高頻電子線路-第2章-噪聲與非線性失真(浙)

19十二月20241高頻電子線路_第2章_噪聲與非線性失真(浙)第二章噪聲與非線性失真噪聲——限制了系統(tǒng)所能處理的最低信號電平非線性失真——限制了系統(tǒng)所能處理的最高電平本章主要內(nèi)容:一.噪聲1.

起伏噪聲的基本特性2.電子器件內(nèi)部噪聲的來源及等效電路3.衡量系統(tǒng)噪聲性能的指標(biāo)——噪聲系數(shù)與等效噪聲溫度二.非線性1.非線性器件的描述方法2.器件非線性對線性放大器的影響及衡量指標(biāo)3.非線性器件在頻譜搬移中的應(yīng)用22.1起伏噪聲描述起伏噪聲的幾個重要概念：起伏噪聲的特點(diǎn)（以電阻熱噪聲為例）：隨機(jī)性、電流脈沖持續(xù)時間短、平均值為零（1）頻譜

——極寬，幾乎占據(jù)整個無線電頻段（2）功率譜密度

——單位：dBm/Hz

頻帶內(nèi)的功率：噪聲電壓均方值

噪聲電流均方值電流功率譜密度電壓功率譜密度和代表單位電阻上的功率3（3）等效噪聲帶寬白噪聲:

是常數(shù)輸入功率譜密度系統(tǒng)傳遞函數(shù)輸出功率譜密度白噪聲通過線性系統(tǒng)噪聲通過線性系統(tǒng)等效噪聲帶寬定義系統(tǒng)總輸出噪聲42.2電路器件的噪聲1.功率譜密度電流電壓白噪聲3.有噪電阻的串并聯(lián)2.等效電路串聯(lián)——無噪電阻R串噪聲電壓源并聯(lián)——無噪電阻R并噪聲電流源2.2.1電阻的熱噪聲及等效電路有噪電阻（B為系統(tǒng)帶寬）54.額定噪聲功率條件:噪聲源與系統(tǒng)匹配NAB與噪聲源電阻R大小無關(guān)與噪聲源溫度有關(guān)特點(diǎn)61.

基區(qū)電阻熱噪聲

——白噪聲2.

散粒噪聲——功率譜密度1.溝道電阻熱噪聲——3.閃爍噪聲——噪聲2.2.2雙極型晶體管的噪聲

3.噪聲等效電路2.2.3場效應(yīng)管的噪聲2.噪聲等效電路72.2.4電抗元件的噪聲電抗元件的噪聲來源于它的損耗電阻——熱噪聲2.2.5兩端口網(wǎng)絡(luò)的等效輸入噪聲源

等效串聯(lián)噪聲電壓源

并聯(lián)噪聲電流源

輸入端短路，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開路，將有噪網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率等效到輸入端的值求法：8例2.2.1：如圖所示，場效應(yīng)管放大器的場效應(yīng)管輸出噪聲電流為負(fù)載電阻的熱噪聲是。解：（1）首先求放大器的增益放大器交流等效電路如圖示，電壓增益（2）求放大器總輸出噪聲求：該放大器對應(yīng)的等效輸入噪聲源和放大器9（4）求等效輸入噪聲電流源輸入端開路此時輸出端的噪聲均由產(chǎn)生：則不考慮負(fù)載噪聲（3）求等效輸入噪聲電壓源輸入端短路此時輸出噪聲均由產(chǎn)生，則：不考慮負(fù)載噪聲和是相關(guān)的102.3噪聲系數(shù)2.3.1噪聲系數(shù)定義

有噪網(wǎng)絡(luò)2.3.2噪聲系數(shù)與等效輸入噪聲源的關(guān)系信號源外輸入噪聲源輸入信噪比內(nèi)部噪聲源和輸出噪聲功率輸出信號功率信號源輸出信噪比

>111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1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)與源噪聲溫度T有關(guān)測量噪聲系數(shù)時，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度T0=290k噪聲匹配噪聲系數(shù)最小最佳源內(nèi)阻與源內(nèi)阻R有關(guān)12其中網(wǎng)絡(luò)總輸出噪聲電壓均方值該網(wǎng)絡(luò)的電壓增益例2.3.1：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)。

VO解:根據(jù)公式一個網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)又可以表示為13該網(wǎng)絡(luò)的電壓增益為:VO求網(wǎng)絡(luò)總輸出噪聲電壓均方值等效噪聲電路如圖根據(jù)噪聲系數(shù)定義有:結(jié)論：小，噪聲系數(shù)小，與功率最大傳輸——共軛匹配不同在帶寬B內(nèi)輸出噪聲電壓均方值為:142.3.3無源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)分析條件:輸入、輸出端均匹配已知：無源有耗網(wǎng)絡(luò)的損耗為L帶寬為B根據(jù)噪聲系數(shù)的定義結(jié)論：無源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)在數(shù)值上等于它的損耗

信號源內(nèi)阻產(chǎn)生的額定噪聲功率為輸出電阻產(chǎn)生的額定噪聲功率為152.4等效噪聲溫度條件：有噪線性網(wǎng)絡(luò)、產(chǎn)生白噪聲、匹配2.4.1等效噪聲溫度定義定義：將網(wǎng)絡(luò)視為無噪，其內(nèi)部噪聲折合到輸入源端，視為由某電阻在溫度時產(chǎn)生的白噪聲有噪網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲和等效噪聲溫度的關(guān)系162.4.2等效噪聲溫度與噪聲系數(shù)的關(guān)系已知條件:

網(wǎng)絡(luò)帶寬B、、源端匹配、設(shè)網(wǎng)絡(luò)為無噪，總輸入噪聲為信號源輸入噪聲為：總輸出噪聲為由噪聲系數(shù)定義或172.5多級線性網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的噪聲系數(shù)已知；各級間均匹配，帶寬均為B額定功率增益、噪聲系數(shù)等效噪聲溫度第一級輸入噪聲功率第一級的輸出噪聲功率是第二級輸出噪聲功率是：求：總噪聲系數(shù)、等效噪聲溫度兩級總的輸出噪聲功率又可表示為所以相等18多級線性網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)總噪聲系數(shù)2.增大第一級的增益可以減少后級對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響1.系統(tǒng)前級、特別是第一級的噪聲系數(shù)對系統(tǒng)影響最大結(jié)論：192.6非線性器件的描述方法非線性器件大信號時會引起失真能完成頻譜搬移各種功能1.用解析函數(shù)描述2.6.1非線性器件的描述方法

------描述器件的伏安特性指數(shù)函數(shù)雙極型晶體管飽和區(qū)----平方律場效應(yīng)管20差分放大器雙曲正切函數(shù)212.冪級數(shù)描述代入特點(diǎn):

①

呈非線性

②

系數(shù)與工作點(diǎn)有關(guān)在工作點(diǎn)處將伏安特性偏置決定工作點(diǎn)展開為冪級數(shù)223.分段折線描述適用條件:

大信號輸入二極管23差分放大器242.6.2線性化參數(shù)適用條件:

輸入為小信號輸入:輸出:靜態(tài)電流

=信號電流線性電路不產(chǎn)生新的頻率線性化參數(shù)-----跨導(dǎo)僅與工作點(diǎn)有關(guān)放大器增益與信號大小無關(guān)252.7器件非線性的影響

研究有源器件的非線性對線性放大器的影響分兩種情況討論只有一個有用信號輸入有兩個以上輸入研究內(nèi)容－－出現(xiàn)的現(xiàn)象、名稱定義；衡量性能的指標(biāo)。262.7.1輸入端僅有一個有用信號1.諧波（harmonics）

放大器輸入現(xiàn)象:出現(xiàn)了諧波產(chǎn)生的原因－－器件非線性、信號幅度大

大?。c系數(shù)有關(guān)－－與工作點(diǎn)有關(guān)影響－－高次諧波被選頻回路濾除輸出電流

272.增益壓縮（GainCompression）特點(diǎn)：考慮對基波分量的影響（只考慮到三次方）基波信號電流：基波信號電流幅度：平均跨導(dǎo)：基波信號電流：基波增益：輸出電流：28線性非線性

僅與放大器工作點(diǎn)不僅與工作點(diǎn)有關(guān)有關(guān)而且與輸入信號幅度有關(guān)跨導(dǎo)基波電流失真項(xiàng)常數(shù)與信號幅度有關(guān)增益29非線性增益壓縮線性增益壓縮指標(biāo)－－1dB壓縮點(diǎn)增益壓縮當(dāng)＜0時，放大器增益隨信號增大而減小線性增益30與器件類型和放大器工作點(diǎn)有關(guān)

增益1dB壓縮點(diǎn)計(jì)算：312.7.2輸入端有兩個以上信號設(shè)輸入兩個信號：

由于非線性結(jié)果：出現(xiàn)基波諧波－－被選頻回路濾除組合頻率－－在基頻附近的無法濾除問題：對基波輸出有什么影響？32基波分量：(僅考慮到三次方）二次方產(chǎn)生的組合頻率不在基頻附近，被濾除不在基頻附近，被濾除在基頻附近三次方項(xiàng)產(chǎn)生的組合頻率為331.堵塞（Blocking）

輸入狀況：輸入的有用信號為弱信號，而另一個信號是強(qiáng)干擾信號。

平均基波跨導(dǎo)一般有<0有用信號的跨導(dǎo)隨干擾增大而減小增益隨干擾信號增大而減小嚴(yán)重基波電流為零－－信號被堵塞指標(biāo)－－強(qiáng)信號堵塞60dB～70dB有用信號基波簡化（忽略增益壓縮項(xiàng)）342.交叉調(diào)制（CrossModulation）

輸入情況:強(qiáng)干擾是調(diào)幅波幅度有用信號幅度干擾信號幅度交叉調(diào)制現(xiàn)象:干擾信號幅度轉(zhuǎn)移到有用信號幅度上結(jié)果:當(dāng)有用信號是調(diào)幅波時,解調(diào)后,會聽到干擾臺的串話音輸出有用信號基波353.互相調(diào)制（Intermodulation）

輸入狀況:兩個輸入信號的頻率、比較接近非線性輸出電流組合頻率、很接近基波，濾波器無法濾除特點(diǎn):基波幅度三階互調(diào)互調(diào)信號幅度36互調(diào)失真衡量指標(biāo)1.互調(diào)失真比——輸出互調(diào)與輸出基波之比

設(shè)(即輸入信號較小，可忽略增益壓縮）

互調(diào)失真電壓幅度比:互調(diào)失真功率比:設(shè)：兩信號輸入幅度均為輸出基波：輸出互調(diào)：372.三階互調(diào)截點(diǎn)

(third-orderinterceptpoint)

定義:三階互調(diào)截點(diǎn)為三階互調(diào)功率和基波功率相等的點(diǎn)

由三階截點(diǎn)38dB與dBm某些量的兩種表示自然表示dB表示①

dB表示的量是無量綱的，是比值。②

電壓比的系數(shù)是20，功率比是10注意1.dB電壓增益功率增益噪聲系數(shù)F=4——功率比當(dāng)輸入輸出阻抗相同時,用dB表示的功率增益、電壓增益數(shù)值相同39dB(功率)10logdBWdBmdB（電壓）dBVdBmVdBμV2.dBm與dBmV注意①dBm——對應(yīng)功率

dBmV——對應(yīng)電壓②電壓、功率的系數(shù)不同表示的量有單位40采用dB的優(yōu)點(diǎn)將乘法運(yùn)算變?yōu)榧臃℅P1GP2注意①dB與dB可加減，但不能乘除②dBm與dBm不可相加，但可以相減，結(jié)果為dB③

dB與dBm間可加減，結(jié)果為dBmGPPiPo41例:已知一放大器的三階互調(diào)截點(diǎn)

,當(dāng)輸入功率求:在此輸入功率下的互調(diào)失真比

時,解:在三階互調(diào)截點(diǎn)處由則互調(diào)失真比用分貝表示當(dāng)時,42互調(diào)干擾在射頻系統(tǒng)中出現(xiàn)的形式(接收)相鄰信道1相鄰信道2(發(fā)射的強(qiáng)信號)互調(diào)1dB壓縮點(diǎn)與三階截點(diǎn)的關(guān)系即增益壓縮點(diǎn)的輸入（或輸出）電平要比三階截點(diǎn)電平低約10dB均由器件的三次方引起432.7.3多級非線性級級聯(lián)特性討論:系統(tǒng)總的非線性與每一級的非線性關(guān)系兩級公式:理解:1.當(dāng)系統(tǒng)的每一級均有增益時，系統(tǒng)的總的三階互調(diào)截點(diǎn)輸入功率總是小于每一級的2.前級的增益越高,總系統(tǒng)的三階互調(diào)輸入功率越小442.8非線性器件在頻譜搬移中的應(yīng)用非線性器件引起線性放大器失真能完成頻譜搬移功能諧波、組合頻率增益壓縮、互調(diào)失真什么是頻譜搬移？1.兩信號混頻混頻濾波器或2.調(diào)制調(diào)制濾波器3.解調(diào)解調(diào)低通濾波器同步信號結(jié)論：頻譜搬移是產(chǎn)生兩信號的和頻與（或）差頻45理想的頻譜搬移電路－－乘法器頻譜搬移的特點(diǎn)：被搬移的信號頻譜結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化46非線性器件實(shí)現(xiàn)頻譜搬移非線性器件的二次方項(xiàng)就可實(shí)現(xiàn)兩信號的相乘47解決方法：（1）從器件的特性考慮－－采用平方律特性—無高次項(xiàng)（2）從電路考慮－－采用平衡電路結(jié)構(gòu)形式---抵消干擾（3）從輸入電壓的大小考慮，采用線性時變工作狀態(tài)

三次方及三次方以上的各高次方項(xiàng)產(chǎn)生的組合頻率

對頻譜搬移來說都是干擾

其中由于存在問題：非線性器件用于頻譜搬移的最大問題是——組合頻率太多48線性時變工作狀態(tài)對什么而言是線性？什么是時變？工作條件：頻譜搬移的兩個輸入信號

一個是小信號，一個是大信號在時變工作點(diǎn)展開靜態(tài)偏置大信號時變偏置時變偏置時變工作點(diǎn)49在時變工作點(diǎn)展開現(xiàn)工作點(diǎn)是隨時變的，所以也是隨時變的時變的含義:展開項(xiàng)的系數(shù)隨大信號變化的變化頻率與大信號的頻率相同小信號時變偏置代入：得：50

時變靜態(tài)電流（靜態(tài)－－與小信號無關(guān)）時變跨導(dǎo)

將輸入信號

轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭娏鞯哪芰?/p>

最重要的兩個系數(shù)當(dāng)與均是非線性時,可以展開為:重復(fù)頻率均是大信號頻率51為什么是線性?線性是對小信號而言特點(diǎn):僅包含小信號的線性項(xiàng),不含的諧波忽略二次方以上各項(xiàng)(很小)對輸出電流52頻譜搬移功能頻譜:（）（）頻譜搬移干擾頻率以上的組合頻率成分

線性時變工作的優(yōu)點(diǎn)：干擾頻率中減少了小信號的532.9靈敏度與動態(tài)范圍有源器件噪聲－－決定了放大器可放大的