近代电子测量技术-噪声系数分析仪

1、1噪声系数分析仪2p噪声系数测试的基本概念p噪声系数测试原理p典型器件的噪声系数测试 3噪声系数测试的基本概念 4器件性能对信号质量的影响（一） 5器件性能对信号质量的影响（二）6噪声的来源 7噪声的分类p热噪声(Thermal Noise/Johnson Noise)p散粒噪声（Shot Noise）p闪烁噪声1/f噪声（Flicker） 8热噪声 它是由于导体中自由电子的无规则热运动形成的噪声。因为导体具有一定的温度，导体中每个自由电子的热运动自由电子的热运动方向和速度不规则地变化，因而在导体中形成了起伏噪声电流，在导体两端呈现起伏电压。电阻产生的起伏噪声电压均方值 ： 式中：k为玻耳兹曼

2、常数,k=1.3810-23J/K； T为电阻温度, 以绝对温度(K)计量,对于室温17, R为电阻的阻值；Bn为测试设备的通频带。 电阻热噪声的功率谱密度是与频率无关的常数。通常把功率谱密度为常数的噪声称为“白噪声”，电阻热噪声在无线电频率范围内就是白噪声的一个典型例子。 nnkTRBe42KTT29009电阻的噪声等效电路10散粒噪声p由有源电路或器件中的存在的随机电流引起，它与热噪声类似其值与频率无关，因此也是一种白噪声，其噪声电流的均方根值为：p其中q为电子电量（1.610-19C）,不难发现其大小与随机电流的大小成正比。fqIiD 2211闪烁噪声1/f噪声因其大小与频率成反比例关系

3、而得名。1/f噪声的主要参数是拐点频率fa，该点的1/f噪声等于热噪声功率。半导体器件内的1/f噪声的分布特性取决于其工艺。比如BiCMOS器件的fa大约为48kHz；MOSEFT器件的fa大约为1MHz。1/f噪声的幅度分布不是高斯分布。12噪声系数（一） 噪声总是伴随着信号出现。信号与噪声的功率比值信号与噪声的功率比值S/NS/N简称简称“信噪比信噪比”。决定检测能力的是接收机输出端的信噪比。 噪声系数的定义是：接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。 噪声系数F有明确的物理意义：它表示由于接收机内部噪声的影响，使接收机输出端的信噪比相对其输入端的信噪比变坏的倍数。 /iiooSN

4、FSN定义1niBkTN013oiaNFN G噪声系数还可表示为：aG为接收机的额定功率增益 iaN G是输入端噪声通过“理想接收机”后，在输出端呈现的额定噪声功率 定义2噪声系数（二） 14oN0ianaN GkT B GN00ianaNN GNkT B GN01naNFkT B G 0N实际接收机的输出额定噪声功率由两部分组成:接收机内部噪声内部噪声在输出端所呈现的额定噪声功率实际接收机总会有内部噪声因此F1只有当接收机是“理想接收机”时，才会有F1。 噪声系数（三） 15对噪声系数的两点说明 1）噪声系数只适用于的线性电路和准线性电路。 2）噪声系数F是没有量纲的数值，通常用分贝表示：F

5、(dB)10lgF(dB) 3) 噪声系数是接收机本身固有的特性，与输入信号、噪声的功率无关。 16等效噪声温度（一） 为了更直观地比较内部噪声与外部噪声的大小，可以把接收机内部噪声在输出端呈现的额定噪声功率等效到输入端来计算。等效噪声温度”或简称“噪声温度”，此时接收机就变成没有内部噪声的“理想接收机” enaNkT B G17等效噪声温度（二） 01naNFkT B G 000111enaenanakT B GTNFkT B GkT B GT enaNkT B G0(1)(1)290eTFTFK18eTF(倍数)11.051.11.525810F(dB)00.210.411.763.016

6、.999.0310 (K)014.529145290116020302610对于低噪声接收机和低噪声器件，常用噪声温度来表示其噪声性能。 等效噪声温度（三） 19系统噪声系数指标的规划 20级联电路的噪声系数（一） 先考虑两个单元电路级联的情况 0inNkT B122ooNNN11,F G22,F G0012000122nNkT B GG FNNNoiaNFN G2202(1)nNFkT B G0121nkT B GG F001200121202(1)nnnNkT B GG FkT B GG FFkT B G20111FFFG01naNFkT B G 21级联电路的噪声系数（二） n级电路级联

7、时接收机总噪声系数为 3201112121111nnFFFFFGGGGGG若接收机的噪声性能用等效噪声温度表示，则它与各级噪声温度之间的关系为： eT1321213121nneGGGGTGGTGTTT22结论：结论：p为了使接收机的总噪声系数小，要求各级的嗓声系数小、额定功率增益高。而各级内部噪声的影响并不相同，级数越靠前，对单噪声系数的影响越大。p所以总噪声系数主要取决于最前面几级，这就是接收机要采用高增益低噪声高放的主要原因。 级联电路的噪声系数（三） 23级联电路的噪声系数（四） 997. 1047. 025. 07 . 1164) 10 . 4(4) 10 . 2(7 . 1ABCF4

8、75. 2025. 075. 07 . 1164) 10 . 2(4) 10 . 4(7 . 1ACBF级连线路噪声系数计算举例： 24噪声系数测试原理25Y值法（一）一种较为普遍地测试噪声系数的方法（也是最为精确的方法，即Y值法）已知输出噪声的计算公式： 00ianaNN GNkT B GN26coldehotecoldenahotenaTTTTTTBkGTTBkGNNY)()(121YYTTTcoldhote0(1)(1) 290eTFTFK11100YTTYTTFcoldhot如果我们令KTTcold2900 11111000YTTYTTYTTFcoldhothot) 1log(10)(

9、YENRdBF27Y值法（二） 其含义是噪声源超过标准噪声温度T0（290K）热噪声的倍数。反应了噪声源输出噪声功率的能力。 coldcoldhotTTTENRlog10ENRENR（Excess Noise RatioExcess Noise Ratio）超噪比）超噪比28Y值法（三）调节衰减器对噪声源接通和断开提供相同的输出，这样所调节衰减值就是Y，这种方法的测试精度通常可达0.1dB。在具体的测试中，当噪声源确定时ENR为一个常数。公式中唯一的变量是Y，Y为测试情况下（有噪声源接在输入端）器件的输出功率与器件在输入严格地限制在290K时，输出功率之比。29基于Y值法的噪声系数分析仪30A

10、gilent N897X噪声系数测试仪 3132噪声源（一） 测量噪声指数的方法，是根据注入接收机的已知噪声来观察接收机的输出响应。这个噪声源通常大多数是白噪声它也是热噪声。热噪声是电子随机运动的结果。这种噪声在领域内是等能分布，因而它就具有标形或高斯平稳分布的常数功率密度。噪声源必须能够产生个有效的噪声功率，大于被测量元件的噪声功率。有几种常用的噪声源，它们是正向偏压半导体二极管、限温二极管、气体放电管和热冷电阻源。 33噪声源（二）雪崩二级管（Avalanche Diode）产生噪声激励信号的等效电路（匹配网络的存在是考虑到DUT的接入可能会改变噪声源的阻抗！）。最常用的噪声源是：二极管和

11、气体放电管，它们分别可达到几百MHz和几十GHz。例如，气体放电管和饱和二极管噪声源的等效输出噪声温度通常为1000020000K，用ENR(dB)表示为l5.2l 8.3dB。 34任何宽带噪声的产生都只可能是类白噪声的而不可能是理想的，所以噪声源在出厂时会配有一个ENR表反映噪声源的特性，以便在有同频段测量时用于精确地计算和校正！ 噪声源（三）35几种噪声源的主要指标ENR范围 注：15dB 的ENR更适用于通常测量，可以测量达30dB的噪声系数，而6dB的ENR适用于极低噪声系数的测量（噪声检波器可以有较好的线性度）。 工作频段：噪声源（四）36ENR精度 37典型器件的噪声系数测试38

12、可分析的器件或系统39基本测量模式放大器（无频率转换）的噪声系数和增益测量流程放大器（无频率转换）的噪声系数和增益测量流程n开机（欲获得更高的精确性，建议等候NFA 预热至少一小时）n输入超噪比输入超噪比ENR ENR 数据数据n设置测量频率设置测量频率n设置带宽和平均设置带宽和平均n校准分析仪校准分析仪n显示测量结果显示测量结果40输入超噪比ENR 数据（一）p第一种类型例如Agilent 346B 是一种正常的噪声源，这些噪声源的ENR 数据需要使用以前存储在磁盘上的ENR 数据或者使用小键盘以手动方式输入；p另一种类型例如Agilent N4000A 是智能噪声源SNS 可以自动或经请求

13、上载数据。41输入超噪比ENR 数据（二）42设置测量频率 在设置您希望测量的频率之前您需要选择一个频率模式共有三种频率模式可供使用：pSweep Sweep 扫描扫描 在扫描频率模式中设置进行扫描的起始和终止频率或等值中心和范围频率，您还需要设置测量点数这些测量点在频率范围中均匀分布，最大点数为401，默认点数为11。所选频率点数越大测量所需的时间越长）pList List 清单清单 清单频率模式允许您在进行测量的位置输入频率点，这将允许您在覆盖范围小于扫描模式中覆盖范围的相关区域指定测量点可允许非均匀分布的测量点。频率单限制为401个条目。pFixed Fixed 固定固定 在单一固定频率

14、进行频率测量43设置带宽和平均p带宽和平均对速度抖动和测量准确性的影响p抖动是测量噪声时产生的一种自然现象，欲降低抖动必须增加平均值数目或测量带宽增加平均值数目或测量带宽。如果带宽降低则需要增加平均值数目以保持相同的误差。所选的平均值数目越多，测量越准确，因为这样会降低测量的抖动。但是必须与完成测量所需的时间进行对照，因此应当在测量的速度和准确性误差之间作出权衡和选择。44校准分析仪（一） NFA测量的噪声系数实际上是包括了DUT与噪声系数测试仪前端整个链路的噪声系数，即212111FFFG。45校准分析仪（二）46校准分析仪（三）47显示测量结果（一）48显示测量结果（二）49扩展频率测量模

15、式（一） 系统下变频器模式系统下变频器模式 DUT 是一台非变频装置例如放大器或滤波器其频率超出NFA 的测量范围 测量系统内要求下变频用DUT 外接混频器将相关信号变换为NFA 频率范围内的频率。50下变频下变频DUTDUT模式模式在该模式中DUT 包含一台下变频装置包含一台下变频装置例如混频器或接收器。共有两种模式可供选择p1. 可变频率LO 和固定IF在进行此项测量时NFA 锁定在一个频率LO 执行扫描p2. 固定频率LO 和可变IF在进行此项测量时LO 锁定在一个频率NFA 执行扫描说明：说明：在两种模式中进行单边带测量时需要执行过滤以便移除无用边带。理想的情况是这些滤波器应当包含在校

16、准路径和测量路径中，但是如果未包含在路径中，可以输入损耗补偿以解释所有其他错误。扩展频率测量模式（二） 51下变频下变频DUTDUT模式模式扩展频率测量模式（三） 52扩展频率测量模式（四） p下变频下变频DUTDUT模式模式53上变频上变频DUTDUT模式模式在该模式中DUT 包含一个上变频装置上变频装置例如发射机共有两种模式可供选择：1. 可变频率LO 和固定IF在进行此项测量时NFA 锁定在一个频率LO 执行扫描2. 固定频率LO 和可变IF在进行此项测量时LO 锁定在一个频率NFA 执行扫描扩展频率测量模式（五） 54影响测量真实性的因素 可被消除的误差因素可被消除的误差因素p电连接器

17、pEMI干扰p电缆损耗p温度的影响pDUT的50欧失配55电连接器保证连接器的牢固连接（可靠的屏蔽）力矩搬手合适的力矩（Proper Torque）: Type N (10 in-lbs), APC-3.5/SMA (5 in-lbs)避免使用陈旧的连接器避免使用不清洁的连接器: n必要时采用酒精可异丙醇擦拭连接器n每10次连接后，清洁 APC-3.5至SMA连接器56EMI干扰p采用屏蔽电缆（中频以及HP-IB电缆）p使电路处于屏蔽环境中p避免晃动电连接器 (如BNC)p在信号线及电源线上采用铁氧体磁珠以减弱共模电流的干扰p减少本振引入的杂散与噪声57电缆损耗补偿pDUT之前及之后的电缆的损

18、耗在测试中必然会影响测试结果，校准中应考虑！58温度的影响或许记得前面推导Y值法测量噪声系数的工式中有一个假设：p如果我们令 p注：绝对0度 -273.15 若上式不成立时，测量必然有误差，尤其是在测量低噪声被测件时。这就是为什么在老式的8970B NFA中中必须由操作者手工输入环境温度的原因。对于智能化的SNS系列噪声源，由于其内置温度传感器，故可时时提供环境温度的数据，因而可以得到较为精确的测试结果。KTTcold290059DUT的50欧失配如果出现了失配，从噪声源输出的噪声能量将不会被全部传输，这将引起实际增益测量的误差，而增益量测量的误差又将影响校准的准确度，从而影响整个测量的精确性。60最小化不能消除误差最小化不能消除误差pDUT具有合适的噪声系数与增益pDUT必须为线性器件n无AGC或限幅器n无对数特性器件n未出现压缩/饱和影响测量真实性的因素 对高增益器件的测量往往具有较高的精度，对变频器件