通信电路原理课件03_2.ppt

1、2020年8月25日,通信电路原理,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( * ),2020年8月25日,通信电路原理,2,3.4 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 噪声温度 3.4.6 接收机的灵敏度与最小可检测信号 3.4.7 低噪声放大器的指标（补充）（*） 3.4.8 低噪声放大器（*）,随机噪声是所有电阻和电子器件固有的，是通信系统内部噪声的主要来源，它限制了系统处理微

2、弱信号的能力，因此是决定通信接收机性能的关键因素。,2020年8月25日,通信电路原理,3,3.4.1 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,2020年8月25日,通信电路原理,4,3.4.1 电阻的热噪声（续1）,（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 = 10-13-10-14 s的电窄脉冲；这些电冲击是连续的、随机起伏的，可被视为是一个平稳随机过程。 ； 这无数个电窄脉冲

3、叠加的总效果定义为电阻热噪声；,2020年8月25日,通信电路原理,5,3.4.1 电阻的热噪声（续2）,（2）噪声功率和噪声电压：,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）,在相当长的观测时间内，噪声电压或电流的平均值趋于零：,2020年8月25日,通信电路原理,6,3.4.1 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，所以命名电阻热噪声为白噪声。,3.4.1 电

4、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。,2020年8月25日,通信电路原理,8,3.4.1 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。,若在频带f内，传输函数具有常数幅度特性，则噪声电压均方值为：,2020年8月25日,通信电路原理,9,3.

5、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？,2020年8月25日,通信电路原理,10,3.4.1 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？,2020年8月25日,通信电路原理,11,3.4.1 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： 宽度为 的矩形面积与曲线下面的面积是相等的，定义其为等效噪声频带

6、。,左图所示半功率点频带 和等效噪声频带 之间的关系。,3.4.1 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：,RC并联电路的等效噪声带宽稍大于半功率点通频带。,2020年8月25日,通信电路原理,13,3.4.2 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： （白噪声）,这是电子流的不均匀性引起的。,分配噪声： （有色噪声）,载流子在基区分配比例随机变化 所产生的噪声称为分配

7、噪声。,1 / f 噪声： （有色噪声） 闪烁噪声，低频时较显著。在1KHz（f1）以上，则可以忽略。,附录3.2.1,共基噪声模型,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）,

8、2020年8月25日,通信电路原理,16,3.4.3 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：,噪声指数 NF=10logF（dB）,2020年8月25日,通信电路原理,18,3.4.3 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

9、：,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。,2020年8月25日,通信电路原理,19,3.4.3 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。,2020年8月25日,通信电路原理,20,3.4.3 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（续）,无源网络的噪声系

10、数等于其网络衰减系数。,2020年8月25日,通信电路原理,22,3.4.3 噪声系数（续6）,（4）无源网络噪声系数的计算（续） 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,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：,2020年8月25日,通信电路原理,25,3.4.5 噪声温度,网络的噪声性

11、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 可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。,一、噪声温度的定义及与噪声系数的关系,2020年8月25日,通信电路原理,26,3.4.5 噪声温度（续）,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， 。,由,得到：,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）,2020年8月25日,

12、通信电路原理,27,3.4.5 噪声温度（续）,二、级联网络的噪声温度,网络1,网络2,2020年8月25日,通信电路原理,28,3.4.6 接收机的灵敏度与最小可检测信号,定义：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，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：,3.4.6 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，噪声指数为 6dB， BW=1MZ。当要求输出信噪比为1时，接收机的最小有用信号功率和电压为多少？,噪声指数为 6dB，则 。,当输入电阻为 时，最小可检测信号电压为：,解：,202

13、0年8月25日,通信电路原理,30,dBm：以 为零电平的分贝。,3.4.6 接收机的灵敏度与最小可检测信号（续2）,还可以表示为：,2020年8月25日,通信电路原理,31,3.4.7 低噪声放大器的指标（补充）,LNA（Low-Noise-Amplifire）应用于接收机射频前端的前级，用来放大微弱信号。,LNA的主要指标是： 低的噪声系数； 放大器本身产生的噪声功率小，前级； 合适的增益； 有效放大信号，减小后级噪声影响； 输入输出阻抗的匹配 ；以便获取最大增益 足够的线性范围； 在较大输入范围内不产生失真；？,在射频放大器电路中，常用 1dB增益压缩点来度量放大器的线性。,3.4.7

14、低噪声放大器的指标（续1）,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。,通常 ，此时平均跨导 随输入信号幅度的增大而减小，此为增益压缩。,（1）放大器的1dB增益压缩点,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增益下降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

15、指标（续3）,（2）三阶互调截点IIP3 参考：陈邦媛射频通信电路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并形成对有用信号的干扰。,这些由非线性器件的三次方项产生的干扰组合频率分量，就是三阶互调。,2020年8月25日,通信电路原理,35,3.4.7 低噪声放大器的指标（续4）,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。,2020年8月25日,通信电路原理,36,由定义 ，则对应三阶截点的输入信号幅度为：,3.4.7 低噪声放大器的指标（续5）,基波

16、功率为：,三阶互调功率为：,将上述方程化为对数坐标，则有：,假设两个频率十分接近的信号输入幅度相同，为,2020年8月25日,通信电路原理,37,3.4.8 低噪声放大器,（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）减小噪声系数的措施 （4）低噪声放大器的输入阻抗匹配,2020年8月25日,通信电路原理,38,3.4.8 低噪声放大器,（1）晶体管放大器的噪声系数,例：共基极放大器的噪声等效电路,假定等效电路噪声源是彼此统计独立的。,返回,2020年8月25日,通信电路原理,39,（1）晶体管放大器的噪声系数（续1）,信号源内阻 的热噪声,基极电阻 的热噪声,发射结的散

17、粒噪声,集电结的分配噪声,晶体管放大器的噪声系数：计算各噪声源引起的输出噪声功率，并计算噪声系数。,（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有关,附录3.2.1,噪声系数与晶体管工作状态有关,F与工作状态的关系较复杂，（re，fa）可由实验方法确定。,2020年8月25日,通信电路原理,41,（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

18、里是折合到输入端 。,2020年8月25日,通信电路原理,42,（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。,（3）减小噪声系数的措施,选择合适的工作带宽。,2020年8月25日,通信电路原理,44,（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。,2020年8月25日,通信电路原理,45,（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