通信電子電路-噪聲與干擾特點和措施課件

通信電子電路

—噪聲與干擾特點和措施

本章教學內(nèi)容1.1噪聲的來源和特點1.2噪聲的表示和計算1.3降低噪聲系數(shù)的措施1.4干擾1.5低噪聲放大器總結(jié)2本章教學重點1.1噪聲的來源和特點電阻的熱噪聲1.2噪聲的表示和計算噪聲系數(shù)31.1噪聲的來源和特點噪聲和干擾噪聲(noise)：電路內(nèi)部產(chǎn)生的無用信號干擾(interference)：來自電路外部的無用信號課外知識：噪聲在無線通信中的影響41.1.1電阻的熱噪聲——定義電阻的熱噪聲是電阻內(nèi)部的自由電子無規(guī)則熱運動形成許多持續(xù)時間極短的脈沖電流疊加的結(jié)果：電流總和為零；每一瞬時，電流在某一方向都有一定數(shù)值；電流脈沖持續(xù)時間極短，因此熱噪聲頻譜很寬(又稱白噪聲)衡量具有隨機性的噪聲不能直接將電流疊加，通常以噪聲電壓均方值來衡量：51.1.1電阻的熱噪聲——重要公式噪聲的頻域描述->功率譜或均方電壓譜，均方電壓譜=單位電阻上的功率譜電阻兩端產(chǎn)生的熱噪聲的均方電壓譜密度為：6

其中k=1.38e-23，T=攝氏度+273。假定系統(tǒng)工作頻帶(或測量帶寬)為Δf，則有：4kTR與頻率無關(guān)，所以熱噪聲也稱白噪聲1.1.1電阻的熱噪聲——噪聲等效電路依據(jù)諾頓定理： 也即噪聲的均方電流值為：7電阻的噪聲等效電路圖如下：1.1.1電阻的熱噪聲——電阻的額定噪聲功率額定功率的簡單定義：阻抗匹配時，網(wǎng)絡(luò)輸入輸出功率達到最大，即為額定功率。8電阻R在負載上產(chǎn)生的額定噪聲功率：1.1.1電阻的熱噪聲——噪聲在網(wǎng)絡(luò)中的傳遞、等效噪聲帶寬、3dB帶寬假定分別表示輸入、輸出噪聲均方電壓譜密度，表示傳輸函數(shù)，則有：9等效噪聲帶寬BWn：將濾波器(傳輸函數(shù))等效為積分面積相同且H02一致的矩形濾波器的帶寬1.1.1電阻的熱噪聲——噪聲在網(wǎng)絡(luò)中的傳遞、等效噪聲帶寬、3dB帶寬3dB帶寬(半功率點帶寬)：在濾波器3dB帶寬邊界，等于的一半例題：例1.1.3，增加問題：圖1.1.3b無噪聲網(wǎng)絡(luò)的3dB帶寬和等效噪聲帶寬是多少？101.1.2晶體管的噪聲熱噪聲：基區(qū)體電阻是主要噪聲源11散粒噪聲：由載流子通過PN結(jié)的隨機性引起，又稱“散彈噪聲”：

散粒噪聲是白噪聲，也是電流噪聲，所以低噪聲放大器中第一級的工作電流設(shè)計較小1.1.2晶體管的噪聲分配噪聲：由載流子在基區(qū)復合的隨機性引起。工作頻率越高，分配噪聲越大，因此分配噪聲不是白噪聲低頻噪聲：閃爍噪聲或爆裂噪聲。與晶體管表面狀態(tài)或內(nèi)部缺陷有關(guān)。閃爍噪聲強度與頻率成反比，又稱“1/f噪聲”121.1.3場效應(yīng)管的噪聲溝道熱噪聲：主要源自溝道電阻：柵極感應(yīng)噪聲：了解即可，非白噪聲閃爍噪聲：與晶體管的成因類似柵極散粒噪聲：其值比雙極型晶體管小得多131.1.3場效應(yīng)管的噪聲雙極晶體管和場效應(yīng)管噪聲的比較14噪聲種類雙極晶體管場效應(yīng)管附熱噪聲主要來自主要來自散粒噪聲有小或無柵極散粒噪聲分配噪聲有無柵極感應(yīng)噪聲小高頻時場效應(yīng)管柵極感應(yīng)噪聲會變大低頻(閃爍)噪聲有有低頻時，場效應(yīng)管噪聲小(無分配噪聲，散粒、柵極感應(yīng)噪聲小)，高頻時場效應(yīng)管噪聲增大，有可能超過雙極晶體管(柵極感應(yīng)噪聲變大)1.1.4二極管的噪聲二極管正偏：散彈噪聲低頻范圍還要考慮閃爍噪聲二極管反偏（散彈噪聲較小）：齊納型穩(wěn)壓管：散彈噪聲頻率較低時也有1/f噪聲雪崩型穩(wěn)壓管（噪聲大于齊納型穩(wěn)壓管）除散彈噪聲外還有多態(tài)噪聲151.1.5天線噪聲為工程方便，天線噪聲統(tǒng)一用如下參數(shù)計算：輻射電阻：RA等效噪聲溫度：TaBWn：接收機等效噪聲帶寬當天線與接收機輸入端匹配時，輸入接收機的天線噪聲功率為：161.1.6多個噪聲源作用于電路時的計算若各噪聲源互不相關(guān)，總的均方電壓等于各噪聲源均方電壓之和，對k個噪聲源有：17互不相關(guān)噪聲源的均方相加性質(zhì)是計算噪聲電路的基本法則課外知識：以上法則（相關(guān)信號相加，其總功率增加的速度高于不相關(guān)信號信號相加時的功率變化）在無線通信中的意義1.2噪聲的表示和計算噪聲對信號的影響，在電路某一點上，通常用信噪比(S/N)表示:18某電路從輸入到輸出注入的噪聲需要用噪聲系數(shù)衡量1.2.1噪聲系數(shù)——定義對線性四端網(wǎng)絡(luò)，噪聲系數(shù)F定義為：入信噪比/出信噪比。若用dB表示：

NF=入信噪比(dB)-出信噪比(dB)對于級聯(lián)的多級放大器，假定每級噪聲系數(shù)為F1，…，F(xiàn)n，每級放大系數(shù)為Ap1，…，Apn，則級聯(lián)的總噪聲系數(shù)為：19該公式說明什么？1.2.1噪聲系數(shù)——公式的變形參考p19對變量Psi、Pso、Pni、Pno、Ap、Pnio、Pnao的定義，有：20可見噪聲系數(shù)的值總是大于1的，僅理想無噪聲電路噪聲系數(shù)等于1，即0dB1.2.1噪聲系數(shù)——計算按定義計算(式1.2.1)211.2.1噪聲系數(shù)——計算額定功率法開路電壓法和短路電流法22一個重要的例子(右圖)：求負載上的信噪比結(jié)論：信號源與負載連接，負載上的信噪比與負載大小無關(guān)1.2.1噪聲系數(shù)——計算：例1.2.1額定功率法分別假定輸入輸出匹配(Rs=R+RL、RL=Rs+R)，進行計算23輸入，輸出匹配時，所以上式可化簡為：1.2.1噪聲系數(shù)——計算：例1.2.1額定功率法241.2.1噪聲系數(shù)——計算：例1.2.1開路電壓法251.2.1噪聲系數(shù)——計算：例1.2.1短路電流法261.2.1噪聲系數(shù)——無源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)網(wǎng)絡(luò)匹配時：27無源有耗網(wǎng)絡(luò)的F也稱為插入損耗(L，插損)注意：插損的級聯(lián)計算與級聯(lián)噪聲系數(shù)公式的矛盾？！1.2.1噪聲系數(shù)——總結(jié)定義。注意與dB的轉(zhuǎn)換記住級聯(lián)放大噪聲系數(shù)公式理解噪聲系數(shù)公式的變形理解計算噪聲系數(shù)方法的實質(zhì)：由于信號源輸出信噪比與負載無關(guān)，可以對負載做出不同假定：假定負載開路->只計算均方電壓比假定負載短路->只計算均方電流比假定負載匹配->利用額定功率計算281.2.2等效噪聲溫度將有噪線性網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部噪聲視為信號源內(nèi)阻Rs處于溫度Te時產(chǎn)生的噪聲，而將原網(wǎng)絡(luò)看作理想無噪聲網(wǎng)絡(luò)，這個Te就稱為等效噪聲溫度29

即：由式：有1.2.2等效噪聲溫度級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等效噪聲溫度與噪聲系數(shù)公式類似：30引入等效噪聲溫度后，可以將網(wǎng)絡(luò)噪聲與等效噪聲溫度為Ta的天線噪聲（即信號源噪聲）相加，作為總的輸入噪聲，而把網(wǎng)絡(luò)看作是無噪的。當信號源與網(wǎng)絡(luò)輸入端匹配時總的輸入噪聲功率為：引入等效噪聲溫度的另一個好處是為衡量網(wǎng)絡(luò)噪聲性能提供更好的分辨率。參考表1.2.11.2.3放大器的通用噪聲等效電路考慮右圖等效電路，計算噪聲系數(shù)311.2.3放大器的通用噪聲等效電路321.2.4噪聲系數(shù)與靈敏度靈敏度：給定接收機要求的輸出端信噪比的條件下，接收機所能檢測的最低輸入信號電平：

33以dB表示時：

當Ta＝To＝290K時，靈敏度為：1.3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選擇合適的信號源內(nèi)阻選擇合適的工作頻帶選用合適的放大電路降低前端熱噪聲341.4干擾工業(yè)干擾：通常是由產(chǎn)生電火花的裝置引發(fā)的，如引擎點火系統(tǒng)、熒光燈、電動機的整流器、電器開關(guān)等除直接輻射外，更主要的是沿電力線傳輸從工業(yè)干擾的性質(zhì)看，大都屬于脈沖干擾天電干擾：自然界的雷電現(xiàn)象是天電干擾的主要來源351.5低噪聲放大器低噪聲放大器的主要性能指標是：低的噪聲系數(shù)(NF)足夠的線性范圍合適的增益輸入輸出阻抗的匹配(衡量指標：反射系數(shù)或駐波比)輸入輸出間良好的隔離低電源電壓和低功耗(對移動通信尤為重要)

36總結(jié)——1.1節(jié)37總結(jié)——1.2~1.5節(jié)38作業(yè)391.1.11.2.11.2.3

補充內(nèi)容(1)：級聯(lián)噪聲系數(shù)的推導140用公式F=1+Pnao/(Ap*Pni)求出各級Pnao推導:

則：該推導方法摘自：董在望，《通信電路原理》第二版，131頁補充內(nèi)容(1)：級