射頻電路設(shè)計(jì)技術(shù)第六章

第6章噪聲與

非線性失真評(píng)價(jià)一個(gè)射頻系統(tǒng)性能的優(yōu)劣時(shí)，有兩個(gè)很重要的指標(biāo)：（1）噪聲系數(shù)（2）非線性失真當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)處于小信號(hào)工作時(shí)，其許多性能指標(biāo)都與噪聲有關(guān)；當(dāng)信號(hào)增大時(shí)，二極管和晶體管都存在非線性失真。6.1噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)定義為輸入信噪功率比與輸出信噪功率比的比值：噪聲系數(shù)用分貝表示如下：可見，噪聲系數(shù)表示信號(hào)通過系統(tǒng)后，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲引起信噪比惡化的程度。有以下特性：（1）如果系統(tǒng)是無噪的，不管系統(tǒng)的增益多大，輸入的信號(hào)和噪聲都同樣被放大相同倍數(shù)，而沒有添加任何其他噪聲，因此輸入、輸出的信噪比相等，相應(yīng)的噪聲系數(shù)為1。（2）有噪系統(tǒng)的噪聲系數(shù)均大于1，是因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)部噪聲增大了輸出噪聲，使得輸出信噪比減小。6.2噪聲溫度用等效噪聲溫度來描述系統(tǒng)噪聲的實(shí)際內(nèi)涵是把系統(tǒng)內(nèi)部噪聲看做信號(hào)源內(nèi)阻在溫度To所產(chǎn)生的熱噪聲功率，同時(shí)可以把由天線引入的外部噪聲也看做是由信號(hào)源內(nèi)阻處于另一溫度Ti所產(chǎn)生的熱噪聲功率，從而外部和內(nèi)部噪聲功率的疊加也是等效溫度相加。6.2.1噪聲溫度與

噪聲系數(shù)的關(guān)系等效噪聲溫度和噪聲系數(shù)是用兩種不同的方法來描述同一個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲特性。兩者之間關(guān)系式如下表示：對(duì)于一個(gè)無噪系統(tǒng)，由于F=1，即噪聲系數(shù)為0dB，它的等效噪聲溫度也為零。6.2.2噪聲溫度的測(cè)試等效噪聲溫度特別適用于描述那些噪聲系數(shù)接近于1的部件，因?yàn)榈刃г肼暅囟葘?duì)于這些部件的噪聲性能提供了比較高的分辨率。噪聲溫度的測(cè)試電路如下圖所示：噪聲溫度的計(jì)算通過以上測(cè)試平臺(tái)可計(jì)算出噪聲溫度：噪聲系數(shù)的計(jì)算當(dāng)噪聲溫度為290K時(shí)，噪聲因子定義為：可推導(dǎo)出噪聲系數(shù)的計(jì)算式如下：6.3級(jí)聯(lián)器件的噪聲系數(shù)射頻信號(hào)經(jīng)過濾波器、低噪聲放大器、混頻器及中頻放大器等單元模塊的傳輸，由于每個(gè)單元都有固有噪聲，因而經(jīng)傳輸后都將使輸入信噪比變差。在更多級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中，可以推導(dǎo)出總的等效噪聲溫度和噪聲系數(shù)分別是：由以上分析，可知前面幾級(jí)的噪聲系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響較大。為了降低級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，必須降低第一、二級(jí)的噪聲系數(shù)，并適當(dāng)提高其功率增益，以降低后面各級(jí)的噪聲對(duì)于系統(tǒng)的影響。如果第一級(jí)沒有增益，反而有損耗，對(duì)降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)不利，比如，在接收機(jī)的天線和第一級(jí)低噪聲放大器之間接一無源有耗濾波器。6.4交調(diào)失真在由各種有源器件構(gòu)成的線性放大器中，由于有源器件的特性是非線性的，在放大過程中總會(huì)產(chǎn)生各種各樣的失真。討論有源器件非線性特性對(duì)線性放大器的影響，可分為兩種不同的情況：一是電路輸入端只有一個(gè)有用信號(hào)輸入時(shí)；二是輸入端除有用信號(hào)外，還輸入一個(gè)或多個(gè)信號(hào)的情況。6.4.1輸入端僅有一個(gè)

有用信號(hào)1.諧波分量輸入為有用余弦波信號(hào)：則輸出電流為：盡管輸入是單一頻率的信號(hào)，通過非線性器件，輸出電流中不僅含有基波頻率的分量，而且還出現(xiàn)了平均分量和頻率為N（N為正整數(shù)）的各次諧波分量。射頻放大器一般都是頻帶放大器，這些諧波由于離基波較遠(yuǎn)，一般都可以濾除，因此諧波對(duì)放大器的影響不是很大。2.增益壓縮當(dāng)信號(hào)大到器件的高次項(xiàng)不能忽略時(shí)，若只考慮到三次項(xiàng)，則基波信號(hào)電流為：增益壓縮定義及含義如下圖所示：1dB壓縮點(diǎn)的計(jì)算也可以通過計(jì)算來確定1dB壓縮點(diǎn)的輸入信號(hào)值。根據(jù)1dB壓縮點(diǎn)的定義，可以寫出下式：通過上式變換可以得到：可見與器件類型和放大器工作點(diǎn)有關(guān)系。6.4.2輸入端有兩個(gè)以上

的信號(hào)1.交調(diào)失真設(shè)輸入兩個(gè)信號(hào)：

因此，除了產(chǎn)生諧波和的分量之外，還會(huì)產(chǎn)生很多組合頻率的分量（m和n為含零的正整數(shù)），這就是交調(diào)失真。2.堵塞

如果電路輸入的有用信號(hào)為弱信號(hào)，而另一個(gè)是強(qiáng)干擾信號(hào)，則輸出的有用信號(hào)的基波電流分量為：

當(dāng)V1遠(yuǎn)大于V2時(shí)，由于a3小于零，因而隨著干擾信號(hào)的增大將導(dǎo)致跨導(dǎo)變小，從而使輸出信號(hào)電流變小，甚至趨于零，這就稱為堵塞。3.交叉調(diào)制如果放大器的輸入端有較強(qiáng)的干擾信號(hào)和相對(duì)較弱的有用信號(hào)，且干擾信號(hào)是振幅調(diào)制信號(hào)，如：分析求得輸出有用信號(hào)的基波電流分量為：表明干擾信號(hào)的幅度調(diào)制信息轉(zhuǎn)移到了有用信號(hào)的幅度上，如果有用信號(hào)也是幅度調(diào)制信號(hào)，則通過幅度解調(diào)后將會(huì)得到干擾信號(hào)，這就是交叉調(diào)制失真。4.互相調(diào)制當(dāng)兩個(gè)頻率十分接近的信號(hào)輸入放大器時(shí)，能落在放大器頻帶內(nèi)的頻率分量除了基波之外，還可能有組合頻率和，這是因?yàn)樗鼈儽容^靠近基波分量所造成的。這些組合頻率分量形成對(duì)有用信號(hào)的干擾。這些干擾并不是由兩輸入信號(hào)的諧波產(chǎn)生，而是由這兩個(gè)輸入信號(hào)的相互調(diào)制（相乘）引起的，所以稱為互相調(diào)制失真，又稱為互調(diào)失真。可在下面兩個(gè)指標(biāo)中選一個(gè)來衡量放大器的互調(diào)失真程度：（1）互調(diào)失真比（2）三階互調(diào)截點(diǎn)5.三階互調(diào)截點(diǎn)若忽略增益壓縮，則基波分量幅度為，互調(diào)失真比IMR定義為在輸入信號(hào)幅度為V時(shí)，三階互調(diào)分量的幅度與基波幅度之比：也可以表示為功率之比：更常用“三階截點(diǎn)IIP3”來說明三階互調(diào)失真的程度。三階互調(diào)截點(diǎn)IIP3定義為三階互調(diào)功率與基波功率相等的點(diǎn)，此點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入功率表示為IIP3，對(duì)輸出功率表示為OIP3（一般在放大器中常用OIP3作參考，在混頻器中常用IIP3作參考）。6.估計(jì)IIP3的幾種方法（1）求IIP3的一種方法是通過瞬態(tài)模擬，使兩個(gè)幅值相等頻率近似相同的正弦輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)該放大器。當(dāng)輸入幅值改變時(shí)計(jì)算交調(diào)，并比較輸出頻譜中的三次相互調(diào)制乘積項(xiàng)及基波項(xiàng)。（2）采用功率級(jí)數(shù)兩個(gè)系數(shù)的比可計(jì)算出三階交調(diào)的簡(jiǎn)單表達(dá)式，并且可推導(dǎo)出另一種適合于手工計(jì)算的方法。增量增益的表達(dá)式：將這最后三個(gè)系數(shù)代入求解IIP3的公式，就可得到所希望的用三個(gè)增量增益表示的IIP3的表達(dá)式：7.多級(jí)級(jí)聯(lián)的情況兩級(jí)放大器中三階互調(diào)截點(diǎn)輸入功率與各級(jí)的關(guān)系是：對(duì)于三級(jí)或更多級(jí)，可以寫出更為一般的形式：6.5動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)（特別是移動(dòng)的接收機(jī)）所接收到的信號(hào)強(qiáng)弱是不固定的，通信系統(tǒng)的有效性取決于它的動(dòng)態(tài)范圍，即高性能的工作所能承受的信號(hào)變化范圍。動(dòng)態(tài)范圍的下限是靈敏度，它受到基波噪聲的限制。動(dòng)態(tài)范圍的上限由最大可接收的信號(hào)失真決定。線性動(dòng)態(tài)范圍（lineardynamicrange）定義為：產(chǎn)生1dB壓縮點(diǎn)的輸入信號(hào)電平與靈敏度（或基底噪聲）之比。無雜散動(dòng)態(tài)范圍（Spurious-FreeDynamicRange，SFDR）既下限輸入信號(hào)為靈敏度（或下限為基底噪聲），輸入信號(hào)的上限規(guī)定為：此輸入信號(hào)在輸出