高频电路噪声分析基础

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1、高频电路噪声分析基础高频电路噪声分析基础电噪声1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而产生的。在运动中自由电子经常相互碰撞,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。自由电子的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。起伏噪声电流经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,因此无法计算其瞬时值。起伏噪声电压的平均值为零,噪声

2、电压正是不规则地偏离此平均值而起伏变化的。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Ｒ的电阻产生的噪声电流功率频谱密度和噪声电压功率频谱密度分别为：4kTS(f)=1RS(f)=4kTRU−23k=1.38×10J/K其中,k是波尔兹曼常数,Ｔ是电阻温度,以绝

3、对温度Ｋ计量。在频带宽度为ＢＷ内产生的热噪声均方值电流和均方值电压分别为：2I=S(f)⋅BWn12U=S(f)⋅BWnU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1．3．1所示。R(无噪声)R(有噪声)R(无噪声)2＋In2Un－(a)(b)(c)图1.3.1电阻热噪声等效电路V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,这些损耗电阻会产生噪声。V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。【例1.5】试计算510kΩ电阻的噪声均

4、方值电压和均方值电流。设Ｔ＝２９０K,ＢＷ＝１００kＨｚ。解:2−2335U=4kTR⋅BW=4×1.38×10×290×510×10×10n−102≈8.16×10V52BW−2310I=4kT⋅=4×1.38×10×290×n3R510×10−212≈3.14×10A2晶体管噪声晶体管噪声主要包括以下四部分。1).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r的影响为主。bb′２).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ＰＮ结的

5、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Ｓ（ｆ）＝２ｑＩ(1.3.6)I0其中，Ｉ是通过ＰＮ结的平均电流值；ｑ是每个载流子的电荷0量，-19ｑ＝１.５９×１０C（库仑）。注意,在Ｉ＝０时,散弹噪声为零,但是只要不是绝对零度,0热噪声总是存在。这是二者的区别。３).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

6、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。分配噪声实际上也是一种散弹噪声,但它的功率频谱密度是随频率变化的,频率越高,噪声越大。其功率频谱密度也可近似按式（1．3．6）计算。４).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１kＨｚ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场效应管噪声场效应管是依靠多子在沟道中的漂移运动而

7、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。沟道热噪声和栅极漏电流散弹噪声的电流功率频谱密度分别是：⎛2⎞S1(f)=4kT⎜gm⎟⎝3⎠S(f)=2qI1g其中，ｇ是场效应管跨导,Ｉ是栅极漏电流。mg44额定功率和额定功率增益额定功率和额定功率增益在分析和计算噪声问题时,用额定功率和额定功率增益概念可以使问题简化,物理意义更加明确。.信号额定功率

8、是指电压信号源Us可能输出的最大功率。当负载阻抗ＲL与信号源阻抗Ｒs匹配时,信号源输出功率最大。所以,其额定功率为22UIRsssP==(1.3.9)A4R4s可见,额定功率是表征信号源的一个参量,与其实际负载值无关。现在用额定功率来表示电阻的热噪声功率。电阻R的噪声额定功率为2US(f)⋅BWnUP===kT⋅BWnA4R4R(1.3.10)由上式可见,电阻的噪声额定功率只与温度及通频带有关,而与本身阻值和负载无关（注意,实际功率是与负载有关的）。这一结论可以推广到任何无源二端网络。额定功率增