第3章 噪声与干扰

第3章噪声与干扰

讲授内容：3.1 概述

3.2 噪声

3.3 额定功率和额定功率增益

3.4 线性四端网络的噪声系数

3.5 等效输入噪声温度

3.6 接收灵敏度

3.7 工业干扰与天电干扰

3.1 概述

噪声对有用信号的接收产生了干扰,当有用信号较弱时, 噪声的影响就更为突出, 严重时会使有用信号淹没在噪声之中而无法接收。

外部噪声：噪声从器件外部窜扰

来。

噪声分为外部噪声和内部噪声。

内部噪声：噪声从器件内部生。

内部噪声源主要有电阻热噪声、晶体管噪声和场效应管噪声三种。

3.2 噪声

3.2.1 电阻热噪声

1、起伏噪声电流：电阻内部自由电子热运动在导体内形成微弱的电流, 由于这种电流呈杂乱起伏的状态，称为起伏噪声电流。

2、起伏噪声电压：起伏噪声电流流过电阻本身在其两端产生的电压称起伏噪声电压。

3、起伏噪声电压特征：

起伏噪声电压的瞬时振幅和瞬时相位是随机的，且不规则地偏离平均值而起伏变化。

起伏噪声电压的平均值为零，均方值为一定值，即其功率频谱密度是一个常数，这种在整个无线电频段内具有均匀频谱的起伏噪声称为白噪声。

阻值为Ｒ的电阻产生的噪声电流功率频谱密度和噪声电压功率频谱密度分别为：

其中：k=1.38×10-23J ／K ；T 为电阻温度，以绝对温度计算。

在频带宽度为ＢＷ内产生的热噪声均方值电流和均方值电压分别为：

一个实际电阻可以分别用噪声电流源和噪声电压源表示， 如图

所示：

例 2.5 试计算510k Ω电阻的噪声均方值电压和均方值电流各是多少？设Ｔ＝290K ，ＢＷ＝100k Ｈｚ。 解：I2n=4k ·T ·BW ／R=4×1.38×10-23×290×105／510×103

≈3.14×10-21Ａ

2

U2n=4k·T·R·BW=4×1.38×10-23×290×510×103×105

≈8.16×10-10Ｖ2

3.2.2 晶体管噪声

晶体管噪声主要包括以下四部分。 1、热噪声

⎪⎩⎪⎨

⎧

==kTR

f s R kT f s U I

4)(4)(()()⎪⎩⎪⎨

⎧⋅=⋅=⋅=⋅=BW

KTR BW f S U BW R KT BW f S I U n

I n 4422

构成晶体管的发射区、基区、集电区的体电阻和引线电阻产生的热噪声，其中以基区体电阻rbb ′的影响为主。

２、散弹噪声

散弹噪声是晶体管的主要噪声源，它是由单位时间内通过ＰＮ结的载流子数目随机起伏而造成，本质上与电阻热噪声类似，属于均匀频谱的白噪声，其电流功率频谱密度为:

其中:q=159×10-19库仑，I 0是通过PN 结的平均电流值。

说明：在I 0＝0时，散弹噪声为零，但热噪声只要不是绝对零度总是存在。

３、分配噪声

在晶体管中，由于基极电流与集电极电流的分配比例是随机的，从而造成集电极电流在静态值上下起伏变化，产生的噪声称为分配噪声。

分配噪声实际上也是一种散弹噪声，但它的功率频谱密度是随频率变化的， 频率越高，噪声越大。

４、闪烁噪声

一般认为是晶体管表面清洁处理不好或有缺陷造成的，其特点是频谱集中在约１k Ｈｚ以下的低频范围，且功率频谱密度随频率降低而增大。在高频工作时，可以忽略闪烁噪声。

3.2.3

场效应管噪声

沟道热噪声：场效应管的主要噪声源。场效应管中沟道中多子的不规则热运动在场效应管的漏极电流中产生类似电阻的热噪声。

栅极漏电流散弹噪声：栅极漏电流随机起伏产生的类似散弹噪声的噪声。场效应管的闪烁噪声在高频时同样可以忽略。

沟道热噪声和栅极漏电流散弹噪声的电流功率频谱密度为：

其中：ｇm 是场效应管跨导，Ｉg 是栅极漏电流。

()0

2qI f S I =()()栅极漏电流散弹噪声

沟道热噪声

→=→⎪⎭

⎫

⎝⎛=g I m I qI f S g KT f S 2324

3.3

额定功率和额定功率增益

信号额定功率：指电压信号源 可能输出的最大功率。 当负载阻抗ＲL 与信号源阻抗Ｒs 匹配时，信号源输出功率最大，即：

可见，额定功率是表征信号

源的一个参量, 与其实际负载值无关。

电阻R 的噪声额定功率为:

说明：

（1）、电阻的噪声额定功率只与温度及通频带有关, 而与本身阻值和负载无关（注意, 实际功率是与负载有关的）。

（2）、 这一结论可以推广到任何无源二端网络。 额定功率增益ＧPA ： 一个线性四端网络的输出额定功率 ＰAo 与输入额定功率ＰAi 的比值。即: 例3.6 求图例所示四端网络的额定功率增益。

解:图示四端网络输入端额定功率： 输出端额定功率为: 额定功率增益： 说明：额定功率增益是表征线性四端网络的一个参量。只要网络与其信号源电路确定，则额定功率增益就是一个定值，与该网络输入、输出电路是否匹配无关。

4

42

2S

S S S A R I R U P =

=BW

T K R

BW f S R U P U n nA ⋅⋅=⋅==4)(42Ai

A pA

P P G 0

=S S

Ai R U P 42=

)

(42

0R R U P S S

A +=

)

(2

R R R P P G S Ai AO PA +=

=

⋅

S

U