高頻電子線路

高頻電子線路

3.3.2信噪比與負(fù)載的關(guān)系

3.3.3用額定功率和額定功率增益表示的噪聲系數(shù)

3.3.4多級(jí)放大器噪聲系數(shù)的計(jì)算

3.3.5等效噪聲溫度

3.3.6晶體放大器的噪聲系數(shù)

3.3.7噪聲系數(shù)與靈敏度

3.3.8噪聲系數(shù)的測(cè)量3.4降低噪聲系數(shù)的措施3.5工業(yè)干擾與天電干擾第2頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.1

概述

噪聲是一種隨機(jī)信號(hào)，其頻譜分布于整個(gè)無(wú)線電工作頻率范圍，因此它是影響各類(lèi)收信機(jī)性能的主要因素之一。干擾與噪聲的分類(lèi)如下：

干擾一般指外部干擾，可分為自然的和人為的干擾。自然干擾有天電干擾、宇宙干擾和大地干擾等。人為干擾主要有工業(yè)干擾和無(wú)線電器的干擾。

噪聲一般指內(nèi)部噪聲，也可以分為自然的和人為的噪聲。本章主要討論自然噪聲，對(duì)工業(yè)干擾和天電干擾只做簡(jiǎn)略的說(shuō)明。第3頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.2噪聲的來(lái)源和特點(diǎn)理論上說(shuō)，任何電子線路都有電子噪聲，但是因?yàn)橥ǔｋ娮釉肼暤膹?qiáng)度很弱，因此它的影響主要出現(xiàn)在有用信號(hào)比較弱的場(chǎng)合，在電子線路中，噪聲來(lái)源主要有兩方面：電阻熱噪聲和半導(dǎo)體管噪聲，兩者有許多相同的特性。3.2.1電阻的熱噪聲電阻由導(dǎo)體等材料組成，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在一定的溫度下總是處于“無(wú)規(guī)則”的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種熱運(yùn)動(dòng)的方向和速度都是隨機(jī)的。自由電子的熱騷動(dòng)在導(dǎo)體內(nèi)形成非常弱的電流。第4頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天電阻熱噪聲作為一種起伏噪聲，具有極寬的頻譜，從零頻一直延伸到10-13Hz以上的頻率，而且它的各個(gè)頻率分量的強(qiáng)度是相等的。這種頻譜與白色光的光譜類(lèi)似，因此將具有均勻連續(xù)的噪聲叫做白噪聲，電阻的熱噪聲就是一種白噪聲。第5頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天

3.2.2二極管的噪聲晶體二極管工作狀態(tài)可分為正偏和反偏兩種。正偏使用時(shí)，主要是直流通過(guò)pn結(jié)時(shí)產(chǎn)生散粒噪聲。反偏使用時(shí)，因反向飽和電流很小，故其產(chǎn)生的散粒噪聲也小，如果達(dá)到反向擊穿（如穩(wěn)壓管），又分兩種情況：齊納擊穿二極管主要是散粒噪聲，個(gè)別的有1/f噪聲(閃爍噪聲)。雪崩擊穿二極管的噪聲較大，除有散粒噪聲，還有多態(tài)噪聲，即其噪聲電壓在兩個(gè)或兩個(gè)以上不同電平上進(jìn)行隨機(jī)轉(zhuǎn)換，不同電平可能相差若干個(gè)毫伏。這種多電平工作是由于結(jié)片內(nèi)雜質(zhì)缺陷和結(jié)寬的變化所引起。

硅二極管工作電壓在4V以下是齊納二極管，7V以上的是雪崩二極管，4V～7V之間兩種二極管都有。為了低噪聲使用，最好選用低壓齊納二極管。第6頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.2.3晶體三極管的噪聲晶體三極管的噪聲是設(shè)備內(nèi)部固有噪聲的另一個(gè)重要來(lái)源。一般說(shuō)來(lái)，在一個(gè)放大電路中，晶體三極管的噪聲往往比電阻熱噪聲強(qiáng)得多，在晶體三極管中，除了其中某些分布，如基極電阻rbb′會(huì)產(chǎn)生熱噪聲外，還有以下幾種噪聲來(lái)源。1.散彈（粒）噪聲在晶體管的pn結(jié)中（包括二極管的pn結(jié)），每個(gè)載流子都是隨機(jī)地通過(guò)pn結(jié)的（包括隨機(jī)注入、隨機(jī)復(fù)合）。大量載流子流過(guò)結(jié)時(shí)的平均值（單位時(shí)間內(nèi)平均）決定了它的直流電流I0，因此真實(shí)的結(jié)電流是圍繞I0起伏的。這種由于載流子隨機(jī)起伏流動(dòng)產(chǎn)生的噪聲稱(chēng)為散彈噪聲，或散粒噪聲。第7頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天因?yàn)樯椩肼暫碗娮锜嵩肼暥际前自肼?，前面關(guān)于熱噪聲通過(guò)線性系統(tǒng)的分析對(duì)散彈噪聲也完全適用。這包括均方相加的原則，通過(guò)四端網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算以及等效噪聲帶寬等。

晶體管中有發(fā)射結(jié)和集電結(jié)，因?yàn)榘l(fā)射結(jié)工作于正偏，結(jié)電流大。而集電結(jié)工作于反偏，除了基極來(lái)的傳輸電流外，只有反向飽和電流（它也產(chǎn)生散彈噪聲）。因此發(fā)射結(jié)的散彈噪聲起主要作用，而集電結(jié)的噪聲可以忽略。第8頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天晶體管中通過(guò)發(fā)射結(jié)的少數(shù)載流子，大部分由集電極收集，形成集電極電流，少數(shù)部分載流子被基極流入的多數(shù)載流子復(fù)合，產(chǎn)生基極電流。由于基極中載流子的復(fù)合也具有隨機(jī)性，即單位時(shí)間內(nèi)復(fù)合的載流子數(shù)目是起伏變化的。晶體管的電流放大系數(shù)α、β只是反映平均意義上的分配比。這種因分配比起伏變化而產(chǎn)生的集電極電流、基極電流起伏噪聲，稱(chēng)為晶體管的分配噪聲。

分配噪聲本質(zhì)上也是白噪聲，但由于渡越時(shí)間的影響，響當(dāng)三極管的工作頻率高到一定值后，這類(lèi)噪聲的功率譜密度將隨頻率的增加而迅速增大。2.分配噪聲第9頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.閃爍噪聲由于半導(dǎo)體材料及制造工藝水平造成表面清潔處理不好而引起的噪聲稱(chēng)為閃爍噪聲。它與半導(dǎo)體表面少數(shù)載流子的復(fù)合有關(guān)，表現(xiàn)為發(fā)射極電流的起伏，其電流噪聲譜密度與頻率近似成反比，又稱(chēng)1/f噪聲。因此，它主要在低頻（如幾千赫茲以下）范圍起主要作用。這種噪聲也存在于其他電子器件中，某些實(shí)際電阻器就有這種噪聲。晶體管在高頻應(yīng)用時(shí)，除非考慮它的調(diào)幅、調(diào)相作用，這種噪聲的影響也可以忽略。第10頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.2.4場(chǎng)效應(yīng)管噪聲在場(chǎng)效應(yīng)管中，由于其工作原理不是靠少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)，因而散彈噪聲的影響很小。場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲有以下幾個(gè)方面的來(lái)源：溝道電阻產(chǎn)生的熱噪聲，溝道熱噪聲通過(guò)溝道和柵極電容的耦合作用在柵極上的感應(yīng)噪聲，閃爍噪聲。

必須指出，前面討論的晶體管中的噪聲，在實(shí)際放大器中將同時(shí)起作用并參與放大。有關(guān)晶體管的噪聲模型和晶體管放大器的噪聲比較復(fù)雜，這里就不討論了。第11頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.2.5接收天線噪聲

接收天線端口呈現(xiàn)噪聲有兩個(gè)來(lái)源：第一是歐姆電阻產(chǎn)生的噪聲（通?？梢院雎裕坏诙墙邮胀鈦?lái)噪聲能量，其一是接收周?chē)橘|(zhì)輻射的噪聲能量，其二是宇宙輻射干擾也會(huì)被天線接收。因此，天線噪聲是與其周?chē)慕橘|(zhì)溫度、天線的指向及頻率有關(guān)的物理量。為了工程的方便，統(tǒng)一規(guī)定用天線的輻射電阻RA（是計(jì)算天線輻射功率大小的一個(gè)重要參量，不是天線的歐姆電阻）在溫度TA產(chǎn)生熱噪聲來(lái)表示天線的噪聲性能。TA稱(chēng)為天線的有效噪聲溫度。第12頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天研究噪聲的目的在于如何減少它對(duì)信號(hào)的影響。因此，離開(kāi)信號(hào)談噪聲是無(wú)意義的。

從噪聲對(duì)信號(hào)影響的效果看，不在于噪聲電平絕對(duì)值的大小，而在于信號(hào)功率與噪聲功率的相對(duì)值，即信噪比，記為S／N（信號(hào)功率與噪聲功率比）。即便噪聲電平絕對(duì)值很高，但只要信噪比達(dá)到一定要求，噪聲影響就可以忽略。否則即便噪聲絕對(duì)電平低，由于信號(hào)電平更低，即信噪比低于1，則信號(hào)仍然會(huì)淹沒(méi)在噪聲中而無(wú)法辨別。因此信噪比是描述信號(hào)抗噪聲質(zhì)量的一個(gè)物理量。3.3噪聲系數(shù)計(jì)算方法第13頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.1噪聲系數(shù)的定義噪聲系數(shù)可由下式表示設(shè)Pi為信號(hào)源的輸入信號(hào)功率，Pni為信號(hào)源內(nèi)阻RS產(chǎn)生的噪聲功率，Po和Pno分別為信號(hào)和信號(hào)源內(nèi)阻在負(fù)載上所產(chǎn)生的輸出功率和輸出噪聲功率。圖3.4描述放大器噪聲系數(shù)的等效圖要描述放大系統(tǒng)的固有噪聲的大小，就要用噪聲系數(shù)，其定義為第14頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.2信噪比與負(fù)載的關(guān)系設(shè)信號(hào)源內(nèi)阻為RS，信號(hào)源的電壓為US（有效值），當(dāng)它與負(fù)載電阻RL相接時(shí)，在負(fù)載電阻RL上的信噪比計(jì)算如下：信號(hào)源在RL上的功率信號(hào)源內(nèi)阻噪聲在RL上的功率在負(fù)載兩端的信噪比結(jié)論：信號(hào)源與任何負(fù)載相接本不影響其輸入端信噪比，即無(wú)論負(fù)載為何值，其信噪比都不變，其值為負(fù)載開(kāi)路時(shí)的信號(hào)電壓平方與噪聲電壓均方值之比。在負(fù)載兩端的信噪比第15頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.3用額定功率和額定功率增益表示的噪聲系數(shù)放大器輸入信號(hào)源電路如圖3.5所示。任何信號(hào)源加上負(fù)載后，其信噪比與負(fù)載大小無(wú)關(guān)，信噪比均為信號(hào)均方電壓（或電流）與噪聲均方電壓（或電流）之比。放大器的噪聲系數(shù)NF為

Pai和Pao分別為放大器的輸入和輸出額定信號(hào)功率，Pani和Pano分別為放大的輸入和輸出額定噪聲功率，Gpa為放大器的額定功率增益。以額定功率表示的噪聲系數(shù)第16頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.4多級(jí)放大器噪聲系數(shù)的計(jì)算多級(jí)放大器噪聲系數(shù)計(jì)算等效圖多級(jí)放大器的總噪聲系數(shù)計(jì)算公式為：第17頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.5等效噪聲溫度在某些通信設(shè)備中，用等效噪聲溫度Te表示更方便更直接。熱噪聲功率與熱力學(xué)溫度成正比，所以可以用等效噪聲溫度來(lái)代表設(shè)備噪聲大小。噪聲溫度可定義為：把放大器本身產(chǎn)生的熱噪聲折算到放大器輸入端時(shí)，使噪聲源電阻所升高的溫度，稱(chēng)為等效噪聲溫度Te。多級(jí)放大器的等效噪聲溫度為：第18頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.6晶體管放大器的噪聲系數(shù)根據(jù)圖3.7所示的共基極放大器噪聲中求得各噪聲源在放大器輸出端所產(chǎn)生的噪聲電壓均方值總和，然后根據(jù)噪聲系數(shù)的定義，可得到放大器的噪聲系數(shù)的計(jì)算公式共基極放大器噪聲等效電路第19頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.3.7噪聲系數(shù)與靈敏度

噪聲系數(shù)是用來(lái)衡量部件(如放大器)和系統(tǒng)(如接收機(jī))噪聲性能的。而噪聲性能的好壞，又決定了輸出端的信號(hào)噪聲功率比(當(dāng)信號(hào)一定時(shí))。同時(shí)，當(dāng)要求一定的輸出信噪比時(shí)，它又決定了輸入端必需的信號(hào)功率，也就是說(shuō)決定放大或接收微弱信號(hào)的能力。對(duì)于接收機(jī)來(lái)說(shuō)，接收微弱信號(hào)的能力，可以用一重要指標(biāo)——靈敏度來(lái)衡量。所謂靈敏度就是保持接收機(jī)輸出端信噪比一定時(shí)，接收機(jī)輸入的最小電壓或功率(設(shè)接收機(jī)有足夠的增益)。第20頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天雖然線性電路(如晶體管放大器)有噪聲模型，但是用計(jì)算方法決定噪聲系數(shù)是有一定困難(如模型中的一些參數(shù)很難準(zhǔn)確得到)的，因此常用測(cè)量的方法來(lái)確定一個(gè)電路和系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。隨著頻率范圍、采用儀器或要求精度不同，有多種測(cè)量噪聲系數(shù)的方法。用噪聲信號(hào)源的測(cè)量方法下圖是一測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成。噪聲信號(hào)源特測(cè)放大器輔助放大器均方電壓表3.3.8噪聲系數(shù)的測(cè)量第21頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.無(wú)噪聲源的測(cè)量方法當(dāng)無(wú)合適的噪聲信號(hào)源，而又要測(cè)量部件或系統(tǒng)的噪聲系數(shù)時(shí)，可以采用間接的方法，與上圖類(lèi)似，將噪聲信號(hào)源換成一高頻信號(hào)源即可。測(cè)量的方法如下：設(shè)信號(hào)源的內(nèi)阻為RS，并與系統(tǒng)匹配。首先，關(guān)斷信號(hào)源（保留源電阻），在系統(tǒng)的輸出端測(cè)出噪聲功率值或電壓均方根值。然后，加正弦信號(hào)，使輸出電壓遠(yuǎn)大于噪聲電壓值，測(cè)出中心頻率的電壓增益或功率增益，再改變信號(hào)源頻率重復(fù)上述測(cè)量。第22頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.4降低噪聲系數(shù)的措施

根據(jù)上面所討論的結(jié)果，有3種經(jīng)常采用的減小噪聲系數(shù)的措施。選用低噪聲器件和元件正確選擇晶體管放大級(jí)的直流工作點(diǎn)3.選擇合適的信號(hào)源內(nèi)阻第23頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.5工業(yè)干擾與天電干擾1.工業(yè)干擾工業(yè)干擾是由各種電氣裝置中發(fā)生的電流（或電壓）急劇變化所形成的電磁輻射，并作用在接收機(jī)天線上所產(chǎn)生的工業(yè)干擾的強(qiáng)弱取決于產(chǎn)生干擾的電氣設(shè)備的多少、性質(zhì)及分布情況。工業(yè)干擾沿電力線傳播比它在相同距離的直接輻射強(qiáng)度大得多。從工業(yè)干擾的性質(zhì)來(lái)看，大都屬于脈沖干擾。為了克服工業(yè)干擾，最好在產(chǎn)生干擾的地方進(jìn)行抑制。2.天電干擾自然界的雷電現(xiàn)象是天電干擾的主要來(lái)源，除此以外，帶電的雨雪和灰塵的運(yùn)動(dòng)，以及它們對(duì)天線的沖擊都可能引起天電干擾。第24頁(yè),共26頁(yè)，2024年2月25日