高頻電子線路第3章噪聲與干擾

1、第3章 噪聲與干擾,3.1 概述 3.2 噪聲的來源和特點 3.2.1 電阻的熱噪聲 3.2.2 二極管的噪聲 3.2.3 晶體三極管的噪聲 3.2.4 場效應(yīng)管噪聲 3.2.5 接受天線噪聲 3.3 噪聲系數(shù)計算方法 3.3.1 噪聲系數(shù)的定義,3.3.2 信噪比與負載的關(guān)系 3.3.3 用額定功率和額定功率增益表示的噪聲系數(shù) 3.3.4 多級放大器噪聲系數(shù)的計算 3.3.5 等效噪聲溫度 3.3.6 晶體放大器的噪聲系數(shù) 3.3.7 噪聲系數(shù)與靈敏度 3.3.8 噪聲系數(shù)的測量 3.4 降低噪聲系數(shù)的措施 3.5 工業(yè)干擾與天電干擾,3.1 概 述,噪聲是一種隨機信號，其頻譜分布于整個無線

2、電工作頻率范圍，因此它是影響各類收信機性能的主要因素之一。 干擾與噪聲的分類如下： 干擾一般指外部干擾，可分為自然的和人為的干擾。 自然干擾有天電干擾、宇宙干擾和大地干擾等。 人為干擾主要有工業(yè)干擾和無線電器的干擾。 噪聲一般指內(nèi)部噪聲，也可以分為自然的和人為的噪聲。 本章主要討論自然噪聲，對工業(yè)干擾和天電干擾只做簡略的說明,3.2 噪聲的來源和特點,理論上說，任何電子線路都有電子噪聲，但是因為通常電子噪聲的強度很弱，因此它的影響主要出現(xiàn)在有用信號比較弱的場合，在電子線路中，噪聲來源主要有兩方面： 電阻熱噪聲和半導(dǎo)體管噪聲，兩者有許多相同的特性,3.2.1 電阻的熱噪聲,電阻由導(dǎo)體等材料組成，

3、導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在一定的溫度下總是處于“無規(guī)則”的熱運動狀態(tài)，這種熱運動的方向和速度都是隨機的。 自由電子的熱騷動在導(dǎo)體內(nèi)形成非常弱的電流,電阻熱噪聲作為一種起伏噪聲，具有極寬的頻譜，從零 頻一直延伸到10-13Hz以上的頻率，而且它的各個頻率分量 的強度是相等的。 這種頻譜與白色光的光譜類似，因此將 具有均勻連續(xù)的噪聲叫做白噪聲，電阻的熱噪聲就是一種 白噪聲,3.2.2 二極管的噪聲,晶體二極管工作狀態(tài)可分為正偏和反偏兩種。 正偏使用時，主要是直流通過pn結(jié)時產(chǎn)生散粒噪聲。 反偏使用時，因反向飽和電流很小，故其產(chǎn)生的散粒噪聲也小，如果達到反向擊穿（如穩(wěn)壓管），又分兩種情況： 齊納擊穿二極管主

4、要是散粒噪聲，個別的有1/f噪聲(閃爍噪聲)。 雪崩擊穿二極管的噪聲較大，除有散粒噪聲，還有多態(tài)噪聲，即其噪聲電壓在兩個或兩個以上不同電平上進行隨機轉(zhuǎn)換，不同電平可能相差若干個毫伏。 這種多電平工作是由于結(jié)片內(nèi)雜質(zhì)缺陷和結(jié)寬的變化所引起。 硅二極管工作電壓在4V以下是齊納二極管，7V以上的是雪崩二極管，4V7V之間兩種二極管都有。 為了低噪聲使用，最好選用低壓齊納二極管,3.2.3 晶體三極管的噪聲,晶體三極管的噪聲是設(shè)備內(nèi)部固有噪聲的另一個重要來源。 一般說來，在一個放大電路中，晶體三極管的噪聲往往比電阻熱噪聲強得多，在晶體三極管中，除了其中某些分布，如基極電阻rbb會產(chǎn)生熱噪聲外，還有以下

5、幾種噪聲來源,1.散彈（粒）噪聲 在晶體管的pn結(jié)中（包括二極管的pn結(jié)），每個載流子都是隨機地通過pn結(jié)的（包括隨機注入、隨機復(fù)合）。 大量載流子流過結(jié)時的平均值（單位時間內(nèi)平均）決定了它的直流電流I0，因此真實的結(jié)電流是圍繞I0起伏的。 這種由于載流子隨機起伏流動產(chǎn)生的噪聲稱為散彈噪聲，或散粒噪聲,因為散彈噪聲和電阻熱噪聲都是白噪聲，前面關(guān)于熱噪 聲通過線性系統(tǒng)的分析對散彈噪聲也完全適用。 這包括均 方相加的原則，通過四端網(wǎng)絡(luò)的計算以及等效噪聲帶寬等。 晶體管中有發(fā)射結(jié)和集電結(jié)，因為發(fā)射結(jié)工作于正偏， 結(jié)電流大。 而集電結(jié)工作于反偏，除了基極來的傳輸電流 外，只有反向飽和電流（它也產(chǎn)生散彈

6、噪聲）。 因此發(fā)射 結(jié)的散彈噪聲起主要作用，而集電結(jié)的噪聲可以忽略,晶體管中通過發(fā)射結(jié)的少數(shù)載流子，大部分由集電極收集，形成集電極電流，少數(shù)部分載流子被基極流入的多數(shù)載流子復(fù)合，產(chǎn)生基極電流。 由于基極中載流子的復(fù)合也具有隨機性，即單位時間內(nèi)復(fù)合的載流子數(shù)目是起伏變化的。 晶體管的電流放大系數(shù)、只是反映平均意義上的分配比。 這種因分配比起伏變化而產(chǎn)生的集電極電流、基極電流起伏噪聲，稱為晶體管的分配噪聲。 分配噪聲本質(zhì)上也是白噪聲，但由于渡越時間的影響，響當(dāng)三極管的工作頻率高到一定值后，這類噪聲的功率譜密度將隨頻率的增加而迅速增大,2. 分配噪聲,3. 閃爍噪聲 由于半導(dǎo)體材料及制造工藝水平造成

7、表面清潔處理不好 而引起的噪聲稱為閃爍噪聲。 它與半導(dǎo)體表面少數(shù)載流子 的復(fù)合有關(guān)，表現(xiàn)為發(fā)射極電流的起伏，其電流噪聲譜密度 與頻率近似成反比，又稱1/f噪聲。 因此，它主要在低頻 （如幾千赫茲以下）范圍起主要作用。 這種噪聲也存在于 其他電子器件中，某些實際電阻器就有這種噪聲。 晶體管 在高頻應(yīng)用時，除非考慮它的調(diào)幅、調(diào)相作用，這種噪聲的 影響也可以忽略,3.2.4 場效應(yīng)管噪聲 在場效應(yīng)管中，由于其工作原理不是靠少數(shù)載流子的運 動，因而散彈噪聲的影響很小。 場效應(yīng)管的噪聲有以下幾個方面的來源： 溝道電阻產(chǎn)生的熱噪聲，溝道熱噪聲通過溝道和柵極電容的耦合作用在柵極上的感應(yīng)噪聲，閃爍噪聲。 必須

8、指出，前面討論的晶體管中的噪聲，在實際放大器 中將同時起作用并參與放大。 有關(guān)晶體管的噪聲模型和晶體管放大器的噪聲比較復(fù)雜，這里就不討論了,3.2.5 接收天線噪聲 接收天線端口呈現(xiàn)噪聲有兩個來源： 第一是歐姆電阻產(chǎn) 生的噪聲（通?？梢院雎裕?；第二是接收外來噪聲能量，其 一是接收周圍介質(zhì)輻射的噪聲能量，其二是宇宙輻射干擾也 會被天線接收,因此，天線噪聲是與其周圍的介質(zhì)溫度、天線的指向及頻率有關(guān)的物理量。 為了工程的方便，統(tǒng)一規(guī)定用天線的輻射電阻RA（是計算天線輻射功率大小的一個重要參量，不是天線的歐姆電阻）在溫度TA產(chǎn)生熱噪聲來表示天線的噪聲性能。 TA稱為天線的有效噪聲溫度,研究噪聲的目的在

9、于如何減少它對信號的影響。 因此，離開信號談噪聲是無意義的。 從噪聲對信號影響的效果看，不在于噪聲電平絕對值的大小，而在于信號功率與噪聲功率的相對值，即信噪比，記為SN（信號功率與噪聲功率比）。 即便噪聲電平絕對值很高，但只要信噪比達到一定要求，噪聲影響就可以忽略。 否則即便噪聲絕對電平低，由于信號電平更低，即信噪比低于1，則信號仍然會淹沒在噪聲中而無法辨別。 因此信噪比是描述信號抗噪聲質(zhì)量的一個物理量,3.3 噪聲系數(shù)計算方法,3.3.1 噪聲系數(shù)的定義,噪聲系數(shù)可由下式表示,設(shè)Pi為信號源的輸入信號功率，Pni為信號源內(nèi)阻RS產(chǎn)生的噪聲功率，Po和Pno分別為信號和信號源內(nèi)阻在負載上所產(chǎn)生

10、的輸出功率和輸出噪聲功率,圖3.4描述放大器噪聲系數(shù)的等效圖,要描述放大系統(tǒng)的固有噪聲的大小，就要用噪聲系數(shù)，其定義為,3.3.2 信噪比與負載的關(guān)系,設(shè)信號源內(nèi)阻為RS，信號源的電壓為US（有效值），當(dāng)它與負載電阻RL相接時，在負載電阻RL上的信噪比計 算如下： 信號源在RL上的功率,信號源內(nèi)阻噪聲在RL上的功率,在負載兩端的信噪比結(jié)論： 信號源與任何負載相接本不影響其輸入端信噪比，即無論負載為何值，其信噪比都不變，其值為負載開路時的信號電壓平方與噪聲電壓均方值之比,在負載兩端的信噪比,3.3.3 用額定功率和額定功率增益表示的噪聲系數(shù),放大器輸入信號源電路如圖3.5所示。 任何信號源加上負

11、載后，其信噪比與負載大小無關(guān)，信噪比均為信號均方電壓（或電流）與噪聲均方電壓（或電流）之比,放大器的噪聲系數(shù)NF為,Pai和Pao分別為放大器的輸入和輸出額定信號功率，Pani和Pano分別為放大的輸入和輸出額定噪聲功率，Gpa為放大器的額定功率增益,以額定功率表示的噪聲系數(shù),3.3.4 多級放大器噪聲系數(shù)的計算,多級放大器噪聲系數(shù)計算等效圖,多級放大器的總噪聲系數(shù)計算公式為,3.3.5 等效噪聲溫度,在某些通信設(shè)備中，用等效噪聲溫度Te表示更方便更 直接。 熱噪聲功率與熱力學(xué)溫度成正比，所以可以用等效 噪聲溫度來代表設(shè)備噪聲大小。 噪聲溫度可定義為： 把 放大器本身產(chǎn)生的熱噪聲折算到放大器輸

12、入端時，使噪聲 源電阻所升高的溫度，稱為等效噪聲溫度Te,多級放大器的等效噪聲溫度為,3.3.6 晶體管放大器的噪聲系數(shù),根據(jù)圖3.7所示的共基極放大器噪聲中求得各噪聲源在放大器輸出端所產(chǎn)生的噪聲電壓均方值總和，然后根據(jù)噪聲系數(shù)的定義，可得到放大器的噪聲系數(shù)的計算公式,共基極放大器噪聲等效電路,3.3.7 噪聲系數(shù)與靈敏度,噪聲系數(shù)是用來衡量部件(如放大器)和系統(tǒng)(如接收機)噪聲性能的。 而噪聲性能的好壞，又決定了輸出端的信號噪聲功率比(當(dāng)信號一定時)。 同時，當(dāng)要求一定的輸出信噪比時，它又決定了輸入端必需的信號功率，也就是說決定放大或接收微弱信號的能力。 對于接收機來說，接收微弱信號的能力，

13、可以用一重要指標(biāo)靈敏度來衡量。 所謂靈敏度就是保持接收機輸出端信噪比一定時，接收機輸入的最小電壓或功率(設(shè)接收機有足夠的增益,雖然線性電路(如晶體管放大器)有噪聲模型，但是用計算 方法決定噪聲系數(shù)是有一定困難(如模型中的一些參數(shù)很難準(zhǔn) 確得到)的，因此常用測量的方法來確定一個電路和系統(tǒng)的噪 聲系數(shù)。 隨著頻率范圍、 采用儀器或要求精度不同，有多 種測量噪聲系數(shù)的方法。 用噪聲信號源的測量方法,下圖是一測量系統(tǒng)的構(gòu)成,噪聲 信號源,特測 放大器,輔助 放大器,均方 電壓表,3.3.8 噪聲系數(shù)的測量,2. 無噪聲源的測量方法,當(dāng)無合適的噪聲信號源，而又要測量部件或系統(tǒng)的噪 聲系數(shù)時，可以采用間接

14、的方法，與上圖類似，將噪聲信 號源換成一高頻信號源即可。 測量的方法如下：設(shè)信號源的內(nèi)阻為RS，并與系統(tǒng)匹配。 首先，關(guān)斷信號源（保留源電阻），在系統(tǒng)的輸出端測出噪聲功率值或電壓均方根值。 然后，加正弦信號，使輸出電壓遠大于噪聲電壓值，測出中心頻率的電壓增益或功率增益，再改變信號源頻率重復(fù)上述測量,3.4 降低噪聲系數(shù)的措施 根據(jù)上面所討論的結(jié)果，有3種經(jīng)常采用的減小噪聲系數(shù) 的措施。 選用低噪聲器件和元件 正確選擇晶體管放大級的直流工作點 3.選擇合適的信號源內(nèi)阻,3.5 工業(yè)干擾與天電干擾,1. 工業(yè)干擾 工業(yè)干擾是由各種電氣裝置中發(fā)生的電流（或電壓）急劇變化所形成的電磁輻射，并作用在接收

15、機天線上所產(chǎn)生的 工業(yè)干擾的強弱取決于產(chǎn)生干擾的電氣設(shè)備的多少、性質(zhì)及分布情況。 工業(yè)干擾沿電力線傳播比它在相同距離的直接輻射強度大得多。 從工業(yè)干擾的性質(zhì)來看，大都屬于脈沖干擾。 為了克服工業(yè)干擾，最好在產(chǎn)生干擾的地方進行抑制,2. 天電干擾 自然界的雷電現(xiàn)象是天電干擾的主要來源，除此以外，帶電的雨雪和灰塵的運動，以及它們對天線的沖擊都可能引起天電干擾,本 章 小 結(jié),1. 電子設(shè)備的性能在很大程度上與干擾和噪聲有關(guān)。 在通信系統(tǒng)中，接收機的靈敏度與噪聲有關(guān)，提高接收機的靈敏度有時比增加發(fā)射機的功率可能更為有效。 因此研究各種干擾和噪聲非常必要。 2. 所謂干擾（或噪聲），就是除有用信號以外的一切不需要的信號及各種電磁騷動的總稱。 干擾（或噪聲）按其發(fā)生的地點分為由設(shè)備外部進來的外部干擾和由設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的干擾；按接收的根源分有自然干擾和人為干擾，按電特性分有脈沖型，正弦型和起伏型干擾等,3. 干擾和噪聲是兩個同義的術(shù)語，波有本質(zhì)的區(qū)別。 習(xí)慣上