第五章 放大电路的噪声

1. 第五章 放大电路的噪声

2. 主要内容 5.1 概述[2] 5.2 起伏噪声[2] 5.3 晶体管与场效应管的噪声[3] 5.4 信噪比和噪声系数[1] 5.5 放大器的噪声系数[3] 5.6 线性系统低噪声设计的考虑[3]

3. 本章重点 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑 热噪声的分析 • 对元器件的噪声、放大电路的噪声有较全面的认识 • 掌握信噪比和噪声系数的定义和分析、应用方法

4. 5.1 概述 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑 噪声（干扰）分类 • 外部干扰 • 天电干扰（宇宙射线、大气.../脉冲型干扰） • 工业干扰（电火花、开关.../脉冲型干扰） • 无线电波（正弦型干扰） • 内部噪声与干扰 • 电源干扰 (本身、外部干扰的通路) • 调制的量化噪声 (模/数变换时产生) • 电阻、晶体管的热噪声(起伏噪声、随机噪声、白噪声)

5. 噪声对信号的干扰 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑 克服方法 • 屏蔽、电路系统的良好设计、及元器件的性能等

6. 5.2 起伏噪声 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑 短时间内 • 正、负值的无规则起伏电流 长时间统计 • 满足正态分布 • 各方向运动的概率相同,电流均值为零,但均方值(功率)不为零。因此,可通过噪声电流、噪声电压或噪声电动势的均方值(功率)来衡量噪声的大小 • 实验表明, 起伏噪声的功率谱密度在0~107 MHz频谱范围内均匀分布, 且近似为常数n0[Ｗ]。可用 n0来衡量起伏噪声的大小

7. 一、 电阻及阻抗的热噪声 电阻的热噪声 • 噪声电压均方值 • 4KTRΔf • 噪声电流均方值 • 4KTGΔf • 功率谱密度n0WR(f)=4KTR • 式中 • K为波尔兹曼常数1.38×10-23J/K • T为电阻的绝对温度 • Δf为电路带宽或等效噪声带宽 阻抗的热噪声 • 纯电抗（无损耗）不会产生热噪声 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑

8. 二、 阻抗回路的热噪声 LRC回路的热噪声(图5-3 p172) 等效噪声噪声带宽 Bn=Δfn =1.57B0.7 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑

9. 5.3 晶体管与场效应管的噪声 晶体管噪声 • 热噪声 • 由接线电阻和rb'e、rbb'等产生，rbb'较大(影响最大)。故低噪声晶体管要求rbb'较小。 • 散粒（散弹）噪声 • 载流子随机地通过PN结, 到达集电极的载流子数目(ic) 在平均值上下起伏, 其分布类似热噪声。 • ∵ 散粒噪声大小∝ic工作，∴ 放大器的前级应小电流工作(几十μA级) • 分配噪声 • 由发射极注入基区的载流子向集电极和基极分配的比例存在随机性 • 有色噪声，随工作频率上升加大，6dB/10 oct • 1/f 噪声(闪烁噪声）10~1000Hz 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑

10. 场效应管的噪声 沟道热噪声 • 与正向转移跨导gm成正比 栅极感应噪声 • 与 f工作、Cgs成正比、与gm成反比 栅极散粒噪声 • 结型场效应管∝栅级漏电流 • MOS效应管可忽略 1/f 噪声(闪烁噪声） • 结型场效应管：100~1000Hz • MOS效应管：100~1MHz 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑

11. 5.4 信噪比与噪声系数 信号噪声比（信噪比） 例： • 甲网络输出信噪比 • 乙网络输出信噪比 则： • 甲网络输出信噪比优于乙网络 • 因两网络的输入信噪比可能不同，不能断定甲网络系统的噪声性能一定优于乙网络 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑

12. 二、噪声系数 噪声系数的基本定义 • 大于等于1 含网络功率增益Kp的Nf表示式 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑

13. 二、噪声系数 设网络本身产生的噪声，在输出端等效为Pnn 则Pno=Pni·Kp + Pnn 对于理想网络：Pnn = 0 ，Nf =1 对于实际网络：Pnn > 0 ，Nf >1 • (实际网络中, 输入信噪比大于输出信噪比) 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑

14. 三、噪声温度 等效噪声温度Te=T(Nf -1)=290 (Nf -1) K • 对于理想网络：Te = 0 ，Nf = 1 • 对于实际网络：Te > 0 ，Nf > 1 例：令 T = 290 K (17摄氏度） • Nf = 0.5dB (Nf =1.12), Te = 35 K • Nf = 0.8dB (Nf =1.21), Te = 61 K • Nf = 3 dB (Nf = 2 ), Te = 290 K • Nf = 7 dB (Nf = 5 ), Te = 1160 K 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑

15. 四、多级放大器的噪声系数 一般情况，APA的乘积很大，所以多级放大器的噪声主要取决于系统的第一、二级 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑

16. 五、 接收机的灵敏度 在规定的输出信噪比时，接收机所需最小的 输入信号电压(功率)，定义为接收机的灵敏度 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑

17. 5.5 放大器的噪声系数 晶体管噪声等效电路（图 5-8 p182) 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑

18. 放大器的噪声系数 令信号源内阻RS>>rbb' , f << fT 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑 最佳集电极电流Icopt (图5-10 p183) 最佳信号源内阻RSopt (图5-9 p183)

19. 5.6 线性系统低噪声设计的考虑 低噪声放大器的设计考虑 • 低噪声、高增益的前级放大电路 • 低噪声的元器件, rbb'小、fT高、hfe大 • 正确选择晶体管放大器的直流工作点(Icopt) • 选择合适的信号源内阻(RSopt) • 降低噪声温度 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑

20. 5.6 线性系统低噪声设计的考虑 • 用窄带滤波器滤除大幅度的脉冲干扰 (图5-11 p186) 接收机低噪声设计考虑 • 减少接收天线的馈线长度 (p180 ,例2) • 提高天线增益 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑

21. 小结 5.1 概述[2] 5.2 起伏噪声[2] • 理解起伏噪声 5.3 晶体管与场效应的噪声[3] • 晶体管噪声:1.热噪声 2.散粒噪声 5.4 信噪比和噪声系数[1] • 掌握定义和分析、应用方法 • 接收机的灵敏度定义 5.5 放大器的噪声系数[3] 5.6 线性系统低噪声设计的考虑[3] • 理解低噪声放大器的设计考虑 5.1 概述 5.2 起伏噪声 5.3 晶体管与场效应管的噪声 5.4 信噪比和噪声系数 5.5 放大器的噪声系数 5.6 线性系统低噪声设计的考虑