第二章噪聲2-1ppt課件

1、第二章第二章 噪聲與非線性失真噪聲與非線性失真噪聲噪聲限制了系統(tǒng)所能處理的最低信號(hào)電平限制了系統(tǒng)所能處理的最低信號(hào)電平 噪聲系數(shù)與非線性失真是描述射頻系統(tǒng)性能優(yōu)劣噪聲系數(shù)與非線性失真是描述射頻系統(tǒng)性能優(yōu)劣的兩個(gè)重要指標(biāo)。的兩個(gè)重要指標(biāo)。噪聲來源于射頻系統(tǒng)的各個(gè)元器件，一個(gè)線性系噪聲來源于射頻系統(tǒng)的各個(gè)元器件，一個(gè)線性系統(tǒng)，當(dāng)它處于小信號(hào)工作時(shí)，它的許多性能指標(biāo)都統(tǒng)，當(dāng)它處于小信號(hào)工作時(shí)，它的許多性能指標(biāo)都與噪聲有關(guān)，如：信噪比、誤碼率、解調(diào)器的最低與噪聲有關(guān)，如：信噪比、誤碼率、解調(diào)器的最低可解調(diào)門限等。可解調(diào)門限等。非線性失真非線性失真限制了系統(tǒng)所能處理的最高電平限制了系統(tǒng)所能處理的最高電平

2、本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容: :一一. .噪聲噪聲1. 1. 起伏噪聲的基本特性起伏噪聲的基本特性2.2.電子器件內(nèi)部噪聲的來源及等效電路電子器件內(nèi)部噪聲的來源及等效電路3. 3. 衡量系統(tǒng)噪聲性能的指標(biāo)衡量系統(tǒng)噪聲性能的指標(biāo)噪聲系數(shù)與等效噪噪聲系數(shù)與等效噪 聲溫度聲溫度 大信號(hào)工作時(shí)，由于二極管和三極管的非線性特性，大信號(hào)工作時(shí)，由于二極管和三極管的非線性特性，會(huì)產(chǎn)生一系列非線性失真，如：增益壓縮、交會(huì)產(chǎn)生一系列非線性失真，如：增益壓縮、交叉調(diào)制、互相調(diào)制等。叉調(diào)制、互相調(diào)制等。二二. . 非線性非線性1.非線性器件的描述方法2.2.器件非線性對(duì)線性放大器的影響及衡量指標(biāo)器件非線性對(duì)線性放大器

3、的影響及衡量指標(biāo)3.3.非線性器件在頻譜搬移中的應(yīng)用非線性器件在頻譜搬移中的應(yīng)用2.1 起伏噪聲起伏噪聲描述起伏噪聲的幾個(gè)重要概念：描述起伏噪聲的幾個(gè)重要概念：起伏噪聲的特點(diǎn)以電阻熱噪聲為例）：起伏噪聲的特點(diǎn)以電阻熱噪聲為例）：隨機(jī)性、電流脈沖持續(xù)時(shí)間短、平均值為零隨機(jī)性、電流脈沖持續(xù)時(shí)間短、平均值為零（1頻譜頻譜 極寬，幾乎占據(jù)整個(gè)無線電頻段極寬，幾乎占據(jù)整個(gè)無線電頻段（2功率譜密度功率譜密度 單位：單位：dBm/Hz )( fS21)(ffVVdffSP頻帶頻帶 內(nèi)的功率：內(nèi)的功率：12fff2nV噪聲電壓均方噪聲電壓均方值值 ：2nI噪聲電流均方值噪聲電流均方值 ：212( )fnIfI

4、Sf df電流功率譜密度電流功率譜密度( )IS f電壓功率譜密度電壓功率譜密度 ( )VSf212( )fnVfVSf df2nI2nV和和 代表單位電阻上的功率代表單位電阻上的功率（3 3等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬白噪聲白噪聲: 是常數(shù)是常數(shù))( fS)()(1222121ffSdfSfdfSIIffIffIn)( fSi輸入功率譜密度輸入功率譜密度系統(tǒng)傳遞函數(shù)系統(tǒng)傳遞函數(shù))( jfH輸出功率譜密度輸出功率譜密度)( fSo2)()()(fHfSfSio噪聲通過線性系統(tǒng)噪聲通過線性系統(tǒng)00222)()()(dffHSdffHfSViin白噪聲通過線性系統(tǒng)白噪聲通過線性系統(tǒng))()(0202fH

5、dffHBL等效噪聲帶寬定義：等效噪聲帶寬定義：系統(tǒng)總輸出噪聲：系統(tǒng)總輸出噪聲：22200( )( )()niiLVSfH fdfS Hf B2.2 電路器件的噪聲電路器件的噪聲1. 功率譜密度功率譜密度RkTSI14kTRRSSIV42電流電流電壓電壓白噪聲白噪聲3. 有噪電阻的串并聯(lián)有噪電阻的串并聯(lián)2. 等效電路等效電路串聯(lián)串聯(lián) 無噪電阻無噪電阻R串噪聲電壓源串噪聲電壓源并聯(lián)并聯(lián)無噪電阻無噪電阻R并噪聲電流源并噪聲電流源2nV2nI2.2.1 電阻的熱噪聲及等效電路電阻的熱噪聲及等效電路有噪電阻有噪電阻kTRBVn42BRkTIn142（B為系統(tǒng)帶寬）為系統(tǒng)帶寬）4. 額定噪聲功率額定噪聲

6、功率條件條件: 噪聲源與系統(tǒng)匹配噪聲源與系統(tǒng)匹配NAB與噪聲源電阻與噪聲源電阻R大小無關(guān)大小無關(guān)與噪聲源溫度有關(guān)與噪聲源溫度有關(guān)特點(diǎn)特點(diǎn)kTBRkTRBRVNnA4442bbr1 . 基區(qū)電阻基區(qū)電阻 熱噪聲熱噪聲 白噪聲白噪聲2,bbn rV2. 散粒噪聲散粒噪聲功率譜密度功率譜密度02qISI1. 溝道電阻熱噪聲溝道電阻熱噪聲 04dIgkTS3. 閃爍噪聲閃爍噪聲 噪聲噪聲f1fWLCKSOXV12.2.2 雙極型晶體管的噪聲雙極型晶體管的噪聲 3. 噪聲等效電路噪聲等效電路2,2n ccIqI B2,2n bbIqI B2,4bbn rbbVkTr B2.2.3 場效應(yīng)管的噪聲場效應(yīng)管

7、的噪聲2. 噪聲等效電路噪聲等效電路BgkTIdDn0,42.2.4 2.2.4 電抗元件的噪聲電抗元件的噪聲電抗元件的噪聲來源于它的損耗電阻電抗元件的噪聲來源于它的損耗電阻熱噪聲熱噪聲2.2.5 兩端口網(wǎng)絡(luò)的等效輸入噪聲源兩端口網(wǎng)絡(luò)的等效輸入噪聲源 等效等效2nV串聯(lián)噪聲電壓源串聯(lián)噪聲電壓源 2nI并聯(lián)噪聲電流源并聯(lián)噪聲電流源 2nV2nI輸入端短路，將有噪網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率等效到輸入端的值輸入端短路，將有噪網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率等效到輸入端的值 輸入端開路，將有噪網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率等效到輸入端的值輸入端開路，將有噪網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率等效到輸入端的值 求法：求法：2nV2nI 和和 的計(jì)算步驟的

8、計(jì)算步驟:(1) (1) 將線性網(wǎng)絡(luò)中的所有元件均用其噪聲等效電路代入。將線性網(wǎng)絡(luò)中的所有元件均用其噪聲等效電路代入。（2 2計(jì)算出所有的噪聲源在系統(tǒng)輸出端的噪聲功率總和計(jì)算出所有的噪聲源在系統(tǒng)輸出端的噪聲功率總和 。2,n oV（3 3求等效輸入噪聲電壓源求等效輸入噪聲電壓源 。輸入端短路，等效輸入噪。輸入端短路，等效輸入噪聲電流源聲電流源 開路，那么開路，那么2nV2nI2,2222,2n oVnn onVVA VVVA(AV (AV 為系統(tǒng)電壓增益）為系統(tǒng)電壓增益）其中其中ZiZi為系統(tǒng)輸入阻抗，普通和是相關(guān)的。為系統(tǒng)輸入阻抗，普通和是相關(guān)的。2nV2nI（求等效輸入噪聲電流源。輸入端開

9、路，那么（求等效輸入噪聲電流源。輸入端開路，那么2nI22,2222,22n oVnin oniVVAIZVIAZ此方法適用于低噪聲電路設(shè)計(jì)，用來具體分析電路中每個(gè)此方法適用于低噪聲電路設(shè)計(jì)，用來具體分析電路中每個(gè)元件的噪聲對(duì)電路整體產(chǎn)生的影響。元件的噪聲對(duì)電路整體產(chǎn)生的影響。2,DnI例例2.2.12.2.1：如下圖，場效應(yīng)管放大器的場效應(yīng)管輸出：如下圖，場效應(yīng)管放大器的場效應(yīng)管輸出 噪聲電流為噪聲電流為LR2,RLnV負(fù)載電阻負(fù)載電阻 的熱噪聲是的熱噪聲是 。解：（解：（1 1首先求放大器的增益首先求放大器的增益放大器交流等效電路圖放大器交流等效電路圖2nI2nV求：該放大器對(duì)應(yīng)的等效輸入

10、噪聲源求：該放大器對(duì)應(yīng)的等效輸入噪聲源 和和 電壓增益電壓增益LmiLimiVRgVRVgVVA0（2求放大器總輸出噪聲求放大器總輸出噪聲2222,n on RLn DLVVIR放大器（3 3求等效輸入噪聲電壓源求等效輸入噪聲電壓源2nV輸入端短路輸入端短路此時(shí)輸出噪聲均由此時(shí)輸出噪聲均由 產(chǎn)生，那產(chǎn)生，那么：么：2nV222222,222222()n on RLn DLn RLn DnVmLmLmVVIRVIVAg Rg Rg22,2mDnngIV不考慮負(fù)載噪聲不考慮負(fù)載噪聲（4求等效輸入噪聲電流源求等效輸入噪聲電流源2nI輸入端開路：輸入端開路：此時(shí)輸出端的噪聲均由此時(shí)輸出端的噪聲均由 產(chǎn)

11、生：產(chǎn)生：2nI2222222,()()()niVnimLn oIZAIZg RV那么那么2222,2,2)(iLmLDnRLnnZRgRIVI不考慮負(fù)載噪聲不考慮負(fù)載噪聲222,2imDnnZgII2nV2nI和和 是相關(guān)的是相關(guān)的 2.3 2.3 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)2.3.1 2.3.1 噪聲系數(shù)定義噪聲系數(shù)定義ooiioiNPNPSNRSNRF/ 有噪有噪 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)()iSNR()oSNRFdBNFlog10)(2.3.2 噪聲系數(shù)與等效輸入噪聲源的關(guān)系噪聲系數(shù)與等效輸入噪聲源的關(guān)系 12.3.2 噪聲系數(shù)與等效輸入噪聲源的關(guān)系噪聲系數(shù)與等效輸入噪聲源的關(guān)系信號(hào)源信號(hào)源SV外輸入噪聲源外輸

12、入噪聲源2SRV輸入信噪比輸入信噪比()iSRN內(nèi)部噪聲源內(nèi)部噪聲源 和和2nV2nI輸出噪聲功率輸出噪聲功率輸出信號(hào)功率輸出信號(hào)功率信號(hào)源信號(hào)源SV輸出信噪比輸出信噪比()oSRNBkTRRIVVRIVVSNRSNRFSSnnRSnnRoiSS4)(1)()()(2222對(duì)噪聲系數(shù)的理解對(duì)噪聲系數(shù)的理解有噪網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)一定大于有噪網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)一定大于1噪聲系數(shù)與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲大小有關(guān)噪聲系數(shù)與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲大小有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)與外部源噪聲有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)與外部源噪聲有關(guān)與源噪聲溫度與源噪聲溫度 T 有關(guān)有關(guān)測量噪聲系數(shù)時(shí)，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度測量噪聲系數(shù)時(shí)，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度 T0=290k

13、噪聲匹配噪聲匹配噪聲系數(shù)最小噪聲系數(shù)最小最佳源內(nèi)阻最佳源內(nèi)阻與源內(nèi)阻與源內(nèi)阻RS 有關(guān)有關(guān)BkTRRIVSNRSNRFSSnnoi4)(1)()(2SR其中其中 2,outnV網(wǎng)絡(luò)總輸出噪聲電壓均方值網(wǎng)絡(luò)總輸出噪聲電壓均方值VA該網(wǎng)絡(luò)的電壓增益該網(wǎng)絡(luò)的電壓增益例例2.3.12.3.1：圖示的兩端口網(wǎng)絡(luò)只是一個(gè)電阻，求該網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)。：圖示的兩端口網(wǎng)絡(luò)只是一個(gè)電阻，求該網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)。 VO解解: 根據(jù)公式根據(jù)公式BkTRRIVVRIVVSNRSNRFSSnnRSnnRoiSS4)(1)()()(2222一個(gè)網(wǎng)絡(luò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò) 的噪聲系數(shù)又可以表示為的噪聲系數(shù)又可以表示為222,22222222)(

14、)(SSSSSRVoutnVVRSnnRRSnnRVAVAAVRIVVVRIVVF該網(wǎng)絡(luò)的電壓增益為該網(wǎng)絡(luò)的電壓增益為:VOSVRRRA00求網(wǎng)絡(luò)總輸出噪聲電壓均方值求網(wǎng)絡(luò)總輸出噪聲電壓均方值等效噪聲電路如圖等效噪聲電路如圖 根據(jù)噪聲系數(shù)定義有根據(jù)噪聲系數(shù)定義有:02000222,1)(4)/(4RRRRRBkTRBRRkTVAVFSSSSRVoutnS結(jié)論：結(jié)論：0R大，噪聲系數(shù)小，大，噪聲系數(shù)小， 與功率最大傳輸與功率最大傳輸共軛匹配不同共軛匹配不同在帶寬在帶寬B 內(nèi)輸出噪聲電壓均方值為內(nèi)輸出噪聲電壓均方值為:BRRkTRRIIVSSRnRnoutnS)/(4)/)(0202,2,2,02

15、.3.3 無源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)無源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)分析條件分析條件:輸入、輸出端均匹配輸入、輸出端均匹配知：無源有耗網(wǎng)絡(luò)的損耗為知：無源有耗網(wǎng)絡(luò)的損耗為 L帶寬為帶寬為B根據(jù)噪聲系數(shù)的定義根據(jù)噪聲系數(shù)的定義/1/iiAoAooAPiAPP NNNFLPNGNG結(jié)論：無源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)在數(shù)值上等于它的損耗結(jié)論：無源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)在數(shù)值上等于它的損耗 SR信號(hào)源內(nèi)阻信號(hào)源內(nèi)阻 產(chǎn)生的額定噪聲功率為產(chǎn)生的額定噪聲功率為 kTBNiA0R輸出電阻輸出電阻 產(chǎn)生的額定噪聲功率為產(chǎn)生的額定噪聲功率為 kTBNoA2.4 2.4 等效噪聲溫度等效噪聲溫度 條件：有噪線性網(wǎng)絡(luò)、條件：有噪線性網(wǎng)絡(luò)、

16、 產(chǎn)生白噪聲、匹配產(chǎn)生白噪聲、匹配2.4.1等效噪聲溫度定義等效噪聲溫度定義定義：將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的噪聲折合到輸入源端，定義：將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的噪聲折合到輸入源端， 等效為由某電等效為由某電 阻在溫度阻在溫度 時(shí)產(chǎn)生的電阻熱噪聲，將網(wǎng)絡(luò)視為無噪的。時(shí)產(chǎn)生的電阻熱噪聲，將網(wǎng)絡(luò)視為無噪的。eTPGBePNkT BG內(nèi)有噪網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲，和有噪網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲，和等效噪聲溫度的關(guān)系：等效噪聲溫度的關(guān)系：2.4.2 2.4.2 等效噪聲溫度與噪聲系數(shù)的關(guān)系等效噪聲溫度與噪聲系數(shù)的關(guān)系已知條件已知條件:iP0T源端匹配源端匹配 、信號(hào)源輸入噪聲為：信號(hào)源輸入噪聲為：0iNkT BB網(wǎng)絡(luò)帶寬網(wǎng)絡(luò)帶寬 、PG功率增益功率增益

17、 、eT等效噪聲溫度等效噪聲溫度總輸入噪聲為總輸入噪聲為0()eiNk TT B總0()oPeNG k TT B由噪聲系數(shù)定義由噪聲系數(shù)定義000/1/()iiieooPiPeP NP kT BTFPNG P G k TT BT 或或0) 1(TFTe因網(wǎng)絡(luò)視為無噪，所以總輸出噪聲為因網(wǎng)絡(luò)視為無噪，所以總輸出噪聲為2.5 2.5 多級(jí)線性網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)多級(jí)線性網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)知：各級(jí)間均匹配，帶寬均為知：各級(jí)間均匹配，帶寬均為B額定功率增益、噪聲系數(shù)、等效噪聲溫度額定功率增益、噪聲系數(shù)、等效噪聲溫度BkTNi0第一級(jí)輸入噪聲功率第一級(jí)輸入噪聲功率 11011PAPAeNGkT BGkT B第一級(jí)的輸出噪聲功率是第一級(jí)的輸出噪聲功率是求：總噪聲系數(shù)求：總噪聲系數(shù) 、等效噪聲溫度、等效噪聲溫度eTF2212212011()eoPAPAePAPAePATNGNGkT BGGkB TTG第二級(jí)輸出噪聲