射频通信电路第2章噪声课件.ppt
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- 射频 通信 电路 噪声 课件
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1、第二章第二章 噪声与非线性失真噪声与非线性失真噪声噪声限制了系统所能处理的限制了系统所能处理的最低最低信号电平信号电平非线性失真非线性失真限制了系统所能处理的限制了系统所能处理的最高最高电平电平本章主要内容本章主要内容:一一.噪声噪声1.起伏噪声的起伏噪声的基本特性基本特性2.2.电子器件内部噪声的电子器件内部噪声的来源及等效电路来源及等效电路3.衡量系统噪声性能的衡量系统噪声性能的指标指标噪声系数与等效噪声温度噪声系数与等效噪声温度二二.非线性非线性1.1.非线性器件的非线性器件的描述方法描述方法2.2.器件非线性器件非线性对对线性放大器线性放大器的的影响及衡量指标影响及衡量指标3.非线性器
2、件在非线性器件在频谱搬移频谱搬移中的中的应用应用2.1 起伏噪声起伏噪声描述起伏噪声的描述起伏噪声的几个重要概念:几个重要概念:起伏噪声的起伏噪声的特点特点(以电阻热噪声为例):(以电阻热噪声为例):随机性、电流脉冲持续时间短、平均值为零随机性、电流脉冲持续时间短、平均值为零(1)频谱频谱 极宽,几乎占据整个无线电频段极宽,几乎占据整个无线电频段(2)功率谱密度功率谱密度 单位单位:dBm/Hz)(fS频带频带 内的内的功率功率:21)(ffVVdffSP12fff2nI2nV噪声噪声电压均方值电压均方值 噪声噪声电流均方值电流均方值212()fnIfISf df电流功率谱密度电流功率谱密度(
3、)ISf电压功率谱密度电压功率谱密度 ()VSf212()fnVfVSf df2nI2nV和和 代表单位电阻上的功率代表单位电阻上的功率(3 3)等效噪声带宽等效噪声带宽白白噪声噪声:是常数是常数)(fS)()(1222121ffSdfSfdfSIIffIffIn)(fSi输入输入功率谱密度功率谱密度系统系统传递函数传递函数输出输出功率谱密度功率谱密度)(jfH)(fSo2)()()(fHfSfSio00222)()()(dffHSdffHfSViin白白噪声噪声通过线性系统通过线性系统噪声通过噪声通过线性系统线性系统)()(0202fHdffHBL等效噪声带宽等效噪声带宽定义定义系统系统总输
4、出噪声总输出噪声22200()()()niiLVSfH fdfS Hf B2.2 电路器件的噪声电路器件的噪声1.功率谱密度功率谱密度RkTSI14kTRRSSIV42电流电流电压电压白白噪声噪声3.有噪有噪电阻的串并联电阻的串并联2.等效电路等效电路串联串联 无噪电阻无噪电阻R串噪声电压源串噪声电压源并联并联无噪电阻无噪电阻R并噪声电流源并噪声电流源2nV2nI2.2.1 电阻的热噪声及等效电路电阻的热噪声及等效电路有噪有噪电阻电阻kTRBVn42BRkTIn142(B为系统为系统带宽带宽)4.额定噪声功率额定噪声功率条件条件:噪声源与系统匹配噪声源与系统匹配NAB与噪声源电阻与噪声源电阻R
5、大小无关大小无关与噪声源温度有关与噪声源温度有关特点特点kTBRkTRBRVNnA4442bbr1.基区电阻基区电阻 热噪声热噪声 白噪声白噪声2,bbn rV2.散粒噪声散粒噪声功率谱密度功率谱密度02qISI1.沟道电阻热噪声沟道电阻热噪声 04dIgkTS3.闪烁噪声闪烁噪声 噪声噪声f1fWLCKSOXV12.2.2 双极型晶体管的噪声双极型晶体管的噪声 3.噪声等效电路噪声等效电路2,2n ccIqI B2,2n bbIqI B2,4bbn rbbVkTr B2.2.3 场效应管的噪声场效应管的噪声2.噪声等效电路噪声等效电路BgkTIdDn0,42.2.4 2.2.4 电抗元件的噪
6、声电抗元件的噪声电抗元件的噪声来源于它的损耗电阻电抗元件的噪声来源于它的损耗电阻热噪声热噪声2.2.2.5 两端口网络的等效输入噪声源两端口网络的等效输入噪声源 等效等效2nV串联串联噪声噪声电压源电压源 2nI并联并联噪声噪声电流源电流源 2nV2nI输入端输入端短路短路,将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值,将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值 输入端输入端开路开路,将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值,将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值 求法:求法:2,DnI例例2.2.12.2.1:如图所示,场效应管放大器的场效应管输出噪声电流为如图所示,场效应管放大器的场效应管输出
7、噪声电流为LR2,RLnV负载电阻负载电阻 的热噪声是的热噪声是 。解:解:(1 1)首先求放大器的增益首先求放大器的增益放大器交流等效电路如图示,放大器交流等效电路如图示,电压增益电压增益LmiLimiVRgVRVgVVA0(2)求放大器总输出噪声求放大器总输出噪声2222,n on RLn DLVVIR2nI2nV求:求:该放大器对应的等效输入噪声源该放大器对应的等效输入噪声源 和和 放大器(4)求等效输入噪声求等效输入噪声电流源电流源2nI输入端开路输入端开路此时输出端的噪声均由此时输出端的噪声均由 产生:产生:2nI2222222,()()()niVnimLn oIZAIZg RV则则
8、2222,2,2)(iLmLDnRLnnZRgRIVI不不考虑考虑负载噪声负载噪声222,2imDnnZgII(3 3)求等效输入噪声求等效输入噪声电压源电压源2nV输入端短路输入端短路此时输出噪声均由此时输出噪声均由 产生,则:产生,则:2nV222222,222222()n on RLn DLn RLn DnVmLmLmVVIRVIVAg Rg Rg22,2mDnngIV不不考虑考虑负载噪声负载噪声2nV2nI和和 是是相关相关的的 2.3 2.3 噪声系数噪声系数2.3.1 2.3.1 噪声系数定义噪声系数定义ooiioiNPNPSNRSNRF/有噪有噪 网络网络()iSNR()oSNR
9、FdBNFlog10)(2.3.2.3.2 噪声系数与等效输入噪声源的关系噪声系数与等效输入噪声源的关系信号源信号源SV外输入噪声源外输入噪声源2SRV输入信噪比输入信噪比()iSRN内部噪声源内部噪声源 和和2nV2nI输出输出噪声功率噪声功率输出输出信号功率信号功率信号源信号源SV输出信噪比输出信噪比()oSRN 1BkTRRIVVRIVVSNRSNRFSSnnRSnnRoiSS4)(1)()()(2222对对噪声系数的理解噪声系数的理解有噪网络的噪声系数一定大于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网络的噪声
10、系数与外部源噪声有关与源与源噪声温度噪声温度 T 有关有关测量噪声系数时,规定标准噪声温度测量噪声系数时,规定标准噪声温度 T0=290k 噪声匹配噪声匹配噪声系数最小噪声系数最小最佳源内阻最佳源内阻与源与源内阻内阻R 有关有关BkTRRIVSNRSNRFSSnnoi4)(1)()(2其中其中 2,outnV网络总输出噪声电压均方值网络总输出噪声电压均方值VA该网络的该网络的电压增益电压增益例例2.3.12.3.1:图示的两端口网络只是一个电阻,求该网络的噪声系数。图示的两端口网络只是一个电阻,求该网络的噪声系数。VO解解:根据公式根据公式BkTRRIVVRIVVSNRSNRFSSnnRSnn
11、RoiSS4)(1)()()(2222一个网络一个网络 的噪声系数又可以表示为的噪声系数又可以表示为222,22222222)()(SSSSSRVoutnVVRSnnRRSnnRVAVAAVRIVVVRIVVF该网络的该网络的电压增益电压增益为为:VOSVRRRA00求网络总输出噪声电压均方值求网络总输出噪声电压均方值等效噪声电路如图等效噪声电路如图 根据根据噪声系数定义噪声系数定义有有:02000222,1)(4)/(4RRRRRBkTRBRRkTVAVFSSSSRVoutnS结论结论:0R小,小,噪声系数小噪声系数小,与与功率最大传输功率最大传输共轭匹配共轭匹配不同不同在带宽在带宽B 内输
12、出内输出噪声电压均方值噪声电压均方值为为:BRRkTRRIIVSSRnRnoutnS)/(4)/)(0202,2,2,02.3.3.3 无源有耗网络的噪声系数无源有耗网络的噪声系数分析条件分析条件:输入、输出端均匹配输入、输出端均匹配已知:已知:无源有耗网络的损耗为无源有耗网络的损耗为 L带宽为带宽为B根据根据噪声系数的定义噪声系数的定义/1/iiAoAooAPiAPP NNNFLPNGNG结论:结论:无源有耗网络的无源有耗网络的噪声系数噪声系数在数值上等于在数值上等于它的损耗它的损耗 SR信号源内阻信号源内阻 产生的额定噪声功率为产生的额定噪声功率为 kTBNiA0R输出电阻输出电阻 产生的
13、额定噪声功率为产生的额定噪声功率为 kTBNoA2.4 2.4 等效噪声温度等效噪声温度 条件:条件:有噪线性网络、有噪线性网络、产生白噪声、匹配产生白噪声、匹配2.4.1.4.1等效噪声温度定义等效噪声温度定义定义:定义:将网络视为无噪,其内部噪声折合到输入源端,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视为由某电阻在温度 时产生的白噪声时产生的白噪声eTPGBePNkT BG内有噪网络输出噪声有噪网络输出噪声和等效噪声温度的关系和等效噪声温度的关系2.4.2 2.4.2 等效噪声温度与噪声系数的关系等效噪声温度与噪声系数的关系已知条件已知条件:网络带宽网络带宽 B、eTP
14、GiP0T源端匹配源端匹配 、设设网络为无噪,网络为无噪,总输入噪声总输入噪声为为0()eiNk TT B总信号源输入噪声信号源输入噪声为:为:0iNkT B总输出噪声总输出噪声为为0()oPeNG k TT B由由噪声系数定义噪声系数定义000/1/()iiieooPiPeP NP kT BTFPNG P G k TT BT 或或0)1(TFTe2.5 2.5 多级线性网络级联的噪声系数多级线性网络级联的噪声系数已知;已知;各级间均匹配,带宽均为各级间均匹配,带宽均为B额定功率增益、噪声系数额定功率增益、噪声系数等效噪声温度等效噪声温度BkTNi0第一级输入第一级输入噪声功率噪声功率 110
15、11PAPAeNGkT BGkT B第一级的输出第一级的输出噪声功率是噪声功率是2212212011()eoPAPAePAPAePATNGNGkT BGGkB TTG第二级输出第二级输出噪声功率是:噪声功率是:求:总噪声系数求:总噪声系数 、等效噪声温度等效噪声温度eTF两级总的输出两级总的输出噪声功率又可表示为噪声功率又可表示为 120()oPAPAeNGGkB TT所以所以211eeePATTTG2111PAFFFG相等相等231112eeeePPPTTTTGG G32111211PPPFFFFGG G多级线性网络级联总噪声系数多级线性网络级联总噪声系数2.2.增大第一级的增益增大第一级的
16、增益可以减少后级对系统噪声系数的影响可以减少后级对系统噪声系数的影响1.1.系统前级、特别是第一级的噪声系数系统前级、特别是第一级的噪声系数对系统影响最大对系统影响最大结论:结论:2.6 2.6 非线性器件的描述方法非线性器件的描述方法非线性器件非线性器件大大信号时会引起信号时会引起失真失真能能完成完成频谱搬移频谱搬移各种功能各种功能1.1.用解析函数描述用解析函数描述2.6.1 非线性器件的描述方法非线性器件的描述方法-描述器件的伏安特性描述器件的伏安特性BEvKTqSceIi 指数函数指数函数双极型晶体管双极型晶体管2,)1(thGSGSDSSDVvIi饱和区饱和区-平方律平方律场效应管场
17、效应管差分放大器差分放大器1202idqiiiI thvKT双曲双曲正切函数正切函数2.幂级数描述幂级数描述BEQiBEVvv代入代入230123NciiiNiiaa va va va v特点特点:呈非线性呈非线性()()1!BEBEQncNvVnBEiaNv 系数与工作点有关系数与工作点有关ciiv201233()()()cBEBEQBEBEQBEBEQiaa vVa vVa vV在在工作点处将伏安特性工作点处将伏安特性偏置偏置BEQV决定工作点决定工作点展开为幂级数展开为幂级数()BEQiqVvKTcSiI e3.3.分段折线描述分段折线描述适用条件适用条件:大信号输入大信号输入二极管二极
18、管)(0)(BDBDDDDVvVvvgi1()DDDig St v11222()coscos3cos5235Stttt差分放大器差分放大器)0()0(00iivIvIi02()iI St)()()(112tStStSttt5cos543cos34cos42.6.2 2.6.2 线性化参数线性化参数适用条件适用条件:输入为小信号输入为小信号tVtviimicos)(输入输入:输出输出:0101()CbeBEQiCQSiaa vVaa vIi静态电流静态电流 =CQIBEQVkTqSeIa 0信号电流信号电流11cossiimiia vaVt线性电路不产生新的频率线性电路不产生新的频率线性化参数线
19、性化参数-跨导跨导1beBEQcmbevVdiagdv仅与仅与工作点有关工作点有关放大器增益放大器增益LmbeLbemimomvRgVRVgVVA与与信号大小无关信号大小无关2.7 2.7 器件非线性的影响器件非线性的影响 研究有源器件的非线性研究有源器件的非线性对线性放大器对线性放大器的影响的影响分分两种情况两种情况讨论讨论只有只有一个一个有用信号输入有用信号输入有有两个两个以上输入以上输入研究内容研究内容出现的现象、名称定义;出现的现象、名称定义;衡量性能的指标。衡量性能的指标。2.7.1 输入端仅有一个有用信号输入端仅有一个有用信号1.1.谐波谐波(harmonicsharmonics)
20、放大器输入放大器输入tVtviimicos)(iBEQbevVvtVatVatVatiiimiimiims3332221coscoscos)(tVatVatVaVaVaiimiimiimimim3cos42cos2cos)43(2332233122现象现象:出现了谐波出现了谐波产生的原因产生的原因器件非线性、信号幅度大器件非线性、信号幅度大 大小大小与系数有关与工作点有关与系数有关与工作点有关影响影响高次谐波被选频回路滤除高次谐波被选频回路滤除输出电流输出电流 230123NciiiNiiaa va va va v2.增益压缩增益压缩(Gain Compression)特点:特点:考虑对基波分
21、量的影响考虑对基波分量的影响(只考虑到三次方只考虑到三次方)基波信号电流:基波信号电流:)()43(cos)43(2313311tvVaatVaVaiiimiimimS基波信号电流基波信号电流幅度幅度:311334SimimIaVa V平均跨导:平均跨导:2311143immSmVaaVIg基波信号电流:基波信号电流:tVgiiimmScos1基波增益基波增益:1omSLvmLimimVI RAg RVV230123NciiiNiiaa va va va v输出电流:输出电流:线性线性 非线性非线性 仅与放大器工作点仅与放大器工作点 不仅与工作点有关不仅与工作点有关 有关有关 而且与输入信号幅
22、度有关而且与输入信号幅度有关跨导跨导mVvbecgdvdiaBEQbe12311143immSmVaaVIg基波电流基波电流21133()cos4Simimiiaa VVt11cosSimiiaVt失真项失真项常数常数 与信号幅度有关与信号幅度有关增益增益vmLAg R2133()4vmLimLAg Raa VR1omdBV()dBmV()dBmV()VA dB非非线性线性增益压缩增益压缩线性线性2133()4VimLAaa VR增益压缩指标增益压缩指标1dB压缩点压缩点11()()()1outdBindBVVdBmVVdBmVA dB增益压缩增益压缩当当 0 0 时时,放大器增益放大器增益随
23、信号增大而减小随信号增大而减小3a()()()outinVVdBmVVdBmVA dB线性增益线性增益dBimV1与器件类型和放大器工作点有关与器件类型和放大器工作点有关 dBaVaadBim1|log20|43|log2012131增益增益1dB压缩点计算:压缩点计算:311145.0aaVdBim2.7.2 2.7.2 输入端有两个以上信号输入端有两个以上信号设输入两个信号设输入两个信号:tVtVtvmmi2211coscos)(230123NciiiNiiaa va va va v由于非线性由于非线性结果结果:出现:出现基波基波12、谐波谐波 被选频回路滤除被选频回路滤除12p、q组合频
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