第二章-放大器的噪聲源和噪聲特性

微弱信號(hào)檢測(cè)第2章放大器的噪聲源和噪聲特性2.1電子系統(tǒng)內(nèi)部的固有噪聲源2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性2.3二極管和雙極型晶體管的噪聲特性2.4場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲特性2.5運(yùn)算放大器的噪聲特性2.6低噪聲放大器設(shè)計(jì)

2.7噪聲特性測(cè)量2.1電子系統(tǒng)內(nèi)部的固有噪聲源2.1.1電阻的熱噪聲

1熱噪聲的統(tǒng)計(jì)特征噪聲電壓電阻值/Ω絕對(duì)溫度/K波爾茲曼常數(shù)＝1.38×10-23J/K經(jīng)典熱力學(xué)的結(jié)論2.1電子系統(tǒng)內(nèi)部的固有噪聲源量子理論的結(jié)果，h為普朗克常量h=6.6210-34j·s，f為頻率。當(dāng)f不太高(f<0.1kT/h≈1012Hz)時(shí)

(室溫下T=300K)分母項(xiàng)泰勒級(jí)數(shù)展開：開路電阻兩端的噪聲電壓有效值（均方根值）2.1電子系統(tǒng)內(nèi)部的固有噪聲源電阻噪聲源等效電路RR電阻噪聲電壓源等效電路電阻噪聲電流源等效電路2.1電子系統(tǒng)內(nèi)部的固有噪聲源2阻容并聯(lián)電路熱噪聲RCeteto2.1電子系統(tǒng)內(nèi)部的固有噪聲源2.1.2PN結(jié)的散彈噪聲

電子電荷散彈電流有效值i=Idc+ish散彈電流/A平均直流電流/A流過PN結(jié)的電流/A散彈電流平方根譜密度2.1電子系統(tǒng)內(nèi)部的固有噪聲源2.1.31／f噪聲

(1)早期模型頻率/Hz與接觸面材料及形狀有關(guān)的系數(shù)流過樣品的直流電流/A(2)遷移率漲落模型2.1電子系統(tǒng)內(nèi)部的固有噪聲源2.1.4爆裂噪聲

(1)早期模型轉(zhuǎn)折頻率/Hz與半導(dǎo)體材料及雜質(zhì)有關(guān)的常數(shù)流過樣品的直流電流/A

2.2.1單級(jí)放大器的噪聲系數(shù)

(1)噪聲系數(shù)(F:noisefactor

)輸出噪聲輸入噪聲放大倍數(shù)輸入信號(hào)輸出信號(hào)F=輸出總噪聲功率放大器無噪聲時(shí)的噪聲輸出功率2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性(2)可檢測(cè)的最小信號(hào)

可測(cè)最小信號(hào)放大器的噪聲系數(shù)輸出信噪比放大器的輸入噪聲功率(3)噪聲因數(shù)

噪聲系數(shù)的分貝表示方式：NF=10lgF(dB)2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性

2.2.2聯(lián)級(jí)放大器的噪聲系數(shù)

2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性2.2.2聯(lián)級(jí)放大器的噪聲系數(shù)

2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性各級(jí)放大器的噪聲系數(shù)分配2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性弗里斯公式：在設(shè)計(jì)多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器時(shí)，要特別注意第一級(jí)放大器的噪聲。2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性噪聲測(cè)度如果，則噪聲測(cè)度小的應(yīng)放前級(jí)第一種排列得到的總噪聲系數(shù)第一種排列得到的總噪聲系數(shù)2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性2.2.3放大器的噪聲模型

實(shí)際二端口網(wǎng)絡(luò)無噪聲二端口網(wǎng)絡(luò)等效噪聲源功率譜密度及平方根譜密度enin2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性2.2.4放大器的噪聲特性

1等效輸入噪聲與信源內(nèi)阻的關(guān)系2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性2.2.4放大器的噪聲特性

1等效輸入噪聲與信源內(nèi)阻的關(guān)系低噪聲放大器高噪聲放大器2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性2最佳源電阻及噪聲匹配輸出噪聲功率輸入噪聲功率功率放大倍數(shù)噪聲系數(shù)用等效噪聲源平方根譜密度表示2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性最佳信源內(nèi)阻及噪聲匹配方法：2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性最佳源電阻及最小噪聲系數(shù)與頻率的關(guān)系2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性3噪聲系數(shù)等值圖2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性4放大器噪聲的其它表示法①等效噪聲溫度：源電阻的熱噪聲功率等于放大器等效輸入噪聲功率時(shí)的溫度。2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性4放大器噪聲的其它表示法②

等效噪聲電阻：噪聲源在常溫下其熱噪聲用等效電阻表示。電壓噪聲的等效電阻電流噪聲的等效電阻2.2放大器的噪聲指標(biāo)與噪聲特性2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性2.3.1半導(dǎo)體二極管的噪聲模型流過半導(dǎo)體二極管的電流：q為電子電荷，V為二極管端電壓，I0為二極管的反向飽和電流。2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性在頻帶Δf中的總電流散彈噪聲均方值為：反向飽和電流噪聲正向擴(kuò)散電流噪聲2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性半導(dǎo)體二極管的散彈噪聲模型當(dāng)零偏置時(shí)：當(dāng)反向偏置時(shí)：當(dāng)明顯正向偏置時(shí)：2.4二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性半導(dǎo)體二極管的1/f噪聲模型其功率譜密度符合遷移率漲落模型：2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性半導(dǎo)體二極管的等效電阻對(duì)公式進(jìn)行微分得正向偏置二極管的小信號(hào)交流電阻：2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性共射極晶體管π型噪聲等效電路2.3.2雙極性晶體管的噪聲模型1/f噪聲基區(qū)電阻熱噪聲電壓基極電流Ib的散彈噪聲集電極電流Ic的散彈噪聲信號(hào)源噪聲2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性1.基區(qū)電阻rbb’產(chǎn)生的熱噪聲電壓eb功率譜密度為：其均方值為：2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性2.基極電流IB的散彈噪聲ib功率譜密度為：其均方值為：2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性3.集電極電流IC的散彈噪聲ic功率譜密度為：其均方值為：2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性4.1/f噪聲if功率譜密度為：其均方值為：α通常取1，γ=12，fL

為1/f噪聲的轉(zhuǎn)折頻率。2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性5.信號(hào)源電阻RS產(chǎn)生的熱噪聲et功率譜密度為：其均方值為：2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性所有噪聲源都等效為輸入電壓源2.3.3雙極性晶體管的等效輸入噪聲2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性綜合為一個(gè)輸入電壓源2.3.3雙極性晶體管的等效輸入噪聲2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性等效為一個(gè)輸入電壓源和一個(gè)輸入電流源2.3.3雙極性晶體管的等效輸入噪聲2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性共發(fā)射極晶體管等效輸入電壓噪聲隨IC變化曲線2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性共發(fā)射極晶體管等效輸入電流噪聲隨IC變化曲線2.4二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性共發(fā)射極晶體管最小噪聲系數(shù)Fmin隨IC變化曲線2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性共發(fā)射極晶體管最佳源電阻RSO隨IC變化曲線2.3二級(jí)管和雙級(jí)型晶體管的噪聲特性共發(fā)射極晶體管噪聲因數(shù)NF的頻率分布2.3.4雙極性晶體管的噪聲因數(shù)頻率分布2.4場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲特性2.4.1場(chǎng)效應(yīng)管的內(nèi)部噪聲源1.溝道的熱噪聲功率譜密度為：其均方值為：產(chǎn)生熱噪聲的溝道電阻在線性區(qū)KD≈1，在線性區(qū)KD≈0.67。2.4場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲特性2.1/f

噪聲功率譜密度為：其均方值為：2.5場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲特性3.柵極的散彈噪聲功率譜密度為：2.4場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲特性4.柵極的感應(yīng)噪聲功率譜密度為：Gis為共源極輸入電導(dǎo)，K1是與刪源電壓、漏源電壓有關(guān)的系數(shù)。2.4場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲特性2.4.2場(chǎng)效應(yīng)管的等效輸入噪聲與噪聲特性溝道的熱噪聲柵極的散彈噪聲柵極的感應(yīng)噪聲結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲等效電路1/f噪聲2.4場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲特性等效為一個(gè)輸入電壓源和一個(gè)輸入電流源2.4場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲特性場(chǎng)效應(yīng)管eN和iN隨頻率f變化典型曲線2.4場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲特性結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管噪聲因數(shù)NF的頻率分布2.5運(yùn)算放大器的噪聲特性2.5.1運(yùn)算放大器的等效輸入噪聲模型1/f噪聲1/f噪聲白噪聲白噪聲電壓源功率譜密度電流源功率譜密度2.5運(yùn)算放大器的噪聲特性2.5.2運(yùn)算放大器的噪聲性能計(jì)算輸入等效噪聲電壓和電流有效值2.5運(yùn)算放大器的噪聲特性2.5.3運(yùn)算放大電路的輸出噪聲2.6低噪聲放大器設(shè)計(jì)2.6.1有源器件的選擇最佳源電阻最小噪聲系數(shù)→2.6低噪聲放大器設(shè)計(jì)2.6.2偏置電路與直流工作點(diǎn)低噪聲偏置普通電路共發(fā)射極電路偏置2.6低噪聲放大器設(shè)計(jì)2.6.2偏置電路與直流工作點(diǎn)信號(hào)源浮地信號(hào)源浮地通過信號(hào)源進(jìn)行偏置2.6低噪聲放大器設(shè)計(jì)2.6.2偏置電路與直流工作點(diǎn)利用調(diào)諧電路利用射頻扼流圈射頻電路偏置2.6低噪聲放大器設(shè)計(jì)2.6.2偏置電路與直流工作點(diǎn)1.源內(nèi)阻2.直流工作點(diǎn)3.噪聲系數(shù)2.6低噪聲放大器設(shè)計(jì)2.6.3噪聲匹配

1、附加電阻對(duì)噪聲的影響

（1）附加串聯(lián)電阻的影響

（2）附加并聯(lián)電阻的影響

2、調(diào)整工作點(diǎn)的局限性2.6低噪聲放大器設(shè)計(jì)3、利用變壓器實(shí)現(xiàn)噪聲匹配

利用變壓器變壓器兩端的噪聲系數(shù)不變特性，通過變壓器，信號(hào)信噪比不變，但是源電阻放大了n2倍。2.6低噪聲放大器設(shè)計(jì)2.6低噪聲放大器設(shè)計(jì)4、有源器件并聯(lián)2.6.4

反饋電路對(duì)噪聲特性的影響1）電壓串聯(lián)負(fù)反饋增加輸入阻抗；2）電壓并聯(lián)負(fù)反饋減少輸入阻抗3）只要反饋電阻足夠大，同時(shí)給源電路增加的阻抗與信