物理学院高频电子线路g1-3

1、高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础第三节第三节 电子噪声及其特性电子噪声及其特性 干扰（或噪声）是除有用信号外的一切不需干扰（或噪声）是除有用信号外的一切不需要的信号和各种电磁扰动的总称。要的信号和各种电磁扰动的总称。 干扰与噪声是两个同义的术语，习惯上将干扰与噪声是两个同义的术语，习惯上将外部来的不需要信号称为干扰，内部产生的称外部来的不需要信号称为干扰，内部产生的称为噪声。为噪声。一、概述一、概述高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础干扰分为人为干扰和自然干扰干扰分为人为干扰和自然干扰人为干扰：高频和工频设备、不需要的无线电台、人为干

2、扰：高频和工频设备、不需要的无线电台、产生电火花的设备、气体放电器件。产生电火花的设备、气体放电器件。自然干扰：雷电、带电的雨、雪和灰尘运动、流自然干扰：雷电、带电的雨、雪和灰尘运动、流星余迹以及太阳的活动等。星余迹以及太阳的活动等。抑制干扰的方法：消除干扰源、躲避干扰、切断抑制干扰的方法：消除干扰源、躲避干扰、切断干扰传播途径。干扰传播途径。高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础二、电子噪声的来源与特性二、电子噪声的来源与特性 在电子线路中，噪声来源主要是：电阻热噪声和在电子线路中，噪声来源主要是：电阻热噪声和半导体管噪声。（纯电抗不产生噪声）半导体管噪声。（纯电抗

3、不产生噪声） 1、热噪声、热噪声: 热噪声热噪声(布朗噪声布朗噪声)由电阻由电阻(或导体或导体)内的自由电子热运内的自由电子热运动产生的。自由电子的热运动是随机运动。动产生的。自由电子的热运动是随机运动。 热运动引起噪声热运动引起噪声电压，在导体内形成电压，在导体内形成起伏的电流，引起的起伏的电流，引起的噪声称为起伏噪声或噪声称为起伏噪声或热噪声。热噪声。高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础 当电阻的温度为当电阻的温度为T(K)时电阻两端的噪声电压时电阻两端的噪声电压的均方值为：的均方值为：2201lim4TnnTUu dtkTBRTB: 测量电压时的带宽。测量电压

4、时的带宽。K: 波尔茨曼常数波尔茨曼常数23137 10 J/K.k4nUkTBR表示起伏电压交流分量的有效值高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础2201lim4TnnTUu dtkTBRT电阻的热噪声是白噪声。电阻的热噪声是白噪声。均方电压谱密度和均方电流谱密度为：均方电压谱密度和均方电流谱密度为：)/(4)/(422HzAkTGSHzVkTRSIUS( f )f0高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础 【例】 试计算510k电阻的噪声均方值电压和均方值电流。设K, k。 解解: 22135232210532321014. 3105101

5、02901038. 1441016. 810105102901038. 144ARBWkTIVBWkTRUnn高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础R2Un22Un12R1RUn222212121212444()4nnnnnnnUUUkTR BkTR BkT RRBkTRBRRR（1）多个电阻的热噪声）多个电阻的热噪声多个电阻混联（温度相同）时的热噪声等与混联多个电阻混联（温度相同）时的热噪声等与混联后的总电阻产生的热噪声。后的总电阻产生的热噪声。 高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础2 2 热噪声通过线性网络热噪声通过线性网络|H(j)|

6、2U2iSUiU2oSUo22200()()()oiU oU inU oU iUHjUSHjSUSdfHjSdf 高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础3、噪声带宽、噪声带宽 在最坏情况下，在最坏情况下，R=RN，传送传送到负载到负载R上噪声功率是：上噪声功率是： 噪声源等效电路噪声源等效电路222444()NNUUkTRBNkTBRRR 噪声电压均方值噪声电压均方值:kTRBUN42 在单位带宽（在单位带宽（1Hz）内的噪声电压均方值：）内的噪声电压均方值：kTRUN42 高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础 由于由于带通带通线性系统的滤

7、波作线性系统的滤波作用，滤除了热噪声中的一部用，滤除了热噪声中的一部分频率分量，使其频率发生分频率分量，使其频率发生了变化，功率频谱密度变成了变化，功率频谱密度变成了频率的函数。了频率的函数。 系统输出端的噪声电压均方值：系统输出端的噪声电压均方值：dffHfSdffSUioNo 0202)()()(高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础 工程中将系统功率传输函数工程中将系统功率传输函数H2(f )曲线与曲线与f 轴之间的面积与功轴之间的面积与功率传输函数的比值定义为率传输函数的比值定义为BN，即，即 dffHfSdffSUioNo 0202)()()(等效噪声带宽等

8、效噪声带宽)()(202oNfHdffHB 为为f = fo时的时的功率传输函数值功率传输函数值高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础二、晶体管噪声二、晶体管噪声 晶体管噪声主要包括以下四部分。晶体管噪声主要包括以下四部分。 1 1 、热噪声、热噪声 构成晶体管的发射区、基区、集电区的体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阻和引线电阻均会产生热噪声, , 其中以基区体电阻其中以基区体电阻r rbbbb的影响为主。的影响为主。 高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础2 2、 散弹噪声散弹噪声散弹噪声是晶体管的主要噪

9、声源。它是由单位时间散弹噪声是晶体管的主要噪声源。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。人内通过结的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弹着点对靶们将这种现象比拟为靶场上大量射击时弹着点对靶中心的偏离中心的偏离, , 故称为散弹噪声。故称为散弹噪声。 在本质上它与电在本质上它与电阻热噪声类似阻热噪声类似, , 属于均匀频谱的白噪声。属于均匀频谱的白噪声。高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础 3 3、 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通过发射结的非平衡载流子大部分到达集电结集电结

10、, , 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。 分配噪声实际上也是一种散弹噪声分配噪声实际上也是一种散弹噪声, , 但它的功率频谱但它的功率频谱密度是随频率变化的密度是随频率变化的, , 频率越高频率越高, , 噪声越大。噪声越大。高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础4 4、 闪烁噪声闪

11、烁噪声 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, , 一般认为是由于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, , 其特点是频谱集中其特点是频谱集中在约在约 k k以下的低频范围以下的低频范围, , 且功率频谱密度随频率降低而且功率频谱密度随频率降低而增大。在高频工作时增大。在高频工作时, , 可以忽略闪烁噪声。可以忽略闪烁噪声。 高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础3 3、 场效应管噪声场效应管噪声 场效应管是依靠多子在沟道中的漂移运动而工作的场效应管是依靠多子在沟道中的漂移运动而工作的, ,

12、 沟沟道中多子的不规则热运动会在场效应管的漏极电流中产生类似道中多子的不规则热运动会在场效应管的漏极电流中产生类似电阻的热噪声电阻的热噪声, , 称为沟道热噪声称为沟道热噪声, , 这是场效应管的主要噪声源。这是场效应管的主要噪声源。其次便是栅极漏电流产生的散弹噪声。其次便是栅极漏电流产生的散弹噪声。 场效应管的闪烁噪声在场效应管的闪烁噪声在高频时同样可以忽略。高频时同样可以忽略。 高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础第四节、噪声系数和等效噪声温度第四节、噪声系数和等效噪声温度1、噪声系数、噪声系数 用信号功率用信号功率S与噪声功率与噪声功率N之比，即之比，即信噪比

13、信噪比SN来衡量信来衡量信号的质量。号的质量。信噪比信噪比SN越大，信号质量越好。越大，信号质量越好。定义输入信噪比和输出信噪比的比值为定义输入信噪比和输出信噪比的比值为噪声系数噪声系数NF，即，即() /1iioFoPioipapapiiSNNNSKNNNKNKNKNN高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础 NF表明电路的噪声性能，如果是无噪声网络，表明电路的噪声性能，如果是无噪声网络， NF =1, 否则否则NF 1,内部噪声越大，内部噪声越大， NF越大。越大。() /1iioFoPioipapapiiSNNNSKNNNKNKNKNN高频电子线路高频电子线路第第

14、2 2章章 高频电路基础高频电路基础 噪声系数噪声系数NF常用常用db表示：表示：FN10 lgiiooSNdbSN 噪声系数噪声系数NF表明当一个信号从电路的输入传到输出表明当一个信号从电路的输入传到输出端时，信噪比恶化的程度。例如，噪声系数为端时，信噪比恶化的程度。例如，噪声系数为3dB的放大器表的放大器表明输出端的信噪比比输入端小明输出端的信噪比比输入端小3dB。对一个理想的无噪声对一个理想的无噪声放大放大器，器，噪声系数噪声系数NF=0dB。在计算噪声系数时，输入噪声功率取信号源内阻在计算噪声系数时，输入噪声功率取信号源内阻RS 的最大输出功率，的最大输出功率，Ni=kTB, RS的温

15、度取的温度取290K。高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础多级级联电路总噪声系数的计算多级级联电路总噪声系数的计算设设输入、输出信号功率为输入、输出信号功率为Si 、So，输入、输出噪声功率为，输入、输出噪声功率为Ni 、No。第一级的输入噪声。第一级的输入噪声Ni1和第二级的输入噪声和第二级的输入噪声Ni2分别是各级分别是各级电路内电阻产生的热噪声功率，即电路内电阻产生的热噪声功率，即Ni1=Ni2= kTB。第一级的输出噪声功率第一级的输出噪声功率:1111opiANK NN11111111111111111 ; (1)oAFppiiAFpipiFpisNNKK

16、 NsNNK NK NNK N 高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础 同理，可求得同理，可求得第二级电路的内部噪声功率第二级电路的内部噪声功率 :2222(1)AFpiNNKN第一级电路的内部噪声功率第一级电路的内部噪声功率: 两级的输出噪声功率两级的输出噪声功率: : 121212oppipAANK KNKNN1111( 1) AFpiNNKN1121222(1)FppiFpiNK KNNKN高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础 两级级联电路总噪声因数两级级联电路总噪声因数: 111211121222121211/(/)(1)1iioo

17、FoooiippiFppiFpippiFFpsNNNHsNssNKKNNKKNNKNKKNNNK121212oppipAANK KNKNN1121222(1)FppiFpiNK KNNKN高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础推广，推广，n级级联电路的总噪声因数级级联电路的总噪声因数 :32111212(1)111FF nFFpppppp nNNNFNKK KK KK结论：为了降低多级电路总噪声系数，往往要尽量降低第一级、结论：为了降低多级电路总噪声系数，往往要尽量降低第一级、第二级的噪声系数。这就是接收机的前端放大器（第一级或第二第二级的噪声系数。这就是接收机的前端

18、放大器（第一级或第二级电路）必须采用低噪声放大器的原因。级电路）必须采用低噪声放大器的原因。 高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础无源四端网络的噪声系数：无源四端网络的噪声系数：/1/iioFoopmipmsNNNLsNKNK 在接收机的输入端加入一个衰减器（或者因在接收机的输入端加入一个衰减器（或者因馈线引入衰减），就会使系统（包括衰减器和接馈线引入衰减），就会使系统（包括衰减器和接收机）的噪声系数增加。收机）的噪声系数增加。高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础2、等效噪声温度、等效噪声温度 对任何一个线性电路所产生的热噪声输出，都可以

19、用温度对任何一个线性电路所产生的热噪声输出，都可以用温度为为TN和处于电路输入端的电阻热噪声功率来等效，即和处于电路输入端的电阻热噪声功率来等效，即AiANpNNkT BKANNTkB NA为电路热噪声输出功率，为电路热噪声输出功率，NiA为为NA折算到电路输入端的折算到电路输入端的热噪声功率，热噪声功率，Kp为电路功率增益。而电路输入热噪声为电路功率增益。而电路输入热噪声Ni是由信是由信号源内阻号源内阻RS，处于环境温度，处于环境温度T所产生的热噪声，所产生的热噪声， kTBNi 高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础 噪声系数噪声系数 : TN表明一个信号在通过一

20、个接收机传输时，信噪比降低表明一个信号在通过一个接收机传输时，信噪比降低的程度。的程度。TN越小，接收机的质量就越好。越小，接收机的质量就越好。TN的典型值范围通的典型值范围通常从常从20K到到4000K左右。左右。FN1ApiNK N 1pNpK kT BK kTB TTN 1 (1)NFTNT等效噪声温度等效噪声温度:高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础四、四、 接收灵敏度接收灵敏度 接收灵敏度接收灵敏度S(dBm) 接收机接收微弱有用信号能力强弱接收机接收微弱有用信号能力强弱 定义：在保证必要的输出信噪比条件下，接收机输入端定义：在保证必要的输出信噪比条件下，

21、接收机输入端所需的最小有用信号电平。所需的最小有用信号电平。 该电平越低，则接收灵敏度越高，表示接收微弱信号的该电平越低，则接收灵敏度越高，表示接收微弱信号的能力也越强。能力也越强。 令输出信噪比为令输出信噪比为: :ooNSD iiiFoioSNSNSN DNiiFSN N D高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础解：解： (1)/100 ( 115)15dBiisN o(2) 10lg()()()100 2080oiisG dBsss dBmG dBdBm高频电子线路高频电子线路第第2 2章章 高频电路基础高频电路基础/(3)10lg10lg10lg10lg10lg/ ()10lg10lg 3 20 ( 115) 23 11592iioFoiooioFis NNNNGNsNGNN dBmNGNdBm (4)/()80 ( 92) 12oo