近代電子測(cè)量技術(shù)噪聲系數(shù)分析儀

噪聲系數(shù)測(cè)試的基本概念噪聲系數(shù)測(cè)試原理典型器件的噪聲系數(shù)測(cè)試當(dāng)前第1頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)噪聲系數(shù)測(cè)試的基本概念當(dāng)前第2頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)器件性能對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響（一）當(dāng)前第3頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)器件性能對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響（二）當(dāng)前第4頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)噪聲的來(lái)源

當(dāng)前第5頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)噪聲的分類熱噪聲(ThermalNoise/JohnsonNoise)散粒噪聲（ShotNoise）閃爍噪聲1/f噪聲（Flicker）當(dāng)前第6頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)熱噪聲

它是由于導(dǎo)體中自由電子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)形成的噪聲。因?yàn)閷?dǎo)體具有一定的溫度，導(dǎo)體中每個(gè)自由電子的熱運(yùn)動(dòng)方向和速度不規(guī)則地變化，因而在導(dǎo)體中形成了起伏噪聲電流，在導(dǎo)體兩端呈現(xiàn)起伏電壓。電阻產(chǎn)生的起伏噪聲電壓均方值：

式中：k為玻耳茲曼常數(shù),k=1.3810-23J/K；T為電阻溫度,

以絕對(duì)溫度(K)計(jì)量,對(duì)于室溫17℃,R為電阻的阻值；Bn為測(cè)試設(shè)備的通頻帶。電阻熱噪聲的功率譜密度是與頻率無(wú)關(guān)的常數(shù)。通常把功率譜密度為常數(shù)的噪聲稱為“白噪聲”，電阻熱噪聲在無(wú)線電頻率范圍內(nèi)就是白噪聲的一個(gè)典型例子。

當(dāng)前第7頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)電阻的噪聲等效電路當(dāng)前第8頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)散粒噪聲由有源電路或器件中的存在的隨機(jī)電流引起，它與熱噪聲類似其值與頻率無(wú)關(guān)，因此也是一種白噪聲，其噪聲電流的均方根值為：其中q為電子電量（1.6×10-19C）,不難發(fā)現(xiàn)其大小與隨機(jī)電流的大小成正比。當(dāng)前第9頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)閃爍噪聲

1/f噪聲因其大小與頻率成反比例關(guān)系而得名。1/f噪聲的主要參數(shù)是拐點(diǎn)頻率fa，該點(diǎn)的1/f噪聲等于熱噪聲功率。半導(dǎo)體器件內(nèi)的1/f噪聲的分布特性取決于其工藝。比如BiCMOS器件的fa大約為4～8kHz；MOSEFT器件的fa大約為1MHz。1/f噪聲的幅度分布不是高斯分布。當(dāng)前第10頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)噪聲系數(shù)（一）

噪聲總是伴隨著信號(hào)出現(xiàn)。信號(hào)與噪聲的功率比值S/N簡(jiǎn)稱“信噪比”。決定檢測(cè)能力的是接收機(jī)輸出端的信噪比。噪聲系數(shù)的定義是：接收機(jī)輸入端信號(hào)噪聲比與輸出端信號(hào)噪聲比的比值。

噪聲系數(shù)F有明確的物理意義：它表示由于接收機(jī)內(nèi)部噪聲的影響，使接收機(jī)輸出端的信噪比相對(duì)其輸入端的信噪比變壞的倍數(shù)。

定義111當(dāng)前第11頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)噪聲系數(shù)還可表示為：為接收機(jī)的額定功率增益是輸入端噪聲通過(guò)“理想接收機(jī)”后，在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率定義2噪聲系數(shù)（二）

當(dāng)前第12頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)實(shí)際接收機(jī)的輸出額定噪聲功率由兩部分組成:接收機(jī)內(nèi)部噪聲在輸出端所呈現(xiàn)的額定噪聲功率實(shí)際接收機(jī)總會(huì)有內(nèi)部噪聲因此F＞1．只有當(dāng)接收機(jī)是“理想接收機(jī)”時(shí)，才會(huì)有F＝1。

噪聲系數(shù)（三）

當(dāng)前第13頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)對(duì)噪聲系數(shù)的兩點(diǎn)說(shuō)明1）噪聲系數(shù)只適用于的線性電路和準(zhǔn)線性電路。

2）噪聲系數(shù)F是沒(méi)有量綱的數(shù)值，通常用分貝表示：F(dB)＝10lgF(dB)3)噪聲系數(shù)是接收機(jī)本身固有的特性，與輸入信號(hào)、噪聲的功率無(wú)關(guān)。當(dāng)前第14頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)等效噪聲溫度（一）

為了更直觀地比較內(nèi)部噪聲與外部噪聲的大小，可以把接收機(jī)內(nèi)部噪聲在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率等效到輸入端來(lái)計(jì)算。等效噪聲溫度”或簡(jiǎn)稱“噪聲溫度”，此時(shí)接收機(jī)就變成沒(méi)有內(nèi)部噪聲的“理想接收機(jī)”

當(dāng)前第15頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)等效噪聲溫度（二）

16當(dāng)前第16頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)F(倍數(shù))11.051.11.525810F(dB)00.210.411.763.016.999.0310(K)014.529145290116020302610對(duì)于低噪聲接收機(jī)和低噪聲器件，常用噪聲溫度來(lái)表示其噪聲性能。等效噪聲溫度（三）

當(dāng)前第17頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)系統(tǒng)噪聲系數(shù)指標(biāo)的規(guī)劃

當(dāng)前第18頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)（一）

先考慮兩個(gè)單元電路級(jí)聯(lián)的情況19當(dāng)前第19頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)（二）

n級(jí)電路級(jí)聯(lián)時(shí)接收機(jī)總噪聲系數(shù)為若接收機(jī)的噪聲性能用等效噪聲溫度表示，則它與各級(jí)噪聲溫度之間的關(guān)系為：當(dāng)前第20頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)結(jié)論：為了使接收機(jī)的總噪聲系數(shù)小，要求各級(jí)的嗓聲系數(shù)小、額定功率增益高。而各級(jí)內(nèi)部噪聲的影響并不相同，級(jí)數(shù)越靠前，對(duì)單噪聲系數(shù)的影響越大。所以總噪聲系數(shù)主要取決于最前面幾級(jí)，這就是接收機(jī)要采用高增益低噪聲高放的主要原因。級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)（三）

當(dāng)前第21頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)（四）

級(jí)連線路噪聲系數(shù)計(jì)算舉例：

當(dāng)前第22頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)噪聲系數(shù)測(cè)試原理當(dāng)前第23頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)Y值法（一）一種較為普遍地測(cè)試噪聲系數(shù)的方法（也是最為精確的方法，即Y值法）已知輸出噪聲的計(jì)算公式：當(dāng)前第24頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)如果我們令

當(dāng)前第25頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)Y值法（二）

其含義是噪聲源超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度T0（290K）熱噪聲的倍數(shù)。反應(yīng)了噪聲源輸出噪聲功率的能力。ENR（ExcessNoiseRatio）超噪比當(dāng)前第26頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)Y值法（三）調(diào)節(jié)衰減器對(duì)噪聲源接通和斷開(kāi)提供相同的輸出，這樣所調(diào)節(jié)衰減值就是Y，這種方法的測(cè)試精度通?？蛇_(dá)0.1dB。在具體的測(cè)試中，當(dāng)噪聲源確定時(shí)ENR為一個(gè)常數(shù)。公式中唯一的變量是Y，Y為測(cè)試情況下（有噪聲源接在輸入端）器件的輸出功率與器件在輸入嚴(yán)格地限制在290K時(shí)，輸出功率之比。當(dāng)前第27頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)基于Y值法的噪聲系數(shù)分析儀當(dāng)前第28頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)AgilentN897X噪聲系數(shù)測(cè)試儀

當(dāng)前第29頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)當(dāng)前第30頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)噪聲源（一）

測(cè)量噪聲指數(shù)的方法，是根據(jù)注入接收機(jī)的已知噪聲來(lái)觀察接收機(jī)的輸出響應(yīng)。這個(gè)噪聲源通常大多數(shù)是白噪聲它也是熱噪聲。熱噪聲是電子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。這種噪聲在領(lǐng)域內(nèi)是等能分布，因而它就具有標(biāo)形或高斯平穩(wěn)分布的常數(shù)功率密度。噪聲源必須能夠產(chǎn)生—個(gè)有效的噪聲功率，大于被測(cè)量元件的噪聲功率。有幾種常用的噪聲源，它們是正向偏壓半導(dǎo)體二極管、限溫二極管、氣體放電管和熱／冷電阻源。當(dāng)前第31頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)噪聲源（二）雪崩二級(jí)管（AvalancheDiode）產(chǎn)生噪聲激勵(lì)信號(hào)的等效電路（匹配網(wǎng)絡(luò)的存在是考慮到DUT的接入可能會(huì)改變?cè)肼曉吹淖杩梗。?。最常用的噪聲源是：二極管和氣體放電管，它們分別可達(dá)到幾百M(fèi)Hz和幾十GHz。例如，氣體放電管和飽和二極管噪聲源的等效輸出噪聲溫度通常為10000～20000K，用ENR(dB)表示為l5.2～l8.3dB。當(dāng)前第32頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)任何寬帶噪聲的產(chǎn)生都只可能是類白噪聲的而不可能是理想的，所以噪聲源在出廠時(shí)會(huì)配有一個(gè)ENR表反映噪聲源的特性，以便在有同頻段測(cè)量時(shí)用于精確地計(jì)算和校正！噪聲源（三）當(dāng)前第33頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)幾種噪聲源的主要指標(biāo)ENR范圍注：15dB的ENR更適用于通常測(cè)量，可以測(cè)量達(dá)30dB的噪聲系數(shù)，而6dB的ENR適用于極低噪聲系數(shù)的測(cè)量（噪聲檢波器可以有較好的線性度）。工作頻段：噪聲源（四）當(dāng)前第34頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)ENR精度

當(dāng)前第35頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)典型器件的噪聲系數(shù)測(cè)試當(dāng)前第36頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)可分析的器件或系統(tǒng)當(dāng)前第37頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)基本測(cè)量模式放大器（無(wú)頻率轉(zhuǎn)換）的噪聲系數(shù)和增益測(cè)量流程開(kāi)機(jī)（欲獲得更高的精確性，建議等候NFA預(yù)熱至少一小時(shí)）輸入超噪比ENR數(shù)據(jù)設(shè)置測(cè)量頻率設(shè)置帶寬和平均校準(zhǔn)分析儀顯示測(cè)量結(jié)果當(dāng)前第38頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)輸入超噪比ENR

數(shù)據(jù)（一）第一種類型例如Agilent346B是一種正常的噪聲源，這些噪聲源的ENR數(shù)據(jù)需要使用以前存儲(chǔ)在磁盤(pán)上的ENR數(shù)據(jù)或者使用小鍵盤(pán)以手動(dòng)方式輸入；另一種類型例如AgilentN4000A是智能噪聲源SNS可以自動(dòng)或經(jīng)請(qǐng)求上載數(shù)據(jù)。當(dāng)前第39頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)輸入超噪比ENR數(shù)據(jù)（二）當(dāng)前第40頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)設(shè)置測(cè)量頻率

在設(shè)置您希望測(cè)量的頻率之前您需要選擇一個(gè)頻率模式共有三種頻率模式可供使用：Sweep掃描在掃描頻率模式中設(shè)置進(jìn)行掃描的起始和終止頻率或等值中心和范圍頻率，您還需要設(shè)置測(cè)量點(diǎn)數(shù)這些測(cè)量點(diǎn)在頻率范圍中均勻分布，最大點(diǎn)數(shù)為401，默認(rèn)點(diǎn)數(shù)為11。所選頻率點(diǎn)數(shù)越大測(cè)量所需的時(shí)間越長(zhǎng)）List清單

清單頻率模式允許您在進(jìn)行測(cè)量的位置輸入頻率點(diǎn)，這將允許您在覆蓋范圍小于掃描模式中覆蓋范圍的相關(guān)區(qū)域指定測(cè)量點(diǎn)可允許非均勻分布的測(cè)量點(diǎn)。頻率單限制為401個(gè)條目。Fixed固定

在單一固定頻率進(jìn)行頻率測(cè)量當(dāng)前第41頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)設(shè)置帶寬和平均帶寬和平均對(duì)速度抖動(dòng)和測(cè)量準(zhǔn)確性的影響抖動(dòng)是測(cè)量噪聲時(shí)產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象，欲降低抖動(dòng)必須增加平均值數(shù)目或測(cè)量帶寬。如果帶寬降低則需要增加平均值數(shù)目以保持相同的誤差。所選的平均值數(shù)目越多，測(cè)量越準(zhǔn)確，因?yàn)檫@樣會(huì)降低測(cè)量的抖動(dòng)。但是必須與完成測(cè)量所需的時(shí)間進(jìn)行對(duì)照，因此應(yīng)當(dāng)在測(cè)量的速度和準(zhǔn)確性誤差之間作出權(quán)衡和選擇。當(dāng)前第42頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)校準(zhǔn)分析儀（一）NFA測(cè)量的噪聲系數(shù)實(shí)際上是包括了DUT與噪聲系數(shù)測(cè)試儀前端整個(gè)鏈路的噪聲系數(shù)，即。當(dāng)前第43頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)校準(zhǔn)分析儀（二）當(dāng)前第44頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)校準(zhǔn)分析儀（三）當(dāng)前第45頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)顯示測(cè)量結(jié)果（一）當(dāng)前第46頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)顯示測(cè)量結(jié)果（二）當(dāng)前第47頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)擴(kuò)展頻率測(cè)量模式（一）

系統(tǒng)下變頻器模式DUT是一臺(tái)非變頻裝置例如放大器或?yàn)V波器其頻率超出NFA的測(cè)量范圍測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)要求下變頻用DUT外接混頻器將相關(guān)信號(hào)變換為NFA頻率范圍內(nèi)的頻率。當(dāng)前第48頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)下變頻DUT模式在該模式中DUT包含一臺(tái)下變頻裝置例如混頻器或接收器。共有兩種模式可供選擇1.可變頻率LO和固定IF在進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)量時(shí)NFA鎖定在一個(gè)頻率LO執(zhí)行掃描2.固定頻率LO和可變IF在進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)量時(shí)LO鎖定在一個(gè)頻率NFA執(zhí)行掃描說(shuō)明：在兩種模式中進(jìn)行單邊帶測(cè)量時(shí)需要執(zhí)行過(guò)濾以便移除無(wú)用邊帶。理想的情況是這些濾波器應(yīng)當(dāng)包含在校準(zhǔn)路徑和測(cè)量路徑中，但是如果未包含在路徑中，可以輸入損耗補(bǔ)償以解釋所有其他錯(cuò)誤。擴(kuò)展頻率測(cè)量模式（二）

當(dāng)前第49頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)下變頻DUT模式擴(kuò)展頻率測(cè)量模式（三）

當(dāng)前第50頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)擴(kuò)展頻率測(cè)量模式（四）

下變頻DUT模式當(dāng)前第51頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)上變頻DUT模式

在該模式中DUT包含一個(gè)上變頻裝置例如發(fā)射機(jī)共有兩種模式可供選擇：1.可變頻率LO和固定IF在進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)量時(shí)NFA鎖定在一個(gè)頻率LO執(zhí)行掃描2.固定頻率LO和可變IF在進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)量時(shí)LO鎖定在一個(gè)頻率NFA執(zhí)行掃描擴(kuò)展頻率測(cè)量模式（五）

當(dāng)前第52頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)影響測(cè)量真實(shí)性的因素

可被消除的誤差因素電連接器EMI干擾電纜損耗溫度的影響DUT的50歐失配當(dāng)前第53頁(yè)\共有58頁(yè)\編于星期五\13點(diǎn)電連接器保證連接器的牢固連接（可靠的屏蔽）——力矩搬手合適的力矩（ProperTorque）:TypeN(10in-lbs),APC-3.5/SMA(5