LC谐振放大器的噪声带宽

1、LC谐振放大器的噪声带宽专业：电子科学与技术 学号：S110400442姓名：张鹏1摘要在测量中，噪声是一种不希望的扰乱信号，它是限制和影响测量 仪器的灵敏度、精确性和重复性的重要因素。对弱信号放大和传递影 响最大的是元器件中的热噪声、散粒噪声所形成的白噪声和l / f的 低频噪声。这些噪声是无法用屏蔽等措施消除的。为了减少噪声对有 用信号的影响，常用窄带滤波器滤除 带外噪声，以提高信号的信噪 比。但是，于一般滤波器的中心频率不稳定且它的带宽与中心频率， 以及滤波器的Q值有关等原因，使它不能满足更高的滤除噪声之要 求。微弱信号检测的目的是从噪声中恢复被测信号。为了把微弱信号 放大到可以感知的水

2、平，必须使用放大电路。但放大器在放大有用信 号的同时也放大了噪声，不仅如此，实际放大器本身还要产生额外噪 声，不合理的电路结构还可能引入外接干扰噪声，使得污染信号的噪 声进一步增加。因此，分析与设计低噪声放大电路对于检测微弱信号 是至关重要的。任何电路都有很多噪声源在同时起作用。电路中的电阻和其他元 件（例如电容、电感）的电阻分量都在产生热噪声，半导体器件产生 散弹噪声，有导体相互接触的地方就会产生1/f噪声，半导体器件还有可能产生爆裂噪声。从设计和调试的角度出发，人们更关心的是整 体电路的噪声特性，而不是各个独立的噪声源的噪声特性。这就需要 定义一些整体电路的噪声特性指标，以便衡量电路噪声的

3、优劣，进行 不同电路的性能对比，并利用这些指标对电路进行改进和优化。2噪声系数和噪声因数2.1 噪声系数(noise factor)双极型晶体管、场效应管、集成运算放大器都有其固有的内部噪 声源。当衡量一个有源器件的噪声特性时，人们更关注信号呗放大和 传递过程中信噪比的变化情况。为此引入噪声系数F这一重要指标， 以衡量有源器件的噪声特性的优劣。对于图1所示的线性二端口网络e为信号源电压，R为信号源输ss出电阻,R为放大器负载电阻。放大器的输入噪声只有R产生热噪声。Ls噪声系数F为输出总噪声功率输出总噪声功率放大器无噪声时的输出噪声功率(21)图1公式中，“放大器无噪声时的输出噪声功率”指的是仅

4、由输入噪 声经放大器引起的输出噪声功率。噪声系数F表征放大器在放大信号 的同时，又使得输出噪声增加的程度，F越大，说明放大器内部噪声 源在输出端产生的噪声功率占输出总噪声功率的比重越大。噪声系数F表征二端口网络对信噪比的影响的情况。对于一个无 噪声的理想放大器,F=1,；而对于具有内部噪声源的实际放大器，1。 F越大，说明放大器内部噪声越严重，放大器导致的信噪比恶化程度 就越严重。噪声系数岁放大器的偏置电流、工作频率、温度及信号源输出电 阻变化而变化。在谈及一个放大器的噪声系数是多少时，必须说明上 述工作条件。此外，噪声系数也只适用于线性电路，对于非线性电路， 即使电路内部没有任何噪声源，起输

5、出端的信噪比也与输入端不同， 噪声系数的概念也不再适用。2.2 噪声因数(noise figure)噪声系数F常用dB表示为噪声因数NFNF=10lgF (dB) (2-2) 噪声因数NF表征在原来不可避免的信号源噪声之上由放大器增加的 噪声功率多少。利用噪声因数NF的对数特性，可以把噪声系数F的 相乘运算化解为想家运算。低噪声放大器的噪声因数小，对于自身不 产生任何噪声的理想运算放大器，其噪声因数为0dB。噪声因数越大, 说明放大器的噪声性越差。低噪声设计的目的就是使放大器的NF值 尽量地小。3放大器的噪声模型任何一个放大器内部都有许多噪声源(包括电阻、晶体管等)，为 了使问题简化，在放大器

6、的噪声分析、噪声指标计算及低噪声电子设 计中，一般都是把所有内部噪声源都折合到放大器输入端，用输入端 的等效噪声源来表示，利用等效噪声源进行分析、计算和设计会带来 很多方便。根据线性电路理论，任何网络内的电源都可以等效到网络的输入 端，对于噪声源也可以这样做。图2 (a)表示的是实际二端口网络, 将网络内部的所有噪声源等效为网络输入端的一个电压源e和一个n电流源i，如图2 (b)所示。nO实际二端口网络oiff一端口网络0(a)二端口网络(b)(a)二端口网络图2二端口网络及其等效噪声模型4.放大器的噪声特性4.1放大器的等效输入噪声与信号源电阻关系前置放大器经常使用图3(1)所示的组态，图中

7、的e是被测信号s电压，R是信号源的输出电阻。把电阻和放大器用其噪声模型代替，S可得图3 (2)所是的等效噪声电路，电阻R的热噪声表示为噪声电s压源e， e和i分别为放大器等效到输入端的噪声电压和噪声电流。tnno有噪声放大器NO10乩I 瓦=W-r放大器(a)实际电路(b)压源e， e和i分别为放大器等效到输入端的噪声电压和噪声电流。tnno有噪声放大器NO10乩I 瓦=W-r放大器(a)实际电路(b)等效噪声电路图3放大器连接到信号源输入电路的总噪声功率:E 2 = V 2 + E 2 +12 R 2 = 4 KTR Af + E 2 +12 R 2nitn nssn ns等效输入噪声功率与

8、信号源内阻R的关系S(41)E2 = V2 + E2 +12R2 = 4K7Rf+E2 +12R2nit n nssn ns式中的T为绝对温度，Af为电路的带宽。(42)对于内部噪声较严重的普通放大器，E和I数值较大。nn当R阻值s较小时，输入总噪声E由E主导；当R阻值较大时，输入总噪声Eninsni由I R主导。E和I互相交叠淹没了信号源电阻的热噪声，这种情况n snn如图4 (a)所示。对于低噪声放大器，E和I R数值较小，在R的中等数值范围， TOC o 1-5 h z nnss输入总噪声E的主导成分是信号源电阻R的热噪声E，只有在R很nists小时，输入总噪声由E主导；在R很大时，输入

9、总噪声由IR主导,nsns如图4 (b)所示。V1Vr + V1Vr + Qir d V Q 十.Jf十.(a)高噪声放人器)低噪声放大器图4等效输入噪声电压均方值及其分量对信号源电阻R的关系s4.2最佳源电阻及噪声匹配利用图3 (b)的噪声模型，噪声系数F可以根据放大器输入等效 早生情况来计算。(43)P E 2 4 KTR Af + E 2 +12 R 2E 2 +12 R 2(43) TOC o 1-5 h z no=ni = snn 4 = 1 + nn s-P K P4 KTR Af4 KTR Afni pniss式中，P为放大器总的输出噪声功率；P为信号源电阻热噪声 HYPERLI

10、NK l bookmark2 o Current Document noni功率；K为放大器的功率放大倍数。或将噪声系数表示为等效噪声源p(44)平方根谱密度的形式，即(44)F 二 1 + 气 + .R24 KTRs式(4-3)中只有当R为最佳源电阻R时，噪声系数F才能达到最小sso值F，这种情况成为噪声匹配。min为了寻求最佳电阻R，将式（4-3）对R求导，在令qf.tr二0 ,sos1 s得(4-5)R 二E/I(4-5)so n n用上式表示的R代替（3-3）中的R ,得噪声系数最小值 Fsosmin(4-6)E i(4-6)n_n -2 kT Af表示为等效噪声源平方根谱密度的形式N(4-7)soiN(4-7)soiR为最佳源电阻。so5. LC谐振放大器的噪声带宽谐振放大器是电视机、通信接收装置中常用的高频信号放大电路,通常LC回路构成，如图5所示。f为回路的谐振频率，3dB带宽已0知为Af 0 7= f 0/Q,其中Q为LC回路的品质因数。(b )等效电路图5 LC谐振放大器(48)LC谐振放大器的噪声带宽为(48)恃n= |恃0.7兀由此可见，4f n Af 0.7 ,当n级数增加时