噪聲與高頻小信號(hào)放大器

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1、方法：放大信號(hào)的同時(shí)抑制噪聲，SNR分析：1.無/有源器件的噪聲的統(tǒng)計(jì)特性2.高頻小信號(hào)放大器的特性。目標(biāo)：提高接收機(jī)的靈敏度。內(nèi)容：1.無源器件噪聲特性分析與大小計(jì)算；2.有源器件噪聲特性分析與大小計(jì)算；3.線性電路系統(tǒng)噪聲性能指標(biāo)，計(jì)算與測(cè)量；4.高頻小信號(hào)放大器的特性分析；5.常用濾波器的特性比較。第4章噪聲與高頻小信號(hào)放大器描述：4.1電阻的熱噪聲4.2有源器件噪聲4.3噪聲系數(shù)和噪聲溫度4.4高頻小信號(hào)放大器概述4.5晶體管諧振放大器4.6集中選頻放大器4.1電阻的熱噪聲現(xiàn)象：熱噪聲電壓un(t)是一個(gè)隨機(jī)量。原因：自由電子的無規(guī)熱運(yùn)動(dòng)。圖4.1電阻熱噪聲

2、電壓示意圖統(tǒng)計(jì)特性：時(shí)域在一個(gè)較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，熱噪聲電壓的平均值為零，即熱噪聲電壓正是無規(guī)則地偏離此平均值而起伏變化。熱噪聲電壓的均方值頻域：電阻熱噪聲具有極寬的頻譜，0~1013Hz以上。雖然熱噪聲電壓的振幅頻譜無法確定，但功率頻譜是完全確定的。理論和實(shí)踐證明，在單位頻帶(1Hz)內(nèi)，電阻R兩端的噪聲電壓均方值--功率譜密度函數(shù)：圖4.2電阻熱噪聲的功率譜示意圖白噪聲帶內(nèi)噪聲：盡管電阻熱噪聲的頻譜很寬，但實(shí)際測(cè)試(接收)系統(tǒng)的通頻帶有限，當(dāng)電阻接入系統(tǒng)時(shí)，將對(duì)電阻熱噪聲進(jìn)行濾波，只有位于通頻帶內(nèi)的那一部分噪聲功率才能對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。假設(shè)測(cè)試系統(tǒng)的通頻帶是寬度為B

3、n，幅度為1的理想矩形，這時(shí)對(duì)系統(tǒng)而言，電阻熱噪聲電壓的均方值為而均方根值為例如，一個(gè)1000Ω的電阻，在常溫條件下用Bn=1MHz的測(cè)試設(shè)備來測(cè)量，按上式計(jì)算，其熱噪聲電壓的均方根值約為4μV。4.1.2電阻熱噪聲的計(jì)算在電路的噪聲分析中，一個(gè)實(shí)際的電阻器R可以等效為一個(gè)理想的無噪聲電阻R和一個(gè)均方值為U2n的熱噪聲電壓源相串聯(lián)；根據(jù)等效電源定理，也可以等效為一個(gè)理想的無噪聲電導(dǎo)G和一個(gè)均方值為I2n的熱噪聲電流源相并聯(lián)。其中，噪聲電流源大小式中，電導(dǎo)G=1/R。圖4.3電阻器的熱噪聲等效電路(a)熱噪聲電壓源；(b)熱噪聲電流源由于電阻熱噪聲為一隨機(jī)量，不同電阻

4、產(chǎn)生的熱噪聲電壓(電流)是彼此獨(dú)立、互不相關(guān)的，因此，當(dāng)電阻串、并聯(lián)后，其總噪聲應(yīng)按均方值疊加的規(guī)則進(jìn)行計(jì)算。例如，在相同溫度下，電阻R1和R2串聯(lián)后，其總噪聲電壓的均方值應(yīng)為即兩個(gè)串聯(lián)電阻的總噪聲電壓均方值等于串聯(lián)等效電阻R=R1+R2產(chǎn)生的噪聲電壓均方值，如圖4.4所示。圖4.4電阻串聯(lián)時(shí)的噪聲等效電路理想的電抗不產(chǎn)生噪聲。通常，電容器的損耗電阻可以忽略，而電感器的損耗電阻一般不能忽略。因此，當(dāng)一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)中含有電抗元件時(shí)，若考慮了電抗元件的損耗電阻后其等效阻抗為R′+jX′，則產(chǎn)生熱噪聲的僅僅是它的電阻分量R′，其噪聲電壓均方值為4.1.3熱噪聲通過線性電路電

5、阻熱噪聲是功率譜密度均勻的白噪聲，當(dāng)它通過有選頻特性的線性電路后，其輸出功率譜密度So(f)將會(huì)發(fā)生變化。若線性電路的電壓傳輸函數(shù)為H(f)，其功率傳輸函數(shù)H2(f)=

6、H(f)

7、2，則輸出端的噪聲功率譜密度為圖4.5熱噪聲通過線性電路時(shí)功率譜密度的變化。(a)白噪聲功率譜；(b)傳輸函數(shù)；(c)輸出噪聲功率譜由于熱噪聲通過線性選頻電路后功率譜變?yōu)轭l率的函數(shù)，因此，輸出端的噪聲電壓均方值U2no應(yīng)通過對(duì)So(f)的積分求得，即輸出端的噪聲電壓均方值：就是So(f)曲線與f軸之間的面積。1.等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬Bn定義為一個(gè)幅度是H2(f0)的矩形功率傳輸特性的頻

8、率寬度，在該寬度下矩形的面積等于實(shí)際功率傳輸曲線的積分面積，即H2(f0)為實(shí)際功率傳輸特性的最大值。因?yàn)閷?duì)熱噪聲，Si(f)=4kTR,與頻率f無關(guān)，所以輸出噪聲電壓的均方值：2.電阻熱噪聲通過LC諧振電路現(xiàn)以圖LC諧振電路為例，計(jì)算其電容兩端輸出的噪聲電壓均方值U2no。圖中，電阻r代表回路電抗元件中的固有損耗。當(dāng)該電阻被一個(gè)無噪電阻r和噪聲源U2n的串聯(lián)支路代替后，便得到噪聲等效電路。圖4.7LC諧振電路及其噪聲等效電路(a)諧振電路；(b)噪聲等效電路現(xiàn)在圖中虛線框內(nèi)構(gòu)成一無噪聲的諧振電路，其功率傳輸函數(shù)為式中，為諧振頻率，為諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，為并聯(lián)諧振電

9、阻。當(dāng)f=f0時(shí)當(dāng)Q0較大時(shí)，等效噪聲帶寬：1+所以輸出噪聲電壓均方值：4.2有源器件噪聲4.2.1晶體管的噪聲1.基區(qū)體電阻熱噪聲：在晶體管中，載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱噪聲，其主要來源是基區(qū)體電阻rbb′，相比之下，發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的熱噪聲很小，一般可以忽略不計(jì)。2.散粒噪聲晶體管外加偏壓時(shí)，由于載流子越過PN結(jié)的速度不同，使得單位時(shí)間內(nèi)通過PN結(jié)的載流子數(shù)不同，從而引起PN結(jié)上的電流在某一平均值上有一微小的起伏。這種電流隨機(jī)起伏所產(chǎn)生的噪聲稱為散粒噪聲。散粒噪聲電流的均方值為q是電子的電荷量(1.6×10-19Ｃ)，IEQ是發(fā)射極靜態(tài)工作電流。散粒噪聲是白