通信电路原理课件北航12年

2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年1笫3章高频放大器3.1引言3.2晶体管的高频小信号等效电路和参数3.3高频小信号宽带放大器3.4放大器的噪声3.5宽带功率放大器(*)2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年23.4

放大器的噪声3.4.1电阻的热噪声3.4.2电子器件的噪声（*）3.4.3噪声系数3.4.4级联网络的噪声3.4.5接收机的灵敏度与最小可检测信号3.4.6噪声温度3.4.7低噪声放大器的指标（补充）（*）3.4.8噪声系数的测量（补充）（*）3.4.9低噪声放大器的设计（*）2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年33.4.1

电阻的热噪声（1）电阻热噪声的产生机理（2）噪声功率和噪声电压（3）噪声电压功率谱密度（4）白色噪声和有色噪声（5）电阻器的噪声等效电路（6）电阻器的噪声等效电路的计算（7）等效噪声频带与半功率点频带3.4.1

电阻的热噪声（续1）电阻热噪声是通信系统内部噪声的主要来源：可预测的、加性的，并出现在所有器件里。（1）产生机理：自由电子的无规则热运动产生的。自由电子与晶格碰撞，产生持续时间=10-13-10-14s的电窄脉冲；电阻热噪声是无数个电窄脉冲叠加的总效果；连续的、随机起伏的电冲击；可被视为是一个平稳随机过程。3.4.1

电阻的热噪声（续2）（2）噪声功率和噪声电压：在相当长的观测时间内，噪声电压或电流的平均值趋于零：噪声功率则趋于一有限值：噪声功率也可用噪声电压方均值表示。（单位电阻）3.4.1

电阻的热噪声（续3）（3）噪声电压功率谱密度为：单位频带的噪声功率很小：电阻热噪声的频率覆盖范围很宽：=1013-1014

为自由电子每秒碰撞次数，一般来说，f<<，所以有近似式单位频带的噪声电压功率在很宽的频带内均可视为是一恒定值；在

1000GHz以内都是成立的（1010Hz<<1013Hz

）；所以命名电阻热噪声为白噪声。3.4.1

电阻的热噪声（续4）（4）白色噪声和有色噪声：电阻器单位频带噪声功率在很宽的频率范围内均为一恒定，故类比光学中的白色光功率谱在可见光频段内均匀分布的特点，命名这种噪声为“白噪声”。在有效频带内，功率谱分布不均匀的噪声称为“有色噪声”。白噪声通过有限频带网络后，变成了有色噪声。2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年83.4.1

电阻的热噪声（续5）举例：在常温（T=290K）下工作的1k电阻，与带宽为BW=100kHz的理想网络相连接，求该电阻的噪声电压均方值与噪声电压均方根值。2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年93.4.1

电阻的热噪声（续6）（5）电阻器的噪声等效电路：为了便于电路的噪声特性分析，实际电阻器一般被等效为一理想无噪声电阻与噪声功率源相串联的电路。问题：如果用噪声等效电流源，如何表示？2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年103.4.1

电阻的热噪声（续7）（6）电阻器的噪声等效电路的计算：串连电阻的噪声等效电路问题1：如果两个电阻的温度不同，如何等效？问题2：如果两个电阻并联，如果等效？2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年113.4.1

电阻的热噪声（续8）（7）等效噪声频带与半功率点频带：物理意义：左图所示半功率点频带和等效噪声频带之间的关系。由图可知，宽度为的矩形面积与曲线下面的面积是相等的。

2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年123.4.1

电阻的热噪声（续9）例：RC并联电路如图，求端口噪声电压均方值。等效噪声带宽：半功率点通频带：等效噪声带宽稍大于半功率点通频带。2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年133.4.2

电子器件的噪声（1）晶体管的噪声（2）场效应管的噪声3.4.2

电子器件的噪声（续1）（1）晶体管的噪声电阻热噪声（白噪声）：各电极的体电阻（基极体电阻）自由电子热运动产生的噪声。散粒噪声：这是电子流的不均匀性引起的。（白噪声）分配噪声：载流子在基区分配比例随机变化所产生的噪声称为分配噪声。

（有色噪声）1/f噪声：低频时比较显著。在1KHz以上，则可以忽略。

（有色噪声）3.4.2

电子器件的噪声（续2）

（2）场效应管的噪声沟道电阻热噪声（白噪声）：由导电沟道电阻产生的噪声。：场效应管的转移跨导。栅极散粒噪声：是由于栅极内电荷不规则起伏引起的。（白噪声）：栅极泄漏电流。栅极感应噪声：沟道中的起伏噪声通过沟道与栅极之间的电容，在栅极上感应产生的噪声。工作频率越高，该噪声影响越大。（有色噪声）1/f噪声：与双极型晶体管一样，场效应管也存在1/f噪声，其产生机理和形态与双极晶体管大致相同。（有色噪声）2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年163.4.3

噪声系数（1）噪声系数的定义（2）对噪声系数物理意义的三种理解（3）噪声系数的计算（4）无源网络噪声系数的计算3.4.3

噪声系数（续1）在标准信号源激励下，网络输入信噪比与其输出信噪比的比值。即信噪比变坏的程度。“标准信号源”是指信号电压为，内阻为，并仅含有产生的白噪声的信号源。（1）噪声系数的定义：用输出噪声功率来描述？用网络输出信噪比来描述？2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年183.4.3

噪声系数（续2）（2）对噪声系数物理意义的三种理解：信噪比恶化的程度：网络输出噪声功率和输入噪声功率在输出端的比值：任何实际网络的噪声系数，都是在理想网络噪声系数的基础上加上一个增量。3.4.3

噪声系数（续3）（3）噪声系数的计算---匹配状态额定功率：信号源（包括噪声源）能够输出的最大功率（匹配时）额定功率增益：放大器输入端和输出端分别匹配时的功率增益。2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年203.4.3

噪声系数（续4）（4）无源网络噪声系数的计算信噪比的特点分析：在计算输入信噪比时，与和之间是否匹配无关。类似，在计算输出信噪比时，与输出端是否匹配无关。3.4.3

噪声系数（续5）（4）无源网络噪声系数的计算：举例无源网络的噪声系数等于其网络衰减系数。2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年223.4.3

噪声系数（续6）（4）无源网络噪声系数的计算：求长度为50m，衰减量为0.082dB/m的高频电缆的噪声系数。3.4.4

级联网络的噪声网络1网络2和分别为两网络的额定功率增益。和分别为两网络的噪声系数。和分别表示两网络的附加噪声功率。由得到：而级联网络的总的输出噪声功率为：3.4.4

级联网络的噪声（续）如令为级联网络的总功率增益：上式说明：级联网络的噪声系数，主要由网络前级的噪声系数确定。前级的噪声系数越小，功率增益越高，则级联网络的噪声系数就越小。依此类推，N级级联网络的总的噪声系数为：则级联网络的等效噪声系数为：2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年253.4.5接收机的灵敏度与最小可检测信号接收机的灵敏度是当接收端处于匹配时，为保证一定的输出信噪比，接收端所需要的最小有用信号功率。由接收机的最小可检测信号电压式中为接收机的输入电阻。得到：3.4.5接收机的灵敏度与最小可检测信号（续1）举例：输入电阻为的接收机，噪声系数为6dB，BW=1MZ。当要求输出信噪比为1，接收机的最小有用信号功率和电压为多少？噪声系数为6dB，。还可以表示为：当输入电阻为时，最小可检测信号电压为：：以为零电平的分贝。036910131619202326293012481020408010020040080010002023年3月20日《通信电路原理》--北航11年273.4.6

噪声温度网络的噪声性能也可以用噪声温度来表示。但要注意的是，网络的噪声温度不是该网络的实际物理温度，而是用以表征该网络噪声性能的一种假想温度。

实际网络用一无噪声网络和一噪声源等效。设是由信号源内阻在一假想温度下产生的噪声电压。此温度是网络的等效噪声温度。2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年28当网络噪声较小时，用噪声温度来表示更方便些。举例：=1.1，；=1.05，。3.4.6

噪声温度（续）

由得到：网络输出的噪声功率比室温下匹配电阻所引起的噪声功率大（Fn-1）倍。

网络的噪声温度与网络的噪声系数相类似，两者具有固定的转换关系。（网络输入端等效与网络输出端等效的区别）

3.4.7

低噪声放大器的指标（补充）指标0.5umGaAsFET0.8umSiBipolar电源电压（V）3.01.9电源电流(mA）4.02.0频率（GHz）1.91.9噪声系数NF(dB)2.82.8增益

(dB)18.19.5IIP3（dBm）-11.1-3下表列出了两个不同工艺的低噪声放大器的指标：主要指标是：低的噪声系数、足够的线性范围、合适的增益、输入输出阻抗的匹配。3.4.7

低噪声放大器的指标（续1）

（1）放大器的1dB增益压缩点参考：陈邦媛编《射频通信电路》P75当输入信号大到器件的高次项不能忽略时（设只考虑到三次项），基波信号电流幅度为：可得到大信号平均跨导为：由此可见大信号平均跨导与输入信号幅度有关，这与线性放大器的跨导仅与工作点有关而与输入信号无关不同。如果，这是通常的情况。对于小于零的，平均跨导输入信号幅度的增大而减小，此为增益压缩。在射频线性放大器电路中，常用1dB增益压缩点来度量放大器的线性。3.4.7

低噪声放大器的指标（续2）1dB增益压缩点定义为使增益比线性放大器下降1dB所对应的输入信号幅度值。它与器件类型和放大器工作点有关。可推导得出：由平均跨导公式和1dB增益压缩点定义：3.4.7

低噪声放大器的指标（续3）（2）三阶互调截点IIP3参考：陈邦媛编《射频通信电路》P77当两个频率十分接近的信号输入放大器时，由于器件的非线性会产生许多组合频率分量。（下章讨论）因为组合频率分量和比较靠近基波分量，所以有可能落在放大器频带内的频率分量除了基波外，还可能有组合频率分量和。这些组合频率是由非线性器件的三次方项产生的，这些组合频率分量形成对有用信号的干扰，这就是三阶互调。2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年333.4.7

低噪声放大器的指标（续4）常用三阶截点IP3来说明三阶互调失真的程度。三阶互调截点IP3定义为三阶互调功率达到和基波功率相等的点，此点所对应的输入功率表示为IIP3，此点所对应的输出功率表示为OIP3。假设两个频率十分接近的信号输入幅度相同，为。基波功率为：三阶互调功率为：将上述方程化为对数坐标，则有：2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年343.4.7

低噪声放大器的指标（续5）由定义，则对应三阶截点的输入信号幅度为：3.4.8噪声系数的测量（补充）在标准信号源激励下，网络输入信噪比与其输出信噪比的比值。即信噪比变坏的程度。“标准信号源”是指信号电压为，内阻为，并仅含有产生的白噪声的信号源。Agilent346A/B/C系列宽带（10MHzto26.5GHz）噪声源是理想噪声信号源，每个噪声源各自具有特定频率下的校准ENR值。SNS（SmartNoiseSource，10MHzto26.5GHz

）N4000系列宽带噪声源，也有特定频率下的校准ENR值。噪声源的超噪比ENR（ExcessNoiseRatio）的定义

：3.4.8噪声系数的测量（续1）噪声系数的Y系数测量法。2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年373.4.8噪声系数的测量（续2）从上图可推出噪声系数的Y系数测量法的基本关系式：Y系数的定义：噪声信号源在

ON和

OFF两种状态下的噪声功率比。因为噪声功率正比于噪声温度，所以

Y系数又可表示为：噪声系数测量仪输出脉冲电压，使噪声信号源在

ON和

OFF两种状态下。3.4.8噪声系数的测量（续3）Y系数法测量噪声系数分两步：第一步是噪声系数测量仪的校准（Calibration）。2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年393.4.8噪声系数的测量（续4）从上图可得到：第二步是测量（Measurement）,接入DUT。DUT增益的校准：求出DUT的噪声温度：2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年403.4.9

低噪声放大器的设计（1）晶体管放大器的噪声系数（2）场效应管放大器的噪声系数（3）减少噪声系数的措施（4）低噪声放大器的输入阻抗匹配（5）低噪声放大器的电路设计2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年413.4.9

低噪声放大器的设计

（1）晶体管放大器的噪声系数共基极放大器的噪声等效电路等效电路中四个噪声源基本上是彼此独立的。2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年42（1）晶体管放大器的噪声系数（续1）

信号源内阻

的热噪声电压方均值。基极电阻

的热噪声电压方均值。发射结的散粒噪声。集电结的分配噪声。晶体管放大器的噪声系数（等效计算输出噪声电压方均值）2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年43（1）晶体管放大器的噪声系数（续2）讨论：噪声系数与工作频率的关系工作频率较低时，噪声系数几乎与工作频率无关。主要是基极电阻的热噪声和散粒噪声，是白噪声。工作频率较高时，噪声系数随工作频率增加而增加。这是高频区，除热噪声和散粒噪声外，主要是分配噪声。工作频率很低时，噪声不可忽略。附录3.2.1（2）场效应管放大器的噪声系数场效应管的噪声有四个来源：栅极散粒噪声；沟道热噪声；栅极感应噪声和1/f噪声。笫一种和笫二种噪声是主要的，尤其以笫二种噪声最重要。笫二种噪声的场效应管噪声等效电路见下图。计算放大器的噪声系数，可以将噪声源折合到放大器的输出端或输入端，这里是折合到输入端。2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年45（2）场效应管放大器的噪声系数（续）

场效应管放大器的噪声系数为场效应管的输入电导；为信号源的内电导；为场效应管沟道热噪声的等效噪声电阻。在高频放大电路中（笫一级），通常选择噪声系数最小。即所谓最小噪声系数匹配。2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年46（3）减少噪声系数的措施选用低噪声器件和元件选用和噪声系数小的晶体管。选用场效应管（砷化镓金属半导体场效应管）。谨慎选用电阻元件，选用金属膜电阻。正确选择晶体管放大器的直流工作点对不同的信号源内阻，最佳的是不同的。用改变的方法耒获得低噪声放大。选择合适的信号源内阻信源内阻有最佳值，使噪声系数最小。2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年47（3）减少噪声系数的措施（续）

选择合适的工作带宽。选用合适的放大电路：热噪声是主要来源之一，所以降低接收机前端主要器件的工温度，对减小噪声系数是有意义的。

共发-共基和共源-共栅低噪声放大电路。2023年3月20日《通信电路原理》--北航11年48（4）低噪声放大器的输入阻抗匹配低噪声放大器与其信号源的匹配是很重要的。放大器与源的匹配有两种方式：一是以获得噪声系数最小为目的的噪声匹配，二是以获得最大功率传输和最小反射损耗为目的的共轭匹配。一般来说，现在绝大多数的低噪声放大器均采用后一种匹配方法；同时，力求两种匹配接近。低噪声放大器的输入匹配要求，有的是在集成电路内部就已经实现，有的需要外接匹配网络，由具体产品决定。（4）低噪声放大器的输入阻抗匹配（续）

匹配网络可以用纯电阻网络，也可以用电抗网络。电阻匹配网络适合于宽带放大，但它们要消耗功率，并增加噪声。采用无损耗的电抗网络不会增加噪声，但只适合窄带放大。（a）（b）（c）（d）LNA的匹配方式图（d）中采用电感负反馈，与晶体管的输入电容等调谐后实现匹配，这种结构适用于窄带放大，与其他方式相比，它能获得较好的噪声性能。因此在GaAsMESFET和CMOS放大器中普遍采用。（5）低噪声放大器的电路设计步骤根据指标的要求，选择合适的器件；（增益的要求还是噪声系数的要求）选择晶体管的工作点，设计直流偏置电路；测定晶体管工