1、第二章 電路的噪聲,2.1 放大電路噪聲的來源和特點 2.2電路噪聲的計算 2.3噪聲系數(shù)及計算,2.1 放大電路噪聲的來源和特點 2.1.1 干擾與噪聲 所謂干擾, 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。 所謂（或噪聲）,是指系統(tǒng)產(chǎn)生的非的一切不需要的信號及各種電磁騷動的總稱。,2.1.2 電子噪聲的來源與特性,1. 電阻熱噪聲 噪聲電壓un(t)是隨機變化的，其波形如圖2-1所示。,1,實踐和理論分析,它們的規(guī)律性可以用概率特性和功率譜密度來描述。如電阻熱噪聲電壓un(t)具有很寬的頻譜，各個頻率分量是相等的,如圖 2-2所示： 圖2-2 電阻熱噪聲,噪聲電壓un(t)的

2、統(tǒng)計平均值為零。un(t)平方后再取其平均值，稱為噪聲電壓的方均值，即 (2-1),噪聲電壓作用于1電阻上的平均功率為,(2-2),若以S(f)df表示頻率在f與f+df之間的平均功率,則總的平均功率為,式中,S(f)稱為噪聲功率譜密度,單位為W/HZ。,因此,電阻熱噪聲可以用功率譜的形式來表征。即熱噪聲的頻譜在極寬的頻帶內(nèi)具有均勻的功率譜密度。熱運動理論和實踐證明,電阻熱噪聲功率譜密度為S(f)=4kTR (2-5)式中,k=1.3810-23J/K為波爾茲曼常數(shù);T為電阻的絕對溫度值(K)。,因為功率譜密度表示單位頻帶內(nèi)的噪聲電壓方均值,故噪聲電壓的方均值為,或表示為噪聲電流的方均值,(2

3、-6),(2-7),圖 2 3 電阻熱噪聲等效電路,（2 2）,（2 3）,2,電阻熱噪聲等效電路如圖 2 3所示,2. 晶體三極管的噪聲1) 散彈（粒）噪聲 2) 分配噪聲3) 閃爍噪聲,3. 場效應(yīng)管噪聲,2.2電路噪聲的計算 2) 線性電路中的熱噪聲,（2 4）,(2 5),圖 2 3熱噪聲通過線路電路的模型,圖 2 4并聯(lián)回路的熱噪聲,(2 6),并聯(lián)回路可以等效為Re+jXe（圖 2 33（c）,現(xiàn)在看上述輸出噪聲譜密度與Re、 Xe的關(guān)系。,展開化簡后得,與式(2 55)對比, 可得,(2 7),(2 8),根據(jù)式(2 55)與式(2 56)可以求出輸出端的均方噪聲電壓為,3) 噪

4、聲帶寬 圖 2 32 是一線性系統(tǒng), 其電壓傳輸函數(shù)為H(j)。 設(shè)輸入一電阻熱噪聲,均方電壓譜為SUi=4kTR, 輸出均方電壓譜為SUo, 則輸出均方電壓E2n2為 ,設(shè)|H(j)|的最大值為H0, 則可定義一等效噪聲帶寬Bn, 令,（2 9）,則等效噪聲帶寬Bn為,（2 10）,圖 2 33 的單振蕩回路為例, 計算其等效噪聲帶寬。 設(shè)回路為高Q電路, 設(shè)諧振頻率為f0， 由前面分析, 再考慮到高Q條件, 此回路的|H(j)| 2可近似為,式中, f為相對于f0的頻偏, 由此可得等效噪聲帶寬為,2.3 噪聲系數(shù),2.3.1 基本概念 1 信號功率 (Signal) 信號能量大??； 2 噪

5、聲功率 (Noice) 噪聲能量大??； 3 信號噪聲功率比：用以衡量信號的 質(zhì)量；,2.3.2 噪聲系數(shù)的定義 噪聲系數(shù)的定義是放大電路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。 (2-15),（2 16）,如果放大電路是理想無噪聲的線性網(wǎng)絡(luò)。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NF1。 噪聲系數(shù)表示通過放大器后,信噪比變壞的程度。,是衡量放大電路噪聲性能好壞的物理量。,用分貝數(shù)表示。,式(2-15)是噪聲系數(shù)的基本定義。將它作適當?shù)淖儞Q,可有另一種表示形式,（2 17）,（式中,AP

6、=Pso/Psi為放大電路的功率增益。),ApPni表示放大電路輸入的噪聲功率通過電路放大后在輸出端所產(chǎn)生的噪聲功率,用pno1表示。則式。(2-17)可寫成 (2-18),上式表明,噪聲系數(shù)NF僅與放大電路輸出端總的噪聲功率Pno和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(chǎn)生的噪聲功率Pno1有關(guān),而與輸入信號大小無關(guān)。,2.3.3 噪聲系數(shù)的表示 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(chǎn)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(nèi)部

7、產(chǎn)生的噪聲有關(guān)。,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。即使電路本身不產(chǎn)生噪聲,輸出端的信噪比也和輸入端的不同。,2.3.4 噪聲性能的另一表示 噪聲系數(shù)的定義是放大電路輸入端信噪比Psi/Pni與輸出端信噪比Pso/Pno的比值 信號輸入功率與信號源內(nèi)阻Rs與放大電路的輸入電阻Ri有關(guān);但輸入端信噪比Psi/Pni卻與信號源內(nèi)阻Rs與放大電路的輸入電阻Ri無關(guān); 信號輸出功率與信號源內(nèi)阻Rs與放大電路的輸入電阻Ri有關(guān);但輸出端信噪比Psi/Pni卻與信號源內(nèi)阻Rs與放大電路的輸入電阻Ri無關(guān); 噪聲系數(shù)的的計算可假設(shè)放大電路處于任何狀態(tài),只要計算

8、簡便; 可以假設(shè)放大電路輸入與輸出均處于匹配狀態(tài).,當信號源內(nèi)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 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)的又一種表示形式。,2.3.5 噪聲溫度 噪聲溫度是用來表征放大電路內(nèi)部噪聲的一種形式。噪聲溫度的概念是,把放大電路的內(nèi)部噪聲看作是由信號源內(nèi)阻Rs在溫度為Ti時所產(chǎn)生的噪聲。也就

9、是說,在放大電路的輸入端,虛設(shè)一個噪聲源u2ni=4kTiRsfn。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(nèi)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。,（2 19）,式 表示為,式中,T為室溫,可認為T=290K。Ti為放大電路的等效噪聲溫度。,式(2-19)常用來計算放大電路的噪聲系數(shù)與噪聲溫度之間的轉(zhuǎn)換。例如,兩個放大器,一個噪聲系數(shù)NF=1.12,對應(yīng)的Ti=35K;另一個噪聲系數(shù)NF=1.21,對應(yīng)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

10、更清楚地顯示出放大電路的噪聲性能。,2.3.6 多級放大器的噪聲系數(shù),(1)先討論兩級放大器的總噪聲系數(shù)。,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fn。 第一級放大器的額定輸出噪聲功率為,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(chǎn)生的輸出噪聲功率P2nO2;即,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,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

11、小。通常,要求第一級的NF1要小而APH1要大。,2.3.7無源二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù),無源二端口網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于各種無線電設(shè)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(fù)雜的LC濾波器或傳輸線等。設(shè)APH1是該網(wǎng)絡(luò)的額定功率傳輸系數(shù),Rs是信號源內(nèi)阻,是信號源內(nèi)阻熱噪聲電壓的方均值,RL是負載。,它的額定輸出噪聲功率是,同樣,由信號源加到網(wǎng)絡(luò)的額定輸入噪聲功率是,根據(jù)式（2-17）得,上式表明,一個無源二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)NF等于它的額定功率傳輸系數(shù)APH的倒數(shù)。這個結(jié)果對任何無源網(wǎng)絡(luò),不管其內(nèi)部電路如何,都是適用的。,2.3.5噪聲系數(shù)的計算方法:,放大電路輸入端的信噪比與輸出端的信噪比與放大電路的輸入電阻Ri和放大電路的輸出電阻Ro的大小無關(guān), 為了計算和測量方便,噪聲系數(shù)可在合適的條件下進行,方法如下: 匹配法: 假設(shè)放大電路的輸入和輸出都匹配; 負載開路法; 如圖，不考慮RL的噪聲，求電阻線性網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)NF。,負載開路法,解：應(yīng)用負