海南大學高頻電子線路課件chapter 3 噪聲與干擾新實用

1、第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 3.93.9 放大器中的噪聲放大器中的噪聲 概概 述述 一一. .噪聲定義噪聲定義 在放大電路的輸出端與有用信號同時存在的一種在放大電路的輸出端與有用信號同時存在的一種隨機變化的電流和電壓隨機變化的電流和電壓(噪聲電壓噪聲電壓), 當輸出端無有用信當輸出端無有用信號時號時,(放大器輸入端短路放大器輸入端短路), 它也存在它也存在. 如如:收音機中收音機中“沙沙沙沙”聲聲, 電視圖象電視圖象“黑白斑點黑白斑點”.二二.噪聲的不利影響噪聲的不利影響 1.影響電子設(shè)備（接收機）的靈敏度影響電子設(shè)備（接收機）的靈敏度 2.影響對有用信號的檢測：若外來信號小到

2、一定值影響對有用信號的檢測：若外來信號小到一定值時，放大器輸出信號和噪聲大小差不多，在放大器的時，放大器輸出信號和噪聲大小差不多，在放大器的輸出端難于分辯信號。輸出端難于分辯信號。 第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路三三.噪聲的分類噪聲的分類四四.干擾與噪聲的區(qū)別干擾與噪聲的區(qū)別： （電特性不同）電特性不同）干擾（外部）：帶有一定的脈沖性和周期性干擾（外部）：帶有一定的脈沖性和周期性.(雷電干雷電干 擾、工業(yè)干擾、鄰近電臺干擾）擾、工業(yè)干擾、鄰近電臺干擾）噪聲（內(nèi)部）：具有隨機性，可來自外部（宇宙、大噪聲（內(nèi)部）：具有隨機性，可來自外部（宇宙、大 氣）也可來自元器件本身。氣）也可來自元

3、器件本身。自然的：熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲自然的：熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲 （電阻、晶體管）（電阻、晶體管）認為的：交流哼聲，接觸不良等認為的：交流哼聲，接觸不良等第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路3.9.13.9.1 內(nèi)部噪聲的來源與特性內(nèi)部噪聲的來源與特性1來源：電阻、放大器來源：電阻、放大器 電阻電阻無外加電壓環(huán)境溫度T材料的自由電子無規(guī)則運動材料的自由電子無規(guī)則運動電阻兩端產(chǎn)生很小的電壓電阻兩端產(chǎn)生很小的電壓具有起伏性具有起伏性 起伏噪聲電壓起伏噪聲電壓Vn（t）一段時間內(nèi)，正負值相等，一段時間內(nèi)，正負值相等，電阻兩端的平均電壓為零。但某一瞬時看，電阻兩端電壓的大小、方向是

4、電阻兩端的平均電壓為零。但某一瞬時看，電阻兩端電壓的大小、方向是隨機的。隨機的。第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路圖 3-1 電阻熱噪聲電壓波形第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路二.描述描述: (: (計量方法：概率統(tǒng)計法）計量方法：概率統(tǒng)計法）1. ( )nV t 的的平平均均值值nV ：（一一直直流流分分量量）01lim( )TnnTVV t dtT（實質(zhì)：在較長（實質(zhì)：在較長T里里 ）0nV （ 可表示起伏干擾的強度）可表示起伏干擾的強度）2. ( )nV t 的的方方均均值值2nV ：2201lim( )TnnTVVt dtT2nV第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子

5、線路3. 的頻譜：的頻譜：( )nV t單個脈沖（頻譜）單個脈沖（頻譜）的頻譜的頻譜( )nV t 頻譜密度頻譜密度F（）（常數(shù)）（均勻）常數(shù)）（均勻）功率譜（均勻）功率譜（均勻）功率譜（密度）功率譜（密度） （均勻）（均勻）求出不可疊加疊加第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路設(shè)設(shè) 作用于作用于1的電阻上的電阻上則則R在在T內(nèi)得到的能量內(nèi)得到的能量W=P * T=4. 的功率譜：的功率譜：( )nV t( )nV t20( )TnVt dtR的平均功率的平均功率202200201( )1limlim( )( )lim( )TnTnnTTnTWPVt dtTTPVt dtVTPS f df

6、PS f dfV兩邊取極限兩邊取極限再設(shè)：再設(shè)： df 為為 f 到到 fdf 間的平均功率間的平均功率則總的則總的定義：定義： 為噪聲功率譜密度（為噪聲功率譜密度（W/HZ)( )S f( )S f第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 3.9.23.9.2 電阻熱噪聲電阻熱噪聲 1）一個電阻一個電阻： ( )4(/)S fkTRW Hz:KT波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù) 1.38*10-23 J/K絕對溫度絕對溫度 T(K)=T0 ( C ) +273設(shè)設(shè) 為等效噪聲帶寬為等效噪聲帶寬則：則：R的噪聲功率的噪聲功率nf22( )44nnnnnVS ffKTR fiKTG f2()1()VG

7、R2()A第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路RR (理想)(a)(b)( )4(/)S fkTR W Hz圖圖 3 2 電阻熱噪聲等效電路電阻熱噪聲等效電路 2nV2niR (理想)( )4(/)S fkTG W Hz2( )4nnnVS ffKTR f24nniKTG f第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路2)多個電阻多個電阻 a. 串聯(lián)串聯(lián)：滿足均方疊加原則滿足均方疊加原則 b. 并聯(lián)：也滿足均方疊加原則并聯(lián)：也滿足均方疊加原則 22212124()nnnnUUUKT RRf22212124()nnnniiiKT GGf第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路3). 諧振回

8、路的噪聲：諧振回路的噪聲： （并聯(lián)）（并聯(lián)） LrCLrC(a)(b)24nRnUKTR f諧振：諧振： 則則回路兩端回路兩端的噪聲電壓方均值的噪聲電壓方均值2nU22244nPnW LUKTRfKTfR22222244nnnRW LKTRfRKTR fQUQ2221pLLLW LRW LCRR CRR第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 3.9.33.9.3 天線熱噪聲天線熱噪聲 天線本身導體電阻天線本身導體電阻0 本身熱噪聲很小本身熱噪聲很小 但是天線周圍的介質(zhì)微粒運動但是天線周圍的介質(zhì)微粒運動噪聲功率噪聲功率 被天線接收被天線接收 由天線輻射由天線輻射 244AAnAnKT RfK

9、TRfnVRA為天線等效輻射電阻，表示接收和輻射信號功率為天線等效輻射電阻，表示接收和輻射信號功率第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 3.9.43.9.4 晶體管噪聲晶體管噪聲 1）熱噪聲：由熱噪聲：由rbb引起，其他區(qū)不計引起，其他區(qū)不計散粒噪聲：散粒噪聲：e b，注入載流子數(shù)目不同，使注入載流子數(shù)目不同，使ie和和ic變化變化分配噪聲：分配噪聲：b區(qū)符合載流子數(shù)目變化導致區(qū)符合載流子數(shù)目變化導致ic變化變化閃爍噪聲：頻率降低時產(chǎn)生影響（表面清潔度問題）閃爍噪聲：頻率降低時產(chǎn)生影響（表面清潔度問題）t內(nèi)類 型第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路2）T型等效電路型等效電路 P10

10、8 圖圖3.9-10222encniibnU3） 與與 f 的關(guān)系的關(guān)系2cni202021 () 12(1)1 ()ncncfffiqIff第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路( Fn )2cni0f1f2f高頻噪聲區(qū)白噪聲區(qū)1/f 噪聲區(qū)第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 3.103.10 噪聲的表示和計算方法噪聲的表示和計算方法3.10.13.10.1 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)F Fn n 1 信噪比：信噪比： 四端網(wǎng)絡(luò)某一端口處：四端網(wǎng)絡(luò)某一端口處： (snPP信功）（噪功）siniPP入端：sonoPP出端：sSnnPPPP要要求求：即信號所受干擾程度即信號所受干擾程度 ，信號

11、質(zhì)量，信號質(zhì)量第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 2 放大器的噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù)Fn： Fn sinisonoPPPP入端信噪比出端信噪比nnFF越小越好內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲nnoFP第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路1)常：常： siP總輸出噪聲功率niPsopsiPGPsinononnisopniPPPFPPG P信號源產(chǎn)生的噪聲功率在信號源產(chǎn)生的噪聲功率在輸出端輸出端的值的值nonoPP入端入端Vs產(chǎn)生產(chǎn)生入端入端Vs的內(nèi)阻的內(nèi)阻Rs產(chǎn)生（熱噪聲，產(chǎn)生（熱噪聲，T=290K)放大器的增益（功率）放大器的增益（功率）（第二種形式)第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路

12、2)常：常： nonoPP放大器本身產(chǎn)生的噪聲在放大器本身產(chǎn)生的噪聲在輸出端輸出端呈現(xiàn)的噪聲功率呈現(xiàn)的噪聲功率1nononononnononoPPPPFPPP noP（第三種形式)第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路1) Fn表示信號和噪聲通過系統(tǒng)后，系統(tǒng)的附加噪聲使表示信號和噪聲通過系統(tǒng)后，系統(tǒng)的附加噪聲使 信噪比變壞的程度信噪比變壞的程度2) Fn只使用于（準）線性網(wǎng)絡(luò)，可用只使用于（準）線性網(wǎng)絡(luò)，可用Gp Fn1 理想無源：理想無源： Fn1 3) , 不同不同 , Fn不同不同4) Fn中的中的 都是指系統(tǒng)實際的輸入、都是指系統(tǒng)實際的輸入、 輸出的信號的噪聲功率，其值與電路匹配狀

13、況有輸出的信號的噪聲功率，其值與電路匹配狀況有 關(guān)。用于工程計算不方便關(guān)。用于工程計算不方便 () ,()()nsnsniFf VFf Rf P但 niP()nLFf R, 即與RL開路，短路，是否匹配無關(guān), 可用開路或短路計算Fn3. Fn的特性：的特性：,sisoninoPPPP第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路4. 額定功率（增益）及以此定義的額定功率（增益）及以此定義的Fn額定意味著匹配（最大）額定意味著匹配（最大）放大器Rs額定輸入信號功率：額定輸入信號功率：額定輸入噪聲功率額定輸入噪聲功率：1).額定功率：額定功率： 輸出的最大功率輸出的最大功率 ( Ri = Rs )sV

14、24 smsisVPR()siVR2444 nsnnissVKTRfPRRnKT f2()niVRpnGF2nRUUsRLRiRo第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 只能改變信號源只能改變信號源Vs實際輸出的大小實際輸出的大小 而其額定功率不變而其額定功率不變.() siniiLPPf RRilRR ，仍有，仍有 ，但，但 isRR sisiPP niniPP輸出端：輸出端： （匹配，（匹配，RL = Ro ）. sonoPP不匹配，不匹配，RL Ro 有有 ，但不表示實際，但不表示實際. sonoPP. siniPP，額定額定 實際實際第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路2).

15、 額定功率增益額定功率增益GpH ：輸入、出端分別匹配時的功率增益輸入、出端分別匹配時的功率增益pHG額定輸出功率額定輸出功率額定輸入功率額定輸入功率同理：同理： GpH是放大器本身的固有屬性，一旦網(wǎng)絡(luò)確定，是放大器本身的固有屬性，一旦網(wǎng)絡(luò)確定， GpH總是一個定值，與入、出端是否匹配無關(guān)總是一個定值，與入、出端是否匹配無關(guān)匹配時：匹配時：GpH Gp不匹配時，仍有不匹配時，仍有GpH，但但GpH Gp第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路3). 以額定功率定義的以額定功率定義的Fn： （簡單）簡單）sinisinonononnpHsonisonipHnoPPPPPPFKT f GPPPP

16、GP實際中，實際中，F(xiàn)n用此式計算，入、出端失配因素（比例）抵消用此式計算，入、出端失配因素（比例）抵消即：不管輸入、出端是否匹配，均可用上式即：不管輸入、出端是否匹配，均可用上式第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 3.10.2 噪聲溫度噪聲溫度 將線性電路的內(nèi)部附加噪聲折算到輸入端將線性電路的內(nèi)部附加噪聲折算到輸入端, 此附加此附加噪聲可以用提高信號源內(nèi)阻上的溫度來等效噪聲可以用提高信號源內(nèi)阻上的溫度來等效, 這就是這就是“噪聲溫度噪聲溫度”。折算1：額定：放大器RspnGF2nRU2444 nssnninssVKTRfPKT fRR經(jīng)GpH：1nonipHnpHnoPPGKT f

17、GP第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路現(xiàn)： 2nii444 nnninVKTR fPKT fRR理想放大器Rs1， pnGF2nRUR(Ti )2nnUR產(chǎn)生：經(jīng)GpH：2inonpHPKT f G第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路Fn=nonoPP總額定輸出噪聲功率Rs產(chǎn)生的，并經(jīng)GpH, 在出端的Pno12122111 nonononononononoPPPPPPPP1 inpHnpHKT f GKT f G1 iTTTi 噪聲溫度 代表相應(yīng)的功率第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路折算2：24()44() nsisnnissinVK TT RfPRRK TTf經(jīng)Gp

18、H：（）nonipHinpHPPGK TTf G對信號Vs （Rs）而言：2444nssnnssVKTRfKT fRR經(jīng)GpH：nonpHPKT f Goo1 niinnPTTTFPTT(1)innTFTFTFn與Ti的關(guān)系第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 總結(jié)：總結(jié)： 當網(wǎng)絡(luò)的額定功率增益遠大于當網(wǎng)絡(luò)的額定功率增益遠大于1時時, 系統(tǒng)的總系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)主要取決于第一級主要取決于第一級的噪聲系數(shù)。的噪聲系數(shù)。 越是后面的網(wǎng)越是后面的網(wǎng)絡(luò)絡(luò), 對噪聲系數(shù)的影響就越小對噪聲系數(shù)的影響就越小, 這是因為越到后級信號的這是因為越到后級信號的功率越大功率越大, 后面網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲對信噪

19、比的影響就不大了。后面網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲對信噪比的影響就不大了。 因此因此, 對第一級來說對第一級來說, 不但希望噪不但希望噪聲系數(shù)小聲系數(shù)小, 也希望增益也希望增益大大, 以便減小后級噪聲的影響。以便減小后級噪聲的影響。 3.10.33.10.3 多級放大器的多級放大器的F Fn n 總23111211nnnnpHpHpHFFFFGGG第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 例例 3 圖 3 36 是一接收機的前端電路, 高頻放大器和場效應(yīng)管混頻器的噪聲系數(shù)和功率增益如圖所示。 試求前端電路的噪聲系數(shù)(設(shè)本振產(chǎn)生的噪聲忽略不計)。 高頻放大器NF13 dBKP1(dB)10 dBFET混頻器N

20、F26.5 dBKP2(dB)9 dB本地振蕩器至中放 圖 3 36接收機前端電路的噪聲系數(shù) 第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 解解 將圖中的噪聲系數(shù)和增益化為倍數(shù), 有10.3110.90.65221010102107.94104.47PFPFKKKK因此, 前端電路的噪聲系數(shù)為 211120.352.35(3.7)FFFPNNNdBK第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 3.10.53.10.5 等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬ffn n 1. 起伏噪聲電壓起伏噪聲電壓Vn( t )通過網(wǎng)絡(luò)時的情況：通過網(wǎng)絡(luò)時的情況： 網(wǎng)絡(luò)：線性、四端、具有選頻性（存在帶寬）網(wǎng)絡(luò)：線性、四端、具有

21、選頻性（存在帶寬）輸入端：輸入端：Si ( f ) 白噪聲（電阻熱噪聲）白噪聲（電阻熱噪聲）輸出端：輸出端：S0 ( f ) ？ 電壓傳輸系數(shù)：電壓傳輸系數(shù)： , 模模( )A f( )A f功率傳輸系數(shù)：功率傳輸系數(shù)： ，（設(shè)，（設(shè)G1）2( )Af20( )nVS f df第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 2( )Af出 . 功率入 . 功率出 . S0 ( f )入 . Si ( f )20( )( )( )iSfAf Sf 可見：盡管可見：盡管Si （f ）為白噪聲，但通過網(wǎng)絡(luò)后為白噪聲，但通過網(wǎng)絡(luò)后 ,S0( f ) 為有色噪聲，為有色噪聲， S0( f ) 不均勻不均勻第

22、3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路S0 ( f )S0 ( f0 )線線 性性 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 的的 等等 效效 噪噪 聲聲 帶帶 寬寬第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路2. f (n) 的求取：的求?。?如上圖：如上圖： 表示表示 與與f 軸之間的面積軸之間的面積所以該面積就表示輸出端的噪聲電壓方均值所以該面積就表示輸出端的噪聲電壓方均值00( )Sf df0( )Sf2nV現(xiàn)：找一面積寬fn ，高S0( f0 )使：0000()( )nSffSf df2200002200000( )( )( )( )()()()()iniSf dfAf Sf dfAf dffSfAfSfAf0(

23、 )()iiSfSf第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 由由A（f ）決定決定 與與 兩者概念不同兩者概念不同 與與 的關(guān)系：一般情況下是不等的，但在的關(guān)系：一般情況下是不等的，但在 實際中可用實際中可用 代替代替 單調(diào)諧：單調(diào)諧： 當當m多，多， 雙調(diào)諧：雙調(diào)諧： nfnf0.72 fnf0.72 f0.72 fnf0.7(2)2nffnf0.72 f0.72nff 1,第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 3. 輸出端 的求取2noV200( )noVSf df202022020020( )( )( )( )( )()( )()( )()iiiinAf Sf dfSfAf d

24、fAf AfSfdfAfSf Aff第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路 設(shè)： （電阻）( )4iSfKTR202020( )()4()4()1innnSf AffKTRAffKTR fAf2noV則：第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路3.103.10. .6 6 減小減小F Fn n措施措施1.選選Fn低的元件：電路低的元件：電路Fn元器件元器件Fn2. 正確選用晶體管放大器的直流工作點正確選用晶體管放大器的直流工作點:()nzFf IRs一定FnFnmin0IEIE03. 合理選用合理選用Rs： Rsopt ，F(xiàn)nminRsoptf 共發(fā)共發(fā) 共基共基ff第3章 噪聲與干擾高頻電子線路高頻電子線路晶體管的晶體管的F Fn n（共基）2222123421nVVVVFV2200001111() ()22 bbecosebbssesEVrIfRrrRRr RIf222,bnUV222223() ,eneneneiUirV222224()cncncnci