Transcript 5.3 晶体管与场效应管的噪声 - Dr. Si, Pengbo

通信电路原理
第五章 放大电路的噪声
司鹏搏
综合楼825
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第五章 放大电路的噪声
主要内容
• 5.1 概述[2]
• 5.2 起伏噪声[2]
• 5.3 晶体管与场效应管的噪声[3]
• 5.4 信噪比和噪声系数[1]
• 5.5 放大器的噪声系数[3]
• 5.6 线性系统低噪声设计的考虑[3]
第五章 放大电路的噪声
本章重点
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 热噪声的分析
– 对元器件的噪声、放大电路的噪声有较全
面的认识
– 掌握信噪比和噪声系数的定义和分析、应
用方法
第五章 放大电路的噪声
5.1 概述
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 噪声（干扰）分类
– 外部干扰
• 天电干扰（宇宙射线、大气.../脉冲型干扰）
• 工业干扰（电火花、开关.../脉冲型干扰）
• 无线电波（正弦型干扰）
– 内部噪声与干扰
• 电源干扰 (本身、外部干扰的通路)
• 调制的量化噪声 (模/数变换时产生)
• 电阻、晶体管的热噪声(起伏噪声、随机噪声、
白噪声)
第五章 放大电路的噪声
噪声对信号的干扰
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 克服方法
– 屏蔽、电路系统的良好设计、及元器件的性
能等
第五章 放大电路的噪声
5.2 起伏噪声
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 短时间内
– 正、负值的无规则起伏电流
• 长时间统计
– 满足正态分布
– 各方向运动的概率相同,电流均值为零,但均
方值(功率)不为零。因此,可通过噪声电流、
噪声电压或噪声电动势的均方值(功率)来衡
量噪声的大小
– 实验表明, 起伏噪声的功率谱密度在0~107
MHz频谱范围内均匀分布, 且近似为常数
n0[Ｗ]。可用 n0来衡量起伏噪声的大小
第五章 放大电路的噪声
一、 电阻及阻抗的热噪声
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 电阻的热噪声
–
–
–
–
–
–
噪声电压均方值
4KTRΔf
噪声电流均方值
4KTGΔf
功率谱密度n0 WR(f)=4KTR
式中
• K为波尔兹曼常数1.38×10-23J/K
• T为电阻的绝对温度
• Δf为电路带宽或等效噪声带宽
• 阻抗的热噪声
– 纯电抗（无损耗）不会产生热噪声
第五章 放大电路的噪声
二、 阻抗回路的热噪声
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• LRC回路的热噪声(图5-3 p172)
• 等效噪声噪声带宽
• Bn=Δfn =1.57B0.7
第五章 放大电路的噪声
5.3 晶体管与场效应管的噪声
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 晶体管噪声
– 热噪声
• 由接线电阻和rb'e、rbb'等产生， rbb'较大(影响最大)。故低
噪声晶体管要求rbb'较小。
– 散粒（散弹）噪声
• 载流子随机地通过PN结, 到达集电极的载流子数目(ic) 在
平均值上下起伏, 其分布类似热噪声。
• ∵ 散粒噪声大小∝ic工作，∴ 放大器的前级应小电流工作
(几十μA级)
– 分配噪声
• 由发射极注入基区的载流子向集电极和基极分配的比例
存在随机性
• 有色噪声，随工作频率上升加大，6dB/10 oct
– 1/f 噪声(闪烁噪声）10~1000Hz
第五章 放大电路的噪声
场效应管的噪声
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 沟道热噪声
– 与正向转移跨导gm成正比
• 栅极感应噪声
– 与 f工作、Cgs成正比、与gm成反比
• 栅极散粒噪声
– 结型场效应管∝栅级漏电流
– MOS效应管可忽略
• 1/f 噪声(闪烁噪声）
– 结型场效应管：100~1000Hz
– MOS效应管：100~1MHz
第五章 放大电路的噪声
5.4 信噪比与噪声系数
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 信号噪声比（信噪比）
• 例：
– 甲网络输出信噪比
– 乙网络输出信噪比
• 则：
– 甲网络输出信噪比优于乙网络
– 因两网络的输入信噪比可能不同，不能断定甲网
络系统的噪声性能一定优于乙网络
第五章 放大电路的噪声
二、噪声系数
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 噪声系数的基本定义
– 大于等于1
• 含网络功率增益Kp的Nf 表示式
第五章 放大电路的噪声
二、噪声系数
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 设网络本身产生的噪声，在输出端等效为Pnn
• 则Pno=Pni·Kp + Pnn
• 对于理想网络： Pnn = 0 ，Nf =1
• 对于实际网络： Pnn > 0 ，Nf >1
– (实际网络中, 输入信噪比大于输出信噪比)
第五章 放大电路的噪声
三、噪声温度
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 等效噪声温度Te=T(Nf -1)=290 (Nf -1) K
– 对于理想网络：Te = 0 ，Nf = 1
– 对于实际网络：Te > 0 ，Nf > 1
• 例：令 T = 290 K (17摄氏度）
– Nf = 0.5dB (Nf =1.12), Te = 35 K
– Nf = 0.8dB (Nf =1.21), Te = 61 K
– Nf = 3 dB
(Nf = 2 ), Te = 290 K
– Nf = 7 dB
(Nf = 5 ), Te = 1160 K
第五章 放大电路的噪声
四、多级放大器的噪声系数
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 一般情况，APA的乘积很大，所以多级放大器
的噪声主要取决于系统的第一、二级
第五章 放大电路的噪声
五、 接收机的灵敏度
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 在规定的输出信噪比时，接收机所需
最小的 输入信号电压(功率)，定义为
接收机的灵敏度
第五章 放大电路的噪声
5.5 放大器的噪声系数
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 晶体管噪声等效电路（图 5-8 p182)
第五章 放大电路的噪声
放大器的噪声系数
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 令信号源内阻RS>>rbb' , f << fT
最佳信号源内阻RSopt
(图5-9 p183)
最佳集电极电流Icopt
(图5-10 p183)
第五章 放大电路的噪声
5.6 线性系统低噪声设计的考虑
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 低噪声放大器的设计考虑
– 低噪声、高增益的前级放大电路
– 低噪声的元器件, rbb'小、fT高、hfe大
– 正确选择晶体管放大器的直流工作点(Icopt)
– 选择合适的信号源内阻(RSopt)
– 降低噪声温度
第五章 放大电路的噪声
5.6 线性系统低噪声设计的考虑
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
– 用窄带滤波器滤除大幅度的脉冲干扰 (图
5-11 p186)
• 接收机低噪声设计考虑
– 减少接收天线的馈线长度 (p180 ,例2)
– 提高天线增益
第五章 放大电路的噪声
小结
5.1 概述
5.2 起伏噪声
5.3 晶体管与
场效应管
的噪声
5.4 信噪比和
噪声系数
5.5 放大器的
噪声系数
5.6 线性系统
低噪声设
计的考虑
• 5.1 概述[2]
• 5.2 起伏噪声[2]
– 理解起伏噪声
• 5.3 晶体管与场效应的噪声[3]
– 晶体管噪声:1.热噪声 2.散粒噪声
• 5.4 信噪比和噪声系数[1]
– 掌握定义和分析、应用方法
– 接收机的灵敏度定义
• 5.5 放大器的噪声系数[3]
• 5.6 线性系统低噪声设计的考虑[3]
– 理解低噪声放大器的设计考虑