高频电子噪声

高频电子噪声第1页，共33页，2023年，2月20日，星期二2.2电路的噪声2.2.1电路噪声的来源和特点2.2.2噪声系数重点：噪声系数、噪声温度。第2页，共33页，2023年，2月20日，星期二2.2.1电路噪声的来源和特点

干扰与噪声所谓干扰（或噪声）,是除有用信号以外的一切不需要的信号及各种电磁骚动的总称。干扰和噪声是两个同义的术语,没有本质的区别。习惯上，将外部来的称为干扰，内部产生的称为噪声。第3页，共33页，2023年，2月20日，星期二1.电阻热噪声噪声电压Un(t)是随机变化的，其波形如图。第4页，共33页，2023年，2月20日，星期二噪声电压Un(t)的统计平均值为零。Un(t)平方后再取其平均值，称为噪声电压的均方值，即

噪声电压作用于1Ω电阻上的平均功率为第5页，共33页，2023年，2月20日，星期二

热运动理论和实践证明,

电阻热噪声平均功率为:

Pn=kTB

k：1.38×10-23J/K为波尔兹曼常数

T：ºC+273º为电阻的绝对温度值(K)

B：为测量此噪声时的带宽第6页，共33页，2023年，2月20日，星期二电阻热噪声等效电路如图所示第7页，共33页，2023年，2月20日，星期二

2.2.2噪声系数

基本概念信号功率(Signal):信号能量大小；噪声功率(Noise):噪声能量大小；信号噪声功率比:用以衡量信号质量；第8页，共33页，2023年，2月20日，星期二

1.噪声系数的定义

噪声系数的定义是线性网络输入端信号噪声功率比Psi/Pni与输出端信号噪声功率比Pso/Pno的比值。用NF表示。第9页，共33页，2023年，2月20日，星期二

如果是理想无噪声的线性网络，输出端的信噪比与输入端的信噪比相同,噪声系数NF=1。若放大电路本身有噪声,则输出端的信噪比低,即NF>1。噪声系数表示通过线性网络后,信噪比变坏的程度。是衡量线性网络噪声性能好坏的物理量。用分贝数表示。第10页，共33页，2023年，2月20日，星期二噪声系数有第二种表示形式式中AP=Pso/Psi为线性网络的功率增益上式表明：噪声系数NF仅与以下二者有关:

1.放大电路输出端总的噪声功率;

2.放大电路输入的噪声功率通过放大电路放大后在输出端所产生的噪声功率。噪声系数NF与输入信号大小无关。第11页，共33页，2023年，2月20日，星期二

2.噪声系数的第三种表示实际上,放大电路的输出噪声功率Pno是由两部分组成的,一部分是Pno1=ApPni,另一部分是放大电路本身产生的噪声在输出端呈现的噪声功率Pno2。即Pno=Pno1+Pno2所以,噪声系数又可写成可以看出噪声系数与放大电路内部产生的噪声有关。第12页，共33页，2023年，2月20日，星期二

噪声系数的概念适用于线性电路,对非线性电路,信号与噪声、噪声与噪声之间会相互作用。因为非线性电路会产生信号和噪声的频率变换，噪声系数不能反映系统的附加噪声性能。即使电路本身不产生噪声,输出端的信噪比也和输入端的不同。

第13页，共33页，2023年，2月20日，星期二3.噪声性能的另一表示噪声系数的定义是输入端信噪比与输出端信噪比的比值。信号输入功率与信号源内阻Rs和放大电路的输入电阻Ri有关;

但输入端信噪比却与二者（Rs、Ri）无关;同理：信号输出功率与线性网络输出电阻Ro和负载电阻RL有关;

但输出端信噪比却与二者（Ro、RL）无关;第14页，共33页，2023年，2月20日，星期二匹配法计算NF

噪声系数的的计算可假设放大电路处于任何状态,只要计算简便。可以假设放大电路输入与输出均处于匹配状态。为了计算和测量的方便，噪声系数可以用额定功率和额定功率增益的关系来计算。第15页，共33页，2023年，2月20日，星期二

由上两式知，不管信号源内阻如何，它产生的额定噪声功率是相同的，其大小只与电阻所处的环境温度T和系统带宽B有关。

所谓的额定功率是指信号源所能输出的最大功率。

当信号源内阻Rs与放大电路的输入电阻Ri相等时,信号源有最大功率输出。这个最大功率称为信号额定输入功率。其值为而额定输入噪声功率为第16页，共33页，2023年，2月20日，星期二同理,对输出端来说,当放大电路的输出电阻Ro与负载电阻RL相等时,输出端匹配。输出端的额定信号功率为Pso和额定噪声功率为Pno。额定功率增益APH是指放大电路的输入和输出都匹配时(即RS=Ri,R0=RL时)的功率增益,这是噪声系数的第四种表示形式。第17页，共33页，2023年，2月20日，星期二

T为室温,可认为T=290K（17oC）

Ti为放大电路的等效噪声温度这是噪声系数的第五种表示形式。NF也可表示为：第18页，共33页，2023年，2月20日，星期二

4.噪声温度噪声温度是用来表征放大电路内部噪声的一种形式。噪声温度的概念是,把放大电路的内部噪声看作是由信号源内阻Rs在温度为Ti时所产生的噪声。也就是说,在放大电路的输入端,虚设一个噪声源,噪声电压均方值U2ni=4kTiRsΔfn。它经过放大电路放大后,在输出端得到的额定输出噪声功率正好等于放大电路内部噪声在输出端得到的额定输出噪声功率其中Ti叫做等效噪声温度,简称噪声温度。第19页，共33页，2023年，2月20日，星期二噪声温度Te

令T=290k(17摄氏度）

Te=T(Nf-1)=290K(Nf-1)

对于理想网络：Te=0，Nf=1

对于实际网络：Te>0，Nf>1Nf=0.5dB,即：Nf=1.12,Te=35kNf=0.8dB,即：Nf=1.21,Te=61kNf=3dB,即：Nf=2,Te=290kNf=7dB,即：Nf=5,Te=1160k第20页，共33页，2023年，2月20日，星期二常用来计算放大电路的噪声系数与噪声温度之间的转换。例如,两个放大器：一个噪声系数NF=1.12,对应的Ti=35K

另一个噪声系数NF=1.21,对应的Ti=61K

从噪声系数上看,两放大器差别很小,但从噪声温度上看,两者相差很大。因此,在噪声很低的场合,用噪声温度表示,能更清楚地显示出放大电路的噪声性能。第21页，共33页，2023年，2月20日，星期二(1)先讨论两级放大器的总噪声系数。5.多级放大器的噪声系数第22页，共33页，2023年，2月20日，星期二两级放大器如图2-6所示。每一级的额定功率增益和噪声系数分别为APH1、NF1和APH2、NF2,通带均为Δfn。第一级放大器的额定输出噪声功率为第23页，共33页，2023年，2月20日，星期二同理,第二级放大器的额定输出噪声功率也是由两部分组成。一部分是第一级放大器输出的额定输出噪声功率经第二级放大后的输出部分;另一部分是第二级放大器本身产生的输出噪声功率P2nO2;即第24页，共33页，2023年，2月20日，星期二这样,第二级放大器的额定输出噪声功率为两级放大器的总噪声系数为第25页，共33页，2023年，2月20日，星期二由此式可知,多级放大器总的噪声系数主要取决于前面两级。这是因为Ap的乘积很太,后面各级的影响很小。通常,要求第一级的NF1要小而APH1要大。第26页，共33页，2023年，2月20日，星期二6.无源二端口(四端)网络的噪声系数无源二端口网络广泛应用于各种无线电设备中。例如接收机的输入回路、天线至接收机的传输线以及LCR滤波器等。它可以是LCR并联振荡回路,也可以是较复杂的LC滤波器或传输线等。

第27页，共33页，2023年，2月20日，星期二设APH是该网络的额定功率增益,它的额定输出噪声功率是同样,由信号源加到网络的额定输入噪声功率是

上式表明,一个无源二端口网络的噪声系数等于它的额定功率增益的倒数，即无源四端网络的噪声系数等于它的衰减值。这个结果对任何无源网络,不管其内部电路如何,都是适用的。得出：第28页，共33页，2023年，2月20日，星期二灵敏度（Sensitivity）

灵敏度定义：当给定系统的输出信噪比（）的条件下，接收机的有效输入信号功率的最小值（或接收机所能检测的最低输入信号电平）。

在规定的输出信噪比时，接收机所需的最小输入信号电压，定义为接收机的灵敏度。第29页，共33页，2023年，2月20日，星期二根据噪声系数的定义得到的灵敏度为：或以dB表示为也可以为由上节的分析知，当信号源内阻与放大器输入端电阻相匹配时，输入信号功率为：此时的输入噪声功率为：第30页，共33页，2023年，2月20日，星期二例：在一个线性系统中，已知其输入阻抗为50Ω，噪声系数为8dB，带宽为2.1kHz，若给定的输出信噪比为1dB。试求该系统所能检测到的最低输入信号电平是多少？设温度为290K。

解：根据得到最小可检测输入信号电平为由此得到有效输入信号功率的最小值（灵敏度）为第31页，共33页，2023年，2月20日，星期二动态范围DR