北郵信通院通信電子電路第1章噪聲與干擾課件

第一章：噪聲與干擾內(nèi)容提要內(nèi)容提要由電路內(nèi)部產(chǎn)生的無用信號稱為內(nèi)部噪聲，簡稱噪聲噪聲和干擾泛指除有用信號以外的其他一切無用信號，將極大影響電子設(shè)備的性能指標(biāo)：來自電路外部的無用信號稱為外部噪聲，通常也稱為干擾本章主要討論自然噪聲：噪聲的來源和特點(diǎn)噪聲的表示和計(jì)算干擾和噪聲都具有隨機(jī)性電阻熱噪聲的來源與特點(diǎn)第一節(jié)：噪聲的來源和特點(diǎn)由電阻內(nèi)部的自由電子無規(guī)則的熱運(yùn)動產(chǎn)生，又稱為起伏噪聲：是許多持續(xù)時間極短的脈沖電流疊加的結(jié)果長時看總和為零，但在每一瞬時電流在某一方向都有一定數(shù)值頻率范圍很寬，可認(rèn)為是“白噪聲”電阻熱噪聲的大小(二)第一節(jié)：噪聲的來源和特點(diǎn)若系統(tǒng)工作頻帶(或測量噪聲功率時的頻帶寬度)為，則電阻熱噪聲的均方值為：有效值為：實(shí)際電路中的電阻建模形式：電阻熱噪聲的額定噪聲功率第一節(jié)：噪聲的來源和特點(diǎn)易知當(dāng)噪聲源的負(fù)載與其內(nèi)阻匹配時，噪聲源能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率傳輸對于實(shí)數(shù)阻抗網(wǎng)絡(luò)來說，當(dāng)時，該功率又被稱為噪聲源的資用功率(availablepower)：僅與噪聲源本身有關(guān)，與負(fù)載無關(guān)，表示噪聲源輸出功率的最大能力與電阻本身的大小無關(guān)，僅與溫度和系統(tǒng)帶寬有關(guān)例題第一節(jié)：噪聲的來源和特點(diǎn)放大器的工作帶寬為2MHz，信號源電阻為，當(dāng)工作溫度為，電壓增益為，輸入信號有效值為時，試計(jì)算輸出信號有效值(有用信號和噪聲)，假定放大器所產(chǎn)生的噪聲及其它噪聲可以忽略例題第一節(jié)：噪聲的來源和特點(diǎn)設(shè)下圖中的電容為無損耗電容，求輸出端噪聲電壓的均方值無噪聲RC網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：故等效噪聲帶寬為：電抗元件的熱噪聲？第一節(jié)：噪聲的來源和特點(diǎn)理想電抗元件不產(chǎn)生熱噪聲實(shí)際的電感和電容，由于存在一定的損耗電阻或漏電導(dǎo)，而被認(rèn)為是有噪元件電感的損耗電阻一般不能忽略電容的損耗電阻通?？梢院雎跃w管的噪聲(一)第一節(jié)：噪聲的來源和特點(diǎn)晶體管噪聲的來源有如下四種：熱噪聲晶體管三個區(qū)的體電阻和引線電阻均會產(chǎn)生熱噪聲。其中為主要噪聲源散粒噪聲(散彈噪聲)由于載流子隨機(jī)通過PN結(jié)，使得不同的瞬間發(fā)射極或集電極電流在平均值上下作不規(guī)則的起伏變化而形成其電流功率譜密度為：散粒噪聲也是與頻率無關(guān)的白噪聲，但其大小與平均電流值成正比。故在低噪聲放大器中，第一級的工作電流設(shè)計(jì)得較小場效應(yīng)管的噪聲第一節(jié)：噪聲的來源和特點(diǎn)溝道熱噪聲由導(dǎo)電溝道中多子不規(guī)則的熱運(yùn)動而產(chǎn)生，是場效應(yīng)管的主要噪聲源柵極感應(yīng)噪聲產(chǎn)生原因與雙極型晶體管大致相同溝道熱噪聲通過柵極電容的耦合，在柵極上感應(yīng)而產(chǎn)生噪聲，其值隨功率頻率及的增高而變大閃爍噪聲(噪聲)柵極散粒噪聲由柵極內(nèi)電荷的不規(guī)則起伏引起二極管的噪聲第一節(jié)：噪聲的來源和特點(diǎn)二極管正偏狀態(tài)正偏狀態(tài)下的二極管也存在散彈噪聲電流，在低頻范圍內(nèi)還需要考慮其閃爍噪聲二極管反偏狀態(tài)由于反向飽和電流較小，故散彈噪聲較小反偏工作狀態(tài)下主要針對穩(wěn)壓二極管齊納型穩(wěn)壓管主要呈現(xiàn)的是散彈噪聲，在頻率較低時也有閃爍噪聲雪崩型穩(wěn)壓管的噪聲較大，除散彈噪聲外還有由于PN結(jié)內(nèi)的缺陷和不均勻性而造成的多態(tài)噪聲天線噪聲(一)第一節(jié)：噪聲的來源和特點(diǎn)天線歐姆電阻產(chǎn)生的噪聲，通?？珊雎越邮胀鈦碓肼暷芰恐饕ń邮罩車橘|(zhì)輻射的噪聲能量和各種外界環(huán)境噪聲，與其周圍的介質(zhì)溫度、天線的指向及頻率有關(guān)接收天線端口噪聲的兩個來源：用天線的輻射電阻在溫度產(chǎn)生的熱噪聲來表示天線的噪聲性能：：天線的等效噪聲溫度，不一定等于天線周圍的溫度當(dāng)天線與接收機(jī)輸入端匹配時，額定噪聲功率為：多個噪聲源作用于電路時的計(jì)算第一節(jié)：噪聲的來源和特點(diǎn)若各噪聲源是互不相關(guān)的，即各噪聲源中任一噪聲源在某特定時間上的噪聲電壓的瞬時值與另一噪聲源在該時間上的數(shù)值大小無關(guān)，則總輸出噪聲功率等于各自輸出功率之和否則需要考慮噪聲源之間的相關(guān)系數(shù)信噪比的定義第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算從噪聲對信號影響的效果來看，不在于噪聲電平的絕對值的大小，而在于信號功率與噪聲功率的相對值所以在電路的某一點(diǎn)上，常用信號功率與噪聲功率的比值(即信噪比)來表示噪聲對有用信號的影響信噪比不能表示從輸入到輸出電路在信號中注入了多少噪聲噪聲系數(shù)的定義第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算即網(wǎng)絡(luò)輸入端的信噪比和輸出端信噪比的比值：電路對信號的功率增益：輸入噪聲經(jīng)過電路后，在電路輸出端產(chǎn)生的噪聲功率：電路內(nèi)部噪聲在輸出端產(chǎn)生的噪聲功率噪聲系數(shù)示例第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算NF頻率特性曲線噪聲系數(shù)等值線圖?？梢娫肼曄禂?shù)還和放大器的工作條件有關(guān)級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算影響級聯(lián)放大器噪聲性能的主要因素是第一級的噪聲系數(shù)及其功率增益注意：若A<0dB呢？噪聲系數(shù)的計(jì)算方法(一)第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算按定義計(jì)算信噪比與負(fù)載的關(guān)系即信號源加上負(fù)載后的信噪比與負(fù)載大小無關(guān)噪聲系數(shù)的計(jì)算方法(例一)第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算額定功率法輸出端的等效戴維南電路參數(shù)為：噪聲系數(shù)的計(jì)算方法(三)第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算開路電壓法和短路電流法噪聲系數(shù)也可表示成輸出端開路時的兩均方電壓之比或輸出端短路時的兩均方電流之比 ：分別為網(wǎng)絡(luò)輸出端開路和短路時總的輸出噪聲均方電壓和均方電流 ：分別為網(wǎng)絡(luò)輸出端開路和短路時理想網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲均方電壓和均方電流級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)(例)第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算圖中，A為衰減器（無源有耗網(wǎng)絡(luò)），B為放大器，假定A、B均處于匹配狀態(tài)，試計(jì)算該級聯(lián)電路的增益及噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)的計(jì)算方法(五)第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算噪聲系數(shù)與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲大小有關(guān)噪聲系數(shù)與以下因素有關(guān)：噪聲系數(shù)與輸入噪聲的大小或者說與信號源噪聲溫度有關(guān)測量網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)時，規(guī)定信號源內(nèi)阻取標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度，即：網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)還與信號源內(nèi)阻有關(guān)，因此存在使網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)最小的最佳源阻抗噪聲系數(shù)的計(jì)算方法(六)第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算在進(jìn)行計(jì)算時，無論是電壓與電流轉(zhuǎn)換，還是分壓系數(shù)與分流系數(shù)，都要是平方關(guān)系一般情況下：分析串聯(lián)形式的電路用開路電壓法較簡單分析并聯(lián)形式的電路用短路電流法較方便當(dāng)電路較復(fù)雜時，用額定功率法較為簡便，但需注意額定功率法只適用于無源網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的概念僅適用于線性網(wǎng)絡(luò)等效噪聲溫度(一)第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算將有噪聲線性網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部噪聲折算到電路輸入端，此內(nèi)部噪聲可以用提高信號源內(nèi)阻上的溫度來等效，即將其視為信號源內(nèi)阻處于溫度時產(chǎn)生的噪聲，而將原網(wǎng)絡(luò)看做理想無噪聲網(wǎng)絡(luò)，這個就稱為等效噪聲溫度推導(dǎo)可得：多級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度公式請自行查看課本等效噪聲溫度(二)第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算當(dāng)系統(tǒng)與前端匹配時，可將等效噪聲溫度與信號源內(nèi)阻的噪聲溫度疊加，從而實(shí)際處理時比較方便，此時有：其中為信號源噪聲的等效噪聲溫度等效噪聲溫度比較適合描述噪聲系數(shù)接近1的部件，原因在于其提供了比較高的分辨率放大器的通用噪聲等效電路(一)第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算假定所有噪聲具有相同的頻譜，且無相關(guān)性各參數(shù)的含義說明：在輸入端短路和開路情況下，分別測量輸出端的噪聲均方根值，便可通過折算求出噪聲系數(shù)推導(dǎo)可得：放大器的通用噪聲等效電路(二)第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算當(dāng)時，當(dāng)信號源內(nèi)阻為使噪聲系數(shù)最小的最佳信號源內(nèi)阻時，電路本身產(chǎn)生的噪聲功率相對于信號源內(nèi)阻產(chǎn)生的噪聲功率，其影響達(dá)到最小，但是并不說明輸出端的信噪比一定最大噪聲系數(shù)與靈敏度(一)第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算當(dāng)要求一定的輸出信噪比時，噪聲性能決定了輸入端必需的信號功率靈敏度就是在給定接收機(jī)要求的輸出端信噪比的條件下，接收機(jī)所能檢測的最低輸入信號電平：：接收機(jī)天線的等效噪聲溫度：接收機(jī)的噪聲系數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度，即290K：接收機(jī)帶寬：接收機(jī)所要求的輸出信噪比噪聲系數(shù)與靈敏度(二)第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算當(dāng)時，靈敏度為：例：設(shè)接收機(jī)帶寬為1MHz，噪聲系數(shù)為20dB，若希望輸出信噪比為10dB，則靈敏度為：例第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算如圖所示放大器及輸入信號，設(shè)放大器的帶寬BW=300kHZ，試求：輸入信噪比輸出信號功率輸出噪聲功率輸出信噪比輸入信噪比：輸出信號功率：例第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算如圖所示放大器及輸入信號，設(shè)放大器的帶寬BW=300kHZ，試求：輸入信噪比輸出信號功率輸出噪聲功率輸出信噪比放大器內(nèi)部噪聲等效到輸入端的功率為：例第二節(jié)：噪聲的表示和計(jì)算如圖所示放大器及輸入信號，設(shè)放大器的帶寬BW=300kHZ，試求：輸入信噪比輸出信號功率輸出噪聲功率輸出信噪比若根據(jù)NF的定義求：原因在于測量放大器的噪聲系數(shù)時規(guī)定輸入信號源為標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度To，而本題不滿足此條件降低噪聲系數(shù)的措施第三節(jié)：降低噪聲系數(shù)的措施選用低噪聲元器件正確選擇晶體管的直流工作點(diǎn)選擇合適的信號源內(nèi)阻選擇合適的工作頻帶選擇合適的放大電路降低熱噪聲干擾第四節(jié)：干擾請自行閱讀課本低噪聲放大器的性能特點(diǎn)第五節(jié)：低噪聲放大器低噪聲放大器(LowNoiseAmplifier,LNA)是射頻接收機(jī)前端的主要部件，主要有以下幾個特點(diǎn)：噪聲越小越好。要求其有一定的增益，但其增益又不宜過大線性范圍大、增益最好可調(diào)節(jié)其輸入端必須很好地與天線或天線濾波器匹配，以達(dá)到功率最大傳輸或有最小的噪聲系數(shù)，并能保證濾波器的性能應(yīng)具有一定的選頻性能主要性能指標(biāo)：低