第4章_噪声与高频小信号放大器.ppt

第4章 噪声与高频小信号放大器  4.1 电阻的热噪声 4.2 有源器件噪声 4.3 噪声系数和噪声温度 4.4 高频小信号放大器概述 4.5 晶体管谐振放大器 4.6 集中选频放大器 4.1 电阻的热噪声 由图4.1可以看出，热噪声电压un(t)是一个随机量，其幅度和极性是随时间无规则变化的，故不能用一确定的时间函数来表示。但它遵循某种统计规律，可以用概率特性及其功率谱密度函数来充分描述。电阻热噪声主要有以下特性： (1) 在一个较长的观测时间内，热噪声电压的平均值为零，即 (2)电阻热噪声具有极宽的频谱，其包含的频率分量从零频开始，直到1013Hz以上。虽然热噪声电压的振幅频谱无法确定，但功率频谱是完全确定的。理论和实践证明，在单位频带(1Hz)内，电阻R两端的噪声电压均方值为 (3)尽管电阻热噪声的频谱很宽，但实际测试(接收)系统的通频带有限，当电阻接入系统时，将对电阻热噪声进行滤波，只有位于通频带内的那一部分噪声功率才能对系统产生影响。假设测试系统的通频带是宽度为Bn，幅度为1的理想矩形，这时对系统而言，电阻热噪声电压的均方值为 如果R以kΩ计，Bn以kHz计，并令T=290K(即常温17℃)，可得工程计算式 4.1.2 电阻热噪声的计算 在电路的噪声分析中，一个实际的电阻器R可以等效为一个理想的无噪声电阻R和一个均方值为U2n的热噪声电压源相串联，如图4.3(a)所示。根据等效电源定理，也可以等效为一个理想的无噪声电导G和一个均方值为I2n的热噪声电流源相并联，如图4.3(b)所示。其中，噪声电流源 由于电阻热噪声为一随机量，不同电阻产生的热噪声电压(电流)是彼此独立、互不相关的，因此，当电阻串、并联后，其总噪声应按均方值叠加的规则进行计算。例如，在相同温度下，电阻R1和R2串联后，其总噪声电压的均方值应为 通常，电容器的损耗电阻可以忽略，而电感器的损耗电阻一般不能忽略。因此，当一个无源网络中含有电抗元件时，若考虑了电抗元件的损耗电阻后其等效阻抗为R′+jX′，则产生热噪声的仅仅是它的电阻分量R′，其噪声电压均方值为 4.1.3 热噪声通过线性电路 电阻热噪声是功率谱密度均匀的白噪声，如图4.5(a)所示。但是，当它通过具有选频特性的线性电路后，其输出功率谱密度So(f)将会发生变化。若线性电路的电压传输函数为H(jf)，其功率传输函数H2(f)=|H(jf)|2，如图4.5(b)所示，则输出端的噪声功率谱密度为 由于热噪声通过线性选频电路后功率谱变为频率的函数，因此，输出端的噪声电压均方值U2no应通过对So(f)的积分求得，即 1. 等效噪声带宽 为了简化式(4.1―10)的计算，我们引入等效噪声带宽的概念。 等效噪声带宽Bn定义为一个幅度是H2(f0)的矩形功率传输特性的频率宽度，在该宽度下矩形的面积等于实际功率传输曲线的积分面积，即 其中，H2(f0)为实际功率传输特性的最大值。Bn与H2(f)的关系示意图如图4.6所示。由于两者面积相等，所以用带宽为Bn的理想矩形传输特性来等效实际特性，其输出噪声电压的均方值不变。 利用等效噪声带宽Bn，并考虑到输入为热噪声时，Si(f)=4kTR,则式(4.1―10)可改写成 式(4.1―12)表明，电阻热噪声通过线性电路后，其输出电压均方值是该电阻在频带Bn内的热噪声电压均方值的H2(f0)倍。通常，电路的H2(f0)已知，只要求出Bn，即可算出U2no。对于其他噪声源(如晶体管等)来说，只要是白噪声或在有效频带内噪声功率分布均匀，都可利用式(4.1―12)来计算U2on。 2. 电阻热噪声通过LC谐振电路 现以图4.7(a)LC谐振电路为例，计算其输出端的噪声电压均方值U2no。图中，电阻r代表回路电抗元件中的固有损耗。当该电阻被一个无噪电阻r和噪声源U2n的串联支路代替后，便得到图4.7(b)所示的噪声等效电路。现在图中虚线框内构成一无噪声的谐振电路，其功率传输函数为 式中， 为谐振电路的品质因数， 为谐振电阻。当f=f0时，由式(4.1―13)可得 式中