电路的噪声学习.pptx
但是,起伏噪声的均方值是确定的,可以用功率计测量出来。实验发现,在整个无线电频段内,当温度一定时,单位电阻上所消耗的平均功率在单位频带内几乎是一个常数,即其功率频谱密度是一个常数。对照白光内包含了所有可见光波长这一现象,人们把这种在整个无线电频段内具有均匀频谱的起伏噪声称为白噪声。第1页/共43页（2-49）（250）第2页/共43页图231电阻热噪声等效电路（251）（252）阻值为的电阻产生的噪声电流功率频谱密度和噪声电压功率频谱密度分别为：第3页/共43页 2)线性电路中的热噪声（253）(254)图232热噪声通过线路电路的模型第4页/共43页图233并联回路的热噪声(254)第5页/共43页 并 联 回 路 可 以 等 效 为Re+jXe（图 2 33（c）,现在看上述输出噪声谱密度与Re、Xe的关系。展开化简后得与式(255)对比,可得(255)(256)第6页/共43页 根据式(2 55)与式(2 56)可以求出输出端的均方噪声电压为第7页/共43页 3)噪声带宽 图 2 32 是一线性系统,其电压传输函数为H(j)。设输入一电阻热噪声,均方电压谱为SUi=4kTR,输出均方电压谱为SUo,则输出均方电压E2n2为 设|H(j)|的最大值为H0,则可定义一等效噪声带宽Bn,令（257）则等效噪声带宽Bn为（258）第8页/共43页第9页/共43页 图 2 33 的单振荡回路为例,计算其等效噪声带宽。设回路为高Q电路,设谐振频率为f0，由前面分析,再考虑到高Q条件,此回路的|H(j)|2可近似为 式中,f为相对于f0的频偏,由此可得等效噪声带宽为第10页/共43页晶体管噪声晶体管噪声主要包括以下四部分。热噪声构成晶体管的发射区、基区、集电区的体电阻和引线电阻均会产生热噪声,其中以基区体电阻rbb的影响为主。散弹噪声散弹噪声是晶体管的主要噪声源。它是由单位时间内通过结的载流子数目随机起伏而造成的。人们将这种现象比拟为靶场上大量射击时弹着点对靶中心的偏离,故称为散弹噪声。在本质上它与电阻热噪声类似,属于均匀频谱的白噪声,其电流功率频谱密度为:I（）0(266)第11页/共43页其中0是通过结的平均电流值,是每个载流子所载的电荷量。-19库仑。注意,在0时,散弹噪声为零,但是只要不是绝对零度,热噪声总是存在。这是二者的区别。分配噪声在晶体管中,通过发射结的非平衡载流子大部分到达集电结,形成集电极电流,而小部分在基区内复合,形成基极电流。这两部分电流的分配比例是随机的,从而造成集电极电流在静态值上下起伏变化,产生噪声,这就是分配噪声。分配噪声实际上也是一种散弹噪声,但它的功率频谱密度是随频率变化的,频率越高,噪声越大。其功率频谱密度也可近似按式（266）计算。第12页/共43页 闪烁噪声产生这种噪声的机理目前还不甚明了,一般认为是由于晶体管表面清洁处理不好或有缺陷造成的,其特点是频谱集中在约k以下的低频范围,且功率频谱密度随频率降低而增大。在高频工作时,可以忽略闪烁噪声。第13页/共43页场效应管噪声场效应管是依靠多子在沟道中的漂移运动而工作的,沟道中多子的不规则热运动会在场效应管的漏极电流中产生类似电阻的热噪声,称为沟道热噪声,这是场效应管的主要噪声源。其次便是栅极漏电流产生的散弹噪声。场效应管的闪烁噪声在高频时同样可以忽略。沟道热噪声和栅极漏电流散弹噪声的电流功率频谱密度分别是：SISI(f)=2qIg其中m是场效应管跨导,g是栅极漏电流。第14页/共43页 噪声系数和噪声温度 1 噪声系数的定义 图 2 35 为一线性四端网络,它的噪声系数定义为输入端的信号噪声功率比(S/N)i与输出端的信号噪声功率比(S/N)o的比值,即图235噪声系数的定义第15页/共43页 图中,KP为电路的功率传输系数(或功率放大倍数)。用Na表示线性电路内部附加噪声功率在输出端的输出,考虑到KP=o/Si,式(2 60)可以表示为（260）(261)(262)第16页/共43页 噪声系数通常用dB表示,用dB表示的噪声系数为(263)（264）（265）第17页/共43页信噪比与负载的关系信噪比与负载的关系 设信号源内阻为RS，信号源的电压为US（有效值），当它与负载电阻RL相接时，在负载电阻RL上的信噪比计 算如下：信号源在RL上的功率 信号源内阻噪声在RL上的功率 在负载两端的信噪比结论：信号源与任何负载相接本不影响其输入端信噪比，即无论负载为何值，其信噪比都不变，其值为负载开路时的信号电压平方与噪声电压均方值之比。在负载两端的信噪比第18页/共43页额定功率和额定功率增益在分析和计算噪声问题时,用额定功率和额定功率增益概念可以使问题简化,物理意义更加明确。信号额定功率是指电压信号源可能输出的最大功率。当负载阻抗L与信号源阻抗s匹配时,信号源输出功率最大。所以,其额定功率为：PA=可见,额定功率是表征信号源的一个参量,与其实际负载值无关。第19页/共43页现在用额定功率来表示电阻的热噪声功率。电阻R的噪声额定功率为:PnA=由上式可见,电阻的噪声额定功率只与温度及通频带有关,而与本身阻值和负载无关（注意,实际功率是与负载有关的）。这一结论可以推广到任何无源二端网络。额定功率增益PA是指一个线性四端网络的输出额定功率Ao与输入额定功率Ai的比值。即:第20页/共43页可见,额定功率增益是表征线性四端网络的一个参量。只要网络与其信号源电路确定,则额定功率增益就是一个定值,而与该网络输入、输出电路是否匹配无关。例26求图例26所示四端网络的额定功率增益。解:图示四端网络输入端额定功率Ai也就是输入信号源的额定功率,即:从四端网络输出端往左看,其戴维南等效电路是由信号源与电阻s串联组成,所以输出端额定功率为:第21页/共43页第22页/共43页PAo=所以,额定功率增益GPA=可见,图示四端网络的额定功率增益仅与网络电阻和信号源内阻有关,与负载无关,且无论网络输入、输出端是否匹配均为一固定值。第23页/共43页 噪声系数的计算式噪声系数可以改写成各种不同的表达形式,以便于分析和计算。其中一种形式是用额定功率来代替实际功率,即不用考虑实际负载的大小,仅考虑一种最佳情况。这样,噪声系数可写成：根据式,上式又可写成:因为其中nAn是放大器内部噪声额定功率。把这两个式子代入式可得:第24页/共43页 2噪声温度 将线性电路的内部附加噪声折算到输入端,此附加噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效,这就是“噪声温度”。由式(2 62),等效到输入端的附加噪声为Na/KP,令增加的温度为Te,即噪声温度,可得（266）这样,式(262)可重写为（267）(268)第25页/共43页 噪声系数的计算 1额定功率法 额定功率,又称资用功率或可用功率,是指信号源所能输出的最大功率,它是一个度量信号源容量大小的参数,是信号源的一个属性,它只取决于信号源本身的参数内阻和电动势,与输入电阻和负载无关,如图 2 36 所示。（269）（270）第26页/共43页图236信号源的额定功率（a）电压源;（b）电流源额定功率增益KPm是指四端网络的输出额定功率Psmo和输入额定功率Psmi之比,即（271）第27页/共43页 根据噪声系数的定义,分子和分母都是同一端点上的功率 比,因此将实际功率改为额定功率,并不改变噪声系数的定义,则（272）因为Nmi=kTB,Nmo=KPmNmi+Nmn,所以（273）第28页/共43页 式中,Psmi和Psmo分别为输入和输出的信号额定功率;Nmi和Nmo分别为输入和输出的噪声额定功率;Nmn为网络内部的最大输出噪声功率。也可以等效到输入端,有（274）式中,Nmoi=Nmo/KPm是网络额定输出噪声功率等效到输入端的数值。(275)第29页/共43页图237无源四端网络的噪声系数图238抽头回路的噪声系数第30页/共43页 将信号源电导等效到回路两端,为p2GS,等效到回路两端的信号源电流为pIS,输出端匹配时的最大输出功率为 输入端信号源的最大输出功率为因此,网络的噪声系数为第31页/共43页根据定义,级联后总的噪声系数为图239级联网络噪声系数（276）式中,No为总输出额定噪声功率,它由三部分组成:经两级放大的输入信号源内阻的热噪声;经第二级放大的第一级网络内部的附加噪声;第二级网络内部的附加噪声,即第32页/共43页 按噪声系数的表达式,Na1和Na2可分别表示为则将上式代入式（276）,得(277)第33页/共43页用同样的方法不难推出多级级联网络的噪声系数的公式为(278)从式(278)可以看出,当网络的额定功率增益远大于1时,系统的总噪声系数主要取决于第一级的噪声系数。越是后面的网络,对噪声系数的影响就越小,这是因为越到后级信号的功率越大,后面网络内部噪声对信噪比的影响就不大了。因此,对第一级来说,不但希望噪声系数小,也希望增益大,以便减小后级噪声的影响。第34页/共43页 例 3 图 2 40 是一接收机的前端电路,高频放大器和场效应管混频器的噪声系数和功率增益如图所示。试求前端电路的噪声系数(设本振产生的噪声忽略不计)。图240接收机前端电路的噪声系数第35页/共43页 解 将图中的噪声系数和增益化为倍数,有因此,前端电路的噪声系数为第36页/共43页2负载开路法;如图2-16所示，不考虑RL的噪声，求电阻线性网络的噪声系数NF。图2-16求电阻线性网络的噪声系数第37页/共43页解：应用负载开路法,设RL开路，其噪声等效电路如图2-17所示图2-17图2-16RL开路噪声等效电路则信号源内阻RS在开路端形成的噪声电压的方均值=4kTRs电阻R在开路端形成的噪声电压的方均值=4kTR第38页/共43页噪声系数NFNF=1+Pno/Pno=/=1+4kTR/4kTRs=1+R/Rs第39页/共43页3负载短路法如图2-18所示，不考虑RL的噪声，求电阻线性网络的噪声系数N图2-18第40页/共43页 3 噪声系数与灵敏度 噪声系数是用来衡量部件(如放大器)和系统(如接收机)噪声性能的。灵敏度就是保持接收机输出端信噪比一定时,接收机输入的最小信号电压或功率(设接收机有足够的增益)。第41页/共43页 电子系统的内部噪声对信号的接收和处理会产生严重的干扰作用。内部噪声主要有电阻热噪声、晶体管噪声和场效应管噪声三种。噪声系数是衡量放大器以及所有线性四端网络噪声性能好坏的一个重要指标。在多级放大器中,各级噪声系数对总噪声系数的影响是不同的。降低前级放大器(尤其是第一级)的噪声系数,提高前级放大器(尤其是第一级)的额定功率增益是减小多级放大器总噪声系数的重要措施。小结第42页/共43页感谢您的观看！第43页/共43页
