射频电路设计技术第六章

第6章噪声与

非线性失真评价一个射频系统性能的优劣时，有两个很重要的指标：（1）噪声系数（2）非线性失真当一个系统处于小信号工作时，其许多性能指标都与噪声有关；当信号增大时，二极管和晶体管都存在非线性失真。6.1噪声系数噪声系数定义为输入信噪功率比与输出信噪功率比的比值：噪声系数用分贝表示如下：可见，噪声系数表示信号通过系统后，系统内部噪声引起信噪比恶化的程度。有以下特性：（1）如果系统是无噪的，不管系统的增益多大，输入的信号和噪声都同样被放大相同倍数，而没有添加任何其他噪声，因此输入、输出的信噪比相等，相应的噪声系数为1。（2）有噪系统的噪声系数均大于1，是因为系统内部噪声增大了输出噪声，使得输出信噪比减小。6.2噪声温度用等效噪声温度来描述系统噪声的实际内涵是把系统内部噪声看做信号源内阻在温度To所产生的热噪声功率，同时可以把由天线引入的外部噪声也看做是由信号源内阻处于另一温度Ti所产生的热噪声功率，从而外部和内部噪声功率的叠加也是等效温度相加。6.2.1噪声温度与

噪声系数的关系等效噪声温度和噪声系数是用两种不同的方法来描述同一个系统的内部噪声特性。两者之间关系式如下表示：对于一个无噪系统，由于F=1，即噪声系数为0dB，它的等效噪声温度也为零。6.2.2噪声温度的测试等效噪声温度特别适用于描述那些噪声系数接近于1的部件，因为等效噪声温度对于这些部件的噪声性能提供了比较高的分辨率。噪声温度的测试电路如下图所示：噪声温度的计算通过以上测试平台可计算出噪声温度：噪声系数的计算当噪声温度为290K时，噪声因子定义为：可推导出噪声系数的计算式如下：6.3级联器件的噪声系数射频信号经过滤波器、低噪声放大器、混频器及中频放大器等单元模块的传输，由于每个单元都有固有噪声，因而经传输后都将使输入信噪比变差。在更多级级联系统中，可以推导出总的等效噪声温度和噪声系数分别是：由以上分析，可知前面几级的噪声系数对系统的影响较大。为了降低级联系统的噪声系数，必须降低第一、二级的噪声系数，并适当提高其功率增益，以降低后面各级的噪声对于系统的影响。如果第一级没有增益，反而有损耗，对降低系统的噪声系数不利，比如，在接收机的天线和第一级低噪声放大器之间接一无源有耗滤波器。6.4交调失真在由各种有源器件构成的线性放大器中，由于有源器件的特性是非线性的，在放大过程中总会产生各种各样的失真。讨论有源器件非线性特性对线性放大器的影响，可分为两种不同的情况：一是电路输入端只有一个有用信号输入时；二是输入端除有用信号外，还输入一个或多个信号的情况。6.4.1输入端仅有一个

有用信号1.谐波分量输入为有用余弦波信号：则输出电流为：尽管输入是单一频率的信号，通过非线性器件，输出电流中不仅含有基波频率的分量，而且还出现了平均分量和频率为N（N为正整数）的各次谐波分量。射频放大器一般都是频带放大器，这些谐波由于离基波较远，一般都可以滤除，因此谐波对放大器的影响不是很大。2.增益压缩当信号大到器件的高次项不能忽略时，若只考虑到三次项，则基波信号电流为：增益压缩定义及含义如下图所示：1dB压缩点的计算也可以通过计算来确定1dB压缩点的输入信号值。根据1dB压缩点的定义，可以写出下式：通过上式变换可以得到：可见与器件类型和放大器工作点有关系。6.4.2输入端有两个以上

的信号1.交调失真设输入两个信号：

因此，除了产生谐波和的分量之外，还会产生很多组合频率的分量（m和n为含零的正整数），这就是交调失真。2.堵塞

如果电路输入的有用信号为弱信号，而另一个是强干扰信号，则输出的有用信号的基波电流分量为：

当V1远大于V2时，由于a3小于零，因而随着干扰信号的增大将导致跨导变小，从而使输出信号电流变小，甚至趋于零，这就称为堵塞。3.交叉调制如果放大器的输入端有较强的干扰信号和相对较弱的有用信号，且干扰信号是振幅调制信号，如：分析求得输出有用信号的基波电流分量为：表明干扰信号的幅度调制信息转移到了有用信号的幅度上，如果有用信号也是幅度调制信号，则通过幅度解调后将会得到干扰信号，这就是交叉调制失真。4.互相调制当两个频率十分接近的信号输入放大器时，能落在放大器频带内的频率分量除了基波之外，还可能有组合频率和，这是因为它们比较靠近基波分量所造成的。这些组合频率分量形成对有用信号的干扰。这些干扰并不是由两输入信号的谐波产生，而是由这两个输入信号的相互调制（相乘）引起的，所以称为互相调制失真，又称为互调失真。可在下面两个指标中选一个来衡量放大器的互调失真程度：（1）互调失真比（2）三阶互调截点5.三阶互调截点若忽略增益压缩，则基波分量幅度为，互调失真比IMR定义为在输入信号幅度为V时，三阶互调分量的幅度与基波幅度之比：也可以表示为功率之比：更常用“三阶截点IIP3”来说明三阶互调失真的程度。三阶互调截点IIP3定义为三阶互调功率与基波功率相等的点，此点所对应的输入功率表示为IIP3，对输出功率表示为OIP3（一般在放大器中常用OIP3作参考，在混频器中常用IIP3作参考）。6.估计IIP3的几种方法（1）求IIP3的一种方法是通过瞬态模拟，使两个幅值相等频率近似相同的正弦输入信号驱动该放大器。当输入幅值改变时计算交调，并比较输出频谱中的三次相互调制乘积项及基波项。（2）采用功率级数两个系数的比可计算出三阶交调的简单表达式，并且可推导出另一种适合于手工计算的方法。增量增益的表达式：将这最后三个系数代入求解IIP3的公式，就可得到所希望的用三个增量增益表示的IIP3的表达式：7.多级级联的情况两级放大器中三阶互调截点输入功率与各级的关系是：对于三级或更多级，可以写出更为一般的形式：6.5动态范围接收机（特别是移动的接收机）所接收到的信号强弱是不固定的，通信系统的有效性取决于它的动态范围，即高性能的工作所能承受的信号变化范围。动态范围的下限是灵敏度，它受到基波噪声的限制。动态范围的上限由最大可接收的信号失真决定。线性动态范围（lineardynamicrange）定义为：产生1dB压缩点的输入信号电平与灵敏度（或基底噪声）之比。无杂散动态范围（Spurious-FreeDynamicRange，SFDR）既下限输入信号为灵敏度（或下限为基底噪声），输入信号的上限规定为：此输入信号在输出