高频电子线路_第2章_噪声与非线性失真(浙)

《高频电子线路》12010-9-16第二章噪声与非线性失真2.1起伏噪声2.2电路器件的噪声2.3噪声系数2.4等效噪声温度2.5多级线性网络级联的噪声系数2.6非线性器件的描述方法2.7器件非线性的影响2.8非线性器件在频谱搬移中的应用2.9灵敏度与动态范围2010-9-16《高频电子线路》第二章噪声与非线性失真噪声——限制了系统所能处理的最低信号电平非线性失真——限制了系统所能处理的最高电平本章主要内容:一.噪声1.起伏噪声的基本特性2.电子器件内部噪声的来源及等效电路3.衡量系统噪声性能的指标——噪声系数与等效噪声温度二.非线性1.非线性器件的描述方法2.器件非线性对线性放大器的影响及衡量指标3.非线性器件在频谱搬移中的应用22010-9-16《高频电子线路》2.1起伏噪声描述起伏噪声的几个重要概念：起伏噪声的特点（以电阻热噪声为例）：随机性、电流脉冲持续时间短、平均值为零（1）频谱——极宽，几乎占据整个无线电频段（2）功率谱密度——单位：dBm/Hz)(fS频带内的功率：21)(ffVVdffSP12fff2nI2nV噪声电压均方值噪声电流均方值212()fnIfISfdf电流功率谱密度()ISf电压功率谱密度()VSf212()fnVfVSfdf2nI2nV和代表单位电阻上的功率32010-9-16《高频电子线路》（3）等效噪声带宽白噪声:是常数)(fS)()(1222121ffSdfSfdfSIIffIffIn)(fSi输入功率谱密度系统传递函数输出功率谱密度)(jfH)(fSo2)()()(fHfSfSio00222)()()(dffHSdffHfSViin白噪声通过线性系统噪声通过线性系统)()(0202fHdffHBL等效噪声带宽定义系统总输出噪声22200()()()niiLVSfHfdfSHfB42010-9-16《高频电子线路》2.2电路器件的噪声1.功率谱密度RkTSI14kTRRSSIV42电流电压白噪声3.有噪电阻的串并联2.等效电路串联——无噪电阻R串噪声电压源并联——无噪电阻R并噪声电流源2nV2nI2.2.1电阻的热噪声及等效电路有噪电阻kTRBVn42BRkTIn142（B为系统带宽）52010-9-16《高频电子线路》4.额定噪声功率条件:噪声源与系统匹配NAB与噪声源电阻R大小无关与噪声源温度有关特点kTBRkTRBRVNnA444262010-9-16《高频电子线路》`bbr1.基区电阻热噪声——白噪声2,bbnrV2.散粒噪声——功率谱密度02qISI1.沟道电阻热噪声——04dIgkTS3.闪烁噪声——噪声f1fWLCKSOXV12.2.2双极型晶体管的噪声3.噪声等效电路2,2nccIqIB2,2nbbIqIB2,4bbnrbbVkTrB2.2.3场效应管的噪声2.噪声等效电路BgkTIdDn0,472010-9-16《高频电子线路》2.2.4电抗元件的噪声电抗元件的噪声来源于它的损耗电阻——热噪声2.2.5两端口网络的等效输入噪声源等效2nV串联噪声电压源2nI并联噪声电流源2nV2nI输入端短路，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值输入端开路，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值求法：82010-9-16《高频电子线路》2,DnI例2.2.1：如图所示，场效应管放大器的场效应管输出噪声电流为LR2,RLnV负载电阻的热噪声是。解：（1）首先求放大器的增益放大器交流等效电路如图示，电压增益LmiLimiVRgVRVgVVA0（2）求放大器总输出噪声2222,,,nonRLnDLVVIR2nI2nV求：该放大器对应的等效输入噪声源和放大器92010-9-16《高频电子线路》（4）求等效输入噪声电流源2nI输入端开路此时输出端的噪声均由产生：2nI2222222,()()()niVnimLnoIZAIZgRV则2222,2,2)(iLmLDnRLnnZRgRIVI不考虑负载噪声222,2imDnnZgII（3）求等效输入噪声电压源2nV输入端短路此时输出噪声均由产生，则：2nV222222,,,,,222222()nonRLnDLnRLnDnVmLmLmVVIRVIVAgRgRg22,2mDnngIV不考虑负载噪声2nV2nI和是相关的102010-9-16《高频电子线路》2.3噪声系数2.3.1噪声系数定义ooiioiNPNPSNRSNRF//有噪网络()iSNR()oSNRFdBNFlog10)(2.3.2噪声系数与等效输入噪声源的关系信号源SV外输入噪声源2SRV输入信噪比()iSRN内部噪声源和2nV2nI输出噪声功率输出信号功率信号源SV输出信噪比()oSRN1BkTRRIVVRIVVSNRSNRFSSnnRSnnRoiSS4)(1)()()(2222112010-9-16《高频电子线路》对噪声系数的理解有噪网络的噪声系数一定大于1噪声系数与网络内部噪声大小有关网络的噪声系数与外部源噪声有关与源噪声温度T有关测量噪声系数时，规定标准噪声温度T0=290k噪声匹配噪声系数最小最佳源内阻与源内阻R有关BkTRRIVSNRSNRFSSnnoi4)(1)()(2122010-9-16《高频电子线路》其中2,outnV网络总输出噪声电压均方值VA该网络的电压增益例2.3.1：图示的两端口网络只是一个电阻，求该网络的噪声系数。VO解:根据公式BkTRRIVVRIVVSNRSNRFSSnnRSnnRoiSS4)(1)()()(2222一个网络的噪声系数又可以表示为222,22222222)()(SSSSSRVoutnVVRSnnRRSnnRVAVAAVRIVVVRIVVF132010-9-16《高频电子线路》该网络的电压增益为:VOSVRRRA00求网络总输出噪声电压均方值等效噪声电路如图根据噪声系数定义有:02000222,1)(4)//(4RRRRRBkTRBRRkTVAVFSSSSRVoutnS结论：0R小，噪声系数小，与功率最大传输——共轭匹配不同在带宽B内输出噪声电压均方值为:BRRkTRRIIVSSRnRnoutnS)//(4)//)((0202,2,2,0142010-9-16《高频电子线路》2.3.3无源有耗网络的噪声系数分析条件:输入、输出端均匹配已知：无源有耗网络的损耗为L带宽为B根据噪声系数的定义/1/iiAoAooAPiAPPNNNFLPNGNG结论：无源有耗网络的噪声系数在数值上等于它的损耗SR信号源内阻产生的额定噪声功率为kTBNiA0R输出电阻产生的额定噪声功率为kTBNoA152010-9-16《高频电子线路》2.4等效噪声温度条件：有噪线性网络、产生白噪声、匹配2.4.1等效噪声温度定义定义：将网络视为无噪，其内部噪声折合到输入源端，视为由某电阻在温度时产生的白噪声eTPGBePNkTBG内有噪网络输出噪声和等效噪声温度的关系162010-9-16《高频电子线路》2.4.2等效噪声温度与噪声系数的关系已知条件:网络带宽B、、eTPGiP0T源端匹配、设网络为无噪，总输入噪声为0()eiNkTTB总信号源输入噪声为：0iNkTB总输出噪声为0()oPeNGkTTB由噪声系数定义000//1//()iiieooPiPePNPkTBTFPNGPGkTTBT或0)1(TFTe172010-9-16《高频电子线路》2.5多级线性网络级联的噪声系数已知；各级间均匹配，带宽均为B额定功率增益、噪声系数等效噪声温度BkTNi0第一级输入噪声功率11011PAPAeNGkTBGkTB第一级的输出噪声功率是2212212011()eoPAPAePAPAePATNGNGkTBGGkBTTG第二级输出噪声功率是：求：总噪声系数、等效噪声温度eTF两级总的输出噪声功率又可表示为120()oPAPAeNGGkBTT所以211eeePATTTG2111PAFFFG相等182010-9-16《高频电子线路》231112eeeePPPTTTTGGG32111211PPPFFFFGGG多级线性网络级联总噪声系数2.增大第一级的增益可以减少后级对系统噪声系数的影响1.系统前级、特别是第一级的噪声系数对系统影响最大结论：192010-9-16《高频电子线路》2.6非线性器件的描述方法非线性器件大信号时会引起失真能完成频谱搬移各种功能1.用解析函数描述2.6.1非线性器件的描述方法------描述器件的伏安特性BEvKTqSceIi指数函数双极型晶体管2,)1(thGSGSDSSDVvIi饱和区----平方律场效应管202010-9-16《高频电子线路》差分放大器1202idqiiiIthvKT双曲正切函数212010-9-16《高频电子线路》2.幂级数描述BEQiBEVvv代入230123NciiiNiiaavavavav特点:①呈非线性()()1!BEBEQncNvVnBEiaNv②系数与工作点有关~ciiv201233()()()cBEBEQBEBEQBEBEQiaavVavVavV在工作点处将伏安特性偏置BEQV决定工作点展开为幂级数()BEQiqVvKTcSiIe222010-9-16《高频电子线路》3.分段折线描述适用条件:大信号输入二极管)(0)(BDBDDDDVvVvvgi1()DDDigStv11222()coscos3cos5235Stttt232010-9-16《高频电子线路》差分放大器)0()0(00iivIvIi02()iISt)()()(112tStStSttt5cos543cos34cos4242010-9-16《高频电子线路》2.6.2线性化参数适用条件:输入为小信号tVtviimicos)(输入:输出:0101()CbeBEQiCQSiaavVaavIi静态电流=CQIBEQVkTqSeIa0信号电流11cossiimiiavaVt线性电路不产生新的频率线性化参数-----跨导1beBEQcmbevVdiagdv仅与工作点有关放大器增益LmbeLbemimomvRgVRVgVVA与信号大小无关252010-9-16《高频电子线路》2.7器件非线性的影响研究有源器件的非线性对线性放大器的影响分两种情况讨论只有一个有用信号输入有两个以上输入研究内容－－出现的现象、名称定义；衡量性能的指标。262010-9-16《高频电子线路》2.增益压缩（GainCompression）特点：考虑对基波分量的影响（只考虑到三次方）基波信号电流：)()43(cos)43(2313311tvVaatVaVaiiimiimimS基波信号电流幅度：311334SimimIaVaV平均跨导：2311143immSmVaaVIg基波信号电流：tVgiiimmScos1基波增益：1omSLvmLimimVIRAgRVV230123NciiiNiiaavavavav输出电流：282010-9-16《高频电子线路》线性非线性仅与放大器工作点不仅与工作点有关有关而且与输入信号幅度有关跨导mVvbecgdvdiaBEQbe12311143immSmVaaVIg基波电流21133()cos4SimimiiaaVVt11cosSimiiaVt失真项常数与信号幅度有关增益vmLAgR2133()4vmLimLAgRaaVR292010-9-16《高频电子线路》1omdB