第四讲 电子噪声.
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1、2.2 电 噪 声 一、概述 干扰或噪声, 是除有用信号以外的一切不需要的信号及各种电磁骚动的总称。 二、电子噪声的来源与特性 1. 电阻热噪声 1) 热噪声电压和功率谱密度 kTBRdtuTLimUnTn4120222211()exp()22nnnnuP eUU249250图图2-30 电阻热噪声电压波形电阻热噪声电压波形式中，k为波尔茨曼常数，T为绝对温度（K），R为电阻的阻值。G(f )是与频率无关的常量，所以视为白噪声。231.37 10kJ K图图 2-31 电阻热噪声等效电路电阻热噪声等效电路 )/(4)/(422HzAkTGSHzVkTRSIU 均方电压谱密度 均方电流谱密度25
2、1252 ( 2-51)和(2-52)两式表明，噪声电压或噪声电流的均方值大小与温度有关，要降低给定电阻上的热噪声电压或热噪声电流的有效值，就应该从两个方面入手，其一是降低电阻上的温度，其二是在保证信号带宽的前提下，尽量地减小带宽。 2) 线性电路中的热噪声 )(42122212RRkTBUUUnnndfSUSjHSUonUiUo022)(图图 2- 32热噪声通过线路电路的模型热噪声通过线路电路的模型 输出噪声谱密度 输出噪声电压均方值253254 图图 2 -33 并联回路的热噪声并联回路的热噪声kTrCLrCSUo4)1()1(222255 并联回路可以等效为Re+jXe，现在看上述输出
3、噪声谱密度与Re、 Xe的关系。 eUeeekTRSCLrrCRCjLjrLjrCjjXRo4)1()1(1)()(1222展开化简后得 与式(2-55)对比, 可得 256257 结论： (1).对于二端线性电路，其热噪声电压或电流谱密度可以用等效电阻Re(或Ge)来计算； (2).电阻热噪声通过线性电路后，一般再不是白噪声了，因为等效电阻Re是频率的函数。 根据式(2-55)与式(2-56)可以求出输出端的均方噪声电压为QfkTRfdffQRkTfkTrdffQCrfdSdfSUoUoUn24)2(144)2(1)(10020020202为回路的并联谐振电阻。0R 3) 噪声带宽 图 2-
4、32 是一线性系统, 其电压传输函数为H(j)。 设输入一电阻热噪声，均方电压谱为Sui = 4kTR，输出均方电压谱为SUo，则输出均方电压U2n2为dfjHkTRdfjHSdfSUUiUon2020022)(4)( 设|H(j)|的最大值为H0，则可定义一等效噪声带宽Bn， 令20224HkTRBUnn 则等效噪声带宽Bn为2020)(HdfjHBn258259图图2-34 线性系统的等效噪声带宽线性系统的等效噪声带宽 图 2-33 的单振荡回路为例, 计算其等效噪声带宽。 设回路为高Q电路, 设谐振频率为f0， 由前面分析, 再考虑到高Q条件, 此回路的|H(j)| 2可近似为 2022
5、)2(1)1()(ffQCrjHo式中, f 为相对于f0的频偏, 由此可得等效噪声带宽为QffdffQBn2)2(11020己知并联回路的 3 dB带宽为B 0.7= f0/Q ，故7 . 07 . 057. 12BBBn0.7=1.11nBB 对于多级单调谐回路，级数越多，传输特性越接近矩形，Bn越接近 。 对于临界双调谐回路，则0.7B 2. 晶体管噪声 晶体管的噪声是设备内部噪声的另一个主要来源。一般来说，在一个放大电路中，晶体三极管的噪声往往比电阻噪声要强得多。在晶体管中噪声主要有热噪声、散弹噪声、闪烁噪声、分配噪声等四种。 .热噪声 由于载流子的不规则运动形成的噪声，主要存在于基极
6、体电阻rbb内。24nbbbnukTr B (2-46) .散弹噪声 散弹噪声是由单位时间内通过PN结的载流子数目随机起伏而形成的噪声，特性与热噪声相似，为白噪声。但晶体管内的散弹噪声大于热噪声，其大小为2262neeneeekTukTr BrqII (2-47) 式中，Ie为发射结的电流，q为每一个载流子所载的电荷量，191.59 10q库伦。可见，散弹噪声与发射结的电流有关，集电极的散弹噪声可以忽略不计。 (3)分配噪声 由于基区中载流子在单位时间内复合的载流子数目是起伏变化的，导致Ic和Ib的分配比例也变化，从而导致集电极电流在静态值上下起伏，产生噪声。 (4)闪烁噪声 由于半导体材料和
7、制作工艺所引入的噪声。它与工作频率成反比关系，所以在高频电子线路时不予考虑。 3. 3. 场效应管的噪声场效应管的噪声 场效应管是依靠电子在沟道中漂移运动而工作的，沟道中电子的不规则热运动会在场效应管漏极电流中产生类似电阻的热噪声，称为沟道热噪声，这是场效应管的主要噪声。其次便是场效应管漏极电流产生的散弹噪声。在高频场合下，同样可以忽略场效应管的闪烁噪声。 沟道热噪声的电流功率谱密度为 243ImSfkTg(2-48) 式中，gm为场效应管的跨导。散弹噪声的电流功率谱密度为2IgSfqI(2-49) 式中，Ig是场效应管的栅极电流，q为电荷量: 191.59 10qC 2.2.3 噪声系数和噪
8、声温度 1噪声系数的定义 图 2-35 为一线性四端网络, 它的噪声系数定义为输入端的信号噪声功率比(S/N)i与输出端的信号噪声功率比(S/N)o的比值, 即 图图 2-35 噪声系数的定义噪声系数的定义 图中, KP为电路的功率传输系数(或功率放大倍数)。 用Na表示线性电路内部附加噪声功率在输出端的输出, 考虑到 KP=So/Si ， 式(2-60)可以表示为000)(NSNSNSNSNiiiFiPaiPaPiFiPpioFNKNNKNKNNNKNKNNN10260262263 噪声系数通常用dB表示, 用dB表示的噪声系数为 oiFFNSNSLgLgNdBN)()(1010)(2222
