第二講 放大器的噪聲源及噪聲特性

1、微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)第二講第二講 放大器的噪聲源放大器的噪聲源 及噪聲特性及噪聲特性2.1 電子系統(tǒng)內(nèi)部的固有噪聲源電子系統(tǒng)內(nèi)部的固有噪聲源 熱噪聲熱噪聲 低頻噪聲低頻噪聲(1/f )噪聲噪聲 散彈噪聲散彈噪聲 g-r噪聲噪聲 半導(dǎo)體器件噪聲分類有色噪聲噪聲非基本噪聲基本噪聲猝發(fā)噪聲復(fù)合噪聲噪聲低頻噪聲低頻散粒噪聲高頻散粒噪聲散粒噪聲擴(kuò)散噪聲約翰遜噪聲熱噪聲白噪聲聲fffrg/1/1/1半導(dǎo)導(dǎo)體器件噪 噪聲功率譜密度的頻譜特性2.1.1 熱噪聲及其表示 1、熱噪聲概念 熱噪聲是由導(dǎo)體中電荷載流子(自由電子)的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的,即電子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱噪聲。 一個(gè)電阻R上的熱噪聲均

2、方值表示為熱噪聲譜密度（V2/Hz)fkTRet 42kTRfefStt4)(2 用量子理論表示熱噪聲功率譜密度函數(shù)： 電阻開路兩端呈現(xiàn)的熱噪聲電壓有效值為：1)/(exp(4)(kThfhfRfStfkTReEtt42 2、電阻的熱噪聲等效 實(shí)際的電阻可以等效為熱噪聲電壓源E t與無噪聲的理想電阻R的串連。 也可等效為熱噪聲電流源I t與無噪聲的理想電阻R的并連。熱噪聲圖 3、串/并聯(lián)電阻的熱噪聲 兩電阻串連 因?yàn)閮呻娮璧脑肼暿窍嗷オ?dú)立的，溫度相同的兩個(gè)電阻串聯(lián)后的總等效噪聲功率等于兩電阻的等效噪聲功率之和。 兩電阻并聯(lián) 溫度相同的兩個(gè)電阻并聯(lián)后的總等效噪聲功率等于兩電阻并聯(lián)后等效阻值產(chǎn)生的

3、的等效噪聲功率。 4、阻容并聯(lián)的熱噪聲 電阻并聯(lián)一個(gè)電容（或是分布電容），其特性相當(dāng)?shù)屯V波器，輸出噪聲的帶寬是有限的。 電路的頻率響應(yīng)函數(shù)為：fRCjjH211)( 輸出噪聲的功率譜密度函數(shù)為： 輸出的噪聲功率為： 有效值為：220)2(14)(| )(|)(fRCkTRfSfHfSttCkTdffSteEPttt/)()(0020CkTEt/0 這就是一白噪聲源通過一低通濾波器的輸出：電路的輸出噪聲功率和有效值與電阻的阻值無關(guān)，而只取決于并聯(lián)在電阻兩端的電容C 和絕對(duì)溫度T。 對(duì)一確定的電容C，輸出功率譜密度函數(shù)與電阻的關(guān)系如下圖所示，但總的輸出噪聲功率不變。R1R2R32.1.2 1/f

4、 噪聲噪聲及其表示及其表示 普遍存在于電子器件中，是由兩種導(dǎo)體的接觸點(diǎn)電導(dǎo)的隨機(jī)漲落引起的。廣義上來說，凡是噪聲功率譜密度與頻率成反比的隨機(jī)漲落均可稱為1/f 噪聲。在電子管中稱為閃爍噪聲，在電阻中稱為過量噪聲，在半導(dǎo)體中也稱為接觸噪聲，也被稱為粉紅噪聲。 其噪聲功率譜密度表示為：)/(,)(21HzVffIKfSaf1/f 噪聲圖 1/f 噪聲的噪聲譜如下圖所示。在f1和f2頻率間， 1/f 噪聲的功率為：)/ln()(12021ffKdffSPffff 在晶體管中， 1/f 噪聲是由于載流子在半導(dǎo)體表面能態(tài)上產(chǎn)生與復(fù)合而引起的； 在電阻中， 1/f 噪聲是由于直流電流流過不連續(xù)介質(zhì)而引起的

5、。所以，對(duì)于一個(gè)實(shí)際電阻來說，除了有基本的熱噪聲外，還存在低頻噪聲。 1/f 噪聲與頻率有關(guān)，是非白噪聲，主要影響低頻區(qū)。2.1.3 散粒噪聲及其表示散粒噪聲及其表示 在半導(dǎo)體器件中，當(dāng)電荷載流子擴(kuò)散通過pn結(jié)或從陰極發(fā)射時(shí)，由于載流子運(yùn)動(dòng)速度的不一樣引起電流波動(dòng)，從而產(chǎn)生散粒噪聲。即：散粒噪聲是由于器件中電流的不平滑和不連續(xù)而引起的。 散粒噪聲電流的均方值表示為 其譜密度 可見為白噪聲。fqIIDCsh 22DCshshqIfIfS2)(22.1.4 2.1.4 g-rg-r噪聲及其表示（噪聲及其表示（爆米花噪聲） g-r噪聲主要是由半導(dǎo)體材料或器件中的雜質(zhì)與缺陷引起的。重金屬原子污染是引起

6、爆米花噪聲的重要原因。 在雙極晶體管中，當(dāng)載流子從發(fā)射極進(jìn)入基區(qū)后，其中有一部分在基區(qū)復(fù)合成基極電流，另一部分則輸送到集電極形成集電極電流。由于復(fù)合過程是隨機(jī)的，表現(xiàn)出一定的漲落，于是引起了集電極電流的波動(dòng)。這個(gè)波動(dòng)電流稱為分配電流噪聲。 在雙極晶體管中，爆米花噪聲以基極電流的一個(gè)階躍變化形式出現(xiàn)。因此，雙極運(yùn)算放大器爆米花噪聲通常表現(xiàn)為偏置電流噪聲。由于這一原因，雙極放大器中的爆米花噪聲可能僅在高源阻抗應(yīng)用中出現(xiàn)。 表示為 可見為一高頻噪聲 fKIIffbcp221 猝發(fā)噪聲（爆裂噪聲）的時(shí)域波形猝發(fā)噪聲（爆裂噪聲）的時(shí)域波形有時(shí)也稱為炒玉米噪聲2.2 放大器的噪聲系數(shù)和噪聲溫度放大器的噪聲

7、系數(shù)和噪聲溫度 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) 噪聲溫度噪聲溫度 功率增益功率增益 級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)2.2.1 放大器的噪聲系數(shù)與噪聲溫度2.2.2 放大器的噪聲溫度 放大器自身產(chǎn)生的噪聲常用等效噪聲溫度Te來表征。噪聲溫度Te與噪聲系數(shù)NF的關(guān)系為 式中，T0為環(huán)境溫度，通常取為293K。 根據(jù)公式（2-1），可以計(jì)算出常用的噪聲系數(shù)和與之對(duì)應(yīng)的噪聲溫度，如表2-1所示。) 12() 1(0NFTTe表2-1 噪聲系數(shù)和噪聲溫度關(guān)系NF(dB)0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0NF1.023 1.047 1.072 1.096 1.122

8、 1.148 1.175 1.202 1.230 1.259 Te(K)6.825 13.81 20.96 28.27 35.75 43.41 51.24 59.26 67.47 75.87 NF(dB) 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 10 NF1.413 1.585 1.778 1.995 2.239 2.512 2.818 3.162 3.981 10.00Te(K)120.9 171.3 228.1 291.6 362.9 442.9 532.8 633.5 873.5 26372.2.3 放大器的功率增益2.2.4 級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù) 例1：

9、將3個(gè)放大器串聯(lián)連接放大微小信號(hào)，它們的功率增益和噪聲系數(shù)如下表所示。如何連接3個(gè)放大器才能使總的噪聲系數(shù)最??？放大器功率增益/dB噪聲系數(shù)NF/dBABCKA=10KB=12KC=20FA=1.6FB=2.0FC=4.0（作練習(xí)題）2.3 放大器的噪聲性能分析放大器的噪聲性能分析 放大器的放大器的En-In模型模型 放大器的噪聲特性放大器的噪聲特性2.3.1 放大器的En-In模型 將放大器的內(nèi)部噪聲折合到輸入端，用En-In來表示無噪化經(jīng)過這樣處理，放大器就可以看作為無噪聲的理想放大器。RsEnsEnInZiVsoEnoVs無噪聲放大器En-In模型優(yōu)點(diǎn) 通用性一個(gè)放大器中包含許多元器件，

10、它們都可能是噪聲來源。采用此模型，可不管內(nèi)部噪聲特性如何，其外特性是可描述的。 不必計(jì)算內(nèi)部每個(gè)元器件的噪聲，大大簡化整個(gè)電路系統(tǒng)的噪聲計(jì)算。 有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)出En-In的具體大小。 把放大器或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的噪聲源都?xì)w算到輸入端，并假設(shè)放大器或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身無噪聲，可比較方便地估計(jì)電路變動(dòng)對(duì)信號(hào)和噪聲的影響。2.3.2 放大器的噪聲特性放大器的噪聲特性 等效輸入噪聲的計(jì)算等效輸入噪聲的計(jì)算 利用En-In模型，一個(gè)放大器的噪聲可以簡化為三個(gè)噪聲源： En、In和Ens。 進(jìn)一步考慮這三個(gè)噪聲源的共同效果，等效如下：RsEniZiVsoEnoVs無噪聲放大器Ei 用等效輸入噪聲用等效輸入噪聲E

11、ni來代替：來代替：snnsnnnsniRIERIEEE222222在中頻段：=0，即In與En不相關(guān)，簡化為22222snnnsniRIEEE采用In與En模型，在計(jì)算Eni時(shí)，僅考慮放大器前的電路，與放大器參數(shù)無關(guān)。特別是放大器的輸入阻抗不出現(xiàn)在Eni表達(dá)式中，為噪聲測(cè)試提供了方便。 噪聲匹配噪聲匹配最小噪聲系數(shù) 當(dāng)信號(hào)源電阻等于最佳源電阻時(shí)，可以獲得最小噪聲系數(shù)噪聲匹配。 寫出噪聲系數(shù)F的表達(dá)式； 令 ，得：代入上式得到噪聲系數(shù)得最小值：可見，為獲得較小的F，Rs不能太大，也不能太小。fkTRRIEfkTRRIEfkTREENEGNNFssnnssnnstniinniinout41442

12、22222222nnsIER/0fkTIEFnn21min0/sRF 將Fmin和Rs0代入F，得到：ssoptsoptsRRRRFF211min 如果0，則2)1(2112)1(1minminssoptsoptsnnnnsoptsRRRRFFfkTIEFIERR 器件的無噪化處理 放大器內(nèi)部噪聲主要來自于器件和網(wǎng)絡(luò)的噪聲。采用何種器件，以何種方式組成網(wǎng)絡(luò)，都將影響放大器的噪聲性能。 對(duì)于各類器件，除了En-In 模型外，還可采用其它模型。 通過對(duì)其它模型的計(jì)算和簡化，可以化為En-In 模型，求出Rsopt及Fmin，從而進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)。2.4 二極管和雙極型晶體管的噪聲特性二極管和雙極型晶

13、體管的噪聲特性 半導(dǎo)體二極管的噪聲模型半導(dǎo)體二極管的噪聲模型 雙極型晶體管的噪聲模型雙極型晶體管的噪聲模型 雙極型晶體管的等效輸入噪聲雙極型晶體管的等效輸入噪聲 雙極型晶體管的噪聲分布雙極型晶體管的噪聲分布2.4.1 半導(dǎo)體二極管的噪聲模型半導(dǎo)體二極管的噪聲模型 半導(dǎo)體二極管的噪聲主要包含散彈噪聲，但由于存在寄生電阻Rpar，也產(chǎn)生一些 1/f 噪聲和熱噪聲。其噪聲模型如右圖所示。等效電容Cd不產(chǎn)生噪聲。 1、熱噪聲et 半導(dǎo)體二極管的熱噪聲是由寄生電阻產(chǎn)生的。 其功率譜密度函數(shù)為： ； 其均方值為： 。fkTReEpartt42partkTRfS4)( 2、 1/f 噪聲if 半導(dǎo)體的表面、

14、擴(kuò)散區(qū)域的邊緣以及本質(zhì)的缺陷灰產(chǎn)生1/f 噪聲。 對(duì)1/f 噪聲的研究還不夠成熟。其功率譜密度函數(shù)一般采用如下的形式表示： 式中通常取1，=12；KF稱為1/f 噪聲系數(shù)，與二極管的物質(zhì)有關(guān)。fIKfSFf)( 3、散彈噪聲 散彈噪聲是由于電荷到達(dá)陽極復(fù)合產(chǎn)生隨機(jī)脈沖的電流。流過半導(dǎo)體二極管的電流為： 1)/exp(0kTqVII其中I0exp(qV/kT)為二極管的正向擴(kuò)散電流，-I0為反向飽和電流。兩種電流產(chǎn)生的噪聲是不相關(guān)的，總的噪聲均方值為： 1)/exp(22)/exp(20002kTqVfqIfqIkTqVfqIish 當(dāng)零偏置時(shí)V0，此時(shí)， 當(dāng)反向偏置時(shí)只有反向飽和電流，此時(shí)，

15、當(dāng)充分正向偏置時(shí)正向電流大大于反向飽和電流，可以忽略反向飽和電流的散彈噪聲，此時(shí)，fqIish022)/exp(202kTqVfqIishfqIish0242.4.2 雙極型晶體管的噪聲模型雙極型晶體管的噪聲模型 雙極型晶體管是兩個(gè)PN結(jié)組成的，它的噪聲與PN結(jié)中的載流子運(yùn)動(dòng)有關(guān)。u在雙極型晶體管的正向工作區(qū)，進(jìn)入集電極基極耗盡區(qū)的少數(shù)載流子被加速收集到集電極，電荷到達(dá)的時(shí)間是隨機(jī)的，使IC呈現(xiàn)全散彈噪聲特性。u在基極和基極發(fā)射極耗盡區(qū)的電子復(fù)合以及載流子從基極注入導(dǎo)發(fā)射極產(chǎn)生基極電流IB， IB呈現(xiàn)全散彈噪聲特性，同時(shí)電子復(fù)合過程也產(chǎn)生爆裂噪聲和閃爍噪聲。u 三極管的基極電阻是物理電阻，產(chǎn)生

16、熱噪聲。集電極引腳電阻 rc也產(chǎn)生熱噪聲，當(dāng)考慮到于高阻抗的集電極串聯(lián)，可以忽略rc產(chǎn)生的熱噪聲。 雙極型晶體管(BJT)的噪聲特性可以采用混合型等效電路來分析。共射極晶體管型噪聲等效電路 各噪聲源分別是： 基區(qū)電阻rbb產(chǎn)生的熱噪聲：eb 噪聲的均方值和功率譜密度分別為：24)(4bbbbbbkTrfSfkTre式中rbb為基區(qū)電阻，f為帶寬，T為三極管的絕對(duì)溫度，k為波爾茲曼常數(shù)。 1/f噪聲： if 1/f噪聲可以用一噪聲電流源等效。它的功率譜密度函數(shù)為：fIKfSBFf)(指數(shù) 在12之間,KF的值在很寬的范圍變化。 1/f 噪聲功率譜密度函數(shù)也可表示為：fL稱為1/f 噪聲的轉(zhuǎn)折頻率

17、，在3.7MHz 7 MHz的范圍。當(dāng)ffL時(shí)，1/f 噪聲明顯小于熱噪聲和散彈噪聲，可以被忽略。fIqffSBLf2)( 散彈噪聲 散彈噪聲包含基極電流IB產(chǎn)生的全散彈噪聲和集電極電流IC的全散彈噪聲。fqIifqIiCcBb2222這兩種噪聲存在很弱的相關(guān)性，一般情況下可以忽略。 爆裂噪聲（分配噪聲） 載流子在基區(qū)分配比例隨機(jī)變化所產(chǎn)生的噪聲稱為分配噪聲icp 。 fKIiffbcp221 信號(hào)源電阻信號(hào)源電阻Rs產(chǎn)生的熱噪聲：產(chǎn)生的熱噪聲：ens2stsnskTRfSfkTRe4)(422.4.3 雙極型晶體管的等效輸入噪聲雙極型晶體管的等效輸入噪聲 將混噪聲模型化為En-In模型RsE

18、nsEnInVs無噪聲晶體管 計(jì)算等效輸入噪聲，首先計(jì)算在輸出端總的噪聲和總增益，然后用增益除總噪聲得到等效輸入噪聲。 當(dāng)輸出開路時(shí)，輸出噪聲電流為：222222222222222)()()()()( )(ebsbbsbbebcpfbebsbbebnsbmcebmcnorRrRrriiirRrreegiVgii 共射極晶體管型噪聲等效電路 當(dāng)輸入信號(hào)為Vs，輸出的開路電流為： 輸出增益為： 等效輸入噪聲為：)/(ebsbbebsmebmorRrrVgVgIebsbbebmsotrRrrgVIK2222222222222)()(ebmebsbbcsbbcpfbnsbtnonirgrRriRrii

19、ieeKiE 當(dāng)源電阻為零時(shí)： 用源電阻Rs2除Eni2，得In2。2222222222)()(ebmebbbcbbcpfbbnrgrririiieE222222222)(limebmccpfbsniRnrgiiiiREIs2.5 場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲特性場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲特性 場(chǎng)效應(yīng)管的內(nèi)部噪聲源場(chǎng)效應(yīng)管的內(nèi)部噪聲源 場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲等效場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲等效2.5.1 場(chǎng)效應(yīng)管的內(nèi)部噪聲源場(chǎng)效應(yīng)管的內(nèi)部噪聲源 溝道熱噪聲溝道熱噪聲id 由導(dǎo)電溝道電阻產(chǎn)生的噪聲。與一般電阻不同，溝道電阻的大小是受到柵極電壓控制。fkTgimd 42 gm場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移跨導(dǎo)。 為與場(chǎng)效應(yīng)管的型式、尺寸和偏置有關(guān)的系數(shù)。 柵極

20、散粒噪聲柵極散粒噪聲ig 柵極散粒噪聲是由流過柵源之間PN結(jié)的反向電流IG引起的。 其功率譜密度和均方值分別為：fqIiqIfSGgGg22)(2式中IG為柵極泄漏電流。由于IG很?。?0-710-9A），所以噪聲ig的功率譜密度也很小，一般情況下可以忽略。 柵極感應(yīng)噪聲柵極感應(yīng)噪聲ing 溝道中的起伏噪聲通過溝道與柵極之間的電容，在柵極上感應(yīng)產(chǎn)生的噪聲。工作頻率越高，該噪聲影響越大。 感應(yīng)噪聲ing的功率譜密度為： 式中Gis為共源極輸入電導(dǎo)；K1是與柵源、漏源電壓有關(guān)的系數(shù)。14)(KkTGfSisng 1/f 噪聲噪聲if 與雙極型晶體管一樣，場(chǎng)效應(yīng)管也存在1/f 噪聲，其產(chǎn)生機(jī)理和形態(tài)

21、與雙極晶體管大致相同。 其功率譜密度為： 均方值為： 式中ID為漏極電流。當(dāng)工作頻率高于幾百赫茲時(shí)，1/f 噪聲可以忽略。fIKfSDFf)(ffIKiDFf22.5.2 場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲等效場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲等效 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲等效電路 噪聲電壓源En電流源In等效 En等效計(jì)算 將1/f 噪聲if和溝道熱噪聲id等效為輸入端的電壓噪聲源En ，有：fgfIKgfkTgiiEiigEmDFmmfdnfdmn2222222224 In的等效計(jì)算 將ing和ig的疊加等效為In ，其均方值為：fTkGfqIIisGn4222.6 運(yùn)算放大器的噪聲特性運(yùn)算放大器的噪聲特性 等效輸入噪聲模型等效輸入噪

22、聲模型 噪聲性能計(jì)算噪聲性能計(jì)算2.6.1 運(yùn)算放大器的等效輸入噪聲模型運(yùn)算放大器的等效輸入噪聲模型 運(yùn)算放大器內(nèi)部的固有噪聲運(yùn)算放大器內(nèi)部的固有噪聲 晶體管晶體管PN結(jié)散彈噪聲結(jié)散彈噪聲 電阻電阻 熱噪聲熱噪聲 內(nèi)部金屬接觸內(nèi)部金屬接觸 1/f噪聲噪聲 等效輸入噪聲模型 將運(yùn)算放大器的內(nèi)部噪聲等效到連接在輸入端的噪聲電壓源en和噪聲電流源in。 運(yùn)算放大器的噪聲指標(biāo)主要由生產(chǎn)廠家根據(jù)產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果給出，用戶根據(jù)自己的需要選擇合適的運(yùn)算放大器型號(hào)。 幾種常用運(yùn)算放大器的噪聲指標(biāo)2.6.2 運(yùn)放放大電路的噪聲性能計(jì)運(yùn)放放大電路的噪聲性能計(jì)算算 同相同相/反相放大電路的噪聲反相放大電路的噪聲 差分運(yùn)

23、放放大電路的噪聲差分運(yùn)放放大電路的噪聲1、同相、同相/反相放大電路的噪聲計(jì)算反相放大電路的噪聲計(jì)算 運(yùn)算放大器的放大電路 分析采用運(yùn)算放大器放大電路的噪聲，將電阻的噪聲加入到電路中，然后將輸入接到地。 運(yùn)算放大器噪聲的分析電路 分析方法 a.各個(gè)噪聲源是獨(dú)立的； b.器件都假設(shè)為無噪的； c.運(yùn)算放大器建設(shè)為理想的； d.總的噪聲為各個(gè)噪聲疊加。 R1貢獻(xiàn)的噪聲E1 R2貢獻(xiàn)的噪聲E2 R3貢獻(xiàn)的噪聲E3 電阻熱噪聲總的貢獻(xiàn)ERrms 將ERrms等效到輸入端EiRrms 選擇 R3等于 R1 與 R2 的并聯(lián)值（ R1 R2 /(R1+ R2 )）。上式可簡化為： 電壓噪聲源ep的貢獻(xiàn)Ep

24、電流噪聲源inp的貢獻(xiàn)Enp 電流噪聲源inn的貢獻(xiàn)Enn 運(yùn)算放大器總的噪聲貢獻(xiàn) 總的噪聲ENB為等效噪聲帶寬。2、差分運(yùn)放放大電路的噪聲計(jì)算、差分運(yùn)放放大電路的噪聲計(jì)算 R1貢獻(xiàn)的噪聲E1 R2貢獻(xiàn)的噪聲E2 R3貢獻(xiàn)的噪聲E3 R4貢獻(xiàn)的噪聲E4 電阻熱噪聲總的貢獻(xiàn) 電壓噪聲源ep的貢獻(xiàn)Ep 電流噪聲源inp的貢獻(xiàn)Enp 電流噪聲源inn的貢獻(xiàn)Enn 運(yùn)算放大器總的噪聲貢獻(xiàn) 總的噪聲 簡化結(jié)果2.7 低噪聲放大器設(shè)計(jì)低噪聲放大器設(shè)計(jì) 有源器件的選擇有源器件的選擇 偏置電路與直流工作點(diǎn)的選擇偏置電路與直流工作點(diǎn)的選擇 噪聲匹配噪聲匹配 反饋電路設(shè)計(jì)反饋電路設(shè)計(jì) 高頻低噪聲放大器設(shè)計(jì)考慮高頻

25、低噪聲放大器設(shè)計(jì)考慮2.7.1 有源器件的選擇有源器件的選擇 輸入端有源器件可以選擇分立得晶體管，也可選擇雙極晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管IC。 有源器件得選擇主要取決于源阻抗和頻范圍。 各種有源器件適應(yīng)的源電阻范圍2.7.2 偏置電路與直流工作點(diǎn)的選擇偏置電路與直流工作點(diǎn)的選擇 1、偏置電路 無噪偏置電路 通過信號(hào)源偏置 如果允許偏置電流流過信號(hào)源，可以采用如下的偏置電路，電容C將偏置電阻的熱噪聲和1/f 噪聲旁路。 扼流圈偏置 如果C足夠大，R3和R4的噪聲不會(huì)耦合導(dǎo)放大電路中。 調(diào)諧電路偏置 如果C足夠大，R3和R4的噪聲不會(huì)耦合導(dǎo)放大電路中。同時(shí)通過調(diào)節(jié)線圈抽頭位置，實(shí)現(xiàn)阻抗變換目的。 2、直流工

26、作點(diǎn)選擇 在直接耦合方式的放大電路中，必須選擇合適的工作點(diǎn)，以使放大器的最佳源電阻Rs0等于信號(hào)源電阻Rs，獲得最小的噪聲系數(shù)Fmin。對(duì)于不同的Rs，有一個(gè)最佳的Ic，使噪聲系數(shù)最小。對(duì)于晶體管，在中頻范圍內(nèi)忽略低頻和高頻噪聲，最佳源阻抗為：eebbsrrrR00)2(式中 re=kT/qIE。0是IE的函數(shù)，故RS0也是IE的函數(shù)。調(diào)整工作點(diǎn)電流Ic(或IE)，可以得到噪聲匹配，噪聲系數(shù)達(dá)到最小。令0為常數(shù)，略去rbb項(xiàng)，則故最佳工作點(diǎn)為：0020026EesIrRSECRII40000RS的范圍在幾千歐至幾十千歐。 RS增大，最佳集電極電流IC0就減少。2.7.3 噪聲匹配噪聲匹配 噪聲

27、匹配： 選擇放大電路的最佳源電阻Rs0等于信號(hào)源的輸出電阻Rs，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)最小。 1、調(diào)整工作點(diǎn)進(jìn)行噪聲匹配的局限性 當(dāng)放大電路設(shè)計(jì)制作完成之后，其噪聲因素NF隨源電阻和頻率f 變化的關(guān)系就確定。 同樣，對(duì)每個(gè)固定的工作頻率f，也可以得到NF隨源電阻Rs 和工作點(diǎn)電流Ic 的NF等值圖。 對(duì)各種不同的Rs，都能找到一個(gè)最佳工作點(diǎn)和相應(yīng)的NF。但這個(gè)工作點(diǎn)并不是晶體管的最小噪聲系數(shù)位置。 如上圖中，但Rs 400W，最佳工作點(diǎn)若為Ic1mA（圖中的A點(diǎn)），這時(shí)的最小噪聲系數(shù)為3dB；而該晶體管可以到達(dá)的最小噪聲系數(shù)在B點(diǎn)（NF1dB）,最佳源電阻Rs0就不等于Rs。 2、變壓器噪聲匹配

28、利用變壓器對(duì)信號(hào)源電阻Rs進(jìn)行變換，使之與放大器的最佳源電阻Rs0相等，達(dá)到噪聲匹配。 匹配后:ssnnssRRnIERRn/002例噪聲性能改善程度。時(shí)，變壓器對(duì)放大器的當(dāng)。試說明，用變壓器匹配，則信號(hào)源的和圖中得到于某個(gè)頻率，從一低噪聲放大器，工作10010/,10R,/10/10ENF250138WWnRnIERfAIfVsnnSsnn解：當(dāng)不使用變壓器匹配時(shí)的噪聲系數(shù)為：當(dāng)使用變壓器匹配時(shí)的噪聲系數(shù)為：功率信噪比改善因子為：12. 121minkTIEFnn60010410)/10()/10(141221328222kTfVfVkTRRIEFssnn53512. 1600minFFSN

29、IR 3、有源器件并聯(lián)噪聲匹配 對(duì)直接耦合方式，如果源電阻Rs很小，可以采用多個(gè)晶體管并聯(lián)工作方式來降低電路的最佳源電阻。 并聯(lián)后的最佳源電阻和噪聲系數(shù)分別為： 等效噪聲為：minmin00/FFNRRss2222/nnnnIINEE結(jié)論多管并聯(lián)方式可以降低放大器的最佳源阻抗，適合與源電阻低的信號(hào)源匹配，達(dá)到最小噪聲系數(shù)的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮到并聯(lián)管子的數(shù)目N是整數(shù)；同時(shí)N的值不能過大，N過大就可能失去意義。4、復(fù)源阻抗的噪聲匹配 并聯(lián)諧振回路方式 串聯(lián)諧振回路方式 并聯(lián)諧振回路方式 采用并聯(lián)諧振回路，不僅可以起到噪聲的匹配，而且還可以充分濾除帶外噪聲及干擾。(a)信號(hào)源電導(dǎo)gs大于晶體

30、管電導(dǎo)gs0 信號(hào)源導(dǎo)納gs-jbs折合到晶體管輸入端： 其中p為電感的接入系數(shù)。 如果要噪聲匹配，必須：ssssbpbgpg22,020201,ssssbLCbpggpg）（其中g(shù)0為回路損耗。為了減少g0的影響，一般希望電感L有高Q值。調(diào)節(jié)C使噪聲匹配，但此時(shí)電路是失諧的。(b)信號(hào)源電導(dǎo)gs小于晶體管電導(dǎo)gs002021,ssssbpLCbgpg）（串聯(lián)諧振回路方式高頻信號(hào)源的源阻抗很小，需采用串聯(lián)諧振回路方式來實(shí)現(xiàn)噪聲匹配。信號(hào)源阻抗Rs 和Ls匹配電容阻抗為sssjXRZ回路諧振時(shí)，有：000,ssssXXRCRL0/sssssXCRLRZ可見，如果要噪聲匹配，就必須：20)(1sssLRCL既要噪聲匹配，又要諧振，比較困難。實(shí)際情況是調(diào)節(jié)C，滿足Rs=Rs0，Xs+X0=Xs0。2.7.4 反饋電路設(shè)計(jì)反饋電路設(shè)計(jì) 反饋電路不會(huì)影響放大器本身的固有噪聲，但會(huì)改變放大電路的增益和帶寬，同時(shí)反饋電路本身產(chǎn)生噪聲。 1、電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器 電路的電壓放大倍數(shù)K=-Rf/Rsu噪聲分析方法：把各個(gè)噪聲源看成是獨(dú)立作用的，然后把各個(gè)噪聲源的輸出相加，得到總的輸出噪聲，等效的放大器的輸入端。u獨(dú)立噪聲源： et en in ef（1）en單獨(dú)作用時(shí)，放