《射頻通信電路》噪聲

1、第二章第二章 噪聲與非線性失真噪聲與非線性失真噪聲噪聲限制了系統(tǒng)所能處理的限制了系統(tǒng)所能處理的最低最低信號電平信號電平非線性失真非線性失真限制了系統(tǒng)所能處理的限制了系統(tǒng)所能處理的最高最高電平電平本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容:一一. .噪聲噪聲1. 起伏噪聲的起伏噪聲的基本特性基本特性2.2.電子器件內(nèi)部噪聲的電子器件內(nèi)部噪聲的來源及等效電路來源及等效電路3. 衡量系統(tǒng)噪聲性能的衡量系統(tǒng)噪聲性能的指標指標噪聲系數(shù)與等效噪聲溫度噪聲系數(shù)與等效噪聲溫度二二. 非線性非線性1.1.非線性器件的非線性器件的描述方法描述方法2.2.器件非線性器件非線性對對線性放大器線性放大器的的影響及衡量指標影響及衡量指標3

2、.非線性器件在非線性器件在頻譜搬移頻譜搬移中的中的應(yīng)用應(yīng)用2.1 起伏噪聲起伏噪聲描述起伏噪聲的描述起伏噪聲的幾個重要概念：幾個重要概念：起伏噪聲的起伏噪聲的特點特點（以電阻熱噪聲為例）：（以電阻熱噪聲為例）：隨機性、電流脈沖持續(xù)時間短、平均值為零隨機性、電流脈沖持續(xù)時間短、平均值為零（1）頻譜）頻譜 極寬，幾乎占據(jù)整個無線電頻段極寬，幾乎占據(jù)整個無線電頻段（2）功率譜密度）功率譜密度 單位單位：dBm/Hz )( fS頻帶頻帶 內(nèi)的內(nèi)的功率功率：21)(ffVVdffSP12fff2nI2nV噪聲噪聲電壓均方值電壓均方值 噪聲噪聲電流均方值電流均方值212( )fnIfISf df電流功率譜

3、密度電流功率譜密度( )ISf電壓功率譜密度電壓功率譜密度 ( )VSf212( )fnVfVSf df2nI2nV和和 代表單位電阻上的功率代表單位電阻上的功率（3 3）等效噪聲帶寬）等效噪聲帶寬白噪聲白噪聲: 是常數(shù)是常數(shù))( fS)()(1222121ffSdfSfdfSIIffIffIn)( fSi輸入輸入功率譜密度功率譜密度系統(tǒng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)輸出輸出功率譜密度功率譜密度)( jfH)( fSo2)()()(fHfSfSio00222)()()(dffHSdffHfSViin白噪聲白噪聲通過線性系統(tǒng)通過線性系統(tǒng)噪聲通過噪聲通過線性系統(tǒng)線性系統(tǒng))()(0202fHdffHBL等效噪

4、聲帶寬等效噪聲帶寬定義定義系統(tǒng)系統(tǒng)總輸出噪聲總輸出噪聲22200( )( )()niiLVSfH fdfS Hf B2.2 電路器件的噪聲電路器件的噪聲1. 功率譜密度功率譜密度RkTSI14kTRRSSIV42電流電流電壓電壓白噪聲白噪聲3. 有噪電阻的串并聯(lián)有噪電阻的串并聯(lián)2. 等效電路等效電路串聯(lián)串聯(lián) 無噪電阻無噪電阻R串噪聲電壓源串噪聲電壓源并聯(lián)并聯(lián)無噪電阻無噪電阻R并噪聲電流源并噪聲電流源2nV2nI2.2.1 電阻的熱噪聲及等效電路電阻的熱噪聲及等效電路有噪電阻有噪電阻kTRBVn42BRkTIn142（B為系統(tǒng)為系統(tǒng)帶寬帶寬）4. 額定噪聲功率額定噪聲功率條件條件: 噪聲源與系統(tǒng)

5、匹配噪聲源與系統(tǒng)匹配NAB與噪聲源電阻與噪聲源電阻R大小無關(guān)大小無關(guān)與噪聲源溫度有關(guān)與噪聲源溫度有關(guān)特點特點kTBRkTRBRVNnA4442bbr1 . 基區(qū)電阻基區(qū)電阻 熱噪聲熱噪聲 白噪聲白噪聲2,bbn rV2. 散粒噪聲散粒噪聲功率譜密度功率譜密度02qISI1. 溝道電阻熱噪聲溝道電阻熱噪聲 04dIgkTS3. 閃爍噪聲閃爍噪聲 噪聲噪聲f1fWLCKSOXV12.2.2 雙極型晶體管的噪聲雙極型晶體管的噪聲 3. 噪聲等效電路噪聲等效電路2,2n ccIqI B2,2n bbIqI B2,4bbn rbbVkTr B2.2.3 場效應(yīng)管的噪聲場效應(yīng)管的噪聲2. 噪聲等效電路噪聲

6、等效電路BgkTIdDn0,42.2.4 2.2.4 電抗元件的噪聲電抗元件的噪聲電抗元件的噪聲來源于它的損耗電阻電抗元件的噪聲來源于它的損耗電阻熱噪聲熱噪聲2.2.2.5 兩端口網(wǎng)絡(luò)的等效輸入噪聲源兩端口網(wǎng)絡(luò)的等效輸入噪聲源 等效等效2nV串聯(lián)串聯(lián)噪聲噪聲電壓源電壓源 2nI并聯(lián)并聯(lián)噪聲噪聲電流源電流源 2nV2nI輸入端輸入端短路短路，將有噪網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率等效到輸入端的值，將有噪網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率等效到輸入端的值 輸入端輸入端開路開路，將有噪網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率等效到輸入端的值，將有噪網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率等效到輸入端的值 求法：求法：2,DnI例例2.2.12.2.1：如圖所示，場效應(yīng)管放

7、大器的場效應(yīng)管輸出噪聲電流為如圖所示，場效應(yīng)管放大器的場效應(yīng)管輸出噪聲電流為LR2,RLnV負載電阻負載電阻 的熱噪聲是的熱噪聲是 。解：解：（1 1）首先求放大器的增益首先求放大器的增益放大器交流等效電路如圖示，放大器交流等效電路如圖示，電壓增益電壓增益LmiLimiVRgVRVgVVA0（2）求放大器總輸出噪聲求放大器總輸出噪聲2222,n on RLn DLVVIR2nI2nV求：求：該放大器對應(yīng)的等效輸入噪聲源該放大器對應(yīng)的等效輸入噪聲源 和和 放大器（4）求等效輸入噪聲求等效輸入噪聲電流源電流源2nI輸入端開路輸入端開路此時輸出端的噪聲均由此時輸出端的噪聲均由 產(chǎn)生：產(chǎn)生：2nI22

8、22222,()()()niVnimLn oIZAIZg RV則則2222,2,2)(iLmLDnRLnnZRgRIVI不考慮不考慮負載噪聲負載噪聲222,2imDnnZgII（3 3）求等效輸入噪聲求等效輸入噪聲電壓源電壓源2nV輸入端短路輸入端短路此時輸出噪聲均由此時輸出噪聲均由 產(chǎn)生，則：產(chǎn)生，則：2nV222222,222222()n on RLn DLn RLn DnVmLmLmVVIRVIVAg Rg Rg22,2mDnngIV不考慮不考慮負載噪聲負載噪聲2nV2nI和和 是是相關(guān)相關(guān)的的 2.3 2.3 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)2.3.1 2.3.1 噪聲系數(shù)定義噪聲系數(shù)定義ooiioi

9、NPNPSNRSNRF/ 有噪有噪 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)()iSNR()oSNRFdBNFlog10)(2.3.2 .3.2 噪聲系數(shù)與等效輸入噪聲源的關(guān)系噪聲系數(shù)與等效輸入噪聲源的關(guān)系信號源信號源SV外輸入噪聲源外輸入噪聲源2SRV輸入信噪比輸入信噪比()iSRN內(nèi)部噪聲源內(nèi)部噪聲源 和和2nV2nI輸出輸出噪聲功率噪聲功率輸出輸出信號功率信號功率信號源信號源SV輸出信噪比輸出信噪比()oSRN 1BkTRRIVVRIVVSNRSNRFSSnnRSnnRoiSS4)(1)()()(2222對噪聲系數(shù)的理解對噪聲系數(shù)的理解有噪網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)一定大于有噪網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)一定大于1噪聲系數(shù)與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲大小有關(guān)

10、噪聲系數(shù)與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲大小有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)與外部源噪聲有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)與外部源噪聲有關(guān)與源噪聲溫度與源噪聲溫度 T 有關(guān)有關(guān)測量噪聲系數(shù)時，規(guī)定標準噪聲溫度測量噪聲系數(shù)時，規(guī)定標準噪聲溫度 T0=290k 噪聲匹配噪聲匹配噪聲系數(shù)最小噪聲系數(shù)最小最佳源內(nèi)阻最佳源內(nèi)阻與源內(nèi)阻與源內(nèi)阻R 有關(guān)有關(guān)BkTRRIVSNRSNRFSSnnoi4)(1)()(2其中其中 2,outnV網(wǎng)絡(luò)總輸出噪聲電壓均方值網(wǎng)絡(luò)總輸出噪聲電壓均方值VA該網(wǎng)絡(luò)的該網(wǎng)絡(luò)的電壓增益電壓增益例例2.3.12.3.1：圖示的兩端口網(wǎng)絡(luò)只是一個電阻，求該網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)。圖示的兩端口網(wǎng)絡(luò)只是一個電阻，求該網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)。 VO解解

11、: 根據(jù)公式根據(jù)公式BkTRRIVVRIVVSNRSNRFSSnnRSnnRoiSS4)(1)()()(2222一個網(wǎng)絡(luò)一個網(wǎng)絡(luò) 的噪聲系數(shù)又可以表示為的噪聲系數(shù)又可以表示為222,22222222)()(SSSSSRVoutnVVRSnnRRSnnRVAVAAVRIVVVRIVVF該網(wǎng)絡(luò)的該網(wǎng)絡(luò)的電壓增益電壓增益為為:VOSVRRRA00求網(wǎng)絡(luò)總輸出噪聲電壓均方值求網(wǎng)絡(luò)總輸出噪聲電壓均方值等效噪聲電路如圖等效噪聲電路如圖 根據(jù)根據(jù)噪聲系數(shù)定義噪聲系數(shù)定義有有:02000222,1)(4)/(4RRRRRBkTRBRRkTVAVFSSSSRVoutnS結(jié)論：結(jié)論：0R小，噪聲系數(shù)小，小，噪聲系

12、數(shù)小， 與與功率最大傳輸功率最大傳輸共軛匹配共軛匹配不同不同在帶寬在帶寬B 內(nèi)輸出內(nèi)輸出噪聲電壓均方值噪聲電壓均方值為為:BRRkTRRIIVSSRnRnoutnS)/(4)/)(0202,2,2,02.3.3.3 無源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)無源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)分析條件分析條件:輸入、輸出端均匹配輸入、輸出端均匹配已知：已知：無源有耗網(wǎng)絡(luò)的損耗為無源有耗網(wǎng)絡(luò)的損耗為 L帶寬為帶寬為B根據(jù)根據(jù)噪聲系數(shù)的定義噪聲系數(shù)的定義/1/iiAoAooAPiAPP NNNFLPNGNG結(jié)論：結(jié)論：無源有耗網(wǎng)絡(luò)的無源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)在數(shù)值上等于在數(shù)值上等于它的損耗它的損耗 SR信號源內(nèi)阻信號源內(nèi)阻 產(chǎn)

13、生的額定噪聲功率為產(chǎn)生的額定噪聲功率為 kTBNiA0R輸出電阻輸出電阻 產(chǎn)生的額定噪聲功率為產(chǎn)生的額定噪聲功率為 kTBNoA2.4 2.4 等效噪聲溫度等效噪聲溫度 條件：條件：有噪線性網(wǎng)絡(luò)、有噪線性網(wǎng)絡(luò)、 產(chǎn)生白噪聲、匹配產(chǎn)生白噪聲、匹配2.4.1.4.1等效噪聲溫度定義等效噪聲溫度定義定義：定義：將網(wǎng)絡(luò)視為無噪，其內(nèi)部噪聲折合到輸入源端，將網(wǎng)絡(luò)視為無噪，其內(nèi)部噪聲折合到輸入源端， 視為由某電阻在溫度視為由某電阻在溫度 時產(chǎn)生的白噪聲時產(chǎn)生的白噪聲eTPGBePNkT BG內(nèi)有噪網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲有噪網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲和等效噪聲溫度的關(guān)系和等效噪聲溫度的關(guān)系2.4.2 2.4.2 等效噪聲溫度與噪聲

14、系數(shù)的關(guān)系等效噪聲溫度與噪聲系數(shù)的關(guān)系已知條件已知條件: 網(wǎng)絡(luò)帶寬網(wǎng)絡(luò)帶寬 B、 、eTPGiP0T源端匹配源端匹配 、設(shè)網(wǎng)絡(luò)為無噪，設(shè)網(wǎng)絡(luò)為無噪，總輸入噪聲總輸入噪聲為為0()eiNk TT B總信號源輸入噪聲信號源輸入噪聲為：為：0iNkT B總輸出噪聲總輸出噪聲為為0()oPeNG k TT B由噪聲系數(shù)定義由噪聲系數(shù)定義000/1/()iiieooPiPeP NP kT BTFPNG P G k TT BT 或或0) 1(TFTe2.5 2.5 多級線性網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的噪聲系數(shù)多級線性網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的噪聲系數(shù)已知；已知；各級間均匹配，帶寬均為各級間均匹配，帶寬均為B額定功率增益、噪聲系數(shù)額定功率增益、噪聲系數(shù)等效噪聲溫度等效噪聲溫度BkTNi0第一級輸入第一級輸入噪聲功率噪聲功率 11011PAPAeNGkT BGkT B第一級的輸出第一級的輸出噪聲功率是噪聲功率是2212212011()eoPAPAePAPAePATNGNGkT BGGkB TTG第二級輸出第二級輸出噪聲功率是：噪聲功率是：求：總噪聲系數(shù)求：總噪聲系數(shù) 、等效噪聲溫度、等效噪聲溫度eTF兩級總的輸出兩級總的輸出噪聲功率又可表示為噪聲功率又