前M第3章宽带放大器 3.1引言 32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 34放大器的噪声 35宽带功率放大器(*
第3章 宽带放大器 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 3.4.4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 34.7低噪声放大器的设计
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
34.1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 值趋于零 Pn=7J。v2()d 噪声功率P则趋于一有限值 噪声功率也用方均值ν2表示 电阻热噪声产生机理: v4(tdt 7→>TJ0 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z=1013~104s 的电脉冲。 电阻热噪声是无数个电脉冲叠加的结果
3 3.4.1 电阻的热噪声 （1）电阻热噪声的主要特性 t v (t) n 0 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。 噪声功率也用方均值 vn 2 表示。 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
电阻热噪声的功率谱密度 4k TR H,(f) 电阻热噪声的功率谱密度W,() 或噪声电压功率谱密度 单位是WHz W,()=4kTR 右式,=103~104为自由电子W()B(o)形() 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4kTRw( 故类比光学中的白色光功率谱在 (o)形O) 可见光频段内均匀分布的特点, 命名这种噪声为“白噪声”。 W。(f)=|H(∥)W,(f) 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
4 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:vn=lim v(t)dt T→>T 从频域角度得到:W(f)=4k7R v2=∫W()H(m)d=4 KTRA R R R 等效为(无噪) (无噪) (有噪) >W(0 或 R R (有噪) V1+1 (无噪) n 2 R 2 等效为 4K/R△f (有噪) R=R21+R2
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：
34.2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。 6'b 4kThn,1△f 散粒噪声: 这是电子流的不均匀性引起的 2q/eAf (白噪声) 0=2q4f 分配噪声 载流子在基区分配比例随机变化2 2 所产生的噪声称为分配噪声 2ql(1-+)△ 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) 6
6 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）
(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。 4kTGmAf 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: =2qlGAf 是由于栅极内电荷不规则起伏 引起的。(白噪声) 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/f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)7
7 （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 n d = 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 I G ：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 / 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）
34.3噪声系数 R g 标准信号源 放大器 R pm R R (1)噪声系数的几种描述 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=Psi/Pni P/P 即信噪比变坏的程度。 SO 10 标准信号源”是指信号电压为g,内阻为R。,并仅含 g 有R产生的白噪声的信号源。 g =4TR2△ g 8
8 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 s o n o si ni n P P P P F / / = （1）噪声系数的几种描述： “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
网络输出噪声功率与输入噪声功率Fn=GpPm nO 在输出端的比值。可见标准信号源 很重要。 网络输出端的输出噪声功率由两部分构成,即通过网络后的 输入噪声功率和网络附加的噪声功率PnA 170 Gp Pi+P PnA为网络内部各有噪元件产生的噪声功率在其输出端的反 映 F=1+ GpP 上式表明,任何实际网络的噪声系数,都是在理想网络噪声 系数(Fn=1)的基础上,加上某一噪声系数的增量。该增量 与PnA成正比,与Gp和Pn成反比 9
9 网络输出端的输出噪声功率由两部分构成，即通过网络后的 输入噪声功率和网络附加的噪声功率 。 PnA Pno = GP Pni + PnA 网络输出噪声功率与输入噪声功率 在输出端的比值。可见标准信号源 很重要。 P ni n o n G P P F = 为网络内部各有噪元件产生的噪声功率在其输出端的反 映。 PnA P ni n A n G P P F =1+ 上式表明，任何实际网络的噪声系数，都是在理想网络噪声 系数（ =1）的基础上，加上某一噪声系数的增量。该增量 与 成正比，与 和 成反比。 Fn PnA GP Pni
(2)噪声系数的计算:P R 信噪比的特点分析 R。+R n 2g2m R R。+R g 在计算输入信噪比时,与R和R.之间是否匹配无关。 在计算输出信噪比时,与输端是香匹配无关。 额定功率和额定功率增益 额定功率是指信号源(包括噪声源)能够输出的最大功率。 额定功率增益是指放大器输入端和输出端分别匹配时的功 率增益。 P/P sin nim som no sim 10
10 （2）噪声系数的计算： 信噪比的特点分析 ( ) i g i g si R R R v P 2 2 + = ( ) i g i n ni R R R v P 2 2 + = n i g si ni v v P P 2 2 / = 在计算输入信噪比时，与 和 之间是否匹配无关。 在计算输出信噪比时，与输出端是否匹配无关。 Rg Ri 额定功率和额定功率增益 额定功率是指信号源（包括噪声源）能够输出的最大功率。 额定功率增益是指放大器输入端和输出端分别匹配时的功 率增益。 som nom sim nim n P P P P F / / = sim som pm P P G =