海南大学高频电子线路课件chapter 3 噪声与干扰新实用

1、第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 3.93.9 放大器中的噪声放大器中的噪声 概概 述述 一一. .噪声定义噪声定义 在放大电路的输出端与有用信号同时存在的一种在放大电路的输出端与有用信号同时存在的一种 随机变化的电流和电压随机变化的电流和电压(噪声电压噪声电压), 当输出端无有用信当输出端无有用信 号时号时,(放大器输入端短路放大器输入端短路), 它也存在它也存在. 如如:收音机中收音机中“沙沙 沙沙”声声, 电视图象电视图象“黑白斑点黑白斑点” . 二二.噪声的不利影响噪声的不利影响 1.影响电子设备（接收机）的灵敏度影响电子设备（接收机）的灵敏度 2.影响对有用信号的检测：若

2、外来信号小到一定值影响对有用信号的检测：若外来信号小到一定值 时，放大器输出信号和噪声大小差不多，在放大器的时，放大器输出信号和噪声大小差不多，在放大器的 输出端难于分辩信号。输出端难于分辩信号。 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 三三.噪声的分类噪声的分类 四四.干扰与噪声的区别干扰与噪声的区别： （电特性不同）电特性不同） 干扰（外部）：带有一定的脉冲性和周期性干扰（外部）：带有一定的脉冲性和周期性.(雷电干雷电干 扰、工业干扰、邻近电台干扰）扰、工业干扰、邻近电台干扰） 噪声（内部）：具有随机性，可来自外部（宇宙、大噪声（内部）：具有随机性，可来自外部（宇宙、大 气）也可来自

3、元器件本身。气）也可来自元器件本身。 自然的：热噪声、散粒噪声、闪烁噪声自然的：热噪声、散粒噪声、闪烁噪声 （电阻、晶体管）（电阻、晶体管） 认为的：交流哼声，接触不良等认为的：交流哼声，接触不良等 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 3.9.13.9.1 内部噪声的来源与特性内部噪声的来源与特性 1来源：电阻、放大器来源：电阻、放大器 电阻电阻 无外加电压 环境温度T 材料的自由电子无规则运动材料的自由电子无规则运动电阻两端产生很小的电压电阻两端产生很小的电压 具有起伏性具有起伏性 起伏噪声电压起伏噪声电压Vn（t）一段时间内，正负值相等，一段时间内，正负值相等， 电阻两端的平均电

4、压为零。但某一瞬时看，电阻两端电压的大小、方向是电阻两端的平均电压为零。但某一瞬时看，电阻两端电压的大小、方向是 随机的。随机的。 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 图 3-1 电阻热噪声电压波形 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 二.描述描述: (: (计量方法：概率统计法）计量方法：概率统计法） 1. ( ) n V t 的的平平均均值值 n V ：（一一直直流流分分量量） 0 1 lim( ) T nn T VV t dt T （实质：在较长（实质：在较长T里里 ） 0 n V （ 可表示起伏干扰的强度）可表示起伏干扰的强度） 2. ( ) n V t 的的方方均

5、均值值 2 n V ： 22 0 1 lim( ) T nn T VVt dt T 2 n V 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 3. 的频谱：的频谱：( ) n V t 单个脉冲（频谱）单个脉冲（频谱）的频谱的频谱( ) n V t 频谱密度频谱密度F（） （常数）（均匀）常数）（均匀） 功率谱（均匀）功率谱（均匀）功率谱（密度）功率谱（密度） （均匀）（均匀） 求出 不可叠加 叠加 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 设设 作用于作用于1的电阻上的电阻上 则则R在在T内得到的能量内得到的能量W=P * T= 4. 的功率谱：的功率谱：( ) n V t ( ) n V

6、 t 2 0 ( ) T n Vt dt R的平均功率的平均功率 2 0 22 0 0 2 0 1 ( ) 1 limlim( ) ( ) lim( ) T n T nn TT n T W PVt dt TT PVt dtV T PS f df PS f dfV 两边取极限两边取极限 再设：再设： df 为为 f 到到 fdf 间的平均功率间的平均功率 则总的则总的 定义：定义： 为噪声功率谱密度（为噪声功率谱密度（W/HZ)( )S f ( )S f 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 3.9.23.9.2 电阻热噪声电阻热噪声 1）一个电阻一个电阻： ( )4(/)S fkTRW

7、 Hz : : K T 波尔兹曼常数波尔兹曼常数 1.38*10-23 J/K 绝对温度绝对温度 T(K)=T0 ( C ) +273 设设 为等效噪声带宽为等效噪声带宽 则：则：R的噪声功率的噪声功率 n f 2 2 ( )4 4 nnn nn VS ffKTR f iKTG f 2 () 1 () V G R 2 ()A 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 R R (理想) (a)(b) ( )4(/)S fkTR W Hz 图图 3 2 电阻热噪声等效电路电阻热噪声等效电路 2 n V 2 n i R (理想) ( )4(/)S fkTG W Hz 2 ( )4 nnn VS

8、ffKTR f 2 4 nn iKTG f 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 2)多个电阻多个电阻 a. 串联串联：满足均方叠加原则满足均方叠加原则 b. 并联：也满足均方叠加原则并联：也满足均方叠加原则 222 1212 4() nnnn UUUKT RRf 222 1212 4() nnnn iiiKT GGf 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 3). 谐振回路的噪声：谐振回路的噪声： （并联）（并联） L rC L r C (a)(b) 2 4 nRn UKTR f 谐振：谐振： 则则回路两端回路两端的噪声电压方均值的噪声电压方均值 2 n U 22 2 44 n

9、Pn W L UKTRfKTf R 22 2 222 4 4 n nnR W L KTRf R KTR fQUQ 22 2 1 p LLLW L RW L CRR CRR 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 3.9.33.9.3 天线热噪声天线热噪声 天线本身导体电阻天线本身导体电阻0 本身热噪声很小本身热噪声很小 但是天线周围的介质微粒运动但是天线周围的介质微粒运动噪声功率噪声功率 被天线接收被天线接收 由天线辐射由天线辐射 2 44 AAnAn KT RfKTRf n V RA为天线等效辐射电阻，表示接收和辐射信号功率为天线等效辐射电阻，表示接收和辐射信号功率 第3章 噪声与干扰

10、 高频电子线路高频电子线路 3.9.43.9.4 晶体管噪声晶体管噪声 1） 热噪声：由热噪声：由rbb引起，其他区不计引起，其他区不计 散粒噪声：散粒噪声：e b，注入载流子数目不同，使注入载流子数目不同，使ie和和ic变化变化 分配噪声：分配噪声：b区符合载流子数目变化导致区符合载流子数目变化导致ic变化变化 闪烁噪声：频率降低时产生影响（表面清洁度问题）闪烁噪声：频率降低时产生影响（表面清洁度问题） t内 类 型 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 2）T型等效电路型等效电路 P108 图图3.9-10 222 encn ii bn U 3） 与与 f 的关系的关系 2 cn

11、i 2 02 0 2 1 () 1 2(1) 1 () n cnc f f f iqI f f 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 ( Fn ) 2 cn i 0 f1 f2f 高频噪声区白噪声区1/f 噪声区 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 3.103.10 噪声的表示和计算方法噪声的表示和计算方法 3.10.13.10.1 噪声系数噪声系数F Fn n 1 信噪比：信噪比： 四端网络某一端口处：四端网络某一端口处： ( s n P P 信功） （噪功） si ni P P 入端： so no P P 出端： s Sn n P PP P 要要求求： 即信号所受干扰程度

12、即信号所受干扰程度 ，信号质量，信号质量 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 2 放大器的噪声系数放大器的噪声系数Fn： Fn si ni so no P P P P 入端信噪比 出端信噪比 n n F F 越小越好 内部噪声内部噪声 n no FP 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 1)常：常： si P 总输出噪声功率 ni P so p si P G P sinono n nisopni PPP F PPG P 信号源产生的噪声功率在信号源产生的噪声功率在输出端输出端的值的值 no no P P 入端入端Vs产生产生 入端入端Vs的内阻的内阻Rs产生（热噪声，产生（

13、热噪声，T=290K) 放大器的增益（功率）放大器的增益（功率） （第二种形式) 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 2)常：常： nono PP 放大器本身产生的噪声在放大器本身产生的噪声在输出端输出端呈现的噪声功率呈现的噪声功率 1 nononono n nonono PPPP F PPP no P （第三种形式) 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 1) Fn表示信号和噪声通过系统后，系统的附加噪声使表示信号和噪声通过系统后，系统的附加噪声使 信噪比变坏的程度信噪比变坏的程度 2) Fn只使用于（准）线性网络，可用只使用于（准）线性网络，可用Gp Fn1 理想无源：

14、理想无源： Fn1 3) , 不同不同 , Fn不同不同 4) Fn中的中的 都是指系统实际的输入、都是指系统实际的输入、 输出的信号的噪声功率，其值与电路匹配状况有输出的信号的噪声功率，其值与电路匹配状况有 关。用于工程计算不方便关。用于工程计算不方便 () ,()() nsnsni Ff VFf Rf P但 ni P () nL Ff R , 即与RL开路，短路，是否匹配无关, 可用开路或短路计算Fn 3. Fn的特性：的特性： , sisonino PPPP 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 4. 额定功率（增益）及以此定义的额定功率（增益）及以此定义的Fn 额定意味着匹配（

15、最大）额定意味着匹配（最大）放大器 Rs 额定输入信号功率：额定输入信号功率： 额定输入噪声功率额定输入噪声功率： 1).额定功率：额定功率： 输出的最大功率输出的最大功率 ( Ri = Rs ) s V 2 4 sm si s V P R () si VR 2 4 44 nsn ni ss VKTRf P RR n KT f 2 () ni VR pn GF 2 nR U Us RLRiRo 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 只能改变信号源只能改变信号源Vs实际输出的大小实际输出的大小 而其额定功率不变而其额定功率不变 .() siniiL PPf RR il RR ，仍有，仍有

16、 ，但，但 is RR sisi PP nini PP 输出端：输出端： （匹配，（匹配，RL = Ro ） . sono PP 不匹配，不匹配，RL Ro 有有 ，但不表示实际，但不表示实际 . sono PP . sini PP ，额定额定 实际实际 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 2). 额定功率增益额定功率增益GpH ：输入、出端分别匹配时的功率增益输入、出端分别匹配时的功率增益 pH G 额定输出功率额定输出功率 额定输入功率额定输入功率 同理：同理： GpH是放大器本身的固有属性，一旦网络确定，是放大器本身的固有属性，一旦网络确定， GpH总是一个定值，与入、出端是否

17、匹配无关总是一个定值，与入、出端是否匹配无关 匹配时：匹配时：GpH Gp 不匹配时，仍有不匹配时，仍有GpH， ，但 但GpH Gp 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 3). 以额定功率定义的以额定功率定义的Fn： （简单）简单） si nisinonono n npH sonisonipH no P PPPPP F KT f G PPPPG P 实际中，实际中，Fn用此式计算，入、出端失配因素（比例）抵消用此式计算，入、出端失配因素（比例）抵消 即：不管输入、出端是否匹配，均可用上式即：不管输入、出端是否匹配，均可用上式 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 3.10.

18、2 噪声温度噪声温度 将线性电路的内部附加噪声折算到输入端将线性电路的内部附加噪声折算到输入端, 此附加此附加 噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效, 这就是这就是 “噪声温度噪声温度”。 折算1： 额定： 放大器 Rs pn GF 2 nR U 2 4 44 nssn nin ss VKTRf PKT f RR 经GpH： 1 nonipHnpHno PPGKT f GP 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 现： 2 ni i 4 44 nn nin VKTR f PKT f RR 理想放大器 Rs 1， pn GF 2 nR U R(Ti

19、) 2 nn U R产生： 经GpH： 2i nonpH PKT f G 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 Fn= no no P P 总额定输出噪声功率 Rs产生的，并经GpH, 在出端的Pno 12122 11 1 nonononono nonono PPPPP PPP 1 inpH npH KT f G KT f G 1 i T T Ti 噪声温度 代表相应的功率 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 折算2： 2 4() 44 () nsisn ni ss in VK TT Rf P RR K TTf 经GpH： （） nonipHinpH PPGK TTf G 对

20、信号Vs （Rs）而言： 2 4 44 nssn n ss VKTRf KT f RR 经GpH： nonpH PKT f G o o 1 nii n n PTTT F PTT (1) in n TFT FT Fn与Ti的关系 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 总结：总结： 当网络的额定功率增益远大于当网络的额定功率增益远大于1时时, 系统的总系统的总 噪声系数噪声系数主要取决于第一级主要取决于第一级的噪声系数。的噪声系数。 越是后面的网越是后面的网 络络, 对噪声系数的影响就越小对噪声系数的影响就越小, 这是因为越到后级信号的这是因为越到后级信号的 功率越大功率越大, 后面网络内

21、部噪声对信噪比的影响就不大了。后面网络内部噪声对信噪比的影响就不大了。 因此因此, 对第一级来说对第一级来说, 不但希望噪不但希望噪声系数小声系数小, 也希望增益也希望增益 大大, 以便减小后级噪声的影响。以便减小后级噪声的影响。 3.10.33.10.3 多级放大器的多级放大器的F Fn n 总 23 1 112 11 nn nn pHpHpH FF FF GGG 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 例例 3 图 3 36 是一接收机的前端电路, 高频放大器 和场效应管混频器的噪声系数和功率增益如图所示。 试求前端电路的噪声系数(设本振产生的噪声忽略不计)。 高频放大器 NF13

22、dB KP1(dB)10 dB FET混频器 NF26.5 dB KP2(dB)9 dB 本地振荡器 至中放 图 3 36接收机前端电路的噪声系数 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 解解 将图中的噪声系数和增益化为倍数, 有 10.3 11 0.90.65 22 1010102 107.94104.47 PF PF KK KK 因此, 前端电路的噪声系数为 2 1 1 1 20.352.35(3.7) F FF P N NNdB K 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 3.10.53.10.5 等效噪声带宽等效噪声带宽ffn n 1. 起伏噪声电压起伏噪声电压Vn( t

23、)通过网络时的情况：通过网络时的情况： 网络：线性、四端、具有选频性（存在带宽）网络：线性、四端、具有选频性（存在带宽） 输入端：输入端：Si ( f ) 白噪声（电阻热噪声）白噪声（电阻热噪声） 输出端：输出端：S0 ( f ) ？ 电压传输系数：电压传输系数： , 模模( )A f( )A f 功率传输系数：功率传输系数： ，（设，（设G1） 2 ( )Af 2 0 ( ) n VS f df 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 2 ( )Af 出 . 功率 入 . 功率 出 . S0 ( f ) 入 . Si ( f ) 2 0( ) ( )( ) i SfAf Sf 可见：尽

24、管可见：尽管Si （f ）为白噪声，但通过网络后为白噪声，但通过网络后 ,S0( f ) 为有色噪声，为有色噪声， S0( f ) 不均匀不均匀 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 S0 ( f ) S0 ( f0 ) 线线 性性 网网 络络 的的 等等 效效 噪噪 声声 带带 宽宽 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 2. f (n) 的求取：的求取： 如上图：如上图： 表示表示 与与f 轴之间的面积轴之间的面积 所以该面积就表示输出端的噪声电压方均值所以该面积就表示输出端的噪声电压方均值 0 0 ( )Sf df 0( ) Sf 2 n V 现：找一面积宽fn ，高S0

25、( f0 ) 使： 000 0 ()( ) n SffSf df 22 0 000 22 00000 ( )( )( )( ) ()()()() i n i Sf dfAf Sf dfAf df f SfAfSfAf 0 ( )() ii SfSf 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 由由A（f ）决定决定 与与 两者概念不同两者概念不同 与与 的关系：一般情况下是不等的，但在的关系：一般情况下是不等的，但在 实际中可用实际中可用 代替代替 单调谐：单调谐： 当当m多，多， 双调谐：双调谐： n f n f 0.7 2 f n f 0.7 2 f 0.7 2 f n f 0.7 (2

26、) 2 n ff n f 0.7 2 f 0.7 2 n ff 1, 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 3. 输出端 的求取 2 no V 2 0 0 ( ) no VSf df 2 0 2 0 22 0 2 0 0 2 0 ( )( ) ( )( ) ( )() ( ) () ( )() i i i in Af Sf df SfAf df Af Af Sfdf Af Sf Aff 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 设： （电阻） ( )4 i SfKTR 2 0 2 0 2 0 ( )() 4() 4()1 in n n Sf Aff KTRAff KTR fAf 2

27、 no V 则： 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 3.103.10. .6 6 减小减小F Fn n措施措施 1.选选Fn低的元件：电路低的元件：电路Fn元器件元器件Fn 2. 正确选用晶体管放大器的直流工作点正确选用晶体管放大器的直流工作点:() nz Ff I Rs一定 Fn Fnmin 0 IE IE0 3. 合理选用合理选用Rs： Rsopt ，Fnmin Rsoptf 共发共发 共基共基 f f 第3章 噪声与干扰 高频电子线路高频电子线路 晶体管的晶体管的F Fn n （共基） 2222 1234 2 1 n VVVV F V 22 0000 111 1() () 22 bbeco sebb ssesE VrIf Rrr RRr RIf 2 2 2 , bn U V 2222 2 3 () , enenene iU