高频电子线路第二章.ppt

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1、2.2 电电 噪噪 声声 2.2.1 概述概述 所谓干扰（或噪声）,就是除有用信号以外的一切不需要的信号及各种电磁骚动的总称。2.2.2 电子噪声的来源与特性电子噪声的来源与特性 1.电阻热噪声 1)热噪声电压和功率谱密度（2 49）（2 50）图 2 31 电阻热噪声等效电路 （2 51）（2 52）2)线性电路中的热噪声（2 53）(2 54)图 2 32热噪声通过线路电路的模型 图 2 33并联回路的热噪声(2 54)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(2 55)对比,可得(2 55)(2 56)根据式(2

2、55)与式(2 56)可以求出输出端的均方噪声电压为 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（2 57）则等效噪声带宽Bn为（2 58）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 2.晶体三极管的噪声晶体三极管的噪声 1)散弹（粒）噪声 己知并联回路的

3、 3 dB带宽为B 0.7=f0/Q,故(2 59)2)分配噪声3)闪烁噪声 3.场效应管噪声场效应管噪声 2.2.3 噪声系数和噪声温度噪声系数和噪声温度 1 噪声系数的定义噪声系数的定义 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 2 35 噪声系数的定义 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（2 60）(2 61)(2 62)噪声系数通常用dB表示,用dB表示的噪声系数为(2 63)（2

4、64）（2 65）2噪声温度噪声温度 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（2 66）这样,式(2 62)可重写为（2 67）(2 68)2.2.4噪声系数的计算噪声系数的计算 1额定功率法额定功率法 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。（2 69）（2 70）图 2 36

5、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（2 71）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（2 72）因为Nmi=kTB,Nmo=KPmNmi+Nmn,所以（2 73）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（2 74）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。(2 75)图 2 37 无

6、源四端网络的噪声系数 图 2 38抽头回路的噪声系数 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,网络的噪声系数为根据定义,级联后总的噪声系数为图 2 39 级联网络噪声系数（2 76）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 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（2 76）,得(2 77)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(2 78)从式(2

7、 78)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。例例 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 2 40接收机前端电路的噪声系数 解解 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 3 噪声系数与灵敏度噪声系数与灵敏度 噪声系数是用来衡量

8、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)。2.2.5 噪声系数的测量噪声系数的测量 1 采用噪声信号源的测量方法采用噪声信号源的测量方法 图 2 41 是测量系统的构成。图 2 41 用噪声信号源测量噪声系数 噪声系数为（2 79）2.3 2.3 信噪比和噪声系数信噪比和噪声系数 2.3.1 2.3.1 信噪比信噪比 信噪比：衡量一个信号质量优劣的指标。它是在指定信噪比：衡量一个信号质量优劣的指标。它是在指定频带内，同一端口信号功率频带内，同一端口信号功率 和噪声功率和噪声功率 的比值，即的比值

9、，即 当用分贝表示信噪比时，有当用分贝表示信噪比时，有 信噪比越大，信号质量越好。信噪比越大，信号质量越好。2.32.3.2 2.3.2 噪声系数噪声系数 噪声系数定义：线性四端网络输入端的信噪比与噪声系数定义：线性四端网络输入端的信噪比与输出端的信噪比之比值。输出端的信噪比之比值。是信号源电压，是信号源电压，是信号源内阻是信号源内阻 的等效噪声源电压；的等效噪声源电压；是负载。是负载。2.3.2是信号源内阻，是信号源内阻，线件四端网络如图线件四端网络如图 2.3.12.3.1所示，图中所示，图中一、噪声系数一、噪声系数设输入端的信号功率为设输入端的信号功率为，由信号源内阻产生的，由信号源内阻

10、产生的噪声功率为噪声功率为，而网络的输出端负载上所得到的信号，而网络的输出端负载上所得到的信号、功率和噪声功率分别为功率和噪声功率分别为，噪声系数定义为，噪声系数定义为 或用或用dB表示为表示为 噪声系数通常只适用线性网络，因为非线性电路会产噪声系数通常只适用线性网络，因为非线性电路会产生信号和噪声的频率变换，噪声系数不能反映系统的附生信号和噪声的频率变换，噪声系数不能反映系统的附加噪声性能。加噪声性能。则噪声系数可以改写为则噪声系数可以改写为 式中，式中，为信号源内阻为信号源内阻 产生的噪声经过线性网络后产生的噪声经过线性网络后在输出端产生的噪声功率；在输出端产生的噪声功率；2.3.2若设线

11、性网络的功率增益若设线性网络的功率增益而线性网络输出端的总噪声功率而线性网络输出端的总噪声功率应等于应等于 和线性网络本身的噪声在输出端产生的噪声功率和线性网络本身的噪声在输出端产生的噪声功率之和，即之和，即 显然，显然，故线性网络的噪声系数，故线性网络的噪声系数 总是大于总是大于1。为了更清楚地了解网络产生的噪声，对信噪比的影为了更清楚地了解网络产生的噪声，对信噪比的影响，噪声系数又可表示为响，噪声系数又可表示为（1）当线性网络本身不产生噪声，即当线性网络本身不产生噪声，即 时，时，故为无噪声的理性网络。，故为无噪声的理性网络。（2）线性网络本身产生的噪声线性网络本身产生的噪声 越大，噪声系

12、数越大，噪声系数 越大。越大。（3）线性网络的功率增益线性网络的功率增益 越大，噪声系数越大，噪声系数 越小。越小。2.3.2由上式可以得出下述结论：由上式可以得出下述结论：这说明为了这说明为了降低网络的噪声系数应设法增大线性网降低网络的噪声系数应设法增大线性网络的功率增益。络的功率增益。为了使信号源有最大输出功率，对于图为了使信号源有最大输出功率，对于图2.3.2所示的所示的网络，必须使放大器的输入电阻网络，必须使放大器的输入电阻 与信号源内阻与信号源内阻 相匹相匹因而额定输入信号功率为因而额定输入信号功率为 额定输入噪声功率额定输入噪声功率 2.3.2 为了计算和测量的方便，噪声系数也可以

13、用额定功为了计算和测量的方便，噪声系数也可以用额定功率（率（Rated PowerRated Power）和额定功率增益的关系来定义。）和额定功率增益的关系来定义。所谓的所谓的额定功率是指信号源所能输出的最大功率。额定功率是指信号源所能输出的最大功率。配，也即应使配，也即应使。由上两式知，不管信号源内阻如何，它产生的额定由上两式知，不管信号源内阻如何，它产生的额定噪声功率是相同的，其大小只与电阻所处的环境温度噪声功率是相同的，其大小只与电阻所处的环境温度T和和系统系统带宽带宽B B有关。有关。是为什么接收机采用低内阻天线的原因。是为什么接收机采用低内阻天线的原因。而信号源额定功率却随着内阻而信

14、号源额定功率却随着内阻的增加而减小，这也的增加而减小，这也 放大器的额定功率增益是指放大器（或线性网络）放大器的额定功率增益是指放大器（或线性网络）的输入端和输出端分别匹配（的输入端和输出端分别匹配（率增益，即率增益，即、）时的功）时的功线性网络输出端的总噪声额定功率线性网络输出端的总噪声额定功率 同样应等于同样应等于 和线性网络本身的噪声在输出端产生的额定噪声功率和线性网络本身的噪声在输出端产生的额定噪声功率 之和，即之和，即，所以噪声系数可以表示为，所以噪声系数可以表示为 2.3.2将额定输入噪声功率式代入可得将额定输入噪声功率式代入可得 假如，有两个四端网络级联，如图假如，有两个四端网络

15、级联，如图2.3.3所示。它们所示。它们的噪声系数、额定功率增益、噪声带宽分别为的噪声系数、额定功率增益、噪声带宽分别为 根据定义，级联网络的总噪声系数根据定义，级联网络的总噪声系数 为为 2.3.2二、多级放大电路的噪声二、多级放大电路的噪声，、，并且，并且。、，式中，式中，是级联四端网络总输出的额定噪声功率。是级联四端网络总输出的额定噪声功率。是级联网络总的额定功率增益。是级联网络总的额定功率增益。由三部由三部分组成：分组成：信号源内阻信号源内阻 产生的噪声经过两级放大后在输出端产生的噪声经过两级放大后在输出端的噪声额定功率的噪声额定功率；第一级网络内部噪声第一级网络内部噪声 经第二级放大

16、后在输出端经第二级放大后在输出端的噪声额定功率的噪声额定功率；2.3.2第二级网络的内部噪声输出端的噪声额定功率第二级网络的内部噪声输出端的噪声额定功率 故故 可表示为可表示为 由式由式 可求得第一级、第二级可求得第一级、第二级网络的内部噪声网络的内部噪声 和和 为为 2.3.2所以所以 对于三级电路组成的级联网络，对于三级电路组成的级联网络，可将前两级看做第一级，后面一级看做第二级，则可得到可将前两级看做第一级，后面一级看做第二级，则可得到 为为 同理，对同理，对n级电路组成的网络，总的噪声系数为级电路组成的网络，总的噪声系数为 2.3.2 若各级噪声系数小而额定功率增益大，级联电路的若各级

17、噪声系数小而额定功率增益大，级联电路的由以上公式可得出如下结论：由以上公式可得出如下结论：2.3.2小。但是各级噪声对小。但是各级噪声对 的影响是不同的，的影响是不同的，总噪声系数总噪声系数越是靠近前面几级的噪声系数和额定功率增益对总的噪越是靠近前面几级的噪声系数和额定功率增益对总的噪声系数影响越大。因此级联电路中最主要的是前面的第声系数影响越大。因此级联电路中最主要的是前面的第一、二级，最关键的是由第一级放大器的噪声系数一、二级，最关键的是由第一级放大器的噪声系数和额定和额定功率增益功率增益 所决定。所决定。三、等效噪声温度三、等效噪声温度 把网络的内部噪声折算到其输入端时，使噪声源电把网络

18、的内部噪声折算到其输入端时，使噪声源电阻所升高的温度称为等效噪声温度阻所升高的温度称为等效噪声温度 。由于噪声源在网络输出端的额定噪声功率为由于噪声源在网络输出端的额定噪声功率为 内部噪声在网络输出端的额定功率为内部噪声在网络输出端的额定功率为 。所以网络的噪声系数所以网络的噪声系数可表示为可表示为 2.3.2噪声温度的定义是：噪声温度的定义是：所以，等效噪声温度为所以，等效噪声温度为 290K。式中，式中，是标准温度，在一般情况下，可以认为是标准温度，在一般情况下，可以认为 当当 0时（网络内部无噪声），时（网络内部无噪声），l，290K。（内部噪声等于外部噪声）时，。（内部噪声等于外部噪声

19、）时，当当 2，。2.3.22.3.3 减小噪声系数的措施减小噪声系数的措施 在放大或其它电路中，电子器件的内部噪声起着重在放大或其它电路中，电子器件的内部噪声起着重要作用。因此，改进电子器件的噪声性能和选用低噪声要作用。因此，改进电子器件的噪声性能和选用低噪声的电子器件，就能大大降低电路的噪声系数。的电子器件，就能大大降低电路的噪声系数。根据上面讨论的结果，可提出如下减小噪根据上面讨论的结果，可提出如下减小噪声系数的措施：声系数的措施：一、选用低噪声元、器件一、选用低噪声元、器件小的管子（可由手册查得，但小的管子（可由手册查得，但 必须是高频工作时必须是高频工作时的数值）。除采用晶体管外，目

20、前还广泛采用场效应管的数值）。除采用晶体管外，目前还广泛采用场效应管做放大器和混频器，因为场效应管的噪声电平低，尤其做放大器和混频器，因为场效应管的噪声电平低，尤其是最近发展起来的砷化镓金属半导体场效应管是最近发展起来的砷化镓金属半导体场效应管（MESFETMESFET），它的噪声系数可低到），它的噪声系数可低到0.50.5ldBldB。2.3.3（）和噪声系数）和噪声系数 对晶体管而言，应选用对晶体管而言，应选用 在电路中，还必须谨慎地选用其他能引起噪声的电在电路中，还必须谨慎地选用其他能引起噪声的电路元件，其中最主要的是电阻元件。宜选用结构精细的路元件，其中最主要的是电阻元件。宜选用结构精

21、细的金属膜电阻。金属膜电阻。图图2.3.4可看出，对于不同的信号源内阻可看出，对于不同的信号源内阻，最佳的，最佳的 值也不同。值也不同。图2.3.4 晶体管的 与 的关系曲线 当然，当然，还分别与晶体还分别与晶体管的管的 和和 有关。但通常有关。但通常 和和 对对 的影响不大。电压低时，的影响不大。电压低时，略有下降。略有下降。2.3.3 二、正确选择晶体管放大级的静态工作点二、正确选择晶体管放大级的静态工作点三、选择合适的信号源内阻三、选择合适的信号源内阻 信号源内阻信号源内阻 变化时，也影响变化时，也影响 的大小。当的大小。当 某一最佳值时，某一最佳值时，可达到最小。可达到最小。根据上面的

22、讨论，噪声电压都与通带宽度有关。根据上面的讨论，噪声电压都与通带宽度有关。接收机或放大器的带宽增大时，接收机或放大器的各接收机或放大器的带宽增大时，接收机或放大器的各种内部噪声也增大。因此，必须严格选择接收机或放种内部噪声也增大。因此，必须严格选择接收机或放大器的带宽，使之既不过窄，以能满足信号通过时对大器的带宽，使之既不过窄，以能满足信号通过时对失真的要求，又不致过宽，以免信噪比下降。失真的要求，又不致过宽，以免信噪比下降。2.3.3四、选择合适的工作带宽四、选择合适的工作带宽 热噪声是内部噪声的主要来源之一，所以降低放热噪声是内部噪声的主要来源之一，所以降低放大器、特别是接收机前端主要器件的工作温度，对减大器、特别是接收机前端主要器件的工作温度，对减小噪声系数是有意义的。对灵敏度要求特别高的设备小噪声系数是有意义的。对灵敏度要求特别高的设备来说，降低噪声温度是一个重要措施。来说，降低噪声温度是一个重要措施。2.3.3 共发一共基级联的放大器、共源共发一共基级联的放大器、共源 一共栅级联的一共栅级联的放大器都是优良的高稳定和低噪声电路。放大器都是优良的高稳定和低噪声电路。五、选用合适的放大电路五、选用合适的放大电路六、热噪声六、热噪声