近代電子測量技術(shù)-噪聲系數(shù)分析儀

1、1噪聲系數(shù)分析儀2p噪聲系數(shù)測試的基本概念p噪聲系數(shù)測試原理p典型器件的噪聲系數(shù)測試 3噪聲系數(shù)測試的基本概念 4器件性能對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響（一） 5器件性能對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響（二）6噪聲的來源 7噪聲的分類p熱噪聲(Thermal Noise/Johnson Noise)p散粒噪聲（Shot Noise）p閃爍噪聲1/f噪聲（Flicker） 8熱噪聲 它是由于導(dǎo)體中自由電子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)形成的噪聲。因?yàn)閷?dǎo)體具有一定的溫度，導(dǎo)體中每個(gè)自由電子的熱運(yùn)動(dòng)自由電子的熱運(yùn)動(dòng)方向和速度不規(guī)則地變化，因而在導(dǎo)體中形成了起伏噪聲電流，在導(dǎo)體兩端呈現(xiàn)起伏電壓。電阻產(chǎn)生的起伏噪聲電壓均方值 ： 式中：k為玻耳茲曼

2、常數(shù),k=1.3810-23J/K； T為電阻溫度, 以絕對(duì)溫度(K)計(jì)量,對(duì)于室溫17, R為電阻的阻值；Bn為測試設(shè)備的通頻帶。 電阻熱噪聲的功率譜密度是與頻率無關(guān)的常數(shù)。通常把功率譜密度為常數(shù)的噪聲稱為“白噪聲”，電阻熱噪聲在無線電頻率范圍內(nèi)就是白噪聲的一個(gè)典型例子。 nnkTRBe42KTT29009電阻的噪聲等效電路10散粒噪聲p由有源電路或器件中的存在的隨機(jī)電流引起，它與熱噪聲類似其值與頻率無關(guān)，因此也是一種白噪聲，其噪聲電流的均方根值為：p其中q為電子電量（1.610-19C）,不難發(fā)現(xiàn)其大小與隨機(jī)電流的大小成正比。fqIiD 2211閃爍噪聲1/f噪聲因其大小與頻率成反比例關(guān)系

3、而得名。1/f噪聲的主要參數(shù)是拐點(diǎn)頻率fa，該點(diǎn)的1/f噪聲等于熱噪聲功率。半導(dǎo)體器件內(nèi)的1/f噪聲的分布特性取決于其工藝。比如BiCMOS器件的fa大約為48kHz；MOSEFT器件的fa大約為1MHz。1/f噪聲的幅度分布不是高斯分布。12噪聲系數(shù)（一） 噪聲總是伴隨著信號(hào)出現(xiàn)。信號(hào)與噪聲的功率比值信號(hào)與噪聲的功率比值S/NS/N簡稱簡稱“信噪比信噪比”。決定檢測能力的是接收機(jī)輸出端的信噪比。 噪聲系數(shù)的定義是：接收機(jī)輸入端信號(hào)噪聲比與輸出端信號(hào)噪聲比的比值。 噪聲系數(shù)F有明確的物理意義：它表示由于接收機(jī)內(nèi)部噪聲的影響，使接收機(jī)輸出端的信噪比相對(duì)其輸入端的信噪比變壞的倍數(shù)。 /iiooSN

4、FSN定義1niBkTN013oiaNFN G噪聲系數(shù)還可表示為：aG為接收機(jī)的額定功率增益 iaN G是輸入端噪聲通過“理想接收機(jī)”后，在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率 定義2噪聲系數(shù)（二） 14oN0ianaN GkT B GN00ianaNN GNkT B GN01naNFkT B G 0N實(shí)際接收機(jī)的輸出額定噪聲功率由兩部分組成:接收機(jī)內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲在輸出端所呈現(xiàn)的額定噪聲功率實(shí)際接收機(jī)總會(huì)有內(nèi)部噪聲因此F1只有當(dāng)接收機(jī)是“理想接收機(jī)”時(shí)，才會(huì)有F1。 噪聲系數(shù)（三） 15對(duì)噪聲系數(shù)的兩點(diǎn)說明 1）噪聲系數(shù)只適用于的線性電路和準(zhǔn)線性電路。 2）噪聲系數(shù)F是沒有量綱的數(shù)值，通常用分貝表示：F

5、(dB)10lgF(dB) 3) 噪聲系數(shù)是接收機(jī)本身固有的特性，與輸入信號(hào)、噪聲的功率無關(guān)。 16等效噪聲溫度（一） 為了更直觀地比較內(nèi)部噪聲與外部噪聲的大小，可以把接收機(jī)內(nèi)部噪聲在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率等效到輸入端來計(jì)算。等效噪聲溫度”或簡稱“噪聲溫度”，此時(shí)接收機(jī)就變成沒有內(nèi)部噪聲的“理想接收機(jī)” enaNkT B G17等效噪聲溫度（二） 01naNFkT B G 000111enaenanakT B GTNFkT B GkT B GT enaNkT B G0(1)(1)290eTFTFK18eTF(倍數(shù))11.051.11.525810F(dB)00.210.411.763.016

6、.999.0310 (K)014.529145290116020302610對(duì)于低噪聲接收機(jī)和低噪聲器件，常用噪聲溫度來表示其噪聲性能。 等效噪聲溫度（三） 19系統(tǒng)噪聲系數(shù)指標(biāo)的規(guī)劃 20級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)（一） 先考慮兩個(gè)單元電路級(jí)聯(lián)的情況 0inNkT B122ooNNN11,F G22,F G0012000122nNkT B GG FNNNoiaNFN G2202(1)nNFkT B G0121nkT B GG F001200121202(1)nnnNkT B GG FkT B GG FFkT B G20111FFFG01naNFkT B G 21級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)（二） n級(jí)電路級(jí)聯(lián)

7、時(shí)接收機(jī)總噪聲系數(shù)為 3201112121111nnFFFFFGGGGGG若接收機(jī)的噪聲性能用等效噪聲溫度表示，則它與各級(jí)噪聲溫度之間的關(guān)系為： eT1321213121nneGGGGTGGTGTTT22結(jié)論：結(jié)論：p為了使接收機(jī)的總噪聲系數(shù)小，要求各級(jí)的嗓聲系數(shù)小、額定功率增益高。而各級(jí)內(nèi)部噪聲的影響并不相同，級(jí)數(shù)越靠前，對(duì)單噪聲系數(shù)的影響越大。p所以總噪聲系數(shù)主要取決于最前面幾級(jí)，這就是接收機(jī)要采用高增益低噪聲高放的主要原因。 級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)（三） 23級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)（四） 997. 1047. 025. 07 . 1164) 10 . 4(4) 10 . 2(7 . 1ABCF4

8、75. 2025. 075. 07 . 1164) 10 . 2(4) 10 . 4(7 . 1ACBF級(jí)連線路噪聲系數(shù)計(jì)算舉例： 24噪聲系數(shù)測試原理25Y值法（一）一種較為普遍地測試噪聲系數(shù)的方法（也是最為精確的方法，即Y值法）已知輸出噪聲的計(jì)算公式： 00ianaNN GNkT B GN26coldehotecoldenahotenaTTTTTTBkGTTBkGNNY)()(121YYTTTcoldhote0(1)(1) 290eTFTFK11100YTTYTTFcoldhot如果我們令KTTcold2900 11111000YTTYTTYTTFcoldhothot) 1log(10)(

9、YENRdBF27Y值法（二） 其含義是噪聲源超過標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度T0（290K）熱噪聲的倍數(shù)。反應(yīng)了噪聲源輸出噪聲功率的能力。 coldcoldhotTTTENRlog10ENRENR（Excess Noise RatioExcess Noise Ratio）超噪比）超噪比28Y值法（三）調(diào)節(jié)衰減器對(duì)噪聲源接通和斷開提供相同的輸出，這樣所調(diào)節(jié)衰減值就是Y，這種方法的測試精度通?？蛇_(dá)0.1dB。在具體的測試中，當(dāng)噪聲源確定時(shí)ENR為一個(gè)常數(shù)。公式中唯一的變量是Y，Y為測試情況下（有噪聲源接在輸入端）器件的輸出功率與器件在輸入嚴(yán)格地限制在290K時(shí)，輸出功率之比。29基于Y值法的噪聲系數(shù)分析儀30A

10、gilent N897X噪聲系數(shù)測試儀 3132噪聲源（一） 測量噪聲指數(shù)的方法，是根據(jù)注入接收機(jī)的已知噪聲來觀察接收機(jī)的輸出響應(yīng)。這個(gè)噪聲源通常大多數(shù)是白噪聲它也是熱噪聲。熱噪聲是電子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。這種噪聲在領(lǐng)域內(nèi)是等能分布，因而它就具有標(biāo)形或高斯平穩(wěn)分布的常數(shù)功率密度。噪聲源必須能夠產(chǎn)生個(gè)有效的噪聲功率，大于被測量元件的噪聲功率。有幾種常用的噪聲源，它們是正向偏壓半導(dǎo)體二極管、限溫二極管、氣體放電管和熱冷電阻源。 33噪聲源（二）雪崩二級(jí)管（Avalanche Diode）產(chǎn)生噪聲激勵(lì)信號(hào)的等效電路（匹配網(wǎng)絡(luò)的存在是考慮到DUT的接入可能會(huì)改變?cè)肼曉吹淖杩梗。?。最常用的噪聲源是：二極管和

11、氣體放電管，它們分別可達(dá)到幾百M(fèi)Hz和幾十GHz。例如，氣體放電管和飽和二極管噪聲源的等效輸出噪聲溫度通常為1000020000K，用ENR(dB)表示為l5.2l 8.3dB。 34任何寬帶噪聲的產(chǎn)生都只可能是類白噪聲的而不可能是理想的，所以噪聲源在出廠時(shí)會(huì)配有一個(gè)ENR表反映噪聲源的特性，以便在有同頻段測量時(shí)用于精確地計(jì)算和校正！ 噪聲源（三）35幾種噪聲源的主要指標(biāo)ENR范圍 注：15dB 的ENR更適用于通常測量，可以測量達(dá)30dB的噪聲系數(shù)，而6dB的ENR適用于極低噪聲系數(shù)的測量（噪聲檢波器可以有較好的線性度）。 工作頻段：噪聲源（四）36ENR精度 37典型器件的噪聲系數(shù)測試38

12、可分析的器件或系統(tǒng)39基本測量模式放大器（無頻率轉(zhuǎn)換）的噪聲系數(shù)和增益測量流程放大器（無頻率轉(zhuǎn)換）的噪聲系數(shù)和增益測量流程n開機(jī)（欲獲得更高的精確性，建議等候NFA 預(yù)熱至少一小時(shí)）n輸入超噪比輸入超噪比ENR ENR 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)n設(shè)置測量頻率設(shè)置測量頻率n設(shè)置帶寬和平均設(shè)置帶寬和平均n校準(zhǔn)分析儀校準(zhǔn)分析儀n顯示測量結(jié)果顯示測量結(jié)果40輸入超噪比ENR 數(shù)據(jù)（一）p第一種類型例如Agilent 346B 是一種正常的噪聲源，這些噪聲源的ENR 數(shù)據(jù)需要使用以前存儲(chǔ)在磁盤上的ENR 數(shù)據(jù)或者使用小鍵盤以手動(dòng)方式輸入；p另一種類型例如Agilent N4000A 是智能噪聲源SNS 可以自動(dòng)或經(jīng)請(qǐng)求

13、上載數(shù)據(jù)。41輸入超噪比ENR 數(shù)據(jù)（二）42設(shè)置測量頻率 在設(shè)置您希望測量的頻率之前您需要選擇一個(gè)頻率模式共有三種頻率模式可供使用：pSweep Sweep 掃描掃描 在掃描頻率模式中設(shè)置進(jìn)行掃描的起始和終止頻率或等值中心和范圍頻率，您還需要設(shè)置測量點(diǎn)數(shù)這些測量點(diǎn)在頻率范圍中均勻分布，最大點(diǎn)數(shù)為401，默認(rèn)點(diǎn)數(shù)為11。所選頻率點(diǎn)數(shù)越大測量所需的時(shí)間越長）pList List 清單清單 清單頻率模式允許您在進(jìn)行測量的位置輸入頻率點(diǎn)，這將允許您在覆蓋范圍小于掃描模式中覆蓋范圍的相關(guān)區(qū)域指定測量點(diǎn)可允許非均勻分布的測量點(diǎn)。頻率單限制為401個(gè)條目。pFixed Fixed 固定固定 在單一固定頻率

14、進(jìn)行頻率測量43設(shè)置帶寬和平均p帶寬和平均對(duì)速度抖動(dòng)和測量準(zhǔn)確性的影響p抖動(dòng)是測量噪聲時(shí)產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象，欲降低抖動(dòng)必須增加平均值數(shù)目或測量帶寬增加平均值數(shù)目或測量帶寬。如果帶寬降低則需要增加平均值數(shù)目以保持相同的誤差。所選的平均值數(shù)目越多，測量越準(zhǔn)確，因?yàn)檫@樣會(huì)降低測量的抖動(dòng)。但是必須與完成測量所需的時(shí)間進(jìn)行對(duì)照，因此應(yīng)當(dāng)在測量的速度和準(zhǔn)確性誤差之間作出權(quán)衡和選擇。44校準(zhǔn)分析儀（一） NFA測量的噪聲系數(shù)實(shí)際上是包括了DUT與噪聲系數(shù)測試儀前端整個(gè)鏈路的噪聲系數(shù)，即212111FFFG。45校準(zhǔn)分析儀（二）46校準(zhǔn)分析儀（三）47顯示測量結(jié)果（一）48顯示測量結(jié)果（二）49擴(kuò)展頻率測量模

15、式（一） 系統(tǒng)下變頻器模式系統(tǒng)下變頻器模式 DUT 是一臺(tái)非變頻裝置例如放大器或?yàn)V波器其頻率超出NFA 的測量范圍 測量系統(tǒng)內(nèi)要求下變頻用DUT 外接混頻器將相關(guān)信號(hào)變換為NFA 頻率范圍內(nèi)的頻率。50下變頻下變頻DUTDUT模式模式在該模式中DUT 包含一臺(tái)下變頻裝置包含一臺(tái)下變頻裝置例如混頻器或接收器。共有兩種模式可供選擇p1. 可變頻率LO 和固定IF在進(jìn)行此項(xiàng)測量時(shí)NFA 鎖定在一個(gè)頻率LO 執(zhí)行掃描p2. 固定頻率LO 和可變IF在進(jìn)行此項(xiàng)測量時(shí)LO 鎖定在一個(gè)頻率NFA 執(zhí)行掃描說明：說明：在兩種模式中進(jìn)行單邊帶測量時(shí)需要執(zhí)行過濾以便移除無用邊帶。理想的情況是這些濾波器應(yīng)當(dāng)包含在校

16、準(zhǔn)路徑和測量路徑中，但是如果未包含在路徑中，可以輸入損耗補(bǔ)償以解釋所有其他錯(cuò)誤。擴(kuò)展頻率測量模式（二） 51下變頻下變頻DUTDUT模式模式擴(kuò)展頻率測量模式（三） 52擴(kuò)展頻率測量模式（四） p下變頻下變頻DUTDUT模式模式53上變頻上變頻DUTDUT模式模式在該模式中DUT 包含一個(gè)上變頻裝置上變頻裝置例如發(fā)射機(jī)共有兩種模式可供選擇：1. 可變頻率LO 和固定IF在進(jìn)行此項(xiàng)測量時(shí)NFA 鎖定在一個(gè)頻率LO 執(zhí)行掃描2. 固定頻率LO 和可變IF在進(jìn)行此項(xiàng)測量時(shí)LO 鎖定在一個(gè)頻率NFA 執(zhí)行掃描擴(kuò)展頻率測量模式（五） 54影響測量真實(shí)性的因素 可被消除的誤差因素可被消除的誤差因素p電連接器

17、pEMI干擾p電纜損耗p溫度的影響pDUT的50歐失配55電連接器保證連接器的牢固連接（可靠的屏蔽）力矩搬手合適的力矩（Proper Torque）: Type N (10 in-lbs), APC-3.5/SMA (5 in-lbs)避免使用陳舊的連接器避免使用不清潔的連接器: n必要時(shí)采用酒精可異丙醇擦拭連接器n每10次連接后，清潔 APC-3.5至SMA連接器56EMI干擾p采用屏蔽電纜（中頻以及HP-IB電纜）p使電路處于屏蔽環(huán)境中p避免晃動(dòng)電連接器 (如BNC)p在信號(hào)線及電源線上采用鐵氧體磁珠以減弱共模電流的干擾p減少本振引入的雜散與噪聲57電纜損耗補(bǔ)償pDUT之前及之后的電纜的損

18、耗在測試中必然會(huì)影響測試結(jié)果，校準(zhǔn)中應(yīng)考慮！58溫度的影響或許記得前面推導(dǎo)Y值法測量噪聲系數(shù)的工式中有一個(gè)假設(shè)：p如果我們令 p注：絕對(duì)0度 -273.15 若上式不成立時(shí)，測量必然有誤差，尤其是在測量低噪聲被測件時(shí)。這就是為什么在老式的8970B NFA中中必須由操作者手工輸入環(huán)境溫度的原因。對(duì)于智能化的SNS系列噪聲源，由于其內(nèi)置溫度傳感器，故可時(shí)時(shí)提供環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)，因而可以得到較為精確的測試結(jié)果。KTTcold290059DUT的50歐失配如果出現(xiàn)了失配，從噪聲源輸出的噪聲能量將不會(huì)被全部傳輸，這將引起實(shí)際增益測量的誤差，而增益量測量的誤差又將影響校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，從而影響整個(gè)測量的精確性。60最小化不能消除誤差最小化不能消除誤差pDUT具有合適的噪聲系數(shù)與增益pDUT必須為線性器件n無AGC或限幅器n無對(duì)數(shù)特性器件n未出現(xiàn)壓縮/飽和影響測量真實(shí)性的因素 對(duì)高增益器件的測量往往具有較高的精度，對(duì)變頻器件