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1、高频电子线路,3.9 放大器中的噪声 概 述 一.噪声定义,在放大电路的输出端与有用信号同时存在的一种随机变化的电流和电压(噪声电压), 当输出端无有用信号时,(放大器输入端短路), 它也存在. 如:收音机中“沙沙”声, 电视图象“黑白斑点” . 二.噪声的不利影响 1.影响电子设备（接收机）的灵敏度 2.影响对有用信号的检测：若外来信号小到一定值时，放大器输出信号和噪声大小差不多，在放大器的输出端难于分辩信号。,高频电子线路,三.噪声的分类 四.干扰与噪声的区别： （电特性不同） 干扰（外部）：带有一定的脉冲性和周期性.(雷电干 扰、工业干扰、邻近电台干扰） 噪声（内部）：具有随机性，可来自
2、外部（宇宙、大 气）也可来自元器件本身。,自然的：热噪声、散粒噪声、闪烁噪声 （电阻、晶体管） 认为的：交流哼声，接触不良等,高频电子线路,3.9.1 内部噪声的来源与特性,来源：电阻、放大器,电阻,无外加电压,环境温度T,材料的自由电子无规则运动,电阻两端产生很小的电压,具有起伏性,起伏噪声电压Vn（t）,一段时间内，正负值相等，,电阻两端的平均电压为零。但某一瞬时看，电阻两端电压的大小、方向是 随机的。,高频电子线路,图 3-1 电阻热噪声电压波形,高频电子线路,二.描述: (计量方法：概率统计法）,1.,（实质：在较长T里 ）,（ 可表示起伏干扰的强度）,2.,高频电子线路,3. 的频谱
3、：,单个脉冲（频谱）,的频谱,频谱密度F（） （常数）（均匀）,功率谱（均匀）,功率谱（密度） （均匀）,求出,不可叠加,叠加,高频电子线路,设 作用于1的电阻上 则R在T内得到的能量W=P * T=,4. 的功率谱：,R的平均功率,两边取极限,再设： df 为 f 到 fdf 间的平均功率,则总的,定义： 为噪声功率谱密度（W/HZ),高频电子线路,3.9.2 电阻热噪声 1）一个电阻：,波尔兹曼常数 1.38*10-23 J/K 绝对温度 T(K)=T0 ( C ) +273,设 为等效噪声带宽 则：R的噪声功率,高频电子线路,R,R,(理想),(,a,),(,b,),图 3 2 电阻热噪
4、声等效电路,R,(理想),高频电子线路,多个电阻 a. 串联：满足均方叠加原则 b. 并联：也满足均方叠加原则,高频电子线路,3). 谐振回路的噪声： （并联）,谐振： 则回路两端的噪声电压方均值,高频电子线路,3.9.3 天线热噪声 天线本身导体电阻0 本身热噪声很小 但是天线周围的介质微粒运动噪声功率 被天线接收 由天线辐射,RA为天线等效辐射电阻，表示接收和辐射信号功率,高频电子线路,3.9.4 晶体管噪声 1）,高频电子线路,2）T型等效电路 P108 图3.9-10,3） 与 f 的关系,高频电子线路,高频电子线路,3.10 噪声的表示和计算方法 3.10.1 噪声系数Fn 1 信噪
5、比： 四端网络某一端口处：,即信号所受干扰程度 ，信号质量,高频电子线路,2 放大器的噪声系数Fn： Fn,内部噪声,高频电子线路,常：,总输出噪声功率,信号源产生的噪声功率在输出端的值,入端Vs产生,入端Vs的内阻Rs产生（热噪声，T=290K),放大器的增益（功率）,（第二种形式),高频电子线路,常：,放大器本身产生的噪声在输出端呈现的噪声功率,（第三种形式),高频电子线路,Fn表示信号和噪声通过系统后，系统的附加噪声使 信噪比变坏的程度 Fn只使用于（准）线性网络，可用Gp Fn1 理想无源： Fn1 , 不同 , Fn不同 Fn中的 都是指系统实际的输入、 输出的信号的噪声功率，其值与
6、电路匹配状况有 关。用于工程计算不方便, 即与RL开路，短路，是否匹配无关, 可用开路或短路计算Fn,3. Fn的特性：,高频电子线路,4. 额定功率（增益）及以此定义的Fn,额定意味着匹配（最大）,放大器,Rs,额定输入信号功率：,额定输入噪声功率：,1).额定功率： 输出的最大功率 ( Ri = Rs ),Us,RL,Ri,Ro,高频电子线路, 只能改变信号源Vs实际输出的大小 而其额定功率不变, ，仍有 ，但,输出端： （匹配，RL = Ro ）,不匹配，RL Ro 有 ，但不表示实际,，额定 实际,高频电子线路,2). 额定功率增益GpH ：输入、出端分别匹配时的功率增益,额定输出功率
7、,额定输入功率,同理： GpH是放大器本身的固有属性，一旦网络确定， GpH总是一个定值，与入、出端是否匹配无关,匹配时：GpH Gp,不匹配时，仍有GpH，但GpH Gp,高频电子线路,3). 以额定功率定义的Fn： （简单）,实际中，Fn用此式计算，入、出端失配因素（比例）抵消 即：不管输入、出端是否匹配，均可用上式,高频电子线路,3.10.2 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”。,折算1：,额定：,经GpH：,高频电子线路,现：,理想放大器,Rs,R(Ti ),R产生：,经GpH：,高频电子线路,Fn=,总
8、额定输出噪声功率,Rs产生的，并经GpH, 在出端的Pno,Ti 噪声温度 代表相应的功率,高频电子线路,折算2：,经GpH：,对信号Vs （Rs）而言：,经GpH：,Fn与Ti的关系,高频电子线路,总结： 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。,3.10.3 多级放大器的Fn 总,高频电子线路,例 3 图 3 36 是一接收机的前端电路, 高频放大
9、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)。,高频放大器,N,F1,3,d,B,K,P1,(dB)10 dB,FET,混频器,N,F2,6.5,d,B,K,P2,(dB)9 dB,本地振荡器,至中放,图 3 36接收机前端电路的噪声系数,高频电子线路,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,高频电子线路,3.10.5 等效噪声带宽fn 1. 起伏噪声电压Vn( t )通过网络时的情况： 网络：线性、四端、具有选频性（存在带宽）,输入端：Si ( f ) 白噪声（电阻热噪声）,输出端：S0 ( f ) ？,
10、电压传输系数： , 模,功率传输系数： ，（设G1）,高频电子线路,出 . 功率,入 . 功率,出 . S0 ( f ),入 . Si ( f ),可见：尽管Si （f ）为白噪声，但通过网络后 ,S0( f ) 为有色噪声， S0( f ) 不均匀,高频电子线路,S0 ( f ),S0 ( f0 ),线 性 网 络 的 等 效 噪 声 带 宽,高频电子线路,2. f (n) 的求取： 如上图： 表示 与f 轴之间的面积,所以该面积就表示输出端的噪声电压方均值,现：找一面积宽fn ，高S0( f0 ) 使：,高频电子线路,由A（f ）决定 与 两者概念不同 与 的关系：一般情况下是不等的，但在
11、 实际中可用 代替 单调谐： 当m多， 双调谐：,高频电子线路,3. 输出端 的求取,高频电子线路,设： （电阻）,则：,高频电子线路,3.10.6 减小Fn措施,选Fn低的元件：电路Fn元器件Fn,2. 正确选用晶体管放大器的直流工作点:,Rs一定,Fn,Fnmin,0,IE,IE0,高频电子线路,晶体管的Fn,（共基）,( 彼此独立，可叠加）,高频电子线路,Fnf（Rs） 总有一Rs （最佳opt），可使Fmin 低频工作时, Rsopt , 共发时：输入阻抗 所以采用共发连接，使Rsopt输入阻抗，从而Fn ，Gp （匹配） 高频工作时，Rsopt ，共基时：输入阻抗 所以采用共基连接，
12、使Rsopt输入阻抗，从而Fn ，Gp （匹配）,高频电子线路,4.,高频电子线路,45 工业干扰与天电干扰,工业干扰： 产生：电器设备工作时的I(V) 电磁辐射 接收机的天线上 强度：f（设备数量、性质、位置） 干扰途径：直接辐射 沿电力线传输 交流接收机,(人为的）,(自然的）,进入,天线与电力线之间的分布电容 接收机,进入,高频电子线路,性质：脉冲,Vn,0,t,干扰振幅/F,f,0,高频电子线路,抑制方法： 接收机采用窄带：通过脉冲干扰的能量小 干扰 采用屏蔽 防直接辐射 采用抑制电路及滤波器 接收机工作点选在远离工业干扰的地方,高频电子线路,天电干扰 雷电干扰 雷电放电（f ） 很严重,二., 雷区：宜采用高频通信(短波、超短波） 电路上：窄带、滤波、抗干扰电路等,
