(1.3)--高频电子线路高频电子线路.pdf
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1、第三章 放大电路的噪声1.基本内容 噪声是在放大电路自身内部产生的,表现在电子设备输出端的一种随机变化的非有用的 电流或电压。有无有用信号它都是存在的。本章主要研究噪声的来源和特点、元器件的噪声、电路噪声的计算、噪声系数的概念及 计算,给放大电路的设计打下基础。2.基本要求(1)理解并掌握噪声的来源和特点。(2)掌握电路噪声的计算。(3)噪声系数及计算。3.1放大电路内部噪声的来源和特点 放大电路的噪声主要来源于包括输入变换在内的电阻热噪声和放大器件的噪声。3.1.1电阻的热噪声 一个电阻在没有外加电压时,电阻材料的自由电子要作无规运动,运动过程会在电阻两 端产生很小的电压,就一段较长时间来看
2、,出现正负电压的概率相同,因而两端的平均电压 为零。但就某一瞬时来看,电阻两端电压的大小和方向是随机变化的。这种因热而产生的起 伏电压称为电阻的热噪声。噪声电压un(t)是随机变化的,实践和理论分析,它们的规律性可以用概率特性和功率谱 密度来描述,如电阻热噪声电压。图31电阻热噪声电压波形un(t)具有很宽的频谱,各个频率分量是相等的,如图32所示。图32 电阻热噪声 噪声电压un(t)的统计平均值为零。un(t)平方后再取其平均值,称为噪声电压的方均值,即(31)噪声电压作用于1电阻上的平均功率为(32)若以S(f)df表示频率在f与f+df之间的平均功率,则总的平均功率为(33)可得(34
3、)式中,S(f)称为噪声功率谱密度,单位为W/HZ。因此,电阻热噪声可以用功率谱的形式来表征。即热噪声的频谱在极宽的频带内具有均 匀的功率谱密度。热运动理论和实践证明,电阻热噪声功率谱密度为S(f)=4kTR(35)式中,k=1.381023J/K为波尔兹曼常数;T为电阻的绝对温度值(K)。因为功率谱密度表示单位频带内的噪声电压方均值,故噪声电压的方均值 为(36)或表示为噪声电流的方均值(37)式中,电路的等效噪声带宽,单位为Hz。电阻的热噪声可以用一个噪声电压源和一个无噪声的电阻R串联等效,也可以用一个噪 声电流源和一个无噪声的电导 g并联等效。因功率与电压或电流的方均成正比,电阻热噪声
4、也可以看成是噪声功率源。3.1.2 晶体三极管的噪声 晶体三极管的噪声主要有四个来源。1热噪声 晶体三极管的热噪声主要是基区电阻 产生的热噪声。用噪声功率谱密度表示为2散粒噪声 少数载流子由发射极通过PN结注入基区时,在单位时间内注入的载流子数不同,是随 机起伏的。这种起伏会影响到集电极电流的起伏,由此引起的噪声叫散粒噪声。3分配噪声 晶体管发射区注入到基区的少数载流子中,一部分经过基极区到达集电极形成集电极电 流,一部分在基极区复合。载流子复合时,其数量是随机起伏的。分配噪声就是集电极电流 随基区载流子复合数量的变化而变化所引起的噪声。4闪烁噪声 闪烁噪声又称为1/f噪声。主要在低频(几千赫
5、以下)范围起主要作用。这种噪声产生 的原因与半导体材料制作时表面清洁处理和外加电压有关,在高频工作时通常不考虑它的影 响。3.1.3 场效应管的噪声 在场效应管中,因为其工作原理不是少数载流子的运动,所以散粒噪声的影响很小,主要是 沟道电阻产生的热噪声,还存在闪烁噪声。3.2电路噪声的计算3.2.1 噪声等效电压源和等效电流源un(t)在 频带内,温度为T 的电阻的热噪声可用如图 23 所示的等效电路表示。其等 效电压源如图33。33 噪声的等效电路 等效电压源;等效电流源。3.2.2 串并联电阻的噪声计算 计算两个串联电阻的总噪声电压,在两个噪声源互不相关的条件下,不能直接把噪声 电压相加,
6、而只能把产生噪声的两个源的功率相加(或将两个噪声电压的方均值相加)。其等效 噪声电路如图34(a)所示,其中 和 分别代表电阻R1和R2的噪声电压的方均值。在T和 相同的条件下,可得(38)图34(a)串联电阻的等效噪声电路 同理,并联电阻R1和R2的等效噪声电路如图34(b)所示,图34(b)并联电阻的等效噪声电路 所以 可见,两个并联电阻输出的总噪声电压方均值相当于两个电阻并联阻值所产生的热噪 声。3.2.3 放大电路噪声的表示方法及计算1等效噪声频带宽度 电阻热噪声是白噪声通过线性二端口网络后,设二端口网络的电压传输系数为A(f),输 入端的噪声功率谱密度为Si(f)。把输入时噪声功率谱
7、密度乘以网络的功率传输系数A2(f),即 可得输出端的噪声功率谱密度So(f):(39)因此,作用于输入端功率谱密度为Si(f)的白噪声,通过功率传输系数为A2(f)的线性网 络后,输出端的噪声功率谱密度就不再是均匀的了。图 35 所示是白噪声通过线性网络的输 出结果。由对于线性网络来说,输出端的噪声电压方均值 可写成(310)图35中,So(f)曲线与横座标轴f之间的面积就表示输出端噪声电压的方均值。等 效 噪 声 带 宽 是 按 噪 声 功 率 相 等(几 何 意 义 即 面 积 相 等)来 等 效 的。图35白噪声通过线性网络 图 35 中虚线表示的宽度为、高度为 的矩形面积与曲线 下的
8、面积相 等。即为等效噪声带宽。(311)将式(310)代入式(311)中,可得(312)由式(310),线性网络输出端的噪声电压方均值为(313)因为Si(f)=4kTR,所以(314)通常,A2(fo)是已知的。所以,只要求出,就很容易算出。对于其它噪声源来说,只要噪声功率谱密度是均匀的白噪声,都可以应用 来计算其通过线性网络后输出噪声电 压的方均值。线性网络的等效噪声带宽 与信号通频带 是不同的两个概念。前者是从噪声的 角度引出来的,而后者是对信号而言的。但二者之间有一定的关系。对于常用的单调谐并联 谐振回路来说,。随着级数m的增加,等效噪声带宽与信号通频带的差别 越来越小。3.3 噪声系
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