高頻放大器1電阻的熱噪聲電子器件的噪聲噪聲系數(shù)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)接收機(jī)的靈敏度與最小可檢測(cè)信號(hào)噪聲溫度低噪聲放大器(*)－－討論噪聲的來(lái)源、大小和度量方法，減小噪聲措施3.6放大器的噪聲23.6.1干擾與噪聲進(jìn)入通信系統(tǒng)接收端的信號(hào)，除了有用信號(hào)外，還包含各種干擾和噪聲---干擾有用信號(hào)的不期望的擾動(dòng)。一般稱外部來(lái)的為干擾，內(nèi)部產(chǎn)生的為噪聲也有稱有規(guī)律的無(wú)用信號(hào)為干擾，隨機(jī)起伏的無(wú)用信號(hào)為噪聲這些干擾與噪聲對(duì)系統(tǒng)傳輸信號(hào)的能力，特別是處理弱信號(hào)的能力，將產(chǎn)生極為不利的影響。噪聲限制了一個(gè)電路能夠處理的最小信號(hào)電平干擾和噪聲具有不同的表現(xiàn)形態(tài)沖擊窄脈沖：雷電干擾，工業(yè)電火花連續(xù)電振蕩：鄰近信道/設(shè)備干擾，自激振蕩干擾隨機(jī)噪聲：不規(guī)則電擾動(dòng)，幅度不大，頻率范圍很寬3干擾與噪聲概述通信系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲可以來(lái)自系統(tǒng)外部，也可以由設(shè)備本身產(chǎn)生系統(tǒng)外部：宇宙噪聲、大氣噪聲；天線噪聲設(shè)備本身產(chǎn)生的噪聲：來(lái)源于電路器件。主要由電阻內(nèi)電子的熱運(yùn)動(dòng)和電子器件內(nèi)部的帶電粒子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。是電路固有的,隨機(jī)的.隨機(jī)噪聲只能用概率分布或功率譜函數(shù)表示（可以避免疊加時(shí)相位的不確定性）。白噪聲：功率譜密度（單位頻帶內(nèi)的功率）在整個(gè)頻段內(nèi)為恒定值（均勻的）的噪聲－－類比于白光；有色噪聲:

在有效頻帶內(nèi)，功率譜分布不均勻的噪聲噪聲系數(shù)與非線性失真是評(píng)價(jià)射頻系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。43.6.2.電阻熱噪聲（1）電阻熱噪聲的主要特性

噪聲的計(jì)量：

在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，噪聲電流（或電壓）的平均值趨于零。－－不反映噪聲強(qiáng)弱。

噪聲功率則趨于一有限值－－用功率和功率譜計(jì)量。

噪聲功率也用噪聲電壓方均值表示。

噪聲電流（或電壓）一隨機(jī)的電振動(dòng)

,在某平均值上下連續(xù)不規(guī)則起伏變化（1電阻上的功率）表示1電阻上的噪聲平均功率5(1)電阻熱噪聲產(chǎn)生機(jī)理自由電子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)。自由電子與晶格碰撞，產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間很窄的電脈沖。－－頻譜很寬電阻熱噪聲是無(wú)數(shù)個(gè)電脈沖疊加的結(jié)果。電阻熱噪聲的功率譜密度：

單位頻帶（即每Hz）內(nèi)噪聲功率K為波爾茲曼常數(shù)：T為絕對(duì)溫度

T(K)=T(c)+273

為自由電子每秒鐘的碰撞次數(shù)。電阻熱噪聲的功率譜密度與電阻大小及所處溫度有關(guān)與頻率無(wú)關(guān)電阻熱噪聲產(chǎn)生機(jī)理6(2)白噪聲與有色噪聲

電阻熱噪聲為白噪聲，因?yàn)槠涔β首V密度在很寬的頻率范圍內(nèi)均為有色噪聲：白噪聲通過(guò)有限頻帶網(wǎng)絡(luò)后，變成了有色噪聲。

Wo(f)為輸出功率譜密度。為線性系統(tǒng)的功率傳輸函數(shù)噪聲功率：7(3)等效噪聲帶寬與半功率點(diǎn)頻帶等效噪聲帶寬是高度為

（系統(tǒng)在原點(diǎn)或中心頻率的功率傳輸系數(shù)），寬度為的矩形的寬度。矩形面積實(shí)際上是傳遞函數(shù)曲線下面的面積。

值稍大于網(wǎng)絡(luò)的半功率點(diǎn)通頻帶，若網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性接近矩形，則等效噪聲帶寬與半功率點(diǎn)通頻帶相等。寬度為的矩形面積與曲線下面的面積是相等的。

8（4）電阻的噪聲等效電路與噪聲功率計(jì)算電阻噪聲功率計(jì)算：設(shè)為等效噪聲帶寬，則返回思考：電阻并聯(lián)形式的噪聲計(jì)算？*帶寬越寬噪聲功率越大電阻的噪聲等效電路兩個(gè)串聯(lián)電阻在頻帶內(nèi)的噪聲功率9

并聯(lián)電路如圖，求端口噪聲電壓均方值。(純電抗無(wú)噪）理想網(wǎng)絡(luò)（無(wú)噪聲）解：將有噪電阻表示為噪聲源與無(wú)噪電阻串聯(lián)的等效電路，如圖所示。則無(wú)噪電阻與為一理想網(wǎng)絡(luò)，其傳遞函數(shù)為：

輸出不是白噪聲！(5)白噪聲通過(guò)RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)10并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲頻帶

并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等效噪聲帶寬：方法2比較：

并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)半功率點(diǎn)帶寬：

等效噪聲頻帶比半功率點(diǎn)帶寬大倍方法111LC并聯(lián)諧振回路的噪聲無(wú)噪理想電抗元件不產(chǎn)生噪聲，但實(shí)際的電感器和電容器，因存在一定的損耗電阻或漏電導(dǎo)，因此是一有噪元件。諧振電阻結(jié)論：LC并聯(lián)諧振回路的熱噪聲電壓均方值等于諧振電阻在等效噪聲帶寬上產(chǎn)生的噪聲功率。12（6）電阻的噪聲等效電路與計(jì)算－結(jié)論多個(gè)電阻串聯(lián)后總的噪聲電壓均方值，等于串聯(lián)總電阻產(chǎn)生的噪聲電壓均方值（因?yàn)椴煌娮璧臒嵩肼暿墙y(tǒng)計(jì)獨(dú)立的）。并聯(lián)電阻類似。噪聲等效電路是將電路元件產(chǎn)生的噪聲用電壓源或電流源表示，而將電路元件視作無(wú)噪的電路。理想電抗元件不產(chǎn)生噪聲，實(shí)際電抗元件噪聲可視作其損耗電阻產(chǎn)生的，如RLC回路的諧振電阻。RC、LRC網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲帶寬都等于，即網(wǎng)絡(luò)3dB帶寬的倍。當(dāng)其幅頻特性近似為矩形時(shí)，兩種帶寬相等，在系統(tǒng)中常用3dB帶寬作為噪聲帶寬進(jìn)行計(jì)算。公式中R可為總電阻，為等效噪聲帶寬。13

3.6.3.電子器件的噪聲（1）晶體管的噪聲－－主要4種

電阻熱噪聲：各電極的體電阻（基極體電阻）自由電子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。

散粒噪聲：兩個(gè)PN結(jié)的噪聲，與晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)電流有關(guān)。（白噪聲）q為電子電量

分配噪聲：（有色噪聲）載流子在基區(qū)分配比例隨機(jī)變化所產(chǎn)生的噪聲稱為分配噪聲。

1/f噪聲：低頻時(shí)比較顯著。在1KHz以上，則可以忽略。（有色噪聲）14電子器件的噪聲（續(xù)）（2）場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲

溝道熱噪聲：由導(dǎo)電溝道電阻產(chǎn)生的噪聲。與一般電阻不同，溝道電阻的大小是受到柵極電壓控制。：場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移跨導(dǎo)。

柵極散粒噪聲：是由于柵極內(nèi)電荷不規(guī)則起伏引起的。（白噪聲）：柵極泄漏電流。

柵極感應(yīng)噪聲：（有色噪聲）溝道中的起伏噪聲通過(guò)溝道與柵極之間的電容，在柵極上感應(yīng)產(chǎn)生的噪聲。工作頻率越高，該噪聲影響越大。

1/f噪聲：比雙極型晶體管更顯著。（有色噪聲）（大的柵面積和簿的柵極介質(zhì)可降低閃爍噪聲。)153.6.4.噪聲系數(shù)－－衡量系統(tǒng)噪聲性能優(yōu)劣的指標(biāo)（1）定義：在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源激勵(lì)下，網(wǎng)絡(luò)輸入信噪比與其輸出信噪比的比值。即信噪比惡化（變壞）的程度。放大器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源“標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源”是指信號(hào)電壓為，內(nèi)阻為，并僅含有產(chǎn)生的白噪聲的信號(hào)源。1、噪聲系數(shù)的幾種描述（信噪比、噪聲功率、額定功率）返回16(1)、噪聲系數(shù)的幾種描述（續(xù)1）（3）網(wǎng)絡(luò)輸出端的輸出噪聲功率由兩部分構(gòu)成，即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)后的輸入噪聲功率和網(wǎng)絡(luò)附加的噪聲功率。（2）網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲功率與輸入噪聲功率在輸出端的比值。可見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源很重要。為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各有噪元件產(chǎn)生的噪聲功率在其輸出端的反映。上式表明，任何實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)，都是在理想網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)（=1）的基礎(chǔ)上，加上某一噪聲系數(shù)的增量。該增量與成正比，與和成反比。17

(2)Fn用額定功率和額定功率增益表示信噪比的特點(diǎn)分析在計(jì)算輸入信噪比時(shí)，與和之間是否匹配無(wú)關(guān)。在計(jì)算輸出信噪比時(shí)，與輸出端是否匹配無(wú)關(guān)。

額定功率（資用功率）和額定功率增益額定功率是指信號(hào)源（包括噪聲源）能夠輸出的最大功率。額定功率增益是指放大器輸入端和輸出端分別匹配時(shí)的功率增益。噪聲系數(shù)圖額定噪聲功率18額定功率與負(fù)載上實(shí)際得到的功率是兩個(gè)不同的概念，額定功率與負(fù)載大小無(wú)關(guān)，而實(shí)際功率則與負(fù)載有關(guān)。當(dāng)輸入端為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源時(shí)，由于電路的同一端口，信號(hào)與噪聲的失配相同，F(xiàn)可用實(shí)際輸入、輸出信噪比表示，也可用額定的輸入、輸出信噪比表示。后者具有運(yùn)算簡(jiǎn)便、通用的優(yōu)點(diǎn)。噪聲系數(shù)的概念僅僅適用于線性電路（線性放大），因線性電路可用功率增益描述。非線性電路信號(hào)和噪聲、噪聲和噪聲之間會(huì)相互作用，即使電路本身無(wú)噪聲，輸出信噪比也與輸入信噪比不同。--接收機(jī)噪聲系數(shù)指解調(diào)器以前的噪聲系數(shù)*說(shuō)明19(3)、無(wú)源網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的計(jì)算舉例：設(shè)網(wǎng)絡(luò)輸入端匹配設(shè)網(wǎng)絡(luò)輸出端匹配戴維南定理20無(wú)源四端網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的簡(jiǎn)化表示對(duì)于無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)輸入輸出端均匹配時(shí)，其額定噪聲輸入、輸出功率將滿足上式說(shuō)明，無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)等于其功率傳輸系數(shù)的倒數(shù)，或等于網(wǎng)絡(luò)的衰減L

。這是因?yàn)楫a(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)噪聲的有損元件，正是導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)衰減的因素。

舉例：求長(zhǎng)度為50m，衰減量為0.082dB/m高頻電纜的噪聲系數(shù)。解：50米電纜的總損耗為L(zhǎng)=50

0.082=4.1（dB）故其對(duì)應(yīng)衰減值為

Fn=L=2.5721(4)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)

和分別為兩網(wǎng)絡(luò)的額定功率增益。和分別為兩網(wǎng)絡(luò)在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源下測(cè)的噪聲系數(shù)。和分別表示兩網(wǎng)絡(luò)的附加噪聲功率。由網(wǎng)絡(luò)1網(wǎng)絡(luò)2得到：22級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)(續(xù)）23級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)（續(xù)）結(jié)論：級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)，主要由網(wǎng)絡(luò)前一、兩級(jí)的噪聲系數(shù)和功率增益確定。前一、兩級(jí)的噪聲系數(shù)越小，功率增益越高，則級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)就越小。依此類推，N級(jí)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的總的噪聲系數(shù)為：則級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲系數(shù)為：*公式中不能用dB數(shù)直接代入！24舉例：某接收機(jī)前端電路由混頻和中放組成。已知混頻器的噪聲系數(shù)為7，功率傳輸系數(shù)為0.2,中放的噪聲系數(shù)為3，功率增益求級(jí)聯(lián)后的噪聲系數(shù)；若在混頻器前加一高放，高放的噪聲系數(shù)為3dB，增益為10dB，問(wèn)此時(shí)級(jí)聯(lián)后的噪聲系數(shù)為多少？解：第一種情況混頻器中放第二種情況混頻器中放高放舉例253.6.5.接收機(jī)的靈敏度與最小可檢測(cè)信號(hào)靈敏度是當(dāng)接收端處于匹配時(shí)，為保證一定的輸出信噪比，接收端所需要的最小有用信號(hào)功率。由

接收機(jī)的最小可檢測(cè)信號(hào)電壓－匹配時(shí)式中為接收機(jī)的輸入電阻。得到：靈敏度計(jì)算公式：26接收機(jī)的靈敏度與最小可檢測(cè)信號(hào)（續(xù)）

舉例：輸入電阻為的接收機(jī)，噪聲系數(shù)為6dB，BW=1MZ。當(dāng)要求輸出信噪比為1，接收機(jī)的最小有用信號(hào)功率和電壓為多少？還可以表示為：解：噪聲系數(shù)為6dB，=4。當(dāng)輸入電阻為時(shí)，最小可檢測(cè)信號(hào)電壓為：：以為零電平的分貝。273.6.6.噪聲溫度

網(wǎng)絡(luò)的噪聲性能也用噪聲溫度表示（如天線噪聲或Fn小時(shí)）。但網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度不是該網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際物理溫度，而是用以表征該網(wǎng)絡(luò)噪聲性能的一種假想溫度。

實(shí)際網(wǎng)絡(luò)用一無(wú)噪聲網(wǎng)絡(luò)和一噪聲源等效。設(shè)是由信號(hào)源內(nèi)阻在一假想溫度下產(chǎn)生的噪聲電壓。此是網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度。28噪聲溫度（續(xù)）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)噪聲較小時(shí)，用噪聲溫度來(lái)表示分辨率高更方便舉例：=1.1=1.05

網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度與網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)的轉(zhuǎn)換輸入噪聲：To為系統(tǒng)工作溫度，通常內(nèi)部噪聲在輸出端：內(nèi)部噪聲在輸入端29級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度

兩級(jí)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度

兩級(jí)級(jí)聯(lián)總的等效噪聲溫度為

對(duì)于N級(jí)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，總的等效噪聲溫度為

30天線噪聲溫度接收天線位于接收機(jī)的輸入端，其噪聲大小對(duì)于通信質(zhì)量具有最大的影響。接收天線的噪聲除了其損耗元件產(chǎn)生的熱噪聲外，還包含來(lái)自天空、大氣的各種外部噪聲，而且后者在數(shù)值上要比熱噪聲大得多。天線的噪聲特性通常用其噪聲溫度表示。當(dāng)天線端口的輸出噪聲功率為時(shí)，天線噪聲溫度定義為

降低天線噪聲溫度的方法：提高天線增益與方向性，調(diào)整天線方位以避開(kāi)強(qiáng)噪聲源等。313.6.7.低噪聲放大器的設(shè)計(jì)晶體管放大器的噪聲系數(shù)共基極放大器的噪聲等效電路等效電路中四個(gè)噪聲源基本上是彼此獨(dú)立的。這里先不考慮1/f噪聲的影響。32晶體管放大器的噪聲系數(shù)（續(xù)1）

信號(hào)源內(nèi)阻

的熱噪聲電壓方均值?；鶚O電阻

的熱噪聲電壓方均值。發(fā)射結(jié)的散粒噪聲。集電結(jié)的分配噪聲。晶體管放大器的噪聲系數(shù)33晶體管放大器的噪聲系數(shù)（續(xù)2）討論：噪聲系數(shù)與工作頻率的關(guān)系工作頻率較低時(shí)，噪聲系數(shù)幾乎與工作頻率無(wú)關(guān)。主要是基極電阻的熱噪聲和散粒噪聲，是白噪聲。工作頻率較高時(shí)，噪聲系數(shù)隨工作頻率增加而增加。這是高頻區(qū)，除熱噪聲和散粒噪聲外，主要是分配噪聲。工作頻率很低時(shí)，噪聲不可忽略。附錄3.2.134與信號(hào)源內(nèi)阻的關(guān)系

放大器噪聲系數(shù)是的函數(shù)

有一個(gè)最佳值使放大器噪聲系數(shù)為最小

與晶體管的工作狀態(tài)有關(guān)

噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)放大器噪聲系數(shù)是和等晶體管參數(shù)的函數(shù)，而兩者均與晶體管的工作狀態(tài)有關(guān)。放大器的最佳工作狀態(tài)可由實(shí)驗(yàn)方法確定。附錄3.2.1晶體管放大器的噪聲系數(shù)(續(xù)3）由文獻(xiàn)查得雙極型晶體管35場(chǎng)效應(yīng)管放大器的噪聲系數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲有四個(gè)來(lái)源：柵極散粒噪聲；溝道熱噪聲；

柵極感應(yīng)噪聲和1/f噪聲。笫一種和笫二種噪聲是主要的，尤其以笫二種噪聲最重要。笫二種噪聲的場(chǎng)效應(yīng)管噪聲等效電路見(jiàn)下圖。計(jì)算放大器的噪聲系數(shù)，可以將噪聲源折合到放大器的輸出端或輸入端，這里是折合到輸入端。信號(hào)源用電流源表示。36場(chǎng)效應(yīng)管放大器的噪聲系數(shù)（續(xù)）

MOS管放大器的最佳信號(hào)源電導(dǎo)為最小噪聲系數(shù)--即所謂噪聲匹配的典型值為4~6；的典型值為2~3

c是溝道熱噪聲與柵極感應(yīng)噪聲的相關(guān)系數(shù)是下的跨導(dǎo)。

是MOSFET最高工作頻率37低噪聲放大器（LNA）的阻抗匹配

為得到MOS場(chǎng)效應(yīng)管放大器的最小噪聲系數(shù)，信源內(nèi)阻有一個(gè)最佳值。但是信源內(nèi)阻為最佳值時(shí)，放大器的輸入阻抗不一定恰好與信源匹配，因而這時(shí)的功率增益不是最大。為兼顧兩者，可以采用一些措施。

右圖所示是一種最簡(jiǎn)單的方法。令，即實(shí)現(xiàn)放大器的輸入阻抗與信源匹配。該方法存在兩個(gè)問(wèn)題：并聯(lián)電阻是一個(gè)實(shí)際電阻，存在電阻熱噪聲，會(huì)影響放大器的噪聲系數(shù)。并聯(lián)電阻會(huì)消耗功率，這就影響放大器的功率增益。最有效辦法的是采用電感負(fù)反饋的方法。38低噪聲放大器的阻抗匹配（續(xù)）

采用電感負(fù)反饋的共源放大器信源內(nèi)阻，匹配電感

實(shí)際是一個(gè)串聯(lián)諧振回路，中的等效電阻項(xiàng)是：。這個(gè)等效電阻可以實(shí)現(xiàn)與信源的匹配；這個(gè)等效電阻不是一個(gè)實(shí)際電阻，所以不會(huì)產(chǎn)生熱噪聲，也不會(huì)消耗功率；近似地說(shuō)，所采用的電感也不會(huì)產(chǎn)生噪聲。39GSM手機(jī)的LNA電路FL451、Fl452：陶瓷濾波器或聲表濾波器，頻率范圍935－960MHz，中心頻率947.4MHz,損耗3.5dB。FL453,陶瓷濾波器或聲表濾波器頻率范圍782－807MHz（VCO）。EN：接收時(shí)為高電平。L413與管子輸入電容在工作頻率上諧振，并與FL451輸出阻抗匹配。L412、R432交流上并在管子輸出端，與輸出電容諧振，并與FL452輸入端匹配。40

3.6.8.減少噪聲系數(shù)的措施選用低噪聲器件和元件選用和噪聲系數(shù)小的晶體管。選用場(chǎng)效應(yīng)管（砷化鎵金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管）。謹(jǐn)慎選用電阻元件，選用金屬膜電阻。正確選擇晶體管放大器的直流工作點(diǎn)對(duì)不同的信號(hào)源內(nèi)阻，最佳的是不同的。用改變的方法耒獲得低噪聲放大。選擇合適的信號(hào)源內(nèi)阻信源內(nèi)阻有最佳值，使噪聲系數(shù)最小。41減少噪聲系數(shù)的措施（續(xù)）選擇合適的工作帶寬選用具有高增益、低噪聲的前級(jí)放大電路熱噪聲是主要來(lái)源之一，所以降低接收機(jī)前端主要器件的