高频电子线路-电噪声课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,干扰和噪声（补充）,外部干扰,内部噪声,(,电噪声,):,电阻热噪声,晶体管噪声,场效应管噪声,额定功率和额定功率增益,线性四端网络的噪声系数,等效输入噪声温度,接收灵敏度,干扰和噪声（补充）外部干扰,干扰和噪声,通信电子线路处理的信号，多数是微弱的小信号，因而很容易受到内部和外界一些不需要的电压、电流及电磁骚动的影响，这些影响称为干扰（或噪声），当干扰（或噪声）的大小可以与有用信号相比较时，有用信号将被它们所“淹没”。为此，研究干扰问题是电子技术的一个重要课题。,一般来讲，除了有用信号之外的任何电压或电流都叫干扰（或噪声），但习惯上把外部来的称为,干扰,，内部固有的称为,噪声,。,外部干扰,一、外部干扰的来源,外部干扰分为,自然干扰,和,人为干扰,。自然干扰是大气中的各种扰动。人为干扰是各种电器设备和电子设备产生的干扰。,干扰和噪声 通信电子线路处理的信号，多数是微弱,二、消除外部干扰的方法,1,、电源干扰的抑制方法,供电电源因滤波不良所产生的,100,Hz,纹波干扰,是主要的电源干扰，电源内阻产生的,寄生耦合干扰,也是主要的电源干扰。对于高增益的小信号放大器，寄生耦合有时可能造成放大器自激振荡。解决,100,Hz,电源干扰和寄生耦合的,方法,是对每个电路的供电电源单独进行一次,RC,滤波,，叫做,RC,去耦电路，如果电路的工作频率较高，而供电电流又比较大，则可以用电感代替电阻，构成,LC,去耦电路,，电感,L,称为扼流圈。因为大容量的电解电容都存在串联寄生电感，在高频时寄生电感的感抗会很大，使电容失去滤波的作用，所以电路中都并联一小容量的电容，就可消去寄生电感的影响。,C,1,C,2,R,R,0,U,CC,+,放大,整流稳压电源,C,1,C,2,L,R,0,U,CC,+,放大,整流稳压电源,二、消除外部干扰的方法1、电源干扰的抑制方法,工厂里的大型用电设备产生的电火花干扰能沿着电力线进入电子设备。除此之外，电力线还起着天线的作用接收天空中的杂散电磁波，并将其传送到电子设备中形成干扰。这些干扰的特点是：突发性强，干扰往往以脉冲电压形式出现；频率高，通常为几百,kHz,几,MHz,；干扰会同时出现在电力线的两根导线上，其大小和相位相同，这种性质的干扰称为,共模干扰,。,消除电网共模干扰的方法,是在交流市电的输入端插入一个滤波器，下图电路为某电视机的交流电源滤波器，在每根电源线与地之间均构成一个,型滤波器，电容,C,的容量在几千,pF,到,0.01,F,之间选取，电感,L,绕制在高频磁芯上，约,10,圈左右，导线直径要根据设备的交流输入功率来选择。,220,V,输出,C,C,C,C,TP801,TP802,220,V,输入,工厂里的大型用电设备产生的电火花干扰能沿着电,2,、电路接地不当的干扰及消除,电路中接地不当会形成严重的干扰，消除这些干扰的方法是正确的接地，即在电路中要采用一点接地、数字电路的地线和模拟电路的地线要完全分开，有条件时在多层印制板中要分别安排数字地层和模拟地层。,三、电磁兼容性和空间电磁耦合干扰,空间电磁耦合对电路的影响分为,静电耦合干扰,和,交变磁场耦合干扰,，防止这两种干扰的,基本方法,是：,接地、滤波、隔离、电磁屏蔽,。下图是电路中常用的电磁屏蔽示意图。图（,a,）为静电屏蔽，（,b,）为交变磁场屏蔽。,微弱信号的传输导线易受到干扰，通常采用屏蔽线作为引线，使用屏蔽线时，切忌将网状金属层当成导线使用，即不能将金属网两端都接地，只能取一端接地。,屏蔽罩,电路,干扰磁力线,C,1,屏蔽罩,C,2,电路,干扰源,（,a,）,（,b,）,2、电路接地不当的干扰及消除 电路中接地不当会,在运动中自由电子经常相互碰撞,其运动速度的大小和方向都是不规则的，温度越高,运动越剧烈，只有当温度下降到绝对零度时,运动才会停止。自由电子的这种热运动在导体内形成非常微弱的电流,这种电流呈杂乱起伏的状态,称为,起伏噪声电流,。起伏噪声电流经过电阻本身就会在其两端产生,起伏噪声电压,。,一、电阻热噪声,产生机理：,是由电阻内部自由电子的热运动产生的,固有噪声是一种起伏型噪声，它存在于所有的电子线路中，,主要有电阻热噪声、晶体管噪声和场效应管噪声三种,内部噪声,(,电噪声,),内部噪声分为,人为噪声,和,固有噪声,两类。,在运动中自由电子经常相互碰撞,其运动速度的,由于起伏噪声电压的变化是不规则的,其瞬时振幅和瞬时相位是随机的,因此,无法计算其瞬时值,。起伏噪声电压的平均值为零,噪声电压正是不规则地偏离此平均值而起伏变化的。,起伏噪声的均方值是确定的,可以用功率计测量出来。实验发现,在整个无线电频段内,当温度一定时,单位电阻上所消耗的平均功率在单位频带内几乎是一个常数,即其,功率频谱密度是一个常数,。这种在整个无线电频段内具有均匀频谱的起伏噪声称为,白噪声,。,t,E,n,0,电阻起伏噪声电压波形的示意图,由于起伏噪声电压的变化是不规则的,其瞬时振,阻值为,的电阻产生的噪声电流功率频谱密度和噪声电压功率频谱密度分别为：,其中,k,是波尔兹曼常数,是电阻温度,以绝对温度,计量。,噪声电流功率频谱密度：,噪声电压功率频谱密度：,S,U,常用在串联电路中计算噪声，,S,I,常用在并联电路中计算噪声,功率谱密度定义,是：单位频带内噪声电压（或电流）的均方值。,阻值为的电阻产生的噪声电流功率频谱密度和噪,在频带宽度为,内产生的,热噪声均方值电流和均方值电压,为：,所以,一个实际电阻可以分别用噪声电流源和噪声电压源表示,如图为电阻热噪声等效电路：,均方值电流,均方值电压,在频带宽度为内产生的热噪声均方值电流和均方值电压为：,【,例,1】,试计算,510k,电阻的噪声均方值电压和均方值电流。设,K,k,。,解,:,【例1】试计算510k电阻的噪声均方值电压和,二、晶体管噪声,.,热噪声：,构成晶体管的发射区、基区、集电区的体电阻和引线电阻均会产生热噪声,其中以基区体电阻,r,bb,的影响为主。,.,散弹噪声：,是晶体管的主要噪声源。,它是由单位时间内通过结的载流子数目随机起伏而造成的。本质上与电阻热噪声类似,属于均匀频谱的白噪声,其电流功率频谱密度为：,注意,在,0,时,散弹噪声为零,但是只要不是绝对零度,热噪声总是存在。,这是二者的区别,。,其中，,0,是通过结的平均电流值；,是每个载流子的电荷量，,.,-19,C,（库仑）。,I,（,）,0,(1),二、晶体管噪声.热噪声：构成晶体管的发射区、基区、集电,.,分配噪声：,在晶体管中,通过发射结的非平衡载流子大部分到达集电结,形成集电极电流,而小部分在基区内复合,形成基极电流。这两部分电流的分配比例是随机的,从而造成集电极电流在静态值上下起伏变化,产生噪声,这就是分配噪声。,分配噪声实际上也是一种散弹噪声,但它的功率频谱密度是随频率变化的,频率越高,噪声越大。其功率频谱密度也可近似按式,（,1,）,计算。,.,闪烁噪声：,产生这种噪声的机理目前还不甚明了,一般认为是由于晶体管表面清洁处理不好或有缺陷造成的,其特点是频谱集中在约,k,以下的低频范围,且功率频谱密度随频率降低而增大。在高频工作时,可以忽略闪烁噪声。,.分配噪声：在晶体管中,通过发射结的非平衡载流子大部分,场效应管是依靠多子在沟道中的漂移运动而工作的,沟道中多子的不规则热运动会在场效应管的漏极电流中产生类似电阻的热噪声,称为,沟道热噪声,这是场效应管的主要噪声源。其次便是栅极漏电流产生的,散弹噪声,。场效应管的,闪烁噪声,在高频时同样可以忽略。,其中，,m,是场效应管跨导,g,是栅极漏电流。,沟道热噪声和栅极漏电流散弹噪声的电流功率频谱密度分别是：,三、场效应管噪声,场效应管是依靠多子在沟道中的漂移运动而工作的,额定功率是表征信号源的一个参量,与其实际负载值无关,。,四、额定功率和额定功率增益,信号额定功率,电压信号源,可能输出的最大功率。,当负载阻抗,L,与信号源阻抗,s,匹配时,信号源输出功率最大。所以,其额定功率为：,额定功率是表征信号源的一个参量,与其实际负载值无关。四、,现在用额定功率来表示电阻的热噪声功率：,电阻的噪声额定功率只与温度及通频带有关,而与本身阻值和负载无关。,(2),电阻,R,的噪声额定功率：,这一结论可以推广到任何无源二端网络。,可见：,现在用额定功率来表示电阻的热噪声功率：,指一个线性四端网络的输出额定功率,Ao,与输入额定功率,Ai,的比值，即,(3),可见,额定功率增益是表征线性四端网络的一个参量。只要网络与其信号源电路确定,则额定功率增益就是一个定值,而与该网络输入、输出电路是否匹配无关。,额定功率增益,PA,：,指一个线性四端网络的输出额定功率Ao与输入,解,:,图示四端网络输入端额定功率,Ai,也就是输入信号源,U,s,的额定功率,即,.,【,例,2】,求图例,2,所示四端网络的额定功率增益。,图例,2,解:图示四端网络输入端额定功率Ai也就是,可见,图示四端网络的,额定功率增益仅与网络电阻和信号源内阻有关,与负载无关,且无论网络输入、输出端是否匹配均为一固定值,。,故额定功率增益为,从四端网络输出端往左看,其戴维南等效电路是由信号源,U,s,与电阻,s,串联组成的,所以为,.,输出端额定功率：,可见,图示四端网络的额定功率增益仅与网络电阻,为了使放大器能够正常工作必须对放大器的内部噪声加以限制,一般是对放大器的输出端提出满足一定信噪比的要求。,s,、,n,分别为信号功率与噪声功率。,(4),五、线性四端网络的噪声系数,信噪比：,是指四端网络某一端口处信号功率与噪声功率之比。通常用分贝数表示,为了使放大器能够正常工作必须对放大器的内部噪声,.,噪声系数定义,实际放大器,输出信噪比总是小于输入信噪比,。,输入信噪比与输出信噪比的比值,NF,定义：,上述定义可推广到所有线性四端网络。,如果用分贝数表示,则写成,是一个大于或等于的数。其值越接近于,则表示该放大器的内部噪声性能越好。,可以看出：,(5),.噪声系数定义 实际放大器输出信噪比总是小于,式,（,5,）,中的,ni,是随信号一起进入放大器的噪声功率,其大小是随机的,而噪声系数应是表征放大器内部噪声的确定值,所以有必要对,ni,进行标准化。,通常规定,ni,是输入信号源内阻,s,的热噪声产生在放大器输入端的噪声功率,而,s,的温度规定为,称为,标准噪声温度,用,表示。相应的噪声系数称为,“,标准噪声系数,”,，仍简称为噪声系数。,no,是由,s,的热噪声和放大器内部噪声共同在放大器输出端产生的总噪声功率。,标准噪声系数,式（5）中的ni是随信号一起进入放大器的噪,噪声系数,可以改写成各种不同的表达形式,以便于分析和计算。其中一种形式是,用额定功率来代替实际功率,即不用考虑实际负载的大小,仅考虑一种最佳情况。这样,噪声系数可写成,(6),根据式,（,3,）,上式又可写成,(7),2.,噪声系数的计算式,噪声系数可以改写成各种不同的表达形式,由,P,nAi,=,kT,0,BW,P,nAo,=,P,nAi,G,pA,+,P,nAn,(8),(10),其中,nAn,是放大器内部噪声额定功率。把上面两个式子代入式,（,7,）,，可得,(9),(2),：,且,由PnAi=kT0BW(8)(10)其中nAn是放大器内,上式说明,当,时,nAn,进一步表明了噪声系数是衡量放大器内部噪声性能的参数。,3.,放大器内部噪声表达式,由式,（,10,）,可得到放大器内部噪声额定功率,nAn,的表达式,即,nAn,(,),pA,k,0,(11),上式说明,当时,nAn,进一,（,1,）两级放大器,设它们的噪声系数和额定功率增益分别为,1,、,2,和,PA1,、,PA2,且假定通频带也相同。这时，总输出噪声额定功率,nAo,由三部分组成,即,nAo,nAi,PA1,PA2,nAn1,