放大器噪聲資料

1、2.4 放大器的噪聲(zoshng)主要(zhyo)要求： 了解放大器內(nèi)部噪聲的主要來源和對(duì)放大器性能的影響。了解噪聲系數(shù)的概念共二十六頁 人們收聽廣播時(shí), 常常會(huì)聽到“沙沙”聲； 觀看電視時(shí), 常常會(huì)看到“雪花”似的背景或波紋線, 這些都是接收機(jī)中的放大器和其它元器件存在噪聲的結(jié)果。 噪聲對(duì)有用信號(hào)的接收產(chǎn)生了干擾, 特別是當(dāng)有用信號(hào)較弱時(shí), 噪聲的影響就更為突出, 嚴(yán)重(ynzhng)時(shí)會(huì)使有用信號(hào)淹沒在噪聲之中而無法接收。 噪聲的種類很多。 有的是從器件外部竄擾進(jìn)來的, 稱為外部噪聲；有的是器件內(nèi)部產(chǎn)生的, 稱為內(nèi)部噪聲。本節(jié)只介紹內(nèi)部噪聲。 內(nèi)部噪聲源主要有電阻熱噪聲、 晶體管噪聲和場(chǎng)

2、效應(yīng)管噪聲三種。 2.4.1 噪聲(zoshng)的來源共二十六頁1、電阻熱噪聲 電阻熱噪聲是由于電阻內(nèi)部自由電子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。 在運(yùn)動(dòng)中自由電子經(jīng)常相互碰撞, 因而其運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向都是不規(guī)則的。 溫度越高, 運(yùn)動(dòng)越劇烈。只有當(dāng)溫度下降到絕對(duì)零度時(shí), 運(yùn)動(dòng)才會(huì)停止。自由電子這種熱運(yùn)動(dòng)在導(dǎo)體內(nèi)形成非常微弱的電流, 這種電流呈雜亂起伏的狀態(tài), 稱為起伏噪聲電流。起伏噪聲電流流過電阻本身就會(huì)在其兩端產(chǎn)生起伏噪聲電壓。 由于起伏噪聲電壓的變化(binhu)是不規(guī)則的, 其瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)相位是隨機(jī)的, 所以無法計(jì)算其瞬時(shí)值。起伏噪聲電壓的平均值為零, 噪聲電壓正是不規(guī)則地偏離此平均值而起伏變化。

3、 共二十六頁 但是, 起伏噪聲的均方值是確定的, 可以用功率計(jì)測(cè)量出來。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 在整個(gè)無線電頻段內(nèi), 當(dāng)溫度一定時(shí), 單位電阻上所消耗的平均功率在單位頻帶內(nèi)幾乎是一個(gè)常數(shù), 即其功率頻譜密度是一個(gè)常數(shù)。對(duì)照白光內(nèi)包含了所有可見光波長(zhǎng)這一現(xiàn)象, 人們把這種在整個(gè)無線電頻段內(nèi)具有均勻(jnyn)頻譜的起伏噪聲稱為白噪聲。 阻值為的電阻產(chǎn)生的噪聲電壓功率頻譜密度分別為： 共二十六頁 k=1.3810-23JK (2.4.3)其中k是波爾茲曼常數(shù), 是電阻溫度, 以絕對(duì)溫度計(jì)量。 在頻帶寬度為內(nèi)產(chǎn)生的熱噪聲均方值電壓分別為： U2n=SU(f)BW (2.4.4)所以, 一個(gè)實(shí)際電阻可以分別用噪聲

4、電流(dinli)源和噪聲電壓源表示, 如圖241所示。 共二十六頁 理想電抗元件是不會(huì)產(chǎn)生噪聲的, 但實(shí)際電抗元件是有損耗電阻的, 這些損耗電阻會(huì)產(chǎn)生噪聲。對(duì)于實(shí)際電感的損耗電阻一般不能忽略, 而對(duì)于實(shí)際電容(dinrng)的損耗電阻一般可以忽略。 2.4.2 電阻(dinz)熱噪聲等效電路共二十六頁 2、晶體管噪聲(zoshng) 晶體管噪聲主要包括以下四部分。 （） 熱噪聲 構(gòu)成晶體管的發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的體電阻和引線電阻均會(huì)產(chǎn)生熱噪聲, 其中以基區(qū)體電阻rbb的影響為主。 （） 散彈噪聲 散彈噪聲是晶體管的主要噪聲源。它是由單位時(shí)間內(nèi)通過結(jié)的載流子數(shù)目隨機(jī)起伏而造成的。人們將這種現(xiàn)象

5、比擬為靶場(chǎng)上大量射擊時(shí)彈著點(diǎn)對(duì)靶中心的偏離, 故稱為散彈噪聲。在本質(zhì)上它與電阻熱噪聲類似, 屬于均勻頻譜的白噪聲, 其電流功率頻譜密度為: I（）0 (245) 其中0是通過結(jié)的平均電流值, 是每個(gè)載流子所載的電荷量。.-19庫侖。 注意, 在0時(shí), 散彈噪聲為零, 但是只要不是絕對(duì)零度, 熱噪聲總是存在。這是二者的區(qū)別。共二十六頁 （） 分配噪聲 在晶體管中, 通過發(fā)射結(jié)的非平衡載流子大部分到達(dá)集電結(jié), 形成集電極電流, 而小部分在基區(qū)內(nèi)復(fù)合, 形成基極電流。 這兩部分電流的分配比例是隨機(jī)的, 從而造成集電極電流在靜態(tài)值上下起伏變化, 產(chǎn)生噪聲, 這就是(jish)分配噪聲。 （） 閃爍噪聲

6、 產(chǎn)生這種噪聲的機(jī)理目前還不甚明了, 一般認(rèn)為是由于晶體管表面清潔處理不好或有缺陷造成的, 其特點(diǎn)是頻譜集中在約k以下的低頻范圍, 且功率頻譜密度隨頻率降低而增大。在高頻工作時(shí), 可以忽略閃爍噪聲。 共二十六頁 3、場(chǎng)效應(yīng)管噪聲 場(chǎng)效應(yīng)管是依靠多子在溝道中的漂移運(yùn)動(dòng)而工作的, 溝道中多子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)會(huì)在場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流中產(chǎn)生類似電阻的熱噪聲, 稱為溝道熱噪聲, 這是場(chǎng)效應(yīng)管的主要噪聲源。 其次便是柵極漏電流產(chǎn)生的散彈噪聲。場(chǎng)效應(yīng)管的閃爍噪聲在高頻時(shí)同樣(tngyng)可以忽略。 共二十六頁 4、等效噪聲帶寬 等效噪聲帶寬是按噪聲功率(gngl)相等（幾何意義及面積相等）來等效的，圖2.4.

7、5（c）中虛線表示的寬度為Bn、高度為S0 (f0的矩形面積與S0（f0）下的面積相等，Bn即為等效噪聲帶寬。 因?yàn)?,所以 線性網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲帶寬Bn與信號(hào)3dB帶寬BW0.7是不同的兩個(gè)概念，只有當(dāng)諧振回路諧振曲線越接近矩形，Bn越接近于BW0.7。 共二十六頁 2.4.2 線性四端網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù) 為了使放大器能夠正常工作, 除了要滿足增益、 通頻帶、 選擇性等要求之外, 還應(yīng)對(duì)放大器的內(nèi)部噪聲給以限制, 一般是對(duì)放大器的輸出端提出滿足一定信噪比的要求。對(duì)于(duy)其它線性四端網(wǎng)絡(luò)也有同樣的要求。 所謂信噪比是指四端網(wǎng)絡(luò)某一端口處信號(hào)功率與噪聲功率之比。 信噪比SNR(Signal to

8、 Noise Ratio)通常用分貝數(shù)表示, 寫作： SNR= (2.4.12)其中s、n分別為信號(hào)功率與噪聲功率。下面以放大器為例來推導(dǎo)線性四端網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)。 共二十六頁 、噪聲系數(shù)定義 如果放大器內(nèi)部不產(chǎn)生噪聲, 當(dāng)輸入(shr)信號(hào)與噪聲通過它時(shí), 二者都得到同樣的放大, 那么放大器的輸出信噪比與輸入信噪比相等。而實(shí)際放大器是由晶體管和電阻等元器件組成,熱噪聲和散彈噪聲構(gòu)成其內(nèi)部噪聲, 所以輸出信噪比總是小于輸入信噪比。為了衡量放大器噪聲性能的好壞, 提出了噪聲系數(shù)這一性能指標(biāo)。 放大器的噪聲系數(shù)NF(Noise Figure)定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值, 即:共二十六頁上述定

9、義可推廣到所有線性四端網(wǎng)絡(luò)。 如果用分貝數(shù)表示(biosh), 則寫作: NF=10lg (2.4.14) 從式（2413）可以看出, 是一個(gè)大于或等于的數(shù)。 其值越接近于, 則表示該放大器的內(nèi)部噪聲性能越好。 式（2413）中的ni是隨信號(hào)一起進(jìn)入放大器的噪聲功率, 其大小是隨機(jī)的, 而噪聲系數(shù)應(yīng)是表征放大器內(nèi)部噪聲的確定值, 所以有必要對(duì)ni標(biāo)準(zhǔn)化。共二十六頁 通常規(guī)定ni是輸入信號(hào)源內(nèi)阻s的熱噪聲產(chǎn)生在放大器輸入端的噪聲功率, 而s的溫度規(guī)定為, 稱為標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度, 用表示。相應(yīng)的噪聲系數(shù)稱為“標(biāo)準(zhǔn)噪聲系數(shù)”（本書均采用標(biāo)準(zhǔn)噪聲系數(shù), 但仍簡(jiǎn)稱為噪聲系數(shù)）。no是由s的熱噪聲和放大器內(nèi)部

10、噪聲共同在放大器輸出端產(chǎn)生的總噪聲功率。 、噪聲系數(shù)的計(jì)算式 噪聲系數(shù)可以改寫成各種不同的表達(dá)形式, 以便于分析(fnx)和計(jì)算。其中一種形式是用額定功率來代替實(shí)際功率, 即不用考慮實(shí)際負(fù)載的大小, 僅考慮一種最佳情況。這樣, 噪聲系數(shù)可寫成： 共二十六頁根據(jù)(gnj)式（2411）, 上式又可寫成:因?yàn)?yn wi)其中nAn是放大器內(nèi)部噪聲額定功率。 把這兩個(gè)式子代入式（2414）可得:共二十六頁 3、放大器內(nèi)部噪聲表達(dá)式 由式（2419）可得到放大器內(nèi)部噪聲額定功率( dn n l)nAn的表達(dá)式, 即:nAn()pAk0 (2420) 上式說明, 當(dāng)時(shí), nAn, 進(jìn)一步表明了噪聲系數(shù)

11、是衡量放大器內(nèi)部噪聲性能的參數(shù)。 共二十六頁 、級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù) 先考慮兩級(jí)放大器。 設(shè)它們的噪聲系數(shù)和額定功率增益分別為 1、 2和 PA1、 PA2, 且假定通頻帶也相同。 利用(lyng)式（2419）, 式中和PA分別看作是兩級(jí)放大器總的噪聲系數(shù)和總的額定功率增益, 而總輸出噪聲額定功率 nAo由三部分組成, 即: nAn1(1)PA1k0 (2422) nAn2(2)PA2k0 (2423)共二十六頁 將式（24）,（24）, （24）代入（24）中, 然后再將式（24）和（2421）代入式（244）中, 最后(zuhu)可求得兩級(jí)放大器總噪聲系數(shù)為： NF= (2.4.24)對(duì)于n級(jí)放

12、大器, 將其前(n-1)級(jí)看成是第一級(jí), 第n級(jí)看成是第二級(jí), 利用式(2.4.24)可推導(dǎo)出級(jí)放大器總的噪聲系數(shù)為：共二十六頁 (2.4.25) 可見, 在多級(jí)放大器中, 各級(jí)噪聲系數(shù)對(duì)總噪聲系數(shù)的影響是不同的, 前級(jí)的影響比后級(jí)的影響大, 且總噪聲系數(shù)還與各級(jí)的額定功率增益有關(guān)。 所以, 為了減小多級(jí)放大器的噪聲系數(shù), 必須降低前級(jí)放大器（尤其是第一級(jí)）的噪聲系數(shù), 而且增大前級(jí)放大器（尤其是第一級(jí)）的額定功率增益。 以上關(guān)于放大器噪聲系數(shù)的分析結(jié)果適用(shyng)于所有線性四端網(wǎng)絡(luò)。 例2.4.2共二十六頁 2.4.3 噪聲溫度與靈敏度1、等效輸入噪聲溫度 除了噪聲系數(shù)之外, 等效輸入

13、噪聲溫度e（以下(yxi)簡(jiǎn)稱噪聲溫度）是衡量線性四端網(wǎng)絡(luò)噪聲性能的另一個(gè)參數(shù)。 噪聲溫度e是將實(shí)際四端網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲看成是理想無噪聲四端網(wǎng)絡(luò)輸入端信號(hào)源內(nèi)阻s在溫度e時(shí)所產(chǎn)生的熱噪聲, 這樣, s的溫度則變?yōu)?e, 這種等效關(guān)系如圖2.4.2 所示。共二十六頁 如果放大器的額定功率增益為Apm,則放大器內(nèi)部噪聲在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率PnAn可表示為： PnAn=ApmkTeBn 對(duì)比式（2.4.27）和（2.4.28）可得到e與的關(guān)系式為: NF=1+ 或 Te=(NF-1)T0 (2.4.29)可見, e值越大, 表示四端網(wǎng)絡(luò)的噪聲性能越差。理想四端網(wǎng)絡(luò)的e為零。 噪聲溫度e常用在低噪聲

14、接收系統(tǒng)中, 其特點(diǎn)是把噪聲系數(shù)的尺度放大(fngd)了, 便于比較。共二十六頁2、接收機(jī)的靈敏度 噪聲系數(shù)除用來衡量線性放大電路的噪聲性能外，還可用來估計(jì)接收(jishu)機(jī)接收(jishu)微弱信號(hào)的能力，稱為接收(jishu)靈敏度。 接收機(jī)的靈敏度是指保證必要的輸出信噪比條件下，接收機(jī)輸入端所需的最小有用信號(hào)功率，該信號(hào)功率越低，則接收靈敏度越高，表示接收微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)。 根據(jù)噪聲系數(shù)的定義，可得接收機(jī)所需最小有用信號(hào)功率，即接收靈敏度為 Psi(min) =(Pso/ Pno)NFPni共二十六頁 在接收機(jī)輸入電阻與信號(hào)源內(nèi)阻相等匹配時(shí)Psi=kTBn,所以 Psi(min) =

15、(Pso/ Pno)NFkTBn 式中，(Pso/ Pno)為接收機(jī)輸出端容許的最小信噪比，Bn為接收機(jī)噪聲帶寬(di kun)，可以用接收通道帶寬(di kun)計(jì)算。 接收端最小信號(hào)電壓（也稱為最小可檢測(cè)信號(hào)電壓）為 Ui(min)= Ri為接收機(jī)輸入電阻。共二十六頁 2.4.4 低噪聲放大器1、對(duì)低噪聲放大器的要求 （1）噪聲系數(shù)小，低噪聲放大器位于接收機(jī)的最前端，所以噪聲系數(shù)越銷越好。 （2）功率增益高，增益高可以克服后級(jí)電路的噪聲(zoshng)，但增益不能太高，否則大信號(hào)輸入混頻器會(huì)產(chǎn)生非線性失真。 （3）動(dòng)態(tài)范圍大，動(dòng)態(tài)范圍是指接收機(jī)能保證輸出信號(hào)質(zhì)量的情況下，最大和最小電平的范圍。 （ 4）與信號(hào)源很好匹配，低噪聲放大器與信號(hào)源應(yīng)盡量做到阻抗匹配和噪聲匹配。共二十六頁2、降低噪聲系數(shù)的措施(cush) （1）選用低噪聲器件和元件 （2）選擇合適的晶體管放大器的直流工作點(diǎn) （3）選擇合適的信號(hào)源內(nèi)阻 （4）選擇合適