光纤通信第三章2-放大器的噪声
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第3.2讲 放大器及其电路的噪声
一、噪声分析的一般方法 二、放大 器噪声的计算 1、放大 器输入端的等效电路 2、放大 器输入端的噪声源 3、放大 器输出噪声的计算 三、场效应管前置放大器的噪声 四、双极晶体管前置放大器的噪声 五、前置放大器的类型
北京邮电大学顾畹仪 1
一、噪声分析的一般方法
1、噪声的概念 1）广义噪声：随机噪声 电磁干扰 2）随机噪声总是与信号相对存在 表示方法：SNR，NF 3）前置放大器的噪声是放大器主要的噪声
北京邮电大学顾畹仪
7
2、放大 器输入端的噪声源
思路：
将所有噪声源等效到输入端 是平稳随机过程 输入端是白噪声 从各个噪声源的功率谱密度 出发分析 1）电阻的热噪声 等效为并联电流噪声源：
d ib 2 2kK df Rb
等效为串联电压噪声源： 2）放大器有源器件的噪声：SI ，
1 lim T 2T
1 2 x (t )dt 2 T
1 2 lim F ( ) d x T 2T
1 2 d Fx ( ) 2T 2
lim 平均功率 = T
1 2 lim Fx ( ) 双边平均功率谱密度 S x ( ) T 2T
2、噪声源
1）散粒噪声
SI
d
ia 2 df
e0 I gate ,
2
e0 1.6 1019 C
Igate为FET的栅漏电流。
2）沟道的热噪声
d iout 2kK g m df
gm为FET的跨导， 为数值系数，对Si FET, =0.7; 对GaAs FET, =1.1。 等效到输入端，
SE
1 2 d 2 ZT ( ) ( 2 Ct ) 2 Rt
2Biblioteka Baidu
3）小结： 偏置电阻Rb越大，电阻的热噪声越小；
输入电阻Rt越大，输入电容ct越小，串联电压噪声源 的影响越小。
北京邮电大学顾畹仪 10
三、场效应管前置放大器的噪声
1、输入端等效电路
北京邮电大学顾畹仪
11
北京邮电大学顾畹仪 15
2
3）分配噪声
d ic e0 I c df d ea 2 e0 I c k 2K 2 2 df e0 I c gm gm e0 I c kK
2 2
4） 1/ f 噪声
北京邮电大学顾畹仪 16
3、输出噪声功率
2kK 2 d vna ( e0 I b ) ZT ( ) Rb 2 1 2 2 2 d 2kKrbb ZT ( ) [ 2 (Cd Cs ) ] 2 Rb
21
前置放大器的发展趋势: 集成化, 模快化
北京邮电大学顾畹仪 22
北京邮电大学顾畹仪 2
2、随机噪声的概率密度函数和概率分布函数
对于平稳随机噪声X, 落在x和x+dx之间的概率为：
x dx
P( x
X
x dx)
x
f ( x)dx
f(x) 称为随机过程的概率密度函数，
F ( x ) P( X x )
F(x) 是概率分布函数。 两随机变量之和：
2
gm /Ct2 是场效应管前放的优值。
北京邮电大学顾畹仪
13
四、双极晶体管前置放大器的噪声
1、输入端等效电路
r (1 )re (1 )
26(m v) Ie
北京邮电大学顾畹仪
14
2、输入端噪声源
1）散粒噪声
d ia e0 I b df
2
2）基极电阻的热噪声
d ea1 2kKrb 'b df
d eb 2 2kKRb df k 1.38 1023 J / K
8
SE
北京邮电大学顾畹仪
3、放大 器输出噪声的计算
1）思路 放大器是线性系统 对串联电压噪声源，先转换 成电流源. 输入导纳:
1 j Ct Rt
1 ( 2 2Ct 2 ) Rt Rt Rb Ra ,
2kK SE gm
北京邮电大学顾畹仪 12
3 、输出端总噪声
v na
2
2kK 2kK 1 [ e0 I gate 2 ] Z T ( ) Rb g m Rb
2 2 Z ( ) d T 2
2
d 2
2kK Ct g m 2 Ct 2 v na gm
E[ x ] ( E[ x])
标准差: ( x) D( x)
北京邮电大学顾畹仪
2
4
4、平稳随机过程的功率谱密度
Fx ( )
-it x ( t ) e dt
1 2 x ( t ) dt 2
T
Fx ( ) d
2
Parseval 等式
3、跨阻型(互阻型)
1 Ri 2BW Ct
北京邮电大学顾畹仪
18
跨阻型放大器: 电压并联负反馈放大器
考虑频率特性:
Ri
Rf 1 A
R b Ra
Rf 1 A
考虑噪声性质:
Rt ( R f Rb Ra ) Ri
北京邮电大学顾畹仪
19
北京邮电大学顾畹仪
20
北京邮电大学顾畹仪
对SE，乘以
v(t ) i (t ) ZT (t ) V ( ) I ( ) ZT ( ) Sv ( ) Si ( ) ZT ( )
2
Ct Cd Cs Ca
按高斯分布对噪声功率求和
北京邮电大学顾畹仪 9
2）输出噪声功率
Vna
2 2kK 2 d ( S I ) ZT ( ) Rb 2
北京邮电大学顾畹仪 5
二、放大 器噪声的计算
放大器噪声的特点： 服从高斯分布
1 ( x m)2 f ( x) exp[ ] 2 2 2 对高斯分布，若 Z X Y , f z ( z) 依然是高斯 分布，且 2 2 2
z x y
北京邮电大学顾畹仪
6
1、放大 器输入端的等效电路
x
f ( x)dx
Z X Y , f z ( z) f x ( x) f y ( y)
北京邮电大学顾畹仪 3
3、随机过程的数字特征
1）数学期望（均值）
E[ x]
2）标准差 方差： D ( x) E[( x E[ x ]) 2 ]
xf ( x)dx
2
x(t )
2
k 2K 2 e0 I c
1 2 d 2 ZT ( ) ( 2 Ct ) 2 Rt
2
Rt = Rb || Ra, ct = cd + cs + ca 存在最佳集电极电流Ic
北京邮电大学顾畹仪 17
五、前置放大器的类型
1、高阻型 2、低阻型
1 fH 2Ri Ct
一、噪声分析的一般方法 二、放大 器噪声的计算 1、放大 器输入端的等效电路 2、放大 器输入端的噪声源 3、放大 器输出噪声的计算 三、场效应管前置放大器的噪声 四、双极晶体管前置放大器的噪声 五、前置放大器的类型
北京邮电大学顾畹仪 1
一、噪声分析的一般方法
1、噪声的概念 1）广义噪声：随机噪声 电磁干扰 2）随机噪声总是与信号相对存在 表示方法：SNR，NF 3）前置放大器的噪声是放大器主要的噪声
北京邮电大学顾畹仪
7
2、放大 器输入端的噪声源
思路：
将所有噪声源等效到输入端 是平稳随机过程 输入端是白噪声 从各个噪声源的功率谱密度 出发分析 1）电阻的热噪声 等效为并联电流噪声源：
d ib 2 2kK df Rb
等效为串联电压噪声源： 2）放大器有源器件的噪声：SI ，
1 lim T 2T
1 2 x (t )dt 2 T
1 2 lim F ( ) d x T 2T
1 2 d Fx ( ) 2T 2
lim 平均功率 = T
1 2 lim Fx ( ) 双边平均功率谱密度 S x ( ) T 2T
2、噪声源
1）散粒噪声
SI
d
ia 2 df
e0 I gate ,
2
e0 1.6 1019 C
Igate为FET的栅漏电流。
2）沟道的热噪声
d iout 2kK g m df
gm为FET的跨导， 为数值系数，对Si FET, =0.7; 对GaAs FET, =1.1。 等效到输入端，
SE
1 2 d 2 ZT ( ) ( 2 Ct ) 2 Rt
2Biblioteka Baidu
3）小结： 偏置电阻Rb越大，电阻的热噪声越小；
输入电阻Rt越大，输入电容ct越小，串联电压噪声源 的影响越小。
北京邮电大学顾畹仪 10
三、场效应管前置放大器的噪声
1、输入端等效电路
北京邮电大学顾畹仪
11
北京邮电大学顾畹仪 15
2
3）分配噪声
d ic e0 I c df d ea 2 e0 I c k 2K 2 2 df e0 I c gm gm e0 I c kK
2 2
4） 1/ f 噪声
北京邮电大学顾畹仪 16
3、输出噪声功率
2kK 2 d vna ( e0 I b ) ZT ( ) Rb 2 1 2 2 2 d 2kKrbb ZT ( ) [ 2 (Cd Cs ) ] 2 Rb
21
前置放大器的发展趋势: 集成化, 模快化
北京邮电大学顾畹仪 22
北京邮电大学顾畹仪 2
2、随机噪声的概率密度函数和概率分布函数
对于平稳随机噪声X, 落在x和x+dx之间的概率为：
x dx
P( x
X
x dx)
x
f ( x)dx
f(x) 称为随机过程的概率密度函数，
F ( x ) P( X x )
F(x) 是概率分布函数。 两随机变量之和：
2
gm /Ct2 是场效应管前放的优值。
北京邮电大学顾畹仪
13
四、双极晶体管前置放大器的噪声
1、输入端等效电路
r (1 )re (1 )
26(m v) Ie
北京邮电大学顾畹仪
14
2、输入端噪声源
1）散粒噪声
d ia e0 I b df
2
2）基极电阻的热噪声
d ea1 2kKrb 'b df
d eb 2 2kKRb df k 1.38 1023 J / K
8
SE
北京邮电大学顾畹仪
3、放大 器输出噪声的计算
1）思路 放大器是线性系统 对串联电压噪声源，先转换 成电流源. 输入导纳:
1 j Ct Rt
1 ( 2 2Ct 2 ) Rt Rt Rb Ra ,
2kK SE gm
北京邮电大学顾畹仪 12
3 、输出端总噪声
v na
2
2kK 2kK 1 [ e0 I gate 2 ] Z T ( ) Rb g m Rb
2 2 Z ( ) d T 2
2
d 2
2kK Ct g m 2 Ct 2 v na gm
E[ x ] ( E[ x])
标准差: ( x) D( x)
北京邮电大学顾畹仪
2
4
4、平稳随机过程的功率谱密度
Fx ( )
-it x ( t ) e dt
1 2 x ( t ) dt 2
T
Fx ( ) d
2
Parseval 等式
3、跨阻型(互阻型)
1 Ri 2BW Ct
北京邮电大学顾畹仪
18
跨阻型放大器: 电压并联负反馈放大器
考虑频率特性:
Ri
Rf 1 A
R b Ra
Rf 1 A
考虑噪声性质:
Rt ( R f Rb Ra ) Ri
北京邮电大学顾畹仪
19
北京邮电大学顾畹仪
20
北京邮电大学顾畹仪
对SE，乘以
v(t ) i (t ) ZT (t ) V ( ) I ( ) ZT ( ) Sv ( ) Si ( ) ZT ( )
2
Ct Cd Cs Ca
按高斯分布对噪声功率求和
北京邮电大学顾畹仪 9
2）输出噪声功率
Vna
2 2kK 2 d ( S I ) ZT ( ) Rb 2
北京邮电大学顾畹仪 5
二、放大 器噪声的计算
放大器噪声的特点： 服从高斯分布
1 ( x m)2 f ( x) exp[ ] 2 2 2 对高斯分布，若 Z X Y , f z ( z) 依然是高斯 分布，且 2 2 2
z x y
北京邮电大学顾畹仪
6
1、放大 器输入端的等效电路
x
f ( x)dx
Z X Y , f z ( z) f x ( x) f y ( y)
北京邮电大学顾畹仪 3
3、随机过程的数字特征
1）数学期望（均值）
E[ x]
2）标准差 方差： D ( x) E[( x E[ x ]) 2 ]
xf ( x)dx
2
x(t )
2
k 2K 2 e0 I c
1 2 d 2 ZT ( ) ( 2 Ct ) 2 Rt
2
Rt = Rb || Ra, ct = cd + cs + ca 存在最佳集电极电流Ic
北京邮电大学顾畹仪 17
五、前置放大器的类型
1、高阻型 2、低阻型
1 fH 2Ri Ct