高頻放大器1電阻的熱噪聲電子器件的噪聲噪聲系數(shù)級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)接收機(jī)的靈敏度與最小可檢測信號噪聲溫度低噪聲放大器(*)－－討論噪聲的來源、大小和度量方法，減小噪聲措施3.6放大器的噪聲23.6.1干擾與噪聲進(jìn)入通信系統(tǒng)接收端的信號，除了有用信號外，還包含各種干擾和噪聲---干擾有用信號的不期望的擾動。一般稱外部來的為干擾，內(nèi)部產(chǎn)生的為噪聲也有稱有規(guī)律的無用信號為干擾，隨機(jī)起伏的無用信號為噪聲這些干擾與噪聲對系統(tǒng)傳輸信號的能力，特別是處理弱信號的能力，將產(chǎn)生極為不利的影響。噪聲限制了一個電路能夠處理的最小信號電平干擾和噪聲具有不同的表現(xiàn)形態(tài)沖擊窄脈沖：雷電干擾，工業(yè)電火花連續(xù)電振蕩：鄰近信道/設(shè)備干擾，自激振蕩干擾隨機(jī)噪聲：不規(guī)則電擾動，幅度不大，頻率范圍很寬3干擾與噪聲概述通信系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲可以來自系統(tǒng)外部，也可以由設(shè)備本身產(chǎn)生系統(tǒng)外部：宇宙噪聲、大氣噪聲；天線噪聲設(shè)備本身產(chǎn)生的噪聲：來源于電路器件。主要由電阻內(nèi)電子的熱運(yùn)動和電子器件內(nèi)部的帶電粒子的無規(guī)則運(yùn)動產(chǎn)生的。是電路固有的,隨機(jī)的.隨機(jī)噪聲只能用概率分布或功率譜函數(shù)表示（可以避免疊加時相位的不確定性）。白噪聲：功率譜密度（單位頻帶內(nèi)的功率）在整個頻段內(nèi)為恒定值（均勻的）的噪聲－－類比于白光；有色噪聲:

在有效頻帶內(nèi)，功率譜分布不均勻的噪聲噪聲系數(shù)與非線性失真是評價射頻系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。43.6.2.電阻熱噪聲（1）電阻熱噪聲的主要特性

噪聲的計(jì)量：

在一個相當(dāng)長的觀測時間內(nèi)，噪聲電流（或電壓）的平均值趨于零。－－不反映噪聲強(qiáng)弱。

噪聲功率則趨于一有限值－－用功率和功率譜計(jì)量。

噪聲功率也用噪聲電壓方均值表示。

噪聲電流（或電壓）一隨機(jī)的電振動

,在某平均值上下連續(xù)不規(guī)則起伏變化（1電阻上的功率）表示1電阻上的噪聲平均功率5(1)電阻熱噪聲產(chǎn)生機(jī)理自由電子的無規(guī)則熱運(yùn)動。自由電子與晶格碰撞，產(chǎn)生持續(xù)時間很窄的電脈沖。－－頻譜很寬電阻熱噪聲是無數(shù)個電脈沖疊加的結(jié)果。電阻熱噪聲的功率譜密度：

單位頻帶（即每Hz）內(nèi)噪聲功率K為波爾茲曼常數(shù)：T為絕對溫度

T(K)=T(c)+273

為自由電子每秒鐘的碰撞次數(shù)。電阻熱噪聲的功率譜密度與電阻大小及所處溫度有關(guān)與頻率無關(guān)電阻熱噪聲產(chǎn)生機(jī)理6(2)白噪聲與有色噪聲

電阻熱噪聲為白噪聲，因?yàn)槠涔β首V密度在很寬的頻率范圍內(nèi)均為有色噪聲：白噪聲通過有限頻帶網(wǎng)絡(luò)后，變成了有色噪聲。

Wo(f)為輸出功率譜密度。為線性系統(tǒng)的功率傳輸函數(shù)噪聲功率：7(3)等效噪聲帶寬與半功率點(diǎn)頻帶等效噪聲帶寬是高度為

（系統(tǒng)在原點(diǎn)或中心頻率的功率傳輸系數(shù)），寬度為的矩形的寬度。矩形面積實(shí)際上是傳遞函數(shù)曲線下面的面積。

值稍大于網(wǎng)絡(luò)的半功率點(diǎn)通頻帶，若網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性接近矩形，則等效噪聲帶寬與半功率點(diǎn)通頻帶相等。寬度為的矩形面積與曲線下面的面積是相等的。

8（4）電阻的噪聲等效電路與噪聲功率計(jì)算電阻噪聲功率計(jì)算：設(shè)為等效噪聲帶寬，則返回思考：電阻并聯(lián)形式的噪聲計(jì)算？*帶寬越寬噪聲功率越大電阻的噪聲等效電路兩個串聯(lián)電阻在頻帶內(nèi)的噪聲功率9

并聯(lián)電路如圖，求端口噪聲電壓均方值。(純電抗無噪）理想網(wǎng)絡(luò)（無噪聲）解：將有噪電阻表示為噪聲源與無噪電阻串聯(lián)的等效電路，如圖所示。則無噪電阻與為一理想網(wǎng)絡(luò)，其傳遞函數(shù)為：

輸出不是白噪聲！(5)白噪聲通過RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)10并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲頻帶

并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等效噪聲帶寬：方法2比較：

并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)半功率點(diǎn)帶寬：

等效噪聲頻帶比半功率點(diǎn)帶寬大倍方法111LC并聯(lián)諧振回路的噪聲無噪理想電抗元件不產(chǎn)生噪聲，但實(shí)際的電感器和電容器，因存在一定的損耗電阻或漏電導(dǎo)，因此是一有噪元件。諧振電阻結(jié)論：LC并聯(lián)諧振回路的熱噪聲電壓均方值等于諧振電阻在等效噪聲帶寬上產(chǎn)生的噪聲功率。12（6）電阻的噪聲等效電路與計(jì)算－結(jié)論多個電阻串聯(lián)后總的噪聲電壓均方值，等于串聯(lián)總電阻產(chǎn)生的噪聲電壓均方值（因?yàn)椴煌娮璧臒嵩肼暿墙y(tǒng)計(jì)獨(dú)立的）。并聯(lián)電阻類似。噪聲等效電路是將電路元件產(chǎn)生的噪聲用電壓源或電流源表示，而將電路元件視作無噪的電路。理想電抗元件不產(chǎn)生噪聲，實(shí)際電抗元件噪聲可視作其損耗電阻產(chǎn)生的，如RLC回路的諧振電阻。RC、LRC網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲帶寬都等于，即網(wǎng)絡(luò)3dB帶寬的倍。當(dāng)其幅頻特性近似為矩形時，兩種帶寬相等，在系統(tǒng)中常用3dB帶寬作為噪聲帶寬進(jìn)行計(jì)算。公式中R可為總電阻，為等效噪聲帶寬。13

3.6.3.電子器件的噪聲（1）晶體管的噪聲－－主要4種

電阻熱噪聲：各電極的體電阻（基極體電阻）自由電子熱運(yùn)動產(chǎn)生的噪聲。

散粒噪聲：兩個PN結(jié)的噪聲，與晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)電流有關(guān)。（白噪聲）q為電子電量

分配噪聲：（有色噪聲）載流子在基區(qū)分配比例隨機(jī)變化所產(chǎn)生的噪聲稱為分配噪聲。

1/f噪聲：低頻時比較顯著。在1KHz以上，則可以忽略。（有色噪聲）14電子器件的噪聲（續(xù)）（2）場效應(yīng)管的噪聲

溝道熱噪聲：由導(dǎo)電溝道電阻產(chǎn)生的噪聲。與一般電阻不同，溝道電阻的大小是受到柵極電壓控制。：場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移跨導(dǎo)。

柵極散粒噪聲：是由于柵極內(nèi)電荷不規(guī)則起伏引起的。（白噪聲）：柵極泄漏電流。

柵極感應(yīng)噪聲：（有色噪聲）溝道中的起伏噪聲通過溝道與柵極之間的電容，在柵極上感應(yīng)產(chǎn)生的噪聲。工作頻率越高，該噪聲影響越大。

1/f噪聲：比雙極型晶體管更顯著。（有色噪聲）（大的柵面積和簿的柵極介質(zhì)可降低閃爍噪聲。)153.6.4.噪聲系數(shù)－－衡量系統(tǒng)噪聲性能優(yōu)劣的指標(biāo)（1）定義：在標(biāo)準(zhǔn)信號源激勵下，網(wǎng)絡(luò)輸入信噪比與其輸出信噪比的比值。即信噪比惡化（變壞）的程度。放大器標(biāo)準(zhǔn)信號源“標(biāo)準(zhǔn)信號源”是指信號電壓為，內(nèi)阻為，并僅含有產(chǎn)生的白噪聲的信號源。1、噪聲系數(shù)的幾種描述（信噪比、噪聲功率、額定功率）返回16(1)、噪聲系數(shù)的幾種描述（續(xù)1）（3）網(wǎng)絡(luò)輸出端的輸出噪聲功率由兩部分構(gòu)成，即通過網(wǎng)絡(luò)后的輸入噪聲功率和網(wǎng)絡(luò)附加的噪聲功率。（2）網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲功率與輸入噪聲功率在輸出端的比值?？梢姌?biāo)準(zhǔn)信號源很重要。為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各有噪元件產(chǎn)生的噪聲功率在其輸出端的反映。上式表明，任何實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)，都是在理想網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)（=1）的基礎(chǔ)上，加上某一噪聲系數(shù)的增量。該增量與成正比，與和成反比。17

(2)Fn用額定功率和額定功率增益表示信噪比的特點(diǎn)分析在計(jì)算輸入信噪比時，與和之間是否匹配無關(guān)。在計(jì)算輸出信噪比時，與輸出端是否匹配無關(guān)。

額定功率（資用功率）和額定功率增益額定功率是指信號源（包括噪聲源）能夠輸出的最大功率。額定功率增益是指放大器輸入端和輸出端分別匹配時的功率增益。噪聲系數(shù)圖額定噪聲功率18額定功率與負(fù)載上實(shí)際得到的功率是兩個不同的概念，額定功率與負(fù)載大小無關(guān)，而實(shí)際功率則與負(fù)載有關(guān)。當(dāng)輸入端為標(biāo)準(zhǔn)信號源時，由于電路的同一端口，信號與噪聲的失配相同，F(xiàn)可用實(shí)際輸入、輸出信噪比表示，也可用額定的輸入、輸出信噪比表示。后者具有運(yùn)算簡便、通用的優(yōu)點(diǎn)。噪聲系數(shù)的概念僅僅適用于線性電路（線性放大），因線性電路可用功率增益描述。非線性電路信號和噪聲、噪聲和噪聲之間會相互作用，即使電路本身無噪聲，輸出信噪比也與輸入信噪比不同。--接收機(jī)噪聲系數(shù)指解調(diào)器以前的噪聲系數(shù)*說明19(3)、無源網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的計(jì)算舉例：設(shè)網(wǎng)絡(luò)輸入端匹配設(shè)網(wǎng)絡(luò)輸出端匹配戴維南定理20無源四端網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的簡化表示對于無源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)輸入輸出端均匹配時，其額定噪聲輸入、輸出功率將滿足上式說明，無源網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)等于其功率傳輸系數(shù)的倒數(shù)，或等于網(wǎng)絡(luò)的衰減L

。這是因?yàn)楫a(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)噪聲的有損元件，正是導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸信號衰減的因素。

舉例：求長度為50m，衰減量為0.082dB/m高頻電纜的噪聲系數(shù)。解：50米電纜的總損耗為L=50

0.082=4.1（dB）故其對應(yīng)衰減值為

Fn=L=2.5721(4)級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)

和分別為兩網(wǎng)絡(luò)的額定功率增益。和分別為兩網(wǎng)絡(luò)在標(biāo)準(zhǔn)信號源下測的噪聲系數(shù)。和分別表示兩網(wǎng)絡(luò)的附加噪聲功率。由網(wǎng)絡(luò)1網(wǎng)絡(luò)2得到：22級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)(續(xù)）23級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)（續(xù)）結(jié)論：級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)，主要由網(wǎng)絡(luò)前一、兩級的噪聲系數(shù)和功率增益確定。前一、兩級的噪聲系數(shù)越小，功率增益越高，則級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)就越小。依此類推，N級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的總的噪聲系數(shù)為：則級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲系數(shù)為：*公式中不能用dB數(shù)直接代入！24舉例：某接收機(jī)前端電路由混頻和中放組成。已知混頻器的噪聲系數(shù)為7，功率傳輸系數(shù)為0.2,中放的噪聲系數(shù)為3，功率增益求級聯(lián)后的噪聲系數(shù)；若在混頻器前加一高放，高放的噪聲系數(shù)為3dB，增益為10dB，問此時級聯(lián)后的噪聲系數(shù)為多少？解：第一種情況混頻器中放第二種情況混頻器中放高放舉例253.6.5.接收機(jī)的靈敏度與最小可檢測信號靈敏度是當(dāng)接收端處于匹配時，為保證一定的輸出信噪比，接收端所需要的最小有用信號功率。由

接收機(jī)的最小可檢測信號電壓－匹配時式中為接收機(jī)的輸入電阻。得到：靈敏度計(jì)算公式：26接收機(jī)的靈敏度與最小可檢測信號（續(xù)）

舉例：輸入電阻為的接收機(jī)，噪聲系數(shù)為6dB，BW=1MZ。當(dāng)要求輸出信噪比為1，接收機(jī)的最小有用信號功率和電壓為多少？還可以表示為：解：噪聲系數(shù)為6dB，=4。當(dāng)輸入電阻為時，最小可檢測信號電壓為：：以為零電平的分貝。273.6.6.噪聲溫度

網(wǎng)絡(luò)的噪聲性能也用噪聲溫度表示（如天線噪聲或Fn小時）。但網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度不是該網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際物理溫度，而是用以表征該網(wǎng)絡(luò)噪聲性能的一種假想溫度。

實(shí)際網(wǎng)絡(luò)用一無噪聲網(wǎng)絡(luò)和一噪聲源等效。設(shè)是由信號源內(nèi)阻在一假想溫度下產(chǎn)生的噪聲電壓。此是網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度。28噪聲溫度（續(xù)）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)噪聲較小時，用噪聲溫度來表示分辨率高更方便舉例：=1.1=1.05

網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度與網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)的轉(zhuǎn)換輸入噪聲：To為系統(tǒng)工作溫度，通常內(nèi)部噪聲在輸出端：內(nèi)部噪聲在輸入端29級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度

兩級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度

兩級級聯(lián)總的等效噪聲溫度為

對于N級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，總的等效噪聲溫度為

30天線噪聲溫度接收天線位于接收機(jī)的輸入端，其噪聲大小對于通信質(zhì)量具有最大的影響。接收天線的噪聲除了其損耗元件產(chǎn)生的熱噪聲外，還包含來自天空、大氣的各種外部噪聲，而且后者在數(shù)值上要比熱噪聲大得多。天線的噪聲特性通常用其噪聲溫度表示。當(dāng)天線端口的輸出噪聲功率為時，天線噪聲溫度定義為

降低天線噪聲溫度的方法：提高天線增益與方向性，調(diào)整天線方位以避開強(qiáng)噪聲源等。313.6.7.低噪聲放大器的設(shè)計(jì)晶體管放大器的噪聲系數(shù)共基極放大器的噪聲等效電路等效電路中四個噪聲源基本上是彼此獨(dú)立的。這里先不考慮1/f噪聲的影響。32晶體管放大器的噪聲系數(shù)（續(xù)1）

信號源內(nèi)阻

的熱噪聲電壓方均值?；鶚O電阻

的熱噪聲電壓方均值。發(fā)射結(jié)的散粒噪聲。集電結(jié)的分配噪聲。晶體管放大器的噪聲系數(shù)33晶體管放大器的噪聲系數(shù)（續(xù)2）討論：噪聲系數(shù)與工作頻率的關(guān)系工作頻率較低時，噪聲系數(shù)幾乎與工作頻率無關(guān)。主要是基極電阻的熱噪聲和散粒噪聲，是白噪聲。工作頻率較高時，噪聲系數(shù)隨工作頻率增加而增加。這是高頻區(qū)，除熱噪聲和散粒噪聲外，主要是分配噪聲。工作頻率很低時，噪聲不可忽略。附錄3.2.134與信號源內(nèi)阻的關(guān)系

放大器噪聲系數(shù)是的函數(shù)

有一個最佳值使放大器噪聲系數(shù)為最小

與晶體管的工作狀態(tài)有關(guān)

噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)放大器噪聲系數(shù)是和等晶體管參數(shù)的函數(shù)，而兩者均與晶體管的工作狀態(tài)有關(guān)。放大器的最佳工作狀態(tài)可由實(shí)驗(yàn)方法確定。附錄3.2.1晶體管放大器的噪聲系數(shù)(續(xù)3）由文獻(xiàn)查得雙極型晶體管35場效應(yīng)管放大器的噪聲系數(shù)場效應(yīng)管的噪聲有四個來源：柵極散粒噪聲；溝道熱噪聲；

柵極感應(yīng)噪聲和1/f噪聲。笫一種和笫二種噪聲是主要的，尤其以笫二種噪聲最重要。笫二種噪聲的場效應(yīng)管噪聲等效電路見下圖。計(jì)算放大器的噪聲系數(shù)，可以將噪聲源折合到放大器的輸出端或輸入端，這里是折合到輸入端。信號源用電流源表示。36場效應(yīng)管放大器的噪聲系數(shù)（續(xù)）

MOS管放大器的最佳信號源電導(dǎo)為最小噪聲系數(shù)--即所謂噪聲匹配的典型值為4~6；的典型值為2~3

c是溝道熱噪聲與柵極感應(yīng)噪聲的相關(guān)系數(shù)是下的跨導(dǎo)。

是MOSFET最高工作頻率37低噪聲放大器（LNA）的阻抗匹配

為得到MOS場效應(yīng)管放大器的最小噪聲系數(shù)，信源內(nèi)阻有一個最佳值。但是信源內(nèi)阻為最佳值時，放大器的輸入阻抗不一定恰好與信源匹配，因而這時的功率增益不是最大。為兼顧兩者，可以采用一些措施。

右圖所示是一種最簡單的方法。令，即實(shí)現(xiàn)放大器的輸入阻抗與信源匹配。該方法存在兩個問題：并聯(lián)電阻是一個實(shí)際電阻，存在電阻熱噪聲，會影響放大器的噪聲系數(shù)。并聯(lián)電阻會消耗功率，這就影響放大器的功率增益。最有效辦法的是采用電感負(fù)反饋的方法。38低噪聲放大器的阻抗匹配（續(xù)）

采用電感負(fù)反饋的共源放大器信源內(nèi)阻，匹配電感

實(shí)際是一個串聯(lián)諧振回路，中的等效電阻項(xiàng)是：。這個等效電阻可以實(shí)現(xiàn)與信源的匹配；這個等效電阻不是一個實(shí)際電阻，所以不會產(chǎn)生熱噪聲，也不會消耗功率；近似地說，所采用的電感也不會產(chǎn)生噪聲。39GSM手機(jī)的LNA電路FL451、Fl452：陶瓷濾波器或聲表濾波器，頻率范圍935－960MHz，中心頻率947.4MHz,損耗3.5dB。FL453,陶瓷濾波器或聲表濾波器頻率范圍782－807MHz（VCO）。EN：接收時為高電平。L413與管子輸入電容在工作頻率上諧振，并與FL451輸出阻抗匹配。L412、R432交流上并在管子輸出端，與輸出電容諧振，并與FL452輸入端匹配。40

3.6.8.減少噪聲系數(shù)的措施選用低噪聲器件和元件選用和噪聲系數(shù)小的晶體管。選用場效應(yīng)管（砷化鎵金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管）。謹(jǐn)慎選用電阻元件，選用金屬膜電阻。正確選擇晶體管放大器的直流工作點(diǎn)對不同的信號源內(nèi)阻，最佳的是不同的。用改變的方法耒獲得低噪聲放大。選擇合適的信號源內(nèi)阻信源內(nèi)阻有最佳值，使噪聲系數(shù)最小。41減少噪聲系數(shù)的措施（續(xù)）選擇合適的工作帶寬選用具有高增益、低噪聲的前級放大電路熱噪聲是主要來源之一，所以降低接收機(jī)前端主要器件的