高频电子电路3

LOGO高频电子线路任课：谢胜Tel:13071661008QQ:914486798LOGO3.1概述1、干扰（或噪声）的概念（广义）：是指电路中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。2、干扰（狭义）：是指由外部来的无用信号或电磁骚动的总称，通常又称外部干扰。3、噪声（狭义）：是指由与电路或系统内部产生的各种无用信号或电磁骚动的总称，通常又称内部噪声。4、抑制外部干扰的主要措施包括：消除干扰源、切断干扰传播途径和躲避干扰等。第3章噪声和干扰LOGO在高频电路中内部噪声主要是电子噪声。几个概念：功率谱密度：单位频带内噪声的功率。电压谱密度：单位频带内噪声电压的均方值。电流谱密度：单位频带内噪声电流的均方值。高斯噪声：噪声电压概率密度满足正态（高斯）分布的噪声。白噪声：其功率谱密度不随频率变化的噪声（如电阻热噪声）。LOGO3.2噪声的来源与特性1.电阻热噪声因热运动而产生的起伏电压就称为电阻的热噪声LOGOT22nn01lim(t)d4TuutkTBRT图电阻热噪声等效电路噪声电压均方值：LOGO2.二极管的噪声正偏时，主要是直流通过pn结时产生散粒噪声。反偏时，如果达到反向击穿（如稳压管），又分两种情况：齐纳击穿二极管主要是散粒噪声，个别的有1/f噪声(闪烁噪声)。雪崩击穿二极管的噪声较大，除有散粒噪声，还有多态噪声。硅二极管工作电压在4V以下是齐纳二极管，7V以上的是雪崩二极管，4V～7V之间两种二极管都有。为了低噪声使用，最好选用低压齐纳二极管。LOGO3.晶体三极管的噪声1)散弹（粒）噪声：在晶体管中，每个载流子都是随机地通过PN结，因此结电流是围绕其平均值起伏变化的，把这种载流子随机起伏流动产生的噪声称为散弹（粒）噪声。2)分配噪声：3)闪烁噪声：4.场效应管噪声比晶体管要小012)(qIfSLOGO5.接收天线噪声统一规定用天线的辐射电阻RA在温度TA产生热噪声来表示天线的噪声性能。TA称为天线的有效噪声温度。2n2AnAukTBRLOGO1噪声系数的定义噪声系数可由下式表示输出端信噪比输入端信噪比FNnooniioiFPPPPNSNSN//)/()/(nooniidBFPPPPN//lg10)(设Pi为信号源的输入信号功率，Pni为信号源内阻RS产生的噪声功率，Po和Pno分别为信号和信号源内阻在负载上所产生的输出功率和输出噪声功率。图3.4描述放大器噪声系数的等效图噪声系数定义为:3.3噪声系数计算方法LOGOnooniioiFPPPPNSNSN//)/()/(inonoonipniPPPPPGP0nnipnaoPPGP其中Ｐnao是放大器内部噪声额定功率。1niPnaonaoFPniPniPGPPNGPGPLOGO3.3.2信噪比与负载的关系设信号源内阻为RS，信号源的电压为US（有效值），当它与负载电阻RL相接时，在负载电阻RL上的信噪比计算如下：信号源在RL上的功率LLssoRRRUP2信号源内阻噪声在RL上的功率结论：信号源与任何负载相接其输入端信噪比都不变，其值为负载开路时的信号电压平方与噪声电压均方值之比。22()nnoLsLuPRRR在负载两端的信噪比22nsnooouUPPNSLOGO额定功率,是指信号源所能输出的最大功率,它是一个度量信号源容量大小的参数,是信号源的一个属性,它只取决于信号源本身的参数——内阻和电动势,与输入电阻和负载无关,如图1所示。3.3.3用额定功率和额定功率增益表示的噪声系数LOGO上图(a)和(b)的其额定功率分别为(1)和(2)S2Ssm41RIPS2Ssm4RＥP额定功率增益GPm是指四端网络的输出额定功率Pao和输入额定功率Pai之比,即aoPmaiPGP显然额定功率增益GPm不一定是网络的实际功率增益，只有在输出和输入都匹配时，这两个功率才相等。LOGO根据噪声系数的定义，分子和分母都是同一端点上的功率比，因此将实际功率改为额定功率，并不改变噪声系数的定义，则(3)因为Pai=kTB，Pano=GPmPani+Panm，所以(4)aianianoFaoPmanianoPPPNPGPPanoanmFPmPm1PPNGkTBGkTBLOGO式中，Pai和Pao分别为输入和输出的信号额定功率;Pani和Pano分别为输入和输出的噪声额定功率;Panm为网络内部的最大输出噪声功率。也可以等效到输入端，有(5)式中，Pani=Panm/GPm是网络额定输出噪声功率等效到输入端的数值。aniFPNkTBLOGO如图2所示的无源四端网络，由于在输出端匹配时，输出的额定噪声功率Pano也为kTB，因此，由式(3)得无源四端网络的噪声系数(6)式中，L为网络的衰减倍数。FPm1NLGLOGO例1：现以图3的抽头电路为例，计算噪声系数。解：将信号源电导等效到回路两端,为p2GS,等效到回路两端的信号源电流为pIS,输出端匹配时的最大输出功率为SSsmSSmoGIPGpGIpP4)(42222输入端信号源的最大输出功率为因此,网络的噪声系数为：22211smSFpmmoSSPGpGGNGPpGpGLOGO3.3.4多级放大器噪声系数的计算)1(213214213121~11111npapapaFnpapapaFpapaFpaFFnFGGGNGGGNGGNGNNN多级放大器噪声系数计算等效图多级放大器的总噪声系数计算公式为：LOGO例2下图是一接收机的前端电路,高频放大器和场效应管混频器的噪声系数和功率增益如图所示。试求前端电路的噪声系数(设本振产生的噪声忽略不计)。高频放大器NF1＝3dBKP1(dB)＝10dBFET混频器NF2＝6.5dBKP2(dB)＝9dB本地振荡器至中放图接收机前端电路的噪声系数LOGO解将图中的噪声系数和增益化为倍数,有47.41094.710210101065.029.023.0111FPFPKKKK因此,根据式(3.3.8)有前端电路的噪声系数为)7.3(35.235.021121dBKNNNPFFFLOGO3.3.5等效噪声温度噪声温度可定义为：把放大器本身产生的热噪声折算到放大器输入端时，使噪声源电阻所升高的温度，称为等效噪声温度Te。)1(21213121nppapaenpapaepaeeeGGGTGGTGTTT多级放大器的等效噪声温度为：eF1oTNTLOGO3.3.6晶体管放大器的噪声系数根据图3.7所示的共基极放大器噪声中求得各噪声源在放大器输出端所产生的噪声电压均方值总和，然后根据噪声系数的定义，可得到放大器的噪声系数的计算公式共基极放大器噪声等效电路202002''12)(21ffIIraRrrRRrRrNecesebbssesbbFLOGO3．3.7噪声系数与灵敏度噪声系数是用来衡量部件(如放大器)和系统(如接收机)噪声性能的。根据噪声系数的定义，噪声性能的好坏又决定输出信号噪声功率比，同时当要求输出一定信噪比时，它又决定输入端必须的信号功率，也就是说决定输入端放大（接受）微弱信号的能力。灵敏度就是保持接收机输出端信噪比一定时,接收机输入的最小信号电压或功率(设接收机有足够的增益)。LOGO例3：设某电视接收机，正常接收时所需最小信号噪声功率比为20dB，电视机的带宽为6MHz，接收机前端电路的噪声系数为10dB，求接收机前端电路输入信号电平（灵敏度）至少为多少？解：噪声系数NF=10dB=10，输出信噪比(S/N)o=20dB=100则输入信噪比(S/N)i=NF×(S/N)o=1000根据噪声系数的定义，输入噪声功率为kTB故，输入信号功率为：Si=1000kTB=23.8pW设信号源内阻为75欧姆，则所需最小信号电势为：1244*75*23.8*1084.5ssiURSVLOGO提高接收机的灵敏度的途径:一是尽量降低接收机的噪声系数NF，另一个是降低接收机前端设备的温度T。接收机的线性动态范围DR：指接收机任何部件在都不饱和情况下的最大输入信号功率Simax与接收机灵敏度(用功率表示)之比，有DR(dB)=Simax(dBm)+114(dBm)－B(dBMHz)－NF(dB)式中，NF为接收机总噪声系数，B为接收机带宽，Simax为接收机在1dB压缩点时的最大输入信号功率。LOGO1.用噪声信号源的测量方法下图是一测量系统的构成。噪声信号源特测放大器辅助放大器均方电压表3.3.8噪声系数的测量噪声系数为oSFIRkTqkTBNN22.无噪声源的测量方法LOGO3.4降低噪声系数的措施根据上面所讨论的结果，有3种经常采用的减小噪声系数的措施。1.选用低噪声器件和元件2.正确选择晶体管放大级的直流工作点3.选择合适的信号源内阻LOGO3.5工业干扰与天电干扰1.工业干扰工业干扰是由各种电气装置中发生的电流（或电压）急剧变化所形成的电磁辐射，并作用在接收机天线上所产生的工业干扰的强弱取决于产生干扰的电气设备的多少、性质及分布情况。工业干扰沿电力线传播比它在相同距离的直接辐射强度大得多。从工业干扰的性质来看，大都属于脉冲干扰。为了克服工业干扰，最好在产生干扰的地方进行抑制。2.天电干扰自然界的雷电现象是天电干扰的主要来源，除此以外，带电的雨雪和灰尘的运动，以及它们对天线的冲击都可能引起天电干扰。LOGO本章小结1.电子设备的性能在很大程度上与干扰和噪声有关。在通信系统中，接收机的灵敏度与噪声有关，提高接收机的灵敏度有时比增加发射机的功率可能更为有效。因此研究各种干扰和噪声非常必要。2.所谓干扰（或噪声），就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。干扰（或噪声）按其发生的地点分为由设备外部进来的外部干扰和由设备内部产生的干扰；按接收的根源分有自然干扰和人为干扰，按电特性分有脉冲型，正弦型和起伏型干扰等。LOGO3.干扰和噪声是两个同义的术语，波有本质的区别。习惯上，将外部来的称为干扰，内部产生称为噪声，本章主要讨论具有起伏性质的内部噪声。外部也有一部分具有起伏性质的干扰一并讨论。即使内部干扰，也有人为的（或故障性的）和固有的内部噪声才是我们要讨论的内容。4.抑制外部干扰的措施主要是消除干扰源，切断干扰传播途径和躲避干扰。电台的干扰实际上主要是外部干扰，有关这一部分内容放在以后的“混频器干扰”一节中讨论。应该指出，干扰和噪声问题涉及的范围很广，理论和计算都很复杂，详细分析已超出范围，本章主要介绍有关电子噪声的一些基本概念和性能指标。LOGO