清华大学：《通信电路原理》教学资源（PPT课件）第3章 高频放大器 3.4 放大器的噪声

第3章高频放大器 3.1引言 3.2晶体管的高频小信号等效电路和参数 33高频小信号宽带放大器 34放大器的噪声 35宽带功率放大器(*) 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 1 笫3章高频放大器 3.1 引 言 3.2 晶体管的高频小信号等效电路和参数 3.3 高频小信号宽带放大器 3.4 放大器的噪声 3.5 宽带功率放大器( * )

34放大器的噪声 34.1电阻的热噪声 342电子器件的噪声(*) 343噪声系数 344级联网络的噪声 34.5接收机的灵敏度与最小可检测信号 34.6噪声温度 347低噪声放大器的设计 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 2 3.4 放大器的噪声 3.4.1 电阻的热噪声 3.4.2 电子器件的噪声（*） 3.4.3 噪声系数 3.4.4 级联网络的噪声 3.4.5 接收机的灵敏度与最小可检测信号 3.4.6 噪声温度 3.4.7 低噪声放大器的设计

341电阻的热噪声 (1)电阻热噪声的主要特性 噪声的计量: 在一个相当长的观测时间内 噪声电流(或电压)的平均 噪声功率P则趋于一有限值。 值趋于零。 (t)dt 噪声功率也用噪声电压方均值ν2表示。(单位电阻) 电阻热噪声产生机理: lim 自由电子的无规则热运动。 0oT Jo (t)dt 自由电子与晶格碰撞,产生持续时间τ=10-13~1014s 的电脉冲 电阻热噪声是无数个电脉冲叠加的结果 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 3 3.4.1 电阻的热噪声 （1）电阻热噪声的主要特性 v t dt T P T n n ( ) 1 0 2  = v t dt T v T n T n ( ) 1 lim 0 2 2  → = ▪ 噪声的计量： • 在一个相当长的观测时间内， 噪声电流（或电压）的平均 值趋于零。 • 噪声功率 Pn 则趋于一有限值。 • 噪声功率也用噪声电压方均值 vn 2 表示。（单位电阻） ▪ 电阻热噪声产生机理： • 自由电子的无规则热运动。 • 自由电子与晶格碰撞，产生 持续时间 的电脉冲。 s 13 14 10 ~10 − −  = • 电阻热噪声是无数个电脉冲叠加的结果。 t v (t) n 0

(1)电阻热噪声的主要特性(续) 电阻热噪声的功率谱密度: 4k TR ,(f) 电阻热噪声的功率谱密度W() 1+(人、 或噪声电压功率谱密度, C 单位是W/Hz。 WO)=4kTR 右式,=1013~104为自由电子 HI W 每秒钟的碰撞次数。事实上,由 于通信系统的实际工作频率∫<<a, 故右上式也常简化右下式为: 电阻器单位频带噪声功率在很宽 的频率范围内均为一恒定值4kTRm()B(o)形( 故类比光学中的白色光功率谱在 可见光频段内均匀分布的特点, 命名这种噪声为“白噪声”。 H(刀)=H()W1() 在有效频带内,功率谱分布不均匀的噪声称为“有色噪声” 白噪声通过有限频带网络后,变成了有色噪声。 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 4 （1）电阻热噪声的主要特性（续） ▪ 电阻热噪声的功率谱密度： • 电阻热噪声的功率谱密度 ， 或噪声电压功率谱密度， 单位是W/Hz。 W ( f ) v 2 1 ( ) 4 ( )  f kTR W f v + = • 右式， 为自由电子 每秒钟的碰撞次数。事实上，由 于通信系统的实际工作频率f << ， 故右上式也常简化右下式为： 13 14  =10 ~ 10 Wv ( f ) = 4kTR • 电阻器单位频带噪声功率在很宽 的频率范围内均为一恒定值 故类比光学中的白色光功率谱在 可见光频段内均匀分布的特点， 命名这种噪声为“白噪声”。 4kTR f f W ( f ) i W ( f ) i H () H () W ( f ) O W ( f ) O  ( ) ( ) ( ) 2 W f H jf W f o = v • 在有效频带内，功率谱分布不均匀的噪声称为“有色噪声”。 白噪声通过有限频带网络后，变成了有色噪声

(2)电阻的噪声等效电路 从时域角度得到: lin 0 从频域角度得到:W(f)=4R ∫(OH(m)=4TRy R R R 等效为 (无噪 (无噪) (有噪) 或 W,( R R (有噪) (无噪 R 等效为 4KR△f (有噪) r=R+r 思考题:若两个电阻不是处于同一温度,如何等效? 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 5 （2）电阻的噪声等效电路 v t dt T v T n T n ( ) 1 lim 0 2 2  → = Wv ( f ) = 4kTR v W (f )H jf df KTR f n = v =    ( ) 4 2 0 2 R (有噪） 等效为 R R (无噪） (无噪） W (f ) v 2 n v R1 (有噪） R2 (有噪） 等效为 R (无噪） 2 n v KTR f v v v n n n =  = + 4 2 2 2 1 2 R = R1 + R2 或 从时域角度得到： 从频域角度得到： 思考题：若两个电阻不是处于同一温度，如何等效 ？

(3)等效噪声频带与半功率点频带 例:RC并联电路如图,求端口噪声电压均方值。 R R凵C 理想网络 解:将有噪电阻表示为噪声串联等效电路,如图所示。 则无噪电阻R与C一理 想网络,其传递函数为 H(jo 1+(OCR 则可得:v2=W,O)H(o0d kT 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 6 （3）等效噪声频带与半功率点频带 例： RC 并联电路如图，求端口噪声电压均方值。 R C C R 2 n v 2 n v W ( f ) v 理想网络 解：将有噪电阻表示为噪声串联等效电路，如图所示。 则无噪电阻 与 一理 想网络，其传递函数为： R C 2 1 ( ) 1 ( ) CR H j   + = 则可得： C k T v W f H j df n = v =   2 0 2 ( ) ( )

(3)等效噪声频带与半功率点频带(续) RC并联网络等效噪声带宽BWn: 比较: W(H(o df kT V4=4KTRAf BWn=4÷~1 4RC RC并联网络半功率点带宽B: BW=2TRO B实际是传递函数曲线下面 的面积,其值稍大于网络的半 功率点通频带BW 右图所示BW和BW之间的 关系。由图可知,宽度为BWn 的矩形面积与曲线下面的面积 是相等的。 B 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九 Bw

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 7 （3）等效噪声频带与半功率点频带（续） ▪ RC 并联网络等效噪声带宽 BWn ： C k T v W f H j df n = v =   2 0 2 ( ) ( ) v kTR f n = 4  比较： 2 RC BW f n 4 1 =  = ▪ RC 并联网络半功率点带宽 BW ： RC BW 2 1 = ▪ 实际是传递函数曲线下面 的面积，其值稍大于网络的半 功率点通频带 。 BWn BW ▪ 右图所示 和 之间的 关系。由图可知，宽度为 的矩形面积与曲线下面的面积 是相等的。 BW BWn BWn W ( f ) v f BWBWn

342电子器件的噪声(*) (1)晶体管的噪声 电阻热噪声: 各电极的体电阻(基极体电阻) 自由电子热运动产生的噪声 6'b 476b△f 散粒噪声: 这是电子流的不均匀性引起的 en 2qlFAf' (白噪声) cno=2q/co 4f 分配噪声: 载流子在基区分配比例随机变化 所产生的噪声称为分配噪声。 q )△f 有色噪声) 1/∫噪声:低频时比较显著。在1KHz以上,则可以忽略 (有色噪声) 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 8 3.4.2 电子器件的噪声（*） （1）晶体管的噪声 ▪ 电阻热噪声： 各电极的体电阻（基极体电阻） 自由电子热运动产生的噪声。 v kTr f b b = b'b  2 ' 4 ▪ 散粒噪声： 这是电子流的不均匀性引起的。 （白噪声） i qI f en = 2 E  2 i qI f cn = 2 co 2 0 ▪ 分配噪声： 载流子在基区分配比例随机变化 所产生的噪声称为分配噪声。 （有色噪声） i qI f en = 2 C (1− ) 0 2 2   ▪ 1 / f 噪声：低频时比较显著。在1KHz以上，则可以忽略。 （有色噪声）

342电子器件的噪声(续) (2)场效应管的噪声 沟道热噪声: 2 由导电沟道电阻产生的噪声 4kTGn△f 与一般电阻不同,沟道电阻的 大小是受到栅极电压控制 Gm:场效应管的转移跨导 栅极散粒噪声: 是由于栅极内电荷不规则起伏 d= 2 qlgAf 引起的。(白噪声) Ⅰ:栅极泄漏电流 栅极感应噪声: 沟道中的起伏噪声通过沟道与栅极之间的电容,在栅极上感 应产生的噪声。工作频率越高,该噪声影响越大 (有色噪声) 1/∫噪声:与双极型晶体管一样,场效应管也存在1/噪声, 其产生机理和形态与双极晶体管大致相同。(有色噪声) 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 9 3.4.2 电子器件的噪声（续） （2）场效应管的噪声 ▪ 沟道热噪声： 由导电沟道电阻产生的噪声。 与一般电阻不同，沟道电阻的 大小是受到栅极电压控制。 i kTG f nd = 4 m  2 Gm ：场效应管的转移跨导。 ▪ 栅极散粒噪声： 是由于栅极内电荷不规则起伏 引起的。 （白噪声） i qI f nd = 2 G  2 ：栅极泄漏电流。 G I ▪ 栅极感应噪声： 沟道中的起伏噪声通过沟道与栅极之间的电容，在栅极上感 应产生的噪声。工作频率越高，该噪声影响越大。 （有色噪声） ▪ 1 / f 噪声：与双极型晶体管一样，场效应管也存在1/f噪声， 其产生机理和形态与双极晶体管大致相同。 （有色噪声）

343噪声系数 返回 P/P O no 标准信号源 放大器 R D R pm R (1)噪声系数的几种描述(输出噪声功率,输出信噪比) 在标准信号源激励下,网络输入 信噪比与其输出信噪比的比值。 F Pipli P/P 即信噪比变坏的程度 nO 有R产生的白噪声的信号源。8,内阻欢。,并仅含 “标准信号源”是指信号电压 4kR△f 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 10 3.4.3 噪声系数 ▪ 在标准信号源激励下，网络输入 信噪比与其输出信噪比的比值。 即信噪比变坏的程度。 Rg g v 2 n v Psi Pni / Pso Pno / Ri Ro RL Fn GpmPnA 放大器 标 准 信 号 源 so no si ni n P P P P F / / = ▪ “标准信号源”是指信号电压为 ，内阻为 ，并仅含 有 产生的白噪声的信号源。 g v Rg Rg v kTR f n = 4 g  2 （1）噪声系数的几种描述（输出噪声功率，输出信噪比） 返回