端产生的功率通过放大电路放大后：输入端噪声功率：输出端的噪声总功率放大电路的功率增益，ninOnsisPnOnPninnsnisioifpppPPAppApppPpPNSNSN10010000:/体会：体会：1.噪声系数表示信号通过该网络信号质量变坏的程度。噪声系数噪声系数表示信号通过该网络信号质量变坏的程度。噪声系数 越大说明，信号通过该网络后信号质量变坏的程度越大。越大说明，信号通过该网络后信号质量变坏的程度越大。2.噪声系数噪声系数NF只与输出端总的噪声功率只与输出端总的噪声功率Pno和放大电路输入端噪和放大电路输入端噪 声功率经放大后在输出端所产生的噪声功率声功率经放大后在输

19、出端所产生的噪声功率Pno1有关，而与输有关，而与输 入信号大小无关。入信号大小无关。结论：结论： 实际实际Nf1。理想情况下。理想情况下Pno2=0，才可能使，才可能使Nf=1。 其值越接近于其值越接近于, 则表示该放大器的内部噪声则表示该放大器的内部噪声 越小。放大器的噪声性能越好。越小。放大器的噪声性能越好。 2.3 2.3 噪声系数噪声系数2.3.2 噪声系数的表示噪声系数的表示no1no2Pnino2Pnino2PniPnino2no1PninofpP1ApP1ApPApApPPAppN AP:放大电路的功率增益放大电路的功率增益Pn01：输入端的噪声功率：输入端的噪声功率Pni经放

20、大电路放大后在输出端的噪声功率经放大电路放大后在输出端的噪声功率Pn02：放大电路自身产生的噪声在输出端的功率：放大电路自身产生的噪声在输出端的功率额定功率增益与噪声系数：额定功率增益与噪声系数： 见教材见教材P33 2.3 2.3 噪声系数噪声系数2.3.3 噪声性能的另一种表示噪声性能的另一种表示-噪声温度噪声温度噪声温度的含义：噪声温度的含义： 用来表征放大电路内部噪声的有一种形式，用来表征放大电路内部噪声的有一种形式， 举例见教材举例见教材P33最后一段最后一段噪声温度的概念：噪声温度的概念：放大电路的内部噪声看做是信号源内阻放大电路的内部噪声看做是信号源内阻RS在温在温度升高度升高T

21、i时所产生的噪声。也就是说，在放大电路的输入端虚设时所产生的噪声。也就是说，在放大电路的输入端虚设一个噪声源，它经过放大电路放大后，在输出端的得到的额定输一个噪声源，它经过放大电路放大后，在输出端的得到的额定输出噪声功率正好等于放大电路内部噪声在输出端得到的额定输出出噪声功率正好等于放大电路内部噪声在输出端得到的额定输出功率功率Pno2, 即：即：等效噪声温度等效噪声温度:2iPninoTAfkTP PHnPHnino1no2fAfkTAfkT1PP1N Ti：放大电路的等效噪声温度，：放大电路的等效噪声温度，T：工作温度：工作温度2.3.4 多级放大器的噪声系数多级放大器的噪声系数1)PH(

22、nPH1nfPH2PH13fPH12f1fn1f.AA1N.AA1NA1NN)(N 结论：结论：在多级放大器中在多级放大器中, , 各级噪声系数对总噪声系数各级噪声系数对总噪声系数 的影响是不同的的影响是不同的, , 前级的影响比后级的影响大前级的影响比后级的影响大, , 且总噪声系数还与各级的额定功率增益有关。且总噪声系数还与各级的额定功率增益有关。 所以所以, , 为了减小多级放大器的噪声系数为了减小多级放大器的噪声系数, , 必须必须 降低前级放大器（尤其是第一级）的噪声系数降低前级放大器（尤其是第一级）的噪声系数, , 而且增大前级放大器（尤其是第一级）的额定而且增大前级放大器（尤其是第一级）的额定 功率增益。功率增益。级的额定功率增益级的额定功率增益表示第表示第i:APHi 2.3 2.3 噪声系数噪声系数 某接收机由高放、某接收机由高放、 混频、中放三级电路组成。混频、中放三级电路组成。 已知：混频器的额定功率增益已知：混频器的额定功率增益APH20.2, 噪声系数噪声系数f210dB, 中放噪声系数中放噪声系数f3dB, 高放噪声系数高放噪声系数f1dB。要求加入高放后使整个接收机总噪声系数降低为加入要求加入高放后使整个接收机总噪声系数降低为加入前的十分之一前的十分之一, 则高放的额定功率增益则高放的额定功率增益APH1应为多少？应为多少？ 例题：例题： 先