3第三章-噪聲與干擾課件

3.1概述3.2噪聲的來源和特點(diǎn)3.3噪聲系數(shù)計(jì)算方法3.4降低噪聲系數(shù)的措施第三章噪聲與干擾2023/7/201了解噪聲來源理解噪聲的表達(dá)方式：噪聲系數(shù)、噪聲溫度、靈敏度、等效噪聲系數(shù)頻帶寬度的意義和表達(dá)式2023/7/2023.1概述人們收聽廣播時(shí),常常會(huì)聽到“沙沙”聲；觀看電視時(shí),常常會(huì)看到“雪花”似的背景或波紋線,這些都是接收機(jī)中的放大器和其它元器件存在噪聲的結(jié)果。通信電子線路處理的信號(hào)，多數(shù)是微弱的小信號(hào)，因而很容易受到內(nèi)部和外界一些不需要的電壓、電流及電磁騷動(dòng)的影響，這些影響稱為干擾（或噪聲），當(dāng)干擾的大小可以與有用信號(hào)相比較時(shí)，有用信號(hào)將被它們所“淹沒”。為此，研究干擾問題是電子技術(shù)的一個(gè)重要課題。一般來講，除了有用信號(hào)之外的任何電壓或電流都叫干擾，但習(xí)慣上把外部來的稱為干擾，內(nèi)部固有的稱為噪聲。2023/7/2033.1.1外部干擾一、外部干擾的來源外部干擾分為自然干擾和人為干擾。自然干擾指的是大氣中的各種擾動(dòng)或者來自宇宙天體的電磁輻射。人為干擾是各種電器設(shè)備和電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾。二、消除外部干擾的方法 基本方法：接地、濾波、隔離、電磁屏蔽等2023/7/204電源干擾的抑制方法供電電源因?yàn)V波不良所產(chǎn)生的100Hz紋波干擾是主要的電源干擾，電源內(nèi)阻產(chǎn)生的寄生耦合干擾也是主要的電源干擾。對(duì)于高增益的小信號(hào)放大器，寄生耦合有時(shí)可能造成放大器自激振蕩。解決100Hz電源干擾和寄生耦合的方法是對(duì)每個(gè)電路的供電電源單獨(dú)進(jìn)行一次RC濾波，叫做RC去耦電路，如果電路的工作頻率較高，而供電電流又比較大，則可以用電感代替電阻，構(gòu)成LC去耦電路，電感L稱為扼流圈。因?yàn)榇笕萘康碾娊怆娙荽嬖诖?lián)寄生電感，在高頻時(shí)寄生電感的感抗會(huì)很大，使電容失去濾波的作用，所以電路中都并聯(lián)一小容量的電容，就可消去寄生電感的影響。C1C2RR0UCC+放大整流穩(wěn)壓電源C1C2LR0UCC+放大整流穩(wěn)壓電源2023/7/2053.1.2內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲分為人為噪聲和固有噪聲兩類。人為噪聲有交流噪聲、感應(yīng)噪聲、接觸不良噪聲等；固有噪聲是一種起伏型噪聲，它存在于所有的電子線路中，其主要來源是電阻熱噪聲和半導(dǎo)體器件的噪聲。返回2023/7/2063.2噪聲的來源和特點(diǎn)3.2.1電阻熱噪聲

電阻是具有一定阻值的導(dǎo)體，內(nèi)部存在著大量作雜亂無章運(yùn)動(dòng)的自由電子。電阻熱噪聲是由于電阻內(nèi)部自由電子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。在運(yùn)動(dòng)中自由電子經(jīng)常相互碰撞,因而其運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向都是不規(guī)則的。溫度越高,運(yùn)動(dòng)越劇烈。只有當(dāng)溫度下降到絕對(duì)零度時(shí),運(yùn)動(dòng)才會(huì)停止。自由電子這種熱運(yùn)動(dòng)在導(dǎo)體內(nèi)形成非常微弱的電流,這種電流呈雜亂起伏的狀態(tài)，習(xí)慣上把它引起的噪聲稱為起伏噪聲。起伏噪聲電流流過電阻本身就會(huì)在其兩端產(chǎn)生起伏噪聲電壓如圖3.1。圖3.1熱噪聲電壓的波形對(duì)于實(shí)際電感的損耗電阻一般不能忽略，而對(duì)于實(shí)際電容的損耗電阻一般可以忽略。2023/7/207起伏噪聲的均方值是確定的,可以用功率計(jì)測量出來。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在整個(gè)無線電頻段內(nèi),當(dāng)溫度一定時(shí),單位電阻上所消耗的平均功率在單位頻帶內(nèi)幾乎是一個(gè)常數(shù),即其功率頻譜密度是一個(gè)常數(shù)。對(duì)照白光內(nèi)包含了所有可見光波長這一現(xiàn)象,人們把這種在整個(gè)無線電頻段內(nèi)具有均勻頻譜的起伏噪聲稱為白噪聲。由于起伏噪聲電壓的變化是不規(guī)則的,其瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)相位是隨機(jī)的,所以無法計(jì)算其瞬時(shí)值。但起伏噪聲電壓的平均值為零,噪聲電壓正是不規(guī)則地偏離此平均值而起伏變化。2023/7/208電壓的平方可以看作這個(gè)電壓在1電阻上消耗的功率，而單位頻帶內(nèi)的功率(單位頻帶內(nèi)所含電壓或電流的均方值)叫做功率譜密度。試驗(yàn)和理論分析證明，阻值為R的電阻所產(chǎn)生的噪聲電壓功率頻譜密度和噪聲電流功率頻譜密度分別為：

衡量起伏噪聲的強(qiáng)度通常用噪聲電壓均方值表示,可寫成：(3.2.1)單位W/Hz、V2/Hz、I2/Hz2023/7/209熱噪聲的頻譜是很寬并且均勻的。但對(duì)一個(gè)具體的電子電路如放大器，若其頻帶寬度為Bn【注：這里的帶寬嚴(yán)格地講叫等效噪聲帶寬，按照噪聲功率相等(幾何意義即面積相等)換算而來的，這里是用放大器的工作頻率范圍近似】，則電阻R產(chǎn)生的熱噪聲均方值電壓和均方值電流分別為：表示一定帶寬的起伏噪聲的強(qiáng)度(3.2.2)(3.2.3)可見，頻帶越寬，溫度越高，阻值越大，噪聲電壓就越大。2023/7/2010電阻熱噪聲等效電路一個(gè)實(shí)際的電阻在電路中的作用，可以用一個(gè)理想(不產(chǎn)生噪聲)的電阻與一個(gè)熱噪聲電壓源相串聯(lián)，或與一個(gè)熱噪聲電流源相并聯(lián)來等效表示。如圖所示。對(duì)于線性網(wǎng)絡(luò)的噪聲，疊加原理適用，即總的噪聲輸出功率，等于每個(gè)噪聲源單獨(dú)作用在輸出端產(chǎn)生噪聲功率之和。R1R2R1R2R1+R2R1R2R1R2R1//R2多個(gè)電阻的熱噪聲強(qiáng)度

2023/7/2011例1，計(jì)算250k金屬膜電阻的均方值噪聲電壓，轉(zhuǎn)換成電流源等效電路后，其均方值噪聲電流為多少？若并聯(lián)上250k金屬膜電阻，總均方值電壓又為多少？設(shè)T=290K,Bn=105Hz,波爾茲曼常數(shù)k=1.3810-23jK-1

解：2023/7/20123.2.2晶體管噪聲晶體管噪聲主要包括以下四部分。1熱噪聲2散彈噪聲3分配噪聲4閃爍噪聲

3.2.3場效應(yīng)管噪聲返回2023/7/20133.3噪聲系數(shù)計(jì)算方法3.3.1噪聲系數(shù)的定義下圖為一線性四端網(wǎng)絡(luò),它的噪聲系數(shù)

NF定義為輸入端的信號(hào)噪聲信噪比(S/N)i與輸出端的信號(hào)噪聲信噪比(S/N)o的比值。NF越大，說明網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的噪聲越多，性能也就越差。為了使放大器正常工作，除了增益、帶寬、選擇性等要求外，還要對(duì)放大器的內(nèi)部噪聲加以限制，一般提出滿足一定信噪比的要求。

所謂信噪比(SNR)，是指網(wǎng)絡(luò)某一端口處信號(hào)功率與噪聲功率之比。2023/7/2014

（3.3.1）Pi為網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號(hào)功率Pni為網(wǎng)絡(luò)輸入端的噪聲功率，由信號(hào)源內(nèi)阻產(chǎn)生Po為網(wǎng)絡(luò)輸出端的信號(hào)功率Pno為網(wǎng)絡(luò)輸出端的總噪聲功率放大器噪聲系數(shù)的等效圖GP為電路的功率傳輸系數(shù)(或功率放大倍數(shù))四端網(wǎng)絡(luò)（放大器）Pnao為放大器本身產(chǎn)生的噪聲輸出2023/7/2015（3.3.2）GpPni為信號(hào)源內(nèi)阻RS產(chǎn)生的噪聲經(jīng)放大器放大后，在輸出端產(chǎn)生的噪聲功率；Pno為放大器輸出端的總噪聲功率，應(yīng)等于GpPni與放大器本身噪聲在輸出端產(chǎn)生的噪聲功率Pnao之和，即Pno=Pnao+GpPni……（3.3.3）式中，Gp，線性網(wǎng)絡(luò)功率增益代（3.3.3）入（3.3.2）得：2023/7/20163.3.2信噪比與負(fù)載的關(guān)系設(shè)信號(hào)源內(nèi)阻為RS，信號(hào)源的電壓為Us(有效值)，當(dāng)它與負(fù)載電阻RL直接相連時(shí)，在負(fù)載電阻RL上的信噪比計(jì)算如下：信號(hào)源內(nèi)阻噪聲在RL上的功率：在負(fù)載兩端的信噪比：負(fù)載上的功率：結(jié)論:對(duì)信號(hào)源而言,無論負(fù)載大小怎么改變,都不會(huì)影響信號(hào)源輸出端的信噪比。RSRLUSIS+-2023/7/20173.3.3用額定功率和額定功率增益表示的噪聲系數(shù)在分析和計(jì)算噪聲問題時(shí),用額定功率和額定功率增益概念可以使問題簡化,物理意義更加明確。

信號(hào)額定功率是指(電壓)信號(hào)源可能輸出的最大功率。所以,其額定功率也就是最大傳輸功率。當(dāng)負(fù)載阻抗ZL與信號(hào)源阻抗ZS匹配時(shí),信號(hào)源輸出功率最大，為：ZSZLUSIS+-注:信號(hào)額定功率是表征信號(hào)源的一個(gè)參量,與其實(shí)際負(fù)載值無關(guān)。2023/7/2018對(duì)放大器而言，存在輸入端與輸出端的阻抗匹配，即RS=Ri，Ro=RL。此時(shí)，放大器的輸入噪聲功率和信號(hào)功率，輸出噪聲功率與信號(hào)功率均最大，稱為額定功率。RSUS+-RiRoUo+-RL換句話說，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸入端匹配時(shí)，信號(hào)源給出的功率最大，同樣信號(hào)源內(nèi)阻給出的噪聲功率也最大。2023/7/2019故放大器的噪聲系數(shù)NF為：信號(hào)源對(duì)放大器輸入的額定噪聲功率為：RSUS+-RiRoUo+-RL(3.3.5)(3.3.6)放大器的輸入額定信號(hào)功率放大器的輸出額定信號(hào)功率放大器的輸出額定噪聲功率放大器的輸入額定噪聲功率等效噪聲帶寬注：Pano(或Pno)放大器總的噪聲輸出Pnao本級(jí)放大器內(nèi)部噪聲輸出2023/7/2020由上式可見,不管信號(hào)源內(nèi)阻如何，它產(chǎn)生的額定噪聲功率相同，或者說由信號(hào)源所帶來的輸入噪聲額定功率只與溫度及系統(tǒng)帶寬有關(guān),而與其本身內(nèi)阻和負(fù)載無關(guān)（注意,實(shí)際功率是與負(fù)載有關(guān)的）。這一結(jié)論可以推廣到任何無源二端網(wǎng)絡(luò)。信號(hào)源輸入的額定噪聲功率2023/7/2021例：如圖，已知信號(hào)源參數(shù)RS、is，不考慮RL的噪聲，求虛線內(nèi)線性網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)FnRSiS2023/7/2022輸入端額定噪聲功率3.3.4多級(jí)放大器的噪聲系數(shù)先考慮兩級(jí)放大器。設(shè)它們的噪聲系數(shù)和額定功率增益分別為NF1、NF2和GPa1、GPa2,且假定通頻帶B也相同。從直觀的角度上看，第一級(jí)額定輸出功率可以是由兩部分組成：一部分是經(jīng)放大后的信號(hào)源噪聲功率；一部分是第一級(jí)放大器本身產(chǎn)生的輸出噪聲功率。

由噪聲系數(shù)定義式(3.3.2)，可得前級(jí)放大器輸出的額定噪聲功率

Pano1（或Pno1）表達(dá)式：A1Gpa1A2Gpa2RSUS+-2023/7/2023再由放大器內(nèi)部噪聲NF的表達(dá)式(3.3.4)，得前級(jí)放大器自身產(chǎn)生的輸出噪聲功率Pnao1

，即由2023/7/2024在第二級(jí)輸出端產(chǎn)生的總噪聲Pano2也由兩部分組成：一部分是第一級(jí)放大器輸出的噪聲功率經(jīng)第二級(jí)放大后的輸出部分；另一部分是第二級(jí)放大器本身附加的噪聲功率。A1Gpa1A2Gpa2RSUS+-2023/7/2025在第二級(jí)輸出端，就有兩級(jí)產(chǎn)生的總噪聲Pano2：信號(hào)源內(nèi)阻產(chǎn)生的噪聲經(jīng)兩級(jí)放大后在輸出端的噪聲額定功率第一級(jí)放大器內(nèi)部噪聲經(jīng)第二級(jí)放大后在輸出端的噪聲額定功率第二級(jí)放大器內(nèi)部噪聲在輸出端的噪聲額定功率A1Gpa1A2Gpa2RSUS+-2023/7/2026

所以兩級(jí)的噪聲系數(shù)(由3.3.2式)為：對(duì)于n級(jí)放大器,將其前(n-1)級(jí)看成是第一級(jí),第n級(jí)看成是第二級(jí),利用上式可推導(dǎo)出ｎ級(jí)放大器總的噪聲系數(shù)為：(3.3.7)(3.3.8)可見,在多級(jí)放大器中,各級(jí)噪聲系數(shù)對(duì)總噪聲系數(shù)的影響是不同的,前級(jí)的影響比后級(jí)的影響大,且總噪聲系數(shù)還與各級(jí)的額定功率增益有關(guān)。所以,為了減小多級(jí)放大器的噪聲系數(shù),必須降低前級(jí)放大器（尤其是第一級(jí)）的噪聲系數(shù),而且增大前級(jí)放大器（尤其是第一級(jí)）的額定功率增益。2023/7/20273.3.5等效噪聲溫度在某些低噪聲的系統(tǒng)中，如衛(wèi)星地面接收機(jī)，常用噪聲溫度Te來表示系統(tǒng)的噪聲性能，而不用NF。Te的定義是：將電路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的內(nèi)部附加噪聲折算到輸入端,此附加噪聲可以用提高信號(hào)源內(nèi)阻上的溫度來等效,這就是等效(輸入)噪聲溫度。這樣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就變成理想的網(wǎng)絡(luò)了。一般情況下，輸入端的噪聲功率是由信號(hào)源內(nèi)阻產(chǎn)生的，我們規(guī)定內(nèi)阻的溫度為290K(即17°C)，此溫度被稱作標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度T0。設(shè)放大器的噪聲系數(shù)為NF，噪聲源溫度為T0，折算到放大器輸入端的噪聲功率相當(dāng)于新的溫度為NFT0，則它的溫升為：2023/7/2028

如果Te只代表放大器本身的熱噪聲溫度，與噪聲功率大小無關(guān)，多級(jí)放大器的等效噪聲溫度為：可見,Ｔe值越大,表示四端網(wǎng)絡(luò)的噪聲性能越差。噪聲溫度Ｔe常用在低噪聲接收系統(tǒng)中,其特點(diǎn)是把噪聲系數(shù)的尺度放大了,便于比較。2023/7/20293.3.7噪聲系數(shù)與靈敏度噪聲系數(shù)是用來衡量部件(如放大器)和系統(tǒng)(如接收機(jī))噪聲性能的。靈敏度就是保持接收機(jī)輸出端信噪比一定時(shí),接收機(jī)輸入的最小信號(hào)電壓或功率(設(shè)接收機(jī)有