放大器噪声

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1、2.4 放大器的噪声,主要要求：,了解放大器内部噪声的主要来源和对放大器 性能的影响。,了解噪声系数的概念,人们收听广播时, 常常会听到“沙沙”声； 观看电视时, 常常会看到“雪花”似的背景或波纹线, 这些都是接收机中的放大器和其它元器件存在噪声的结果。 噪声对有用信号的接收产生了干扰, 特别是当有用信号较弱时, 噪声的影响就更为突出, 严重时会使有用信号淹没在噪声之中而无法接收。 噪声的种类很多。 有的是从器件外部窜扰进来的, 称为外部噪声；有的是器件内部产生的, 称为内部噪声。本节只介绍内部噪声。 内部噪声源主要有电阻热噪声、 晶体管噪声和场效应管噪声三种。 ,2.4.1 噪声的来源,1、

2、电阻热噪声 电阻热噪声是由于电阻内部自由电子的热运动产生的。 在运动中自由电子经常相互碰撞, 因而其运动速度的大小和方向都是不规则的。 温度越高, 运动越剧烈。只有当温度下降到绝对零度时, 运动才会停止。自由电子这种热运动在导体内形成非常微弱的电流, 这种电流呈杂乱起伏的状态, 称为起伏噪声电流。起伏噪声电流流过电阻本身就会在其两端产生起伏噪声电压。 由于起伏噪声电压的变化是不规则的, 其瞬时振幅和瞬时相位是随机的, 所以无法计算其瞬时值。起伏噪声电压的平均值为零, 噪声电压正是不规则地偏离此平均值而起伏变化。,但是, 起伏噪声的均方值是确定的, 可以用功率计测量出来。实验发现, 在整个无线电

3、频段内, 当温度一定时, 单位电阻上所消耗的平均功率在单位频带内几乎是一个常数, 即其功率频谱密度是一个常数。对照白光内包含了所有可见光波长这一现象, 人们把这种在整个无线电频段内具有均匀频谱的起伏噪声称为白噪声。 阻值为的电阻产生的噪声电压功率频谱密度分别为：,k=1.3810-23JK (2.4.3) 其中k是波尔兹曼常数, 是电阻温度, 以绝对温度计量。 在频带宽度为内产生的热噪声均方值电压分别为： U2n=SU(f)BW (2.4.4) 所以, 一个实际电阻可以分别用噪声电流源和噪声电压源表示, 如图241所示。 ,理想电抗元件是不会产生噪声的, 但实际电抗元件是有损耗电阻的, 这些损

4、耗电阻会产生噪声。对于实际电感的损耗电阻一般不能忽略, 而对于实际电容的损耗电阻一般可以忽略。 ,2.4.2 电阻热噪声等效电路,2、晶体管噪声 晶体管噪声主要包括以下四部分。 （） 热噪声 构成晶体管的发射区、基区、集电区的体电阻和引线电阻均会产生热噪声, 其中以基区体电阻rbb的影响为主。 （） 散弹噪声 散弹噪声是晶体管的主要噪声源。它是由单位时间内通过结的载流子数目随机起伏而造成的。人们将这种现象比拟为靶场上大量射击时弹着点对靶中心的偏离, 故称为散弹噪声。在本质上它与电阻热噪声类似, 属于均匀频谱的白噪声, 其电流功率频谱密度为: I（）0 (245) 其中0是通过结的平均电流值,

5、是每个载流子所载的电荷量。.-19库仑。 注意, 在0时, 散弹噪声为零, 但是只要不是绝对零度, 热噪声总是存在。这是二者的区别。,（） 分配噪声 在晶体管中, 通过发射结的非平衡载流子大部分到达集电结, 形成集电极电流, 而小部分在基区内复合, 形成基极电流。 这两部分电流的分配比例是随机的, 从而造成集电极电流在静态值上下起伏变化, 产生噪声, 这就是分配噪声。 （） 闪烁噪声 产生这种噪声的机理目前还不甚明了, 一般认为是由于晶体管表面清洁处理不好或有缺陷造成的, 其特点是频谱集中在约k以下的低频范围, 且功率频谱密度随频率降低而增大。在高频工作时, 可以忽略闪烁噪声。 ,3、场效应管

6、噪声 场效应管是依靠多子在沟道中的漂移运动而工作的, 沟道中多子的不规则热运动会在场效应管的漏极电流中产生类似电阻的热噪声, 称为沟道热噪声, 这是场效应管的主要噪声源。 其次便是栅极漏电流产生的散弹噪声。场效应管的闪烁噪声在高频时同样可以忽略。 ,4、等效噪声带宽 等效噪声带宽是按噪声功率相等（几何意义及面积相等）来等效的，图2.4.5（c）中虚线表示的宽度为Bn、高度为S0 (f0的矩形面积与S0（f0）下的面积相等，Bn即为等效噪声带宽。 因为 ,所以 线性网络的等效噪声带宽Bn与信号3dB带宽BW0.7是不同的两个概念，只有当谐振回路谐振曲线越接近矩形，Bn越接近于BW0.7。,2.4

7、.2 线性四端网络的噪声系数 为了使放大器能够正常工作, 除了要满足增益、 通频带、 选择性等要求之外, 还应对放大器的内部噪声给以限制, 一般是对放大器的输出端提出满足一定信噪比的要求。对于其它线性四端网络也有同样的要求。 所谓信噪比是指四端网络某一端口处信号功率与噪声功率之比。 信噪比SNR(Signal to Noise Ratio)通常用分贝数表示, 写作： SNR= (2.4.12) 其中s、n分别为信号功率与噪声功率。下面以放大器为例来推导线性四端网络的噪声系数。 ,、噪声系数定义 如果放大器内部不产生噪声, 当输入信号与噪声通过它时, 二者都得到同样的放大, 那么放大器的输出信噪

8、比与输入信噪比相等。而实际放大器是由晶体管和电阻等元器件组成,热噪声和散弹噪声构成其内部噪声, 所以输出信噪比总是小于输入信噪比。为了衡量放大器噪声性能的好坏, 提出了噪声系数这一性能指标。 放大器的噪声系数NF(Noise Figure)定义为输入信噪比与输出信噪比的比值, 即:,上述定义可推广到所有线性四端网络。 如果用分贝数表示, 则写作: NF=10lg (2.4.14) 从式（2413）可以看出, 是一个大于或等于的数。 其值越接近于, 则表示该放大器的内部噪声性能越好。 式（2413）中的ni是随信号一起进入放大器的噪声功率, 其大小是随机的, 而噪声系数应是表征放大器内部噪声的确

9、定值, 所以有必要对ni标准化。,通常规定ni是输入信号源内阻s的热噪声产生在放大器输入端的噪声功率, 而s的温度规定为, 称为标准噪声温度, 用表示。相应的噪声系数称为“标准噪声系数”（本书均采用标准噪声系数, 但仍简称为噪声系数）。no是由s的热噪声和放大器内部噪声共同在放大器输出端产生的总噪声功率。 、噪声系数的计算式 噪声系数可以改写成各种不同的表达形式, 以便于分析和计算。其中一种形式是用额定功率来代替实际功率, 即不用考虑实际负载的大小, 仅考虑一种最佳情况。这样, 噪声系数可写成：,根据式（2411）, 上式又可写成:,因为,其中nAn是放大器内部噪声额定功率。 把这两个式子代入

10、式（2414）可得:,3、放大器内部噪声表达式 由式（2419）可得到放大器内部噪声额定功率nAn的表达式, 即: nAn()pAk0 (2420) 上式说明, 当时, nAn, 进一步表明了噪声系数是衡量放大器内部噪声性能的参数。 ,、级联噪声系数 先考虑两级放大器。 设它们的噪声系数和额定功率增益分别为 1、 2和 PA1、 PA2, 且假定通频带也相同。 利用式（2419）, 式中和PA分别看作是两级放大器总的噪声系数和总的额定功率增益, 而总输出噪声额定功率 nAo由三部分组成, 即:,nAn1(1)PA1k0 (2422) nAn2(2)PA2k0 (2423),将式（24）,（24

11、）, （24）代入（24）中, 然后再将式（24）和（2421）代入式（244）中, 最后可求得两级放大器总噪声系数为： NF= (2.4.24) 对于n级放大器, 将其前(n-1)级看成是第一级, 第n级看成是第二级, 利用式(2.4.24)可推导出级放大器总的噪声系数为：,(2.4.25) 可见, 在多级放大器中, 各级噪声系数对总噪声系数的影响是不同的, 前级的影响比后级的影响大, 且总噪声系数还与各级的额定功率增益有关。 所以, 为了减小多级放大器的噪声系数, 必须降低前级放大器（尤其是第一级）的噪声系数, 而且增大前级放大器（尤其是第一级）的额定功率增益。 以上关于放大器噪声系数的分

12、析结果适用于所有线性四端网络。 例2.4.2 ,2.4.3 噪声温度与灵敏度 1、等效输入噪声温度 除了噪声系数之外, 等效输入噪声温度e（以下简称噪声温度）是衡量线性四端网络噪声性能的另一个参数。 噪声温度e是将实际四端网络内部噪声看成是理想无噪声四端网络输入端信号源内阻s在温度e时所产生的热噪声, 这样, s的温度则变为0e, 这种等效关系如图2.4.2 所示。,如果放大器的额定功率增益为Apm,则放大器内部噪声在输出端呈现的额定噪声功率PnAn可表示为： PnAn=ApmkTeBn 对比式（2.4.27）和（2.4.28）可得到e与的关系式为: NF=1+ 或 Te=(NF-1)T0 (

13、2.4.29) 可见, e值越大, 表示四端网络的噪声性能越差。理想四端网络的e为零。 噪声温度e常用在低噪声接收系统中, 其特点是把噪声系数的尺度放大了, 便于比较。,2、接收机的灵敏度,噪声系数除用来衡量线性放大电路的噪声性能外，还可用来估计接收机接收微弱信号的能力，称为接收灵敏度。 接收机的灵敏度是指保证必要的输出信噪比条件下，接收机输入端所需的最小有用信号功率，该信号功率越低，则接收灵敏度越高，表示接收微弱信号的能力越强。 根据噪声系数的定义，可得接收机所需最小有用信号功率，即接收灵敏度为 Psi(min) =(Pso/ Pno)NFPni,在接收机输入电阻与信号源内阻相等匹配时Psi

14、=kTBn, 所以 Psi(min) =(Pso/ Pno)NFkTBn 式中，(Pso/ Pno)为接收机输出端容许的最小信噪比，Bn为接收机噪声带宽，可以用接收通道带宽计算。 接收端最小信号电压（也称为最小可检测信号电压）为 Ui(min)= Ri为接收机输入电阻。,2.4.4 低噪声放大器,1、对低噪声放大器的要求 （1）噪声系数小，低噪声放大器位于接收机的最前端，所以噪声系数越销越好。 （2）功率增益高，增益高可以克服后级电路的噪声，但增益不能太高，否则大信号输入混频器会产生非线性失真。 （3）动态范围大，动态范围是指接收机能保证输出信号质量的情况下，最大和最小电平的范围。 （ 4）与信号源很好匹配，低噪声放大器与信号源应尽量做到阻抗匹配和噪声匹配。,2、降低噪声系数的措施 （1）选用低噪声器件和元件 （2）选择合适的晶体管放大器的直流工作点 （3）选择合适的信号源内阻 （4）选择合适的工作带宽 （5）降低放大器的工作温度 作 业 P54 2.10 2.12,