噪声与高频小信号放大器

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1、方法：放大信号的同时抑制噪声，SNR分析：1.无/有源器件的噪声的统计特性2.高频小信号放大器的特性。目标：提高接收机的灵敏度。内容：1.无源器件噪声特性分析与大小计算；2.有源器件噪声特性分析与大小计算；3.线性电路系统噪声性能指标，计算与测量；4.高频小信号放大器的特性分析；5.常用滤波器的特性比较。第4章噪声与高频小信号放大器描述：4.1电阻的热噪声4.2有源器件噪声4.3噪声系数和噪声温度4.4高频小信号放大器概述4.5晶体管谐振放大器4.6集中选频放大器4.1电阻的热噪声现象：热噪声电压un(t)是一个随机量。原因：自由电子的无规热运动。图4.1电阻热噪声

2、电压示意图统计特性：时域在一个较长的观测时间内，热噪声电压的平均值为零，即热噪声电压正是无规则地偏离此平均值而起伏变化。热噪声电压的均方值频域：电阻热噪声具有极宽的频谱，0~1013Hz以上。虽然热噪声电压的振幅频谱无法确定，但功率频谱是完全确定的。理论和实践证明，在单位频带(1Hz)内，电阻R两端的噪声电压均方值--功率谱密度函数：图4.2电阻热噪声的功率谱示意图白噪声带内噪声：尽管电阻热噪声的频谱很宽，但实际测试(接收)系统的通频带有限，当电阻接入系统时，将对电阻热噪声进行滤波，只有位于通频带内的那一部分噪声功率才能对系统产生影响。假设测试系统的通频带是宽度为B

3、n，幅度为1的理想矩形，这时对系统而言，电阻热噪声电压的均方值为而均方根值为例如，一个1000Ω的电阻，在常温条件下用Bn=1MHz的测试设备来测量，按上式计算，其热噪声电压的均方根值约为4μV。4.1.2电阻热噪声的计算在电路的噪声分析中，一个实际的电阻器R可以等效为一个理想的无噪声电阻R和一个均方值为U2n的热噪声电压源相串联；根据等效电源定理，也可以等效为一个理想的无噪声电导G和一个均方值为I2n的热噪声电流源相并联。其中，噪声电流源大小式中，电导G=1/R。图4.3电阻器的热噪声等效电路(a)热噪声电压源；(b)热噪声电流源由于电阻热噪声为一随机量，不同电阻

4、产生的热噪声电压(电流)是彼此独立、互不相关的，因此，当电阻串、并联后，其总噪声应按均方值叠加的规则进行计算。例如，在相同温度下，电阻R1和R2串联后，其总噪声电压的均方值应为即两个串联电阻的总噪声电压均方值等于串联等效电阻R=R1+R2产生的噪声电压均方值，如图4.4所示。图4.4电阻串联时的噪声等效电路理想的电抗不产生噪声。通常，电容器的损耗电阻可以忽略，而电感器的损耗电阻一般不能忽略。因此，当一个无源网络中含有电抗元件时，若考虑了电抗元件的损耗电阻后其等效阻抗为R′+jX′，则产生热噪声的仅仅是它的电阻分量R′，其噪声电压均方值为4.1.3热噪声通过线性电路电

5、阻热噪声是功率谱密度均匀的白噪声，当它通过有选频特性的线性电路后，其输出功率谱密度So(f)将会发生变化。若线性电路的电压传输函数为H(f)，其功率传输函数H2(f)=

6、H(f)

7、2，则输出端的噪声功率谱密度为图4.5热噪声通过线性电路时功率谱密度的变化。(a)白噪声功率谱；(b)传输函数；(c)输出噪声功率谱由于热噪声通过线性选频电路后功率谱变为频率的函数，因此，输出端的噪声电压均方值U2no应通过对So(f)的积分求得，即输出端的噪声电压均方值：就是So(f)曲线与f轴之间的面积。1.等效噪声带宽等效噪声带宽Bn定义为一个幅度是H2(f0)的矩形功率传输特性的频

8、率宽度，在该宽度下矩形的面积等于实际功率传输曲线的积分面积，即H2(f0)为实际功率传输特性的最大值。因为对热噪声，Si(f)=4kTR,与频率f无关，所以输出噪声电压的均方值：2.电阻热噪声通过LC谐振电路现以图LC谐振电路为例，计算其电容两端输出的噪声电压均方值U2no。图中，电阻r代表回路电抗元件中的固有损耗。当该电阻被一个无噪电阻r和噪声源U2n的串联支路代替后，便得到噪声等效电路。图4.7LC谐振电路及其噪声等效电路(a)谐振电路；(b)噪声等效电路现在图中虚线框内构成一无噪声的谐振电路，其功率传输函数为式中，为谐振频率，为谐振电路的品质因数，为并联谐振电

9、阻。当f=f0时当Q0较大时，等效噪声带宽：1+所以输出噪声电压均方值：4.2有源器件噪声4.2.1晶体管的噪声1.基区体电阻热噪声：在晶体管中，载流子的不规则热运动会产生热噪声，其主要来源是基区体电阻rbb′，相比之下，发射区和集电区的热噪声很小，一般可以忽略不计。2.散粒噪声晶体管外加偏压时，由于载流子越过PN结的速度不同，使得单位时间内通过PN结的载流子数不同，从而引起PN结上的电流在某一平均值上有一微小的起伏。这种电流随机起伏所产生的噪声称为散粒噪声。散粒噪声电流的均方值为q是电子的电荷量(1.6×10-19Ｃ)，IEQ是发射极静态工作电流。散粒噪声是白