噪声的来源与特点

2 υn2 = 4kTRB
噪声） 四、闪烁噪声（或称 1 f 噪声） 闪烁噪声（ 和晶体管相同，在低频端、 和晶体管相同，在低频端、噪声功率与频率成反比 地增大。定性地说，这种噪声是由于 结的表面发生 地增大。定性地说，这种噪声是由于PN结的表面发生 复合、雪崩等引起的。 复合、雪崩等引起的。 通常，第一和第二种噪声是主要的， 通常，第一和第二种噪声是主要的，尤其以第二 种噪声最重要。 种噪声最重要。 8.2.3
例8.2.1 试求两个处于相同温度的电阻 R1 和 R2并联后，在频带
B 内的总均方值噪声电压。
解：先利用电流源进行计算。由于 R1 和 R2是并联的，因此将它 们分别用电流源噪声等效电路表示，如图8.2.3所示。 在频带宽度B内产生的热电流的均方值为
i = 4kTG1 B
2 n1
1 G1 = R1
总结以上分析得到如下结论： 总结以上分析得到如下结论： （1）对处于相同温度的电阻所构成的网络，无 对处于相同温度的电阻所构成的网络， 论是串联还是并联， 论是串联还是并联，总的均方值噪声电压等于网络 总电阻所产生的均方值噪声电压； 总电阻所产生的均方值噪声电压； （2）如果网络中的电阻处于不同的温度或是受不 ） 同带宽的限制， 同带宽的限制，只能按均方叠加法则即功率相加原则 进行计算； 进行计算； （3）纯电抗元件既不消耗功率也不产生热噪声，实 纯电抗元件既不消耗功率也不产生热噪声， 际的电抗元件一般都含有电阻成份， 际的电抗元件一般都含有电阻成份，也与普通电阻一 样产生热噪声。 样产生热噪声。 8.2.1
8.2.2 晶体三极管的噪声
Noise） 一、热噪声（Thermal Noise） 热噪声（ 和电阻一样，在晶体管中， 和电阻一样，在晶体管中，电子不规则的热运动同 样会产生热噪声。 样会产生热噪声。发射极和集电极电阻的热噪声一般很 小，可以忽略。因此这类由电子热运动所产生的噪声， 可以忽略。因此这类由电子热运动所产生的噪声， 主要存在于基极电阻 r ′内，其噪声电压的均方值为 bb
2 ing = 2qIGB
为栅极漏泄电流。 式中 IG为栅极漏泄电流。 8.2.3
二、沟道内的电子不规则热运动所引起的热噪声 场效应管的沟道电阻由栅极电压控制。 场效应管的沟道电阻由栅极电压控制。因此沟道电 阻中载流子的热运动也会产生热噪声， 阻中载流子的热运动也会产生热噪声，它可用一个与输 出阻抗并联的噪声电流源来表示： 出阻抗并联的噪声电流源来表示：
起伏电流流经电阻 R时，电阻两端就会产生噪声电压υn 和噪声功率。 表示噪声的电压功率谱密度， 和噪声功率。常以 SV ( f )表示噪声的电压功率谱密度， I ( f ) S 表示噪声的电流功率谱密度。 表示噪声的电流功率谱密度。 理论和实践证明，当温度为T（K）时，阻值为的电阻 理论和实践证明，当温度为T 所产生的噪声电压功率谱密度和噪声电流功率谱密度分别 为
2 υbn = 4kTrbb′ B
Noise） 二、散粒噪声（Shot Noise） 散粒噪声（ 散粒噪声是晶体管的主要噪声源。 散粒噪声是晶体管的主要噪声源。 它是由单位时间内通过PN结载流子数目的随机起伏 它是由单位时间内通过PN结载流子数目的随机起伏 PN 而造成的。 而造成的。 散粒噪声的大小与晶体管的静态工作点电流有关， 散粒噪声的大小与晶体管的静态工作点电流有关， 其功率谱密度为
α=
α0
f 1+ j fα
α =
2
2 α0
1+ (
f 2 ) fα
f 式中 fα为共基极晶体管截止频率； 为晶体管工作频率。 为共基极晶体管截止频率； 为晶体管工作频率。
是频率的函数。 显然 α 是频率的函数。 8.2.2
所以晶体管的分配噪声不是白噪声， 所以晶体管的分配噪声不是白噪声，它的功率谱密 度随工作频率的变化而变化。频率越高，噪声越大。 度随工作频率的变化而变化。频率越高，噪声越大。 或称闪烁噪声（ 四、 f 噪声 或称闪烁噪声（Flicker Noise）] ） 1 噪声[或称闪烁噪声
υ′ =
2 n1
( R1 + R2 )
2 υn2
2 υn1
R = 2
2 2
( R1 + R2 )
4kTR B 1
2 R2 2
2 υn2 在输出端口所产生的噪声电压方值为υ′ =2 n2
( R1 + R2 )
2 n1
R = 2
2 1
( R1 + R2 )
4kTR2B
R2 2 1
所以
R R2 υ =υ′ +υ′ = 4kTB 1 R + R2 1
r
nr
在回路谐振时，折算到 在回路谐振时， ab两端的电压均方值为 两端的电压均方值为
2 2 υn =υnr Q2 = 4kTrB
ωL r
2
ω2L2 = 4kT B = 4kTRe B r
得到如图8.2.5(b)所示的等效电路。 所示的等效电路。 得到如图 所示的等效电路
8.2.1
2 ind = 4kTg fs B
式中， 为场效应管的跨导。 式中，g fs 为场效应管的跨导。
三、漏极和源极之间的等效电阻噪声 在漏极和源极之间， 在漏极和源极之间，栅极的作用达不到的部分可用等 表示。由此会产生电阻热噪声， 效串联电阻 R表示。由此会产生电阻热噪声，其大小可 由下式表示： 由下式表示：
8.2 噪声的来源与特点
8.2.1 电阻热噪声
电阻热噪声是由电阻内部自由电子的热运动而 产生的。 产生的。 起伏电流： 起伏电流： 电阻中的带电微粒（自由电子） 电阻中的带电微粒（自由电子）在一定温度下受到 热激发后，在导体内部作无规则的运动（热骚动） 热激发后，在导体内部作无规则的运动（热骚动）而相 互碰撞，两次碰撞之间行进时， 互碰撞，两次碰撞之间行进时，就产生一持续时间很短 的脉冲电流。 的脉冲电流。许多这样的随机热骚动的电子所产生的这 种脉冲电流的组合，就在电阻内部形成了无规律的电流。 种脉冲电流的组合，就在电阻内部形成了无规律的电流。 在一足够长的时间内，其电流平均值等于零， 在一足够长的时间内，其电流平均值等于零，而瞬时值 就在平均值的上下变动，称为起伏电流。 就在平均值的上下变动，称为起伏电流。 8.2.1
S I = 2qI O
为流过PN结的电流 结的电流， 为电子电荷量。 式中 I O为流过 结的电流， q为电子电荷量。 由于晶体三极管的发射结正偏， 由于晶体三极管的发射结正偏，所以散粒噪声主要 决定于发射极工作电流 Ie ，其噪声电流的均方值为
2 ien = 2qIe B
Noise） 三、分配噪声（Distribution Noise） 分配噪声（ 分配噪声只出现在晶体三极管内。 分配噪声只出现在晶体三极管内。 分配噪声就是集电极电流随基区载流子复合数量的 变化而变化所引起的噪声。 变化而变化所引起的噪声。亦即由发射极发出的载流子 分配到基极和集电极的数量随机变化而引起。 分配到基极和集电极的数量随机变化而引起。 分配噪声本质上也是白噪声。 分配噪声本质上也是白噪声。但由于渡越时间的 影响，当晶体管的工作频率高到一定值后， 影响，当晶体管的工作频率高到一定值后，这类噪声 的功率谱密度将随频率的增加而迅速增大。 的功率谱密度将随频率的增加而迅速增大。
1 f 噪声产生的原因目前尚有不同见解。，它与半导 噪声产生的原因目前尚有不同见解。， 。，它与半导
体材料制作时表面清洁处理和外加电压有关。 体材料制作时表面清洁处理和外加电压有关。
8.2.2
8.2.3 场效应管的噪声
场效应管的噪声也有四个来源： 场效应管的噪声也有四个来源： 一、散粒噪声 散粒噪声是由栅极内的电荷不规则起伏所引起的噪 声。对结型场效应管来说，则由通过PN结的漏电流引起 对结型场效应管来说，则由通过PN结的漏电流引起 PN 的噪声电流均方值为
8.2.2
理论和实践表明， 理论和实践表明，分配噪声可用晶体管集电极电流 的均方值表示为
α2 2 icn = 2qICQ (1 2 )B α0
式中， 是三极管集电极静态电流； α 式中， CQ是三极管集电极静态电流； o是低频时共基极 I
电流放大系数； 是高频时共基极电流放大系数。 电流放大系数； 是高频时共基极电流放大系数。其值为 α
1 SI ( f ) = 4kT = 4kTG R
8.2.1
在频带宽度B内产生的热噪声电压均方值和电流的均 在频带宽度B 方值分别为
2 υn = 4kTRB
2 in = 4kTGB
Constant） 以上各式中， 为玻耳兹曼常数（Soltzmann Constant） 以上各式中， 为玻耳兹曼常数（ k =1.38× T 为热力学温度， k =1.38× 23 J K ； 为热力学温度，单位为K 。 10 因此， 因此，噪声电压或电流的有效值为
2 n 2 n2
显然，两种计算方法得到的结果是相同的。
8.2.1
对于LC并联谐振电路， 对于LC并联谐振电路，所产生的噪声电压均方值为 LC并联谐振电路
2 υn = 4kTReB
式中， 为谐振电路的谐振电阻。 式中， e为谐振电路的谐振电阻。 R 对图8.2.5(a)所示的电路来说， 8.2.5(a)所示的电路来说 对图8.2.5(a)所示的电路来说，损耗电阻 所产生的噪 声电压均方值为 υ2 = 4kTrB
8.2.1
i = 4kTG2B
2 n2
1 G2 = R2
因此
2 2 2 in = in1 + in2 = 4kT(G + G2 )B 1
2 in
所以
υ =
2 n
( G1 +G2 )
2
R R2 = 4kTB 1 R + R2 1
再利用 图8.2.4所 示的电压源 进行计算。
8.2.1
2 2 υn1 在输出端口所产生的噪声电压均方值为 υn = 4kTRB