第3章噪声与干扰汇总

1、第3章噪声与干扰讲授内容：3.1概述3.2噪声3.3 额定功率和额定功率增益3.4 线性四端网络的噪声系数3.5 等效输入噪声温度3.6 接收灵敏度3.7工业干扰与天电干扰3.1概述噪声对有用信号的接收产生了干扰，当有用信号较弱时，噪声的 影响就更为突出，严重时会使有用信号淹没在噪声之中而无法接收。厂外部噪声：噪声从器件外部窜扰 来。噪声分为外部噪声和内部噪声*j内部噪声：噪声从器件内部生。内部噪声源主要有电阻热噪声、晶体管噪声和场效应管噪声三种。3.2 噪声321电阻热噪声1、起伏噪声电流：电阻内部自由电子热运动在导体内形成微弱 的电流，由于这种电流呈杂乱起伏的状态，称为起伏噪声电流。2、起

2、伏噪声电压：起伏噪声电流流过电阻本身在其两端产生的 电压称起伏噪声电压。3、起伏噪声电压特征：起伏噪声电压的瞬时振幅和瞬时相位是随机的， 且不规则地偏离 平均值而起伏变化。起伏噪声电压的平均值为零，均方值为一定值，即其功率频谱密 度是一个常数，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。阻值为R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：f 心、4kTsU(f)=4kTR其中：k=1.38 x 10-23J /K; T为电阻温度，以绝对温度计算。在频带宽度为EW内产生的热噪声均方值电流和均方值电压分别为24KTf BWBWRU =SU(f ) BW = 4KT

3、R BW如图一个实际电阻可以分别用噪声电流源和噪声电压源表示,所示：nun(有噪声)噪声)(a)(c)电阻热噪声等效电路例2.5 试计算510kQ电阻的噪声均方值电压和均方值电流各 是多少？设丁= 290K,BW= 100kHz。解：I2n=4k T BVR=4X 1.38 x 10-23 x 290X 105/510X 103 3.14 x 10-21 A 2U2n二4k T R- BW=X 1.38 x 10-23 x 290x510x 103x 1058.16 x 10-10 V 23.2.2晶体管噪声晶体管噪声主要包括以下四部分。1、热噪声构成晶体管的发射区、基区、集电区的体电阻和引线

4、电阻产生的 热噪声，其中以基区体电阻rbb 的影响为主。2、散弹噪声散弹噪声是晶体管的主要噪声源，它是由单位时间内通过PN结 的载流子数目随机起伏而造成，本质上与电阻热噪声类似，属于均匀 频谱的白噪声，其电流功率频谱密度为：Si f =2ql其中:q=159 x 10-19库仑，10是通过PN结的平均电流值。说明：在lo = 0时，散弹噪声为零，但热噪声只要不是绝对零度 总是存在。3、分配噪声在晶体管中，由于基极电流与集电极电流的分配比例是随机的， 从而造成集电极电流在静态值上下起伏变化， 产生的噪声称为分配噪 声。分配噪声实际上也是一种散弹噪声，但它的功率频谱密度是随频 率变化的，频率越高，

5、噪声越大。4、闪烁噪声一般认为是晶体管表面清洁处理不好或有缺陷造成的，其特点是频谱集中在约1 kHz以下的低频范围，且功率频谱密度随频率降低 而增大。在高频工作时，可以忽略闪烁噪声。323场效应管噪声沟道热噪声：场效应管的主要噪声源。场效应管中沟道中多子的 不规则热运动在场效应管的漏极电流中产生类似电阻的热噪声。栅极漏电流散弹噪声：栅极漏电流随机起伏产生的类似散弹噪声 的噪声。场效应管的闪烁噪声在高频时同样可以忽略。沟道热噪声和栅极漏电流散弹噪声的电流功率频谱密度为：(2 Si(f )=4KT gm |T沟道热噪声3丿Si f =2qlg；栅极漏电流散弹噪声其中：g m是场效应管跨导，1 g是

6、栅极漏电流。3.3额定功率和额定功率增益u S信号额定功率：指电压信号源可能输出的最大功率当负载阻抗R L与信号源阻抗R s匹配时，信号源输出功率最大,即:可见，额定功率是表征信号 源的一个参量，与其实际负载值 无关。2*6电阻R的噪声额定功率为说明:4RSu(f) BW4R图例二 K T BW(1) 、电阻的噪声额定功率只与温度及通频带有关，而与本身阻 值和负载无关(注意，实际功率是与负载有关的)。(2) 、这一结论可以推广到任何无源二端网络。额定功率增益G PA: 个线性四端网络的输出额定功率P Ao与输入额定功率P Ai的比值。即：G pAPAi解:图示四端网络输入端额定功率: PAi输

7、出端额定功率为：Pa。=4(fUS R)例3.6求图例所示四端网络的额定功率增益。额定功率增益：Gpa4Rs图例2.6PAi 说明：额定功率增益是表 征线性四端网络的一个参量。 只要网络与其信号源电路确 定，则额定功率增益就是一个 定值，与该网络输入、输出电 路是否匹配无关。3.4线性四端网络的噪声系数信噪比：指四端网络某一端口处信号功率与噪声功率之比。信噪比SNR(Signal to Noise Ratio)通常用分贝数表示，写作：SNR = 10lg 丛 dBPn其中：P s、P n分别为信号功率与噪声功率。1噪声系数定义放大器的噪声系数 噪比的比值，即：NF(Noise Figure)定

8、义为输入信噪比与输出信NFPsi/ PniPs0 / pn0上述定义可推广到所有线性四端网络。通常规定：P ni :是输入信号源内阻R s的热噪声产生在放大器输入端的噪 声功率。TO :是R s的温度规定为290K时的标准噪声温度 。P no:是由R s的热噪声和放大器内部噪声共同在放大器输出端 产生的总噪声功率。系数”。如果用分贝数表示，则写作：NF -10lg Psi/Pni dBPso/ P no说明：从上定义式可以看出，NF是一个大于或等于1的数。其值越接近于1,则表示该放大器的内部噪声性能越好。2 噪声系数的计算式用额定功率来代替实际功率，即不考虑实际负载的大小，仅考虑一种最佳情况。

9、则噪声系数可写成：根据GPA定义，上式又可写成：NF二丄弘GPA PnAiNFPsAi / PnAiPsA0 / PnA0pnA0 ： =PnAiG PA PnAn其中PnAi=kTBWP nAn是放大器内部噪声额定功率。把这两个式子代入式NF-pnAo可得:Gpa PnAiNFPnAiG PA PnAnGPA PnAiPnAnGpa K % BW3由上式可得放大器内部噪声额定功率P nAn的表达式，即：P nAn=(NF-1) GpA K TO - BW当NF=1时，PnAn=0，进一步表明噪声系数是衡量放大器内部 噪声性能的参数。4级联噪声系数设n二2,两级放大器噪声系数和额定功率增益分别

10、为 NF1、NF2 和GPA1 GPA2且假定通频带也相同。则总输出噪声额定功率 P nAo 由三部分组成，即：P nA0= PnAi G PA1G PA2+ PnAnIG PA2+P nAn2其中： P nAn1= (NF1-1) -G PA1 k - TO - BWP nAn2= (NF2-1) -G PA2- k - T0 BWPnAoGpa将有关等式代入 P nA0= PnAi G PA1G PA2+ PnAn1G PA2+P nAn2 中，再将PnAi、P nA0表达式代入式：NF最后可求得两级放大器总噪声系数为：NF = NF NF2-1GPA1对于n级放大器，将其前(n-1)级看

11、成是第一级，第n级看成是 第二级，可推导出n级放大器总的噪声系数为：NF = NR 心 _N1 . _NFGPA1GPA1GPA1GPA1GPA( nV)说明：(1)、在多级放大器中，各级噪声系数对总噪声系数的影响，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。所以，降低前级放大器(尤其是第一级)的噪声系数，增大前级放大器(尤其是第一级)的额定功率增益成为减小多级放大器的噪声系数措施。(2)、上述关于放大器噪声系数的分析结果适用于所有线性四端 网络。5无源四端网络的噪声系数无源四端网络内部含有耗能电阻，从噪声角度，可以等效为一个 电阻网络。根据PnA表达式，电阻的噪声额

12、定功率与阻值无关，均为 k T BVy 即：P nAi=PnAo=k T BW由此得无源四端网络噪声系数：NF二丄Gpa例2.7某接收机由高放、混频、中放三级电路组成。已知混频器 的额定功率增益G PA2= 0.2，噪声系数NF2= 10dB,中放噪声系数NF3 =6dB,高放噪声系数NF仁3dB。如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，则高放的额定功率增益G PA1应为多少？解：先将噪声系数分贝数进行转换。3 dB、10dB 6dB分别对应为2、10、4。因为未加高放时接收机噪声系数：NF 二 NF2 NF3 一1 =10 二 25GPA22加高放后接收机噪声系数应为

13、：NF丨丄NF=2510 又：NF2 TNF3 TNF = NF一23GpA1Gpa2Gpa3所以：(NF2 -1) (NF3 -1)/Gpa2GPA1 一NF - NF1(10 -1) (4 -1)/0.22.5 2=48 二 16.8dB说明：1、加入一级高放后使整个接收机噪声系数大幅度下降，其原因是整个接收机的噪声系数不是各级噪声系数的简单迭加， 而是各有一 个不同的加权系数。2、未加高放前作为第一级的混频器噪声系数较大，额定功率增 益小于1;加入后的第一级高放噪声系数小，额定功率增益大。所以第一级米用低噪声高增益电路是极其重要的3.5等效输入噪声温度等效输入噪声温度T e (以下简称噪

14、声温度)是衡量线性四端网 络噪声性能的另一个参数。图2. 6.2噪声温度与噪声系数的等效关系噪声温度T e是将实际四端网络内部噪声看成是理想无噪声四端 网络输入端信号源内阻R s在温度Te时所产生的热噪声，此时，Rs 的温度变为T +Te,这种等效关系如上图 所示。将PnAn表达式代入下式可得：PnAo=PiAiGpA+FnAn=k0 BWG pa+(NF-1)pA k T 0 B W=k To BWG pa NF由上图(b)可得：P nAo= k ( T 0+T e) BWG pa由上两式可得T e与NF的关系式为：Te亠NF=1+ T7或 Te=(NF-1)T0可见T e值越大，NF值越大，四端网络的噪声性能越差。理想四端网络的T e为零。噪声温度T e常用在低噪声接收系统中，如某卫星电视接收机中 高频，有三种型号，其噪声温度分别为25K、28K和30K，对应的噪声系数分别为1.0862、1.0966和1.1034。3.6 接收灵敏度定义：接收机正常工作时，输入端必须得到的最小信号电压或功 率。设最小电压、功率分别为 EA PA则输入端信噪比为：畧 EA 4Ra巳ikT0.BWNF = P PPsO；： R 0EA4kT0.BW.D，Ea4KTRa.BW.D.NF.D灵敏度EA主要取决于接收机NF大小，NF越小，则EA越小，灵 敏度越高。3.7工业干扰