近代電子測量技術(shù)噪聲系數(shù)分析儀

噪聲系數(shù)分析儀噪聲系數(shù)測試的根本概念噪聲系數(shù)測試原理典型器件的噪聲系數(shù)測試噪聲系數(shù)測試的根本概念器件性能對信號質(zhì)量的影響〔一〕器件性能對信號質(zhì)量的影響〔二〕噪聲的來源噪聲的分類熱噪聲(ThermalNoise/JohnsonNoise)散粒噪聲〔ShotNoise〕閃爍噪聲1/f噪聲〔Flicker〕熱噪聲它是由于導(dǎo)體中自在電子的無規(guī)那么熱運動構(gòu)成的噪聲。由于導(dǎo)體具有一定的溫度，導(dǎo)體中每個自在電子的熱運動方向和速度不規(guī)那么地變化，因此在導(dǎo)體中構(gòu)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,以絕對溫度(K)計量,對于室溫17℃,R為電阻的阻值；Bn為測試設(shè)備的通頻帶。電阻熱噪聲的功率譜密度是與頻率無關(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〞，電阻熱噪聲在無線電頻率范圍內(nèi)就是白噪聲的一個典型例子。散粒噪聲由有源電路或器件中的存在的隨機電流引起，它與熱噪聲類似其值與頻率無關(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)其大小與隨機電流的大小成正比。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)是拐點頻率fa，該點的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。噪聲系數(shù)〔一〕噪聲總是伴隨著信號出現(xiàn)。信號與噪聲的功率比值S/N簡稱“信噪比〞。決議檢測才干的是接納機輸出端的信噪比。噪聲系數(shù)的定義是：接納機輸入端信號噪聲比與輸出端信號噪聲比的比值。噪聲系數(shù)F有明確的物理意義：它表示由于接納機內(nèi)部噪聲的影響，使接納機輸出端的信噪比相對其輸入端的信噪比變壞的倍數(shù)。定義1噪聲系數(shù)還可表示為：為接納機的額定功率增益是輸入端噪聲經(jīng)過“理想接納機〞后，在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率定義2噪聲系數(shù)〔二〕實踐接納機的輸出額定噪聲功率由兩部分組成:接納機內(nèi)部噪聲在輸出端所呈現(xiàn)的額定噪聲功率實踐接納機總會有內(nèi)部噪聲因此F＞1．只需當(dāng)接納機是“理想接納機〞時，才會有F＝1。噪聲系數(shù)〔三〕對噪聲系數(shù)的兩點闡明1〕噪聲系數(shù)只適用于的線性電路和準線性電路。2〕噪聲系數(shù)F是沒有量綱的數(shù)值，通常用分貝表示：F(dB)＝10lgF(dB)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，可以把接納機內(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計算。等效噪聲溫度〞或簡稱“噪聲溫度〞，此時接納機就變成沒有內(nèi)部噪聲的“理想接納機〞等效噪聲溫度〔二〕F(倍數(shù))11.051.11.525810F(dB)00.210.411.763.016.999.0310(K)014.529145290116020302610對于低噪聲接納機和低噪聲器件，常用噪聲溫度來表示其噪聲性能。等效噪聲溫度〔三〕系統(tǒng)噪聲系數(shù)目的的規(guī)劃ERP＝Pt+At要求：提高C/N3dBF0級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)〔一〕先思索兩個單元電路級聯(lián)的情況由第一級的噪聲在第二級輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率第二級產(chǎn)生的噪聲功率級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)〔二〕n級電路級聯(lián)時接納機總噪聲系數(shù)為假設(shè)接納機的噪聲性能用等效噪聲溫度表示，那么它與各級噪聲溫度之間的關(guān)系為：結(jié)論：為了使接納機的總噪聲系數(shù)小，要求各級的嗓聲系數(shù)小、額定功率增益高。而各級內(nèi)部噪聲的影響并不一樣，級數(shù)越靠前，對單噪聲系數(shù)的影響越大。所以總噪聲系數(shù)主要取決于最前面幾級，這就是接納機要采用高增益低噪聲高放的主要緣由。級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)〔三〕級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)〔四〕級連線路噪聲系數(shù)計算舉例：

留意是線性的！噪聲系數(shù)測試原理Y值法〔一〕一種較為普遍地測試噪聲系數(shù)的方法〔也是最為準確的方法，即Y值法〕知輸出噪聲的計算公式：假設(shè)我們令

Y值法〔二〕其含義是噪聲源超越規(guī)范噪聲溫度T0〔290K〕熱噪聲的倍數(shù)。反響了噪聲源輸出噪聲功率的才干。ENR〔ExcessNoiseRatio〕超噪比Y值法〔三〕調(diào)理衰減器對噪聲源接通和斷開提供一樣的輸出，這樣所調(diào)理衰減值就是Y，這種方法的測試精度通?？蛇_0.1dB。在詳細的測試中，當(dāng)噪聲源確定時ENR為一個常數(shù)。公式中獨一的變量是Y，Y為測試情況下〔有噪聲源接在輸入端〕器件的輸出功率與器件在輸入嚴厲地限制在290K時，輸出功率之比?；赮值法的噪聲系數(shù)分析儀噪聲系數(shù)分析儀測試的噪聲系數(shù)總是在特定帶寬下計算的！AgilentN897X噪聲系數(shù)測試儀噪聲源〔一〕丈量噪聲指數(shù)的方法，是根據(jù)注入接納機的知噪聲來察看接納機的輸出呼應(yīng)。這個噪聲源通常大多數(shù)是白噪聲它也是熱噪聲。熱噪聲是電子隨機運動的結(jié)果。這種噪聲在領(lǐng)域內(nèi)是等能分布，因此它就具有標(biāo)形或高斯平穩(wěn)分布的常數(shù)功率密度。噪聲源必需可以產(chǎn)生—個有效的噪聲功率，大于被丈量元件的噪聲功率。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。噪聲源〔二〕雪崩二級管〔AvalancheDiode〕產(chǎn)生噪聲鼓勵信號的等效電路〔匹配網(wǎng)絡(luò)的存在是思索到DUT的接入能夠會改動噪聲源的阻抗！〕。最常用的噪聲源是：二極管和氣體放電管，它們分別可到達幾百MHz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。任何寬帶噪聲的產(chǎn)生都只能夠是類白噪聲的而不能夠是理想的，所以噪聲源在出廠時會配有一個ENR表反映噪聲源的特性，以便在有同頻段丈量時用于準確地計算和校正！噪聲源〔三〕幾種噪聲源的主要目的ENR范圍注：15dB的ENR更適用于通常丈量，可以丈量達30dB的噪聲系數(shù)，而6dB的ENR適用于極低噪聲系數(shù)的丈量〔噪聲檢波器可以有較好的線性度〕。任務(wù)頻段：噪聲源〔四〕ENR精度典型器件的噪聲系數(shù)測試可分析的器件或系統(tǒng)根本丈量方式放大器〔無頻率轉(zhuǎn)換〕的噪聲系數(shù)和增益丈量流程開機〔欲獲得更高的準確性，建議等候NFA預(yù)熱至少一小時〕輸入超噪比ENR數(shù)據(jù)設(shè)置丈量頻率設(shè)置帶寬和平均校準分析儀顯示丈量結(jié)果輸入超噪比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)需求運用以前存儲在磁盤上的ENR數(shù)據(jù)或者運用小鍵盤以手動方式輸入；另一種類型例如AgilentN4000A是智能噪聲源SNS可以自動或經(jīng)懇求上載數(shù)據(jù)。輸入超噪比ENR數(shù)據(jù)〔二〕設(shè)置丈量頻率在設(shè)置您希望丈量的頻率之前您需求選擇一個頻率方式共有三種頻率方式可供運用：Sweep掃描在掃描頻率方式中設(shè)置進展掃描的起始和終止頻率或等值中心和范圍頻率，您還需求設(shè)置丈量點數(shù)這些丈量點在頻率范圍中均勻分布，最大點數(shù)為401，默許點數(shù)為11。所選頻率點數(shù)越大丈量所需的時間越長〕List清單清單頻率方式允許您在進展丈量的位置輸入頻率點，這將允許您在覆蓋范圍小于掃描方式中覆蓋范圍的相關(guān)區(qū)域指定丈量點可允許非均勻分布的丈量點。頻率單限制為401個條目。Fixed固定在單一固定頻率進展頻率丈量設(shè)置帶寬和平均帶寬和平均對速度抖動和丈量準確性的影響抖動是丈量噪聲時產(chǎn)生的一種自然景象，欲降低抖動必需添加平均值數(shù)目或丈量帶寬。假設(shè)帶寬降低那么需求添加平均值數(shù)目以堅持一樣的誤差。所選的平均值數(shù)目越多，丈量越準確，由于這樣會降低丈量的抖動。但是必需與完成丈量所需的時間進展對照，因此該當(dāng)在丈量的速度和準確性誤差之間作出權(quán)衡和選擇。校準分析儀〔一〕NFA丈量的噪聲系數(shù)實踐上是包括了DUT與噪聲系數(shù)測試儀前端整個鏈路的噪聲系數(shù)，即。校準分析儀〔二〕校準分析儀〔三〕顯示丈量結(jié)果〔一〕顯示丈量結(jié)果〔二〕擴展頻率丈量方式〔一〕系統(tǒng)下變頻器方式DUT是一臺非變頻安裝例如放大器或濾波器其頻率超出NFA的丈量范圍丈量系統(tǒng)內(nèi)要求下變頻用DUT外接混頻器將相關(guān)信號變換為NFA頻率范圍內(nèi)的頻率。下變頻DUT方式在該方式中DUT包含一臺下變頻安裝例如混頻器或接納器。共有兩種方式可供選擇1.可變頻率LO和固定IF在進展此項丈量時NFA鎖定在一個頻率LO執(zhí)行掃描2.固定頻率LO和可變IF在進展此項丈量時LO鎖定在一個頻率NFA執(zhí)行掃描闡明：在兩種方式中進展單邊帶丈量時需求執(zhí)行過濾以便移除無用邊帶。理想的情況是這些濾波器該當(dāng)包含在校準途徑和丈量途徑中，但是假設(shè)未包含在途徑中，可以輸入損耗補償以解釋一切其他錯誤。擴展頻率丈量方式〔二〕下變頻DUT方式擴展頻率丈量方式〔三〕擴展頻率丈量方式〔四〕下變頻DUT方式上變頻DUT方式在該方式中DUT包含一個上變頻安裝例如發(fā)射機共有兩種方式可供選擇：1.可變頻率LO和固定IF在進展此項丈量時NFA鎖定在一個頻率LO執(zhí)行掃描2.固定頻率LO和可變IF在進展此項丈量時LO鎖定在一個頻率NFA執(zhí)行掃描擴展頻率丈量方式〔五〕影響丈量真實性的要素可被消除的誤差要素電銜接器EMI干擾電纜損耗溫度的影響DUT的50歐失配電銜接器保證銜接器的結(jié)實銜接〔可靠的屏蔽〕——力矩搬手適宜的力矩〔ProperTorque〕:TypeN(10in-lbs),APC-3.5/SMA(5in-lbs)防止運用陳舊的銜接器防止運用不清潔的銜接器:必要時采用酒精可異丙醇擦拭銜接器每10次銜接后，清潔APC-3.5至SMA銜接器EMI干擾采用屏蔽電纜〔中頻以及HP-IB電纜〕使電路處于屏蔽環(huán)境中防止晃動電銜接器(如BNC)在信號線及電源線上采用鐵氧體磁珠以減弱共模電流的干擾減少本振引入的雜散與噪聲電纜損耗補償DUT之前及之后的電纜的損耗在測試中必然會影響測試結(jié)果，校準中應(yīng)思索！溫度的影響或許記得前面推導(dǎo)Y值法丈量噪聲系數(shù)的工式中有一個假設(shè)：假設(shè)我們令注：絕對0度-273.15假設(shè)上式不成立時，丈量必然有誤差，尤其是在丈量低噪聲被測件時。這就是為什么在老式的8970BNFA中中必需由操作者手工輸入環(huán)境溫度的緣由。對于智能化的SNS系列噪聲源，由于其內(nèi)置溫度傳感器，故可時時提供環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)，因此可以得到較為準確的測試結(jié)果。DUT的50歐失配假設(shè)出現(xiàn)了失配，從噪聲源輸出的噪聲能量將不會被全部傳輸，這將引起實踐增益丈量的誤差，而增益量丈量的誤差又將影響校準的準確度，從而影響整個丈量的準確性。最小化不能消除誤差DUT具有適宜的噪聲系數(shù)與增益DUT必需為線性器件無AGC或限幅器無對數(shù)特性器件未出現(xiàn)緊縮/飽和影響丈量真實性的要素對高增益器件的丈量往往具有較高的精度，對變頻器件丈量時添加前置的增益模塊。Y值法丈量的前提是噪聲輸入與輸出特性的線性，對非線性的丈量是無效的。減少