第二章-放大器的噪声源和噪声特性

微弱信号检测第2章放大器的噪声源和噪声特性2.1电子系统内部的固有噪声源2.2放大器的噪声指标与噪声特性2.3二极管和双极型晶体管的噪声特性2.4场效应管的噪声特性2.5运算放大器的噪声特性2.6低噪声放大器设计

2.7噪声特性测量2.1电子系统内部的固有噪声源2.1.1电阻的热噪声

1热噪声的统计特征噪声电压电阻值/Ω绝对温度/K波尔兹曼常数＝1.38×10-23J/K经典热力学的结论2.1电子系统内部的固有噪声源量子理论的结果，h为普朗克常量h=6.6210-34j·s，f为频率。当f不太高(f<0.1kT/h≈1012Hz)时

(室温下T=300K)分母项泰勒级数展开：开路电阻两端的噪声电压有效值（均方根值）2.1电子系统内部的固有噪声源电阻噪声源等效电路RR电阻噪声电压源等效电路电阻噪声电流源等效电路2.1电子系统内部的固有噪声源2阻容并联电路热噪声RCeteto2.1电子系统内部的固有噪声源2.1.2PN结的散弹噪声

电子电荷散弹电流有效值i=Idc+ish散弹电流/A平均直流电流/A流过PN结的电流/A散弹电流平方根谱密度2.1电子系统内部的固有噪声源2.1.31／f噪声

(1)早期模型频率/Hz与接触面材料及形状有关的系数流过样品的直流电流/A(2)迁移率涨落模型2.1电子系统内部的固有噪声源2.1.4爆裂噪声

(1)早期模型转折频率/Hz与半导体材料及杂质有关的常数流过样品的直流电流/A

2.2.1单级放大器的噪声系数

(1)噪声系数(F:noisefactor

)输出噪声输入噪声放大倍数输入信号输出信号F=输出总噪声功率放大器无噪声时的噪声输出功率2.2放大器的噪声指标与噪声特性2.2放大器的噪声指标与噪声特性(2)可检测的最小信号

可测最小信号放大器的噪声系数输出信噪比放大器的输入噪声功率(3)噪声因数

噪声系数的分贝表示方式：NF=10lgF(dB)2.2放大器的噪声指标与噪声特性

2.2.2联级放大器的噪声系数

2.2放大器的噪声指标与噪声特性2.2.2联级放大器的噪声系数

2.2放大器的噪声指标与噪声特性各级放大器的噪声系数分配2.2放大器的噪声指标与噪声特性弗里斯公式：在设计多级级联放大器时，要特别注意第一级放大器的噪声。2.2放大器的噪声指标与噪声特性噪声测度如果，则噪声测度小的应放前级第一种排列得到的总噪声系数第一种排列得到的总噪声系数2.2放大器的噪声指标与噪声特性2.2.3放大器的噪声模型

实际二端口网络无噪声二端口网络等效噪声源功率谱密度及平方根谱密度enin2.2放大器的噪声指标与噪声特性2.2.4放大器的噪声特性

1等效输入噪声与信源内阻的关系2.2放大器的噪声指标与噪声特性2.2.4放大器的噪声特性

1等效输入噪声与信源内阻的关系低噪声放大器高噪声放大器2.2放大器的噪声指标与噪声特性2最佳源电阻及噪声匹配输出噪声功率输入噪声功率功率放大倍数噪声系数用等效噪声源平方根谱密度表示2.2放大器的噪声指标与噪声特性最佳信源内阻及噪声匹配方法：2.2放大器的噪声指标与噪声特性最佳源电阻及最小噪声系数与频率的关系2.2放大器的噪声指标与噪声特性3噪声系数等值图2.2放大器的噪声指标与噪声特性4放大器噪声的其它表示法①等效噪声温度：源电阻的热噪声功率等于放大器等效输入噪声功率时的温度。2.2放大器的噪声指标与噪声特性4放大器噪声的其它表示法②

等效噪声电阻：噪声源在常温下其热噪声用等效电阻表示。电压噪声的等效电阻电流噪声的等效电阻2.2放大器的噪声指标与噪声特性2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性2.3.1半导体二极管的噪声模型流过半导体二极管的电流：q为电子电荷，V为二极管端电压，I0为二极管的反向饱和电流。2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性在频带Δf中的总电流散弹噪声均方值为：反向饱和电流噪声正向扩散电流噪声2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性半导体二极管的散弹噪声模型当零偏置时：当反向偏置时：当明显正向偏置时：2.4二级管和双级型晶体管的噪声特性半导体二极管的1/f噪声模型其功率谱密度符合迁移率涨落模型：2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性半导体二极管的等效电阻对公式进行微分得正向偏置二极管的小信号交流电阻：2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性共射极晶体管π型噪声等效电路2.3.2双极性晶体管的噪声模型1/f噪声基区电阻热噪声电压基极电流Ib的散弹噪声集电极电流Ic的散弹噪声信号源噪声2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性1.基区电阻rbb’产生的热噪声电压eb功率谱密度为：其均方值为：2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性2.基极电流IB的散弹噪声ib功率谱密度为：其均方值为：2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性3.集电极电流IC的散弹噪声ic功率谱密度为：其均方值为：2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性4.1/f噪声if功率谱密度为：其均方值为：α通常取1，γ=12，fL

为1/f噪声的转折频率。2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性5.信号源电阻RS产生的热噪声et功率谱密度为：其均方值为：2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性所有噪声源都等效为输入电压源2.3.3双极性晶体管的等效输入噪声2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性综合为一个输入电压源2.3.3双极性晶体管的等效输入噪声2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性等效为一个输入电压源和一个输入电流源2.3.3双极性晶体管的等效输入噪声2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性共发射极晶体管等效输入电压噪声随IC变化曲线2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性共发射极晶体管等效输入电流噪声随IC变化曲线2.4二级管和双级型晶体管的噪声特性共发射极晶体管最小噪声系数Fmin随IC变化曲线2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性共发射极晶体管最佳源电阻RSO随IC变化曲线2.3二级管和双级型晶体管的噪声特性共发射极晶体管噪声因数NF的频率分布2.3.4双极性晶体管的噪声因数频率分布2.4场效应管的噪声特性2.4.1场效应管的内部噪声源1.沟道的热噪声功率谱密度为：其均方值为：产生热噪声的沟道电阻在线性区KD≈1，在线性区KD≈0.67。2.4场效应管的噪声特性2.1/f

噪声功率谱密度为：其均方值为：2.5场效应管的噪声特性3.栅极的散弹噪声功率谱密度为：2.4场效应管的噪声特性4.栅极的感应噪声功率谱密度为：Gis为共源极输入电导，K1是与删源电压、漏源电压有关的系数。2.4场效应管的噪声特性2.4.2场效应管的等效输入噪声与噪声特性沟道的热噪声栅极的散弹噪声栅极的感应噪声结型场效应管的噪声等效电路1/f噪声2.4场效应管的噪声特性等效为一个输入电压源和一个输入电流源2.4场效应管的噪声特性场效应管eN和iN随频率f变化典型曲线2.4场效应管的噪声特性结型场效应管噪声因数NF的频率分布2.5运算放大器的噪声特性2.5.1运算放大器的等效输入噪声模型1/f噪声1/f噪声白噪声白噪声电压源功率谱密度电流源功率谱密度2.5运算放大器的噪声特性2.5.2运算放大器的噪声性能计算输入等效噪声电压和电流有效值2.5运算放大器的噪声特性2.5.3运算放大电路的输出噪声2.6低噪声放大器设计2.6.1有源器件的选择最佳源电阻最小噪声系数→2.6低噪声放大器设计2.6.2偏置电路与直流工作点低噪声偏置普通电路共发射极电路偏置2.6低噪声放大器设计2.6.2偏置电路与直流工作点信号源浮地信号源浮地通过信号源进行偏置2.6低噪声放大器设计2.6.2偏置电路与直流工作点利用调谐电路利用射频扼流圈射频电路偏置2.6低噪声放大器设计2.6.2偏置电路与直流工作点1.源内阻2.直流工作点3.噪声系数2.6低噪声放大器设计2.6.3噪声匹配

1、附加电阻对噪声的影响

（1）附加串联电阻的影响

（2）附加并联电阻的影响

2、调整工作点的局限性2.6低噪声放大器设计3、利用变压器实现噪声匹配

利用变压器变压器两端的噪声系数不变特性，通过变压器，信号信噪比不变，但是源电阻放大了n2倍。2.6低噪声放大器设计2.6低噪声放大器设计4、有源器件并联2.6.4

反馈电路对噪声特性的影响1）电压串联负反馈增加输入阻抗；2）电压并联负反馈减少输入阻抗3）只要反馈电阻足够大，同时给源电路增加的阻抗与信