高频电子线路第二章.ppt

2 2电噪声 2 2 1概述 所谓干扰 或噪声 就是除有用信号以外的一切不需要的信号及各种电磁骚动的总称 2 2 2电子噪声的来源与特性1 电阻热噪声1 热噪声电压和功率谱密度 2 49 2 50 图2 31电阻热噪声等效电路 2 51 2 52 2 线性电路中的热噪声 2 53 2 54 图2 32热噪声通过线路电路的模型 图2 33并联回路的热噪声 2 54 并联回路可以等效为Re jXe 图2 33 c 现在看上述输出噪声谱密度与Re Xe的关系 展开化简后得 与式 2 55 对比 可得 2 55 2 56 根据式 2 55 与式 2 56 可以求出输出端的均方噪声电压为 3 噪声带宽图2 32是一线性系统 其电压传输函数为H j 设输入一电阻热噪声 均方电压谱为SUi 4kTR 输出均方电压谱为SUo 则输出均方电压E2n2为 设 H j 的最大值为H0 则可定义一等效噪声带宽Bn 令 2 57 则等效噪声带宽Bn为 2 58 图2 33的单振荡回路为例 计算其等效噪声带宽 设回路为高Q电路 设谐振频率为f0 由前面分析 再考虑到高Q条件 此回路的 H j 2可近似为 式中 f为相对于f0的频偏 由此可得等效噪声带宽为 2 晶体三极管的噪声1 散弹 粒 噪声 己知并联回路的3dB带宽为B0 7 f0 Q 故 2 59 2 分配噪声3 闪烁噪声3 场效应管噪声 2 2 3噪声系数和噪声温度1 噪声系数的定义图2 35为一线性四端网络 它的噪声系数定义为输入端的信号噪声功率比 S N i与输出端的信号噪声功率比 S N o的比值 即 图2 35噪声系数的定义 图中 KP为电路的功率传输系数 或功率放大倍数 用Na表示线性电路内部附加噪声功率在输出端的输出 考虑到KP o Si 式 2 60 可以表示为 2 60 2 61 2 62 噪声系数通常用dB表示 用dB表示的噪声系数为 2 63 2 64 2 65 2 噪声温度将线性电路的内部附加噪声折算到输入端 此附加噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效 这就是 噪声温度 由式 2 62 等效到输入端的附加噪声为Na KP 令增加的温度为Te 即噪声温度 可得 2 66 这样 式 2 62 可重写为 2 67 2 68 2 2 4噪声系数的计算1 额定功率法 额定功率 又称资用功率或可用功率 是指信号源所能输出的最大功率 它是一个度量信号源容量大小的参数 是信号源的一个属性 它只取决于信号源本身的参数 内阻和电动势 与输入电阻和负载无关 如图2 36所示 2 69 2 70 图2 36信号源的额定功率 a 电压源 b 电流源 额定功率增益KPm是指四端网络的输出额定功率Psmo和输入额定功率Psmi之比 即 2 71 根据噪声系数的定义 分子和分母都是同一端点上的功率比 因此将实际功率改为额定功率 并不改变噪声系数的定义 则 2 72 因为Nmi kTB Nmo KPmNmi Nmn 所以 2 73 式中 Psmi和Psmo分别为输入和输出的信号额定功率 Nmi和Nmo分别为输入和输出的噪声额定功率 Nmn为网络内部的最大输出噪声功率 也可以等效到输入端 有 2 74 式中 Nmoi Nmo KPm是网络额定输出噪声功率等效到输入端的数值 2 75 图2 37无源四端网络的噪声系数 图2 38抽头回路的噪声系数 将信号源电导等效到回路两端 为p2GS 等效到回路两端的信号源电流为pIS 输出端匹配时的最大输出功率为 输入端信号源的最大输出功率为 因此 网络的噪声系数为 根据定义 级联后总的噪声系数为 图2 39级联网络噪声系数 2 76 式中 No为总输出额定噪声功率 它由三部分组成 经两级放大的输入信号源内阻的热噪声 经第二级放大的第一级网络内部的附加噪声 第二级网络内部的附加噪声 即 按噪声系数的表达式 Na1和Na2可分别表示为 则 将上式代入式 2 76 得 2 77 用同样的方法不难推出多级级联网络的噪声系数的公式为 2 78 从式 2 78 可以看出 当网络的额定功率增益远大于1时 系统的总噪声系数主要取决于第一级的噪声系数 越是后面的网络 对噪声系数的影响就越小 这是因为越到后级信号的功率越大 后面网络内部噪声对信噪比的影响就不大了 因此 对第一级来说 不但希望噪声系数小 也希望增益大 以便减小后级噪声的影响 例3图2 40是一接收机的前端电路 高频放大器和场效应管混频器的噪声系数和功率增益如图所示 试求前端电路的噪声系数 设本振产生的噪声忽略不计 图2 40接收机前端电路的噪声系数 解将图中的噪声系数和增益化为倍数 有 因此 前端电路的噪声系数为 3 噪声系数与灵敏度 噪声系数是用来衡量部件 如放大器 和系统 如接收机 噪声性能的 灵敏度就是保持接收机输出端信噪比一定时 接收机输入的最小信号电压或功率 设接收机有足够的增益 2 2 5噪声系数的测量1 采用噪声信号源的测量方法 图2 41是测量系统的构成 图2 41用噪声信号源测量噪声系数 噪声系数为 2 79 2 3信噪比和噪声系数 2 3 1信噪比 信噪比 衡量一个信号质量优劣的指标 它是在指定频带内 同一端口信号功率 当用分贝表示信噪比时 有 信噪比越大 信号质量越好 2 3 2 3 2噪声系数 噪声系数定义 线性四端网络输入端的信噪比与输出端的信噪比之比值 是负载 2 3 2 一 噪声系数 或用dB表示为 噪声系数通常只适用线性网络 因为非线性电路会产生信号和噪声的频率变换 噪声系数不能反映系统的附加噪声性能 则噪声系数可以改写为 在输出端产生的噪声功率 2 3 2 若设线性网络的功率增益 和线性网络本身的噪声在输出端产生的噪声功率 之和 即 为了更清楚地了解网络产生的噪声 对信噪比的影响 噪声系数又可表示为 故为无噪声的理性网络 越大 越小 2 3 2 由上式可以得出下述结论 这说明为了降低网络的噪声系数应设法增大线性网络的功率增益 为了使信号源有最大输出功率 对于图2 3 2所示的网络 必须使放大器的输入电阻 因而额定输入信号功率为 额定输入噪声功率 2 3 2 为了计算和测量的方便 噪声系数也可以用额定功率 RatedPower 和额定功率增益的关系来定义 所谓的额定功率是指信号源所能输出的最大功率 由上两式知 不管信号源内阻如何 它产生的额定噪声功率是相同的 其大小只与电阻所处的环境温度T和系统带宽B有关 是为什么接收机采用低内阻天线的原因 放大器的额定功率增益是指放大器 或线性网络 的输入端和输出端分别匹配 率增益 即 和线性网络本身的噪声在输出端产生的额定噪声功率 2 3 2 将额定输入噪声功率式代入可得 假如 有两个四端网络级联 如图2 3 3所示 它们的噪声系数 额定功率增益 噪声带宽分别为 2 3 2 二 多级放大电路的噪声 分组成 2 3 2 第二级网络的内部噪声输出端的噪声额定功率 2 3 2 可将前两级看做第一级 后面一级看做第二级 则可得到 为 同理 对n级电路组成的网络 总的噪声系数为 2 3 2 若各级噪声系数小而额定功率增益大 级联电路的 由以上公式可得出如下结论 2 3 2 越是靠近前面几级的噪声系数和额定功率增益对总的噪声系数影响越大 因此级联电路中最主要的是前面的第一 二级 最关键的是由第一级放大器的噪声系数 三 等效噪声温度 把网络的内部噪声折算到其输入端时 使噪声源电阻所升高的温度称为等效噪声温度 由于噪声源在网络输出端的额定噪声功率为 内部噪声在网络输出端的额定功率为 2 3 2 噪声温度的定义是 所以 等效噪声温度为 2 3 2 2 3 3减小噪声系数的措施 在放大或其它电路中 电子器件的内部噪声起着重要作用 因此 改进电子器件的噪声性能和选用低噪声的电子器件 就能大大降低电路的噪声系数 根据上面讨论的结果 可提出如下减小噪声系数的措施 一 选用低噪声元 器件 的数值 除采用晶体管外 目前还广泛采用场效应管做放大器和混频器 因为场效应管的噪声电平低 尤其是最近发展起来的砷化镓金属半导体场效应管 MESFET 它的噪声系数可低到0 5 ldB 2 3 3 在电路中 还必须谨慎地选用其他能引起噪声的电路元件 其中最主要的是电阻元件 宜选用结构精细的金属膜电阻 图2 3 4可看出 对于不同的信号源内阻 最佳的 值也不同 当然 还分别与晶体管的 和 有关 但通常 2 3 3 二 正确选择晶体管放大级的静态工作点 三 选择合适的信号源内阻 根据上面的讨论 噪声电压都与通带宽度有关 接收机或放大器的带宽增大时 接收机或放大器的各种内部噪声也增大 因此 必须严格选择接收机或放大器的带宽 使之既不过窄 以能满足信号通过时对失真的要求 又不致过宽 以免信噪比下降 2 3 3 四 选择合适的工作带宽 热噪声是内部噪声的主要来源之一 所以降低放大器 特别是接收机前端主要器件的工作温度 对减小噪声系数是有意义的 对灵敏度要求特别高的设备来说 降低噪声温度是一个重要措施 2 3 3 共发一共基级联的放大器 共源一共栅级联的放大器都是优良的高稳定和低噪声电路 五 选用合适的放大电路 六 热噪声