射频电路基础 第四章 噪声与小信号放大器
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第四章 噪声与小信号放大器
第四章 噪声与小信号放大器
4.1 噪声来源和特性 4.2 电路中元器件的噪声 4.3 功率信噪比和噪声系数 4.4 射频小信号放大器 4.5 射频小信号调谐放大器 4.6 S参数与放大器设计 4.7 宽频带小信号放大器 4.8 低噪声放大器 4.9 集成器件与应用电路举例 本章小结 思考题和习题
4.1.1 噪声来源
产生噪声的物理机理有很多， 最常见的是热噪声, 也称 为约翰逊噪声或奈奎斯特噪声。这可以通过简单测量一个开路 电阻上的电压来说明。 如图4.1.1所示， 测得的电压u（t）并 不为零。也就是说， 它的平均电压为零， 但瞬时电压不为零。 在温度高于绝对零度的情况下， 电子的布朗运动会产生随机 的瞬时电流， 这些电流会产生随机的瞬时电压， 从而产生噪 声功率。
第四章 噪声与小信号放大器
图4.1.1 开路电阻上的电压
第四章 噪声与小信号放大器
电子管、 半导体二极管、 晶体管或场效应管中噪声的产 生机理各不相同。 例如，对于电子管， 这些机理包括阴极电 子发射的随机次数（又称为散粒噪声）、 真空中的随机电子 速率、 阴极表面的非均匀发射和阳极的二次发射。 类似地， 对于二极管， 电子和空穴的随机发射产生噪声。 在晶体管中， 还存在着分配噪声， 也就是离开发射极的载流子在基极和集 电极间所产生的波动。
第四章 噪声与小信号放大器
图4.1.2 白噪声通过线性系统及等效噪声宽度
第四章 噪声与小信号放大器
4.2 电路中元器件的噪声
4.2.1 电阻的热噪声及等效电路
温度为T, 阻值为R的电阻的噪声其电流功率谱密度
SI=4kT
1 R
, 电压功率谱密度SU=SIR2=4kTR, 其中k=1.38×10－23
第四章 噪声与小信号放大器
4.1.2 噪声特性
在讨论噪声的特性时, 以电阻的热噪声为例， 下面的三个 指标是最主要的。
(1) 频谱。 由于电阻中电子的布朗运动产生随机的瞬时小 电流脉冲的持续时间极短， 因此它的频谱可以说在整个无线 电频段上是趋于无穷大的。
第四章 噪声与小信号放大器
(2) 功率谱密度。 由于电流脉冲的随机性, 其大小方向均 不确定, 不能用它们的电流谱密度叠加, 因此引入功率谱密度 S(f)的概念。 功率谱密度S(f)表示单位频带内的功率, 单位是 dBm/Hz(0 dBm表示1 mW功率)。 引入了功率谱， 就可以避免 叠加相位的不确定性。
第四章 噪声与小信号放大器
另外， 还存在1/f噪声（其中f表示频率）， 或称为闪烁噪 声， 这是由处于基极-发射极PN结的基极少数载流子的表面复 合而引起的。 很明显， 当频率接近直流时， 闪烁噪声将急剧 增加。 在场效应管中， 存在由沟道电阻产生的热噪声、 1/f噪 声和耦合到栅极的沟道噪声， 它们也会被晶体管的增益所放 大。 在齐纳二极管和碰撞雪崩渡越时间二极管等器件中， 发 生电子雪崩时的反向击穿也会产生噪声。
通常将
H ( f ) 2 df
BL
0
H 2( f0)
称为线性系统的等效噪声带宽， 如图4.1.2所示， 它是高度 为H2(f0)(系统在中心频率点f0的功率传输系统)， 宽度为BL的 矩形。 白噪声通过线性系统后的总噪声功率等于输入噪声功 率谱密度Si（f）与H2（f0）之积再乘以系统的等效噪声带宽 BL。 因此， 系统的等效噪声带宽越大， 输出噪声越大。
I
2 n
4kT
1 R
B
,
噪声电压均方值
U
2 n
4kTRB 。
当多个有噪电阻串联时,
每个有噪电阻用相应
的噪声电压源等效电路表示； 当多个有噪电阻并联时, 每个
有噪电阻用相应的噪声电流源等效电路表示, 如图4.2.2所示。
第四章 噪声与小信号放大器
图4.2.2 有噪电阻的串/ (a) 有噪电阻的并联等效； (b) 有噪电阻的串联等效
J/K是波尔兹曼常数。 可见， 电阻热噪声的功率谱密度与频率
无关, 因此是白噪声。
第四章 噪声与小信号放大器
计算一个有噪电阻R在频带宽度为B的线形网络内的噪声
时, 可以看做阻值为R的理想无噪电阻与一噪声电流源并联, 或
阻值为R的理想无噪电阻与一噪声电压源串联, 如图4.2.1所示。
其中，
噪声电流均方值
度So（f）=Si（f）|H（f）|2, 其中|H（f）|2是系统的功率传递函 数。 当白噪声通过线性系统后, 输出噪声均方值电压(或电流)
可表示为
U
2 n
0
Si
(
f
)
H
(
f
)
2
df
Si
H ( f ) 2 df
0
它是输入功率谱密度Siห้องสมุดไป่ตู้f）乘以功率传输函数在整个频段内的 积分值。
第四章 噪声与小信号放大器
第四章 噪声与小信号放大器
I
2 n
f2
SI ( f )df
SI
f2
df
SI( f2
f1)
f1
f1
或
U
2 n
f2 f1
SU
(
f
)df
SU
f2 df
f1
SU( f2
f1)
第四章 噪声与小信号放大器
(3) 等效噪声带宽。 在功率谱密度为Si（f）的噪声通过电 压传递函数 H（f）的线性时不变系统后， 输出噪声功率谱密
以电流功率谱表示的噪声功率为
PI
f2 f1
SI
(
f
)df
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它是用电流量表示的功率谱密度在频带f2－f1内的积分值。 以 电压量表示的噪声功率为
PU
f2 f1
SU
(
f
)df
它是用电压量表示的功率谱密度在频带f2－f1内的积分值。 也可以用噪声电流均方值I2n和噪声电压均方值U2n示在频带 Δf=f2－f1内单位电阻上的噪声功率。
第四章 噪声与小信号放大器
与此相同， 若把电阻R的热噪声作为噪声源， 则当此噪 声源的负载与R相匹配时， 能输出最大噪声功率， 此功率可 称为该电阻热噪声源的资用噪声功率， 也称为额定噪声功率。 其值为
4kTRB PnA 4R kTB
第四章 噪声与小信号放大器
第四章 噪声与小信号放大器
4.1 噪声来源和特性
通信发射机和接收机的灵敏度通常会受到噪声的限制。 广义上， 噪声的定义为： 除了所希望的信号之外的一切信号。 然而， 该定义没有区分人工噪声（如50 Hz电源线的交流噪声） 和来自于电路内部的难于消除的噪声。 本章要讨论的是后者。
第四章 噪声与小信号放大器
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4.1 噪声来源和特性 4.2 电路中元器件的噪声 4.3 功率信噪比和噪声系数 4.4 射频小信号放大器 4.5 射频小信号调谐放大器 4.6 S参数与放大器设计 4.7 宽频带小信号放大器 4.8 低噪声放大器 4.9 集成器件与应用电路举例 本章小结 思考题和习题
4.1.1 噪声来源
产生噪声的物理机理有很多， 最常见的是热噪声, 也称 为约翰逊噪声或奈奎斯特噪声。这可以通过简单测量一个开路 电阻上的电压来说明。 如图4.1.1所示， 测得的电压u（t）并 不为零。也就是说， 它的平均电压为零， 但瞬时电压不为零。 在温度高于绝对零度的情况下， 电子的布朗运动会产生随机 的瞬时电流， 这些电流会产生随机的瞬时电压， 从而产生噪 声功率。
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图4.1.1 开路电阻上的电压
第四章 噪声与小信号放大器
电子管、 半导体二极管、 晶体管或场效应管中噪声的产 生机理各不相同。 例如，对于电子管， 这些机理包括阴极电 子发射的随机次数（又称为散粒噪声）、 真空中的随机电子 速率、 阴极表面的非均匀发射和阳极的二次发射。 类似地， 对于二极管， 电子和空穴的随机发射产生噪声。 在晶体管中， 还存在着分配噪声， 也就是离开发射极的载流子在基极和集 电极间所产生的波动。
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图4.1.2 白噪声通过线性系统及等效噪声宽度
第四章 噪声与小信号放大器
4.2 电路中元器件的噪声
4.2.1 电阻的热噪声及等效电路
温度为T, 阻值为R的电阻的噪声其电流功率谱密度
SI=4kT
1 R
, 电压功率谱密度SU=SIR2=4kTR, 其中k=1.38×10－23
第四章 噪声与小信号放大器
4.1.2 噪声特性
在讨论噪声的特性时, 以电阻的热噪声为例， 下面的三个 指标是最主要的。
(1) 频谱。 由于电阻中电子的布朗运动产生随机的瞬时小 电流脉冲的持续时间极短， 因此它的频谱可以说在整个无线 电频段上是趋于无穷大的。
第四章 噪声与小信号放大器
(2) 功率谱密度。 由于电流脉冲的随机性, 其大小方向均 不确定, 不能用它们的电流谱密度叠加, 因此引入功率谱密度 S(f)的概念。 功率谱密度S(f)表示单位频带内的功率, 单位是 dBm/Hz(0 dBm表示1 mW功率)。 引入了功率谱， 就可以避免 叠加相位的不确定性。
第四章 噪声与小信号放大器
另外， 还存在1/f噪声（其中f表示频率）， 或称为闪烁噪 声， 这是由处于基极-发射极PN结的基极少数载流子的表面复 合而引起的。 很明显， 当频率接近直流时， 闪烁噪声将急剧 增加。 在场效应管中， 存在由沟道电阻产生的热噪声、 1/f噪 声和耦合到栅极的沟道噪声， 它们也会被晶体管的增益所放 大。 在齐纳二极管和碰撞雪崩渡越时间二极管等器件中， 发 生电子雪崩时的反向击穿也会产生噪声。
通常将
H ( f ) 2 df
BL
0
H 2( f0)
称为线性系统的等效噪声带宽， 如图4.1.2所示， 它是高度 为H2(f0)(系统在中心频率点f0的功率传输系统)， 宽度为BL的 矩形。 白噪声通过线性系统后的总噪声功率等于输入噪声功 率谱密度Si（f）与H2（f0）之积再乘以系统的等效噪声带宽 BL。 因此， 系统的等效噪声带宽越大， 输出噪声越大。
I
2 n
4kT
1 R
B
,
噪声电压均方值
U
2 n
4kTRB 。
当多个有噪电阻串联时,
每个有噪电阻用相应
的噪声电压源等效电路表示； 当多个有噪电阻并联时, 每个
有噪电阻用相应的噪声电流源等效电路表示, 如图4.2.2所示。
第四章 噪声与小信号放大器
图4.2.2 有噪电阻的串/ (a) 有噪电阻的并联等效； (b) 有噪电阻的串联等效
J/K是波尔兹曼常数。 可见， 电阻热噪声的功率谱密度与频率
无关, 因此是白噪声。
第四章 噪声与小信号放大器
计算一个有噪电阻R在频带宽度为B的线形网络内的噪声
时, 可以看做阻值为R的理想无噪电阻与一噪声电流源并联, 或
阻值为R的理想无噪电阻与一噪声电压源串联, 如图4.2.1所示。
其中，
噪声电流均方值
度So（f）=Si（f）|H（f）|2, 其中|H（f）|2是系统的功率传递函 数。 当白噪声通过线性系统后, 输出噪声均方值电压(或电流)
可表示为
U
2 n
0
Si
(
f
)
H
(
f
)
2
df
Si
H ( f ) 2 df
0
它是输入功率谱密度Siห้องสมุดไป่ตู้f）乘以功率传输函数在整个频段内的 积分值。
第四章 噪声与小信号放大器
第四章 噪声与小信号放大器
I
2 n
f2
SI ( f )df
SI
f2
df
SI( f2
f1)
f1
f1
或
U
2 n
f2 f1
SU
(
f
)df
SU
f2 df
f1
SU( f2
f1)
第四章 噪声与小信号放大器
(3) 等效噪声带宽。 在功率谱密度为Si（f）的噪声通过电 压传递函数 H（f）的线性时不变系统后， 输出噪声功率谱密
以电流功率谱表示的噪声功率为
PI
f2 f1
SI
(
f
)df
第四章 噪声与小信号放大器
它是用电流量表示的功率谱密度在频带f2－f1内的积分值。 以 电压量表示的噪声功率为
PU
f2 f1
SU
(
f
)df
它是用电压量表示的功率谱密度在频带f2－f1内的积分值。 也可以用噪声电流均方值I2n和噪声电压均方值U2n示在频带 Δf=f2－f1内单位电阻上的噪声功率。
第四章 噪声与小信号放大器
与此相同， 若把电阻R的热噪声作为噪声源， 则当此噪 声源的负载与R相匹配时， 能输出最大噪声功率， 此功率可 称为该电阻热噪声源的资用噪声功率， 也称为额定噪声功率。 其值为
4kTRB PnA 4R kTB
第四章 噪声与小信号放大器
第四章 噪声与小信号放大器
4.1 噪声来源和特性
通信发射机和接收机的灵敏度通常会受到噪声的限制。 广义上， 噪声的定义为： 除了所希望的信号之外的一切信号。 然而， 该定义没有区分人工噪声（如50 Hz电源线的交流噪声） 和来自于电路内部的难于消除的噪声。 本章要讨论的是后者。
第四章 噪声与小信号放大器