高頻電子噪聲

高頻電子噪聲2.2電路的噪聲2.2.1電路噪聲的來源和特點2.2.2噪聲系數(shù)重點：噪聲系數(shù)、噪聲溫度。第2頁,共33頁，2024年2月25日，星期天2.2.1電路噪聲的來源和特點

干擾與噪聲所謂干擾（或噪聲）,是除有用信號以外的一切不需要的信號及各種電磁騷動的總稱。干擾和噪聲是兩個同義的術語,沒有本質的區(qū)別。習慣上，將外部來的稱為干擾，內部產生的稱為噪聲。第3頁,共33頁，2024年2月25日，星期天1.電阻熱噪聲噪聲電壓Un(t)是隨機變化的，其波形如圖。第4頁,共33頁，2024年2月25日，星期天噪聲電壓Un(t)的統(tǒng)計平均值為零。Un(t)平方后再取其平均值，稱為噪聲電壓的均方值，即

噪聲電壓作用于1Ω電阻上的平均功率為第5頁,共33頁，2024年2月25日，星期天

熱運動理論和實踐證明,

電阻熱噪聲平均功率為:

Pn=kTB

k：1.38×10-23J/K為波爾茲曼常數(shù)

T：oC+273o為電阻的絕對溫度值(K)

B：為測量此噪聲時的帶寬第6頁,共33頁，2024年2月25日，星期天電阻熱噪聲等效電路如圖所示第7頁,共33頁，2024年2月25日，星期天

2.2.2噪聲系數(shù)

基本概念信號功率(Signal):信號能量大??；噪聲功率(Noise):噪聲能量大??；信號噪聲功率比:用以衡量信號質量；第8頁,共33頁，2024年2月25日，星期天

1.噪聲系數(shù)的定義

噪聲系數(shù)的定義是線性網(wǎng)絡輸入端信號噪聲功率比Psi/Pni與輸出端信號噪聲功率比Pso/Pno的比值。用NF表示。第9頁,共33頁，2024年2月25日，星期天

如果是理想無噪聲的線性網(wǎng)絡，輸出端的信噪比與輸入端的信噪比相同,噪聲系數(shù)NF=1。若放大電路本身有噪聲,則輸出端的信噪比低,即NF>1。噪聲系數(shù)表示通過線性網(wǎng)絡后,信噪比變壞的程度。

是衡量線性網(wǎng)絡噪聲性能好壞的物理量。用分貝數(shù)表示。第10頁,共33頁，2024年2月25日，星期天噪聲系數(shù)有第二種表示形式式中AP=Pso/Psi為線性網(wǎng)絡的功率增益上式表明：噪聲系數(shù)NF僅與以下二者有關:

1.放大電路輸出端總的噪聲功率;

2.放大電路輸入的噪聲功率通過放大電路放大后在輸出端所產生的噪聲功率。噪聲系數(shù)NF與輸入信號大小無關。第11頁,共33頁，2024年2月25日，星期天

2.噪聲系數(shù)的第三種表示實際上,放大電路的輸出噪聲功率Pno是由兩部分組成的,一部分是Pno1=ApPni,另一部分是放大電路本身產生的噪聲在輸出端呈現(xiàn)的噪聲功率Pno2。即Pno=Pno1+Pno2所以,噪聲系數(shù)又可寫成可以看出噪聲系數(shù)與放大電路內部產生的噪聲有關。第12頁,共33頁，2024年2月25日，星期天

噪聲系數(shù)的概念適用于線性電路,對非線性電路,信號與噪聲、噪聲與噪聲之間會相互作用。因為非線性電路會產生信號和噪聲的頻率變換，噪聲系數(shù)不能反映系統(tǒng)的附加噪聲性能。即使電路本身不產生噪聲,輸出端的信噪比也和輸入端的不同。

第13頁,共33頁，2024年2月25日，星期天3.噪聲性能的另一表示噪聲系數(shù)的定義是輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值。信號輸入功率與信號源內阻Rs和放大電路的輸入電阻Ri有關;

但輸入端信噪比卻與二者（Rs、Ri）無關;同理：信號輸出功率與線性網(wǎng)絡輸出電阻Ro和負載電阻RL有關;

但輸出端信噪比卻與二者（Ro、RL）無關;第14頁,共33頁，2024年2月25日，星期天匹配法計算NF

噪聲系數(shù)的的計算可假設放大電路處于任何狀態(tài),只要計算簡便。可以假設放大電路輸入與輸出均處于匹配狀態(tài)。為了計算和測量的方便，噪聲系數(shù)可以用額定功率和額定功率增益的關系來計算。第15頁,共33頁，2024年2月25日，星期天

由上兩式知，不管信號源內阻如何，它產生的額定噪聲功率是相同的，其大小只與電阻所處的環(huán)境溫度T和系統(tǒng)帶寬B有關。

所謂的額定功率是指信號源所能輸出的最大功率。

當信號源內阻Rs與放大電路的輸入電阻Ri相等時,信號源有最大功率輸出。這個最大功率稱為信號額定輸入功率。其值為而額定輸入噪聲功率為第16頁,共33頁，2024年2月25日，星期天同理,對輸出端來說,當放大電路的輸出電阻Ro與負載電阻RL相等時,輸出端匹配。輸出端的額定信號功率為Pso和額定噪聲功率為Pno。額定功率增益APH是指放大電路的輸入和輸出都匹配時(即RS=Ri,R0=RL時)的功率增益,這是噪聲系數(shù)的第四種表示形式。第17頁,共33頁，2024年2月25日，星期天

T為室溫,可認為T=290K（17oC）

Ti為放大電路的等效噪聲溫度這是噪聲系數(shù)的第五種表示形式。NF也可表示為：第18頁,共33頁，2024年2月25日，星期天

4.噪聲溫度噪聲溫度是用來表征放大電路內部噪聲的一種形式。噪聲溫度的概念是,把放大電路的內部噪聲看作是由信號源內阻Rs在溫度為Ti時所產生的噪聲。也就是說,在放大電路的輸入端,虛設一個噪聲源,噪聲電壓均方值U2ni=4kTiRsΔfn。它經(jīng)過放大電路放大后,在輸出端得到的額定輸出噪聲功率正好等于放大電路內部噪聲在輸出端得到的額定輸出噪聲功率其中Ti叫做等效噪聲溫度,簡稱噪聲溫度。第19頁,共33頁，2024年2月25日，星期天噪聲溫度Te

令T=290k(17攝氏度）

Te=T(Nf-1)=290K(Nf-1)

對于理想網(wǎng)絡：Te=0，Nf=1

對于實際網(wǎng)絡：Te>0，Nf>1Nf=0.5dB,即：Nf=1.12,Te=35kNf=0.8dB,即：Nf=1.21,Te=61kNf=3dB,即：Nf=2,Te=290kNf=7dB,即：Nf=5,Te=1160k第20頁,共33頁，2024年2月25日，星期天常用來計算放大電路的噪聲系數(shù)與噪聲溫度之間的轉換。例如,兩個放大器：一個噪聲系數(shù)NF=1.12,對應的Ti=35K

另一個噪聲系數(shù)NF=1.21,對應的Ti=61K

從噪聲系數(shù)上看,兩放大器差別很小,但從噪聲溫度上看,兩者相差很大。因此,在噪聲很低的場合,用噪聲溫度表示,能更清楚地顯示出放大電路的噪聲性能。第21頁,共33頁，2024年2月25日，星期天(1)先討論兩級放大器的總噪聲系數(shù)。5.多級放大器的噪聲系數(shù)第22頁,共33頁，2024年2月25日，星期天兩級放大器如圖2-6所示。每一級的額定功率增益和噪聲系數(shù)分別為APH1、NF1和APH2、NF2,通帶均為Δfn。第一級放大器的額定輸出噪聲功率為第23頁,共33頁，2024年2月25日，星期天同理,第二級放大器的額定輸出噪聲功率也是由兩部分組成。一部分是第一級放大器輸出的額定輸出噪聲功率經(jīng)第二級放大后的輸出部分;另一部分是第二級放大器本身產生的輸出噪聲功率P2nO2;即第24頁,共33頁，2024年2月25日，星期天這樣,第二級放大器的額定輸出噪聲功率為兩級放大器的總噪聲系數(shù)為第25頁,共33頁，2024年2月25日，星期天由此式可知,多級放大器總的噪聲系數(shù)主要取決于前面兩級。這是因為Ap的乘積很太,后面各級的影響很小。通常,要求第一級的NF1要小而APH1要大。第26頁,共33頁，2024年2月25日，星期天6.無源二端口(四端)網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)無源二端口網(wǎng)絡廣泛應用于各種無線電設備中。例如接收機的輸入回路、天線至接收機的傳輸線以及LCR濾波器等。它可以是LCR并聯(lián)振蕩回路,也可以是較復雜的LC濾波器或傳輸線等。

第27頁,共33頁，2024年2月25日，星期天設APH是該網(wǎng)絡的額定功率增益,它的額定輸出噪聲功率是同樣,由信號源加到網(wǎng)絡的額定輸入噪聲功率是

上式表明,一個無源二端口網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)等于它的額定功率增益的倒數(shù)，即無源四端網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)等于它的衰減值。這個結果對任何無源網(wǎng)絡,不管其內部電路如何,都是適用的。得出：第28頁,共33頁，2024年2月25日，星期天靈敏度（Sensitivity）

靈敏度定義：當給定系統(tǒng)的輸出信噪比（）的條件下，接收機的有效輸入信號功率的最小值（或接收機所能檢測的最低輸入信號電平）。

在規(guī)定的輸出信噪比時，接收機所需的最小輸入信號電壓，定義為接收機的靈敏度。第29頁,共33頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)噪聲系數(shù)的定義得到的靈敏度為：或以dB表示為也可以為由上節(jié)的分析知，當信號源內阻與放大器輸入端電阻相匹配時，輸入信號功率為：此時的輸入噪聲功率為：第30頁,共33頁，2024年2月25日，星期天例：在一個線性系統(tǒng)中，已知其輸入阻抗為50Ω，噪聲系數(shù)為8dB，帶寬為2.1kHz，若給定的輸出信噪比為1dB。試求該系統(tǒng)所能檢測到的最低輸入信號電平是多少？設溫度為290K。

解：根據(jù)得到最小可檢測輸入信號電平為由此得到有效輸入信號功率的最小值（靈敏度）為第31頁,共33頁，2024年2月25日，星期天動態(tài)范圍DR