《噪声概述》PPT课件.ppt

一、噪声概述1.与噪声相关的的几个基本概念,（2）噪声的统计特性(Statistical characteristics of noise)由于噪声的取值不可预测，更不能用一个解析函数来定义，所以要用概率和统计的方法来描述。统计方法侧重的是样本总体的定量性质，而不是个体元素的性质。就随机噪声而言，样本可以由其波形的大量的连续取值组成。常用的概率和统计描述方法有概率密度函数以及数学期望值、方差、均方值、相关函数等特征值。,（1）噪声与干扰（Noise and Interference）通常把可以减少或消除的外部扰动称为干扰，把由于材料或器件 的物理原因产生的扰动称为噪声。,随机噪声波形 x(t)与概率密度函数p(x)之间的关系,概率密度函数p(x):表示噪声电压x(t)在t时刻取值为x的概 率，对于所有x都有p(x)0,且概率曲线下覆盖的面积为1.,均方根值:,（用来衡量噪声电压幅值的大小）,均值:,（噪声电压的平均值）,（反映的是随机噪声的起伏程度）,方差：,均方值:,（反映随机噪声的功率）,（3）随机噪声的功率谱密度及自相关函数 功率谱密度S()，从名字分解来看就是说，观察对象是功率，观察域是谱域，通常指频域，密度，就是指观察对象在观察域上的分布情况，功率谱密度即用来分析噪声功率随频率的分布情况。功率谱密度是结构在随机动态载荷激励下响应的统计结果，是一条功率谱密度值频率值的关系曲线，其中功率谱密度可以是位移功率谱密度、速度功率谱密度、加速度功率谱密度、力功率谱密度等形式。,已知S()或S(f)，就可求得噪声的平均功率(均方值),：角频率，f：频率，P：处带宽之间噪声的平均功率。,S()公式表示：,或,功率谱密度的单位是G的平方/频率-即函数幅值的均方根值与频率之比。是对随机振动进行分析的重要参数。,例：如果是加速度功率谱密度，加速度的单位是m/s2,那么，加速度功率谱密度的单位就是(m/s2)2/Hz,而Hz的单位是1/s,经过换算得到加速度功率谱密度的单位是m2/s3.,位移功率谱密度？速度功率谱密度？加速度功率谱密度?,m2*sm2/sm2/s3,自相关函数(Autocorrelation function)：表示随机过程在二个不同时间上的相关性。,Rx()有三个重要特性：1）与起点无关，仅与有关；2）由于噪声是独立随机的，故上升，Rx()下降，趋向无穷，Rx()趋向0；3）=0，Rx()最大，R(0)代表噪声的均方值（噪声功率）,公式：,例：利用采样保持器对零均值连续随机电压波形进行不断的采样保持,保持的时间间隔为1s。设各采样之间互不相关,采样值在-1+1 之间均匀分布。t=O 之后第一次采样时刻叫在0ls之间均匀分布。采样保持器的输出波形x(t)示于下图,试求x(t)的功率p,和自相关函数Rx()的图形。,解:因为采样值x(z)在-1+1 之间均匀分布,其概率密度函数p(x)的形状如图所示,x(t)功率为,功率谱密度与自相关函数的关系是一对傅立叶变换的关系：,（4）放大器或线性网络的等效噪声带宽（Equivalent Noise Bandwidth）,噪声带宽概念的出现，最初是为了从具有宽带噪声输入的放大器中快速计算输出噪声功率，这个概念也可以推广到信号带宽。等效噪声带宽是假想的矩形频谱宽度，该宽度（带宽）内的功率等于实际频谱在正频率范围内的功率（即实际绝对带宽内的功率），简言之就是两者的功率相等。,计算公式：,或,例：一阶RC低通滤波器电路如图所示，求其等效噪声带宽。,当=0时，可得电路的直流增益A0=1，代入等效噪声带宽的公式可得,信噪比（SNR）：衡量一个信号质量优劣的指标。它是在指定频带内，同一端口信号功率P s 和噪声功率P n的比值，即,当用分贝表示信噪比时，有,信噪比越大，信号质量越好。,（5）信噪比、信噪改善比与噪声系数,信噪改善比（SNIR）:反映系统噪声的改善情况,噪声系数：描述系统或放大器的噪声情况定义：线性四端网络输入端的信噪比与输出端的信噪比之比值。,线件四端网络如图所示，图中Rs是信号源内阻，s是信号源电压，n是信号源内阻，Rr是等效噪声源电压，RL是负载。,或用dB表示为,设输入端的信号功率为Psi，由信号源内阻产生的噪声功率为Pni，而网络的输出端负载上所得到的信号功率和噪声功率分别为Pso、Pno，噪声系数定义为,（5）噪声系数（Noise coefficient）,噪声系数F：衡量有源器件的噪声特性的优劣,四端口网络如图所示，图中Rs是信号源内阻，s是信号源电压，RL是放大器负载。,结论：F越小，说明系统越好，能检测到的信号也越小，检测灵敏度越高。,2.电子系统内部的固有噪声源,（1）电阻的噪声,电阻的噪声主要有三大类型：热噪声，接触噪声，以及shot噪声。,低噪声设计：低温，低阻值，增加尺寸和空间，减少交直流电流,特点：热噪声主要依赖与温度，频宽，以及阻值；接触噪声依赖于平均直流电流、频宽、材料类型和几何形状；shot噪声依赖频宽以及平均直流电流大小。,任何电阻或导体,即使没有连接到任何信号源或电源，也没有任何电流流过该电阻,其两端也会呈现噪声电压起伏,这就是电阻的热噪声。产生原因：电阻中电子的随机热运动，导致电阻两端电荷的瞬时堆积，形成噪声电压。,功率谱密度函数：,热噪声（Johnson noise）的统计特性,等效功率Pt：,B为系统的等效噪声带宽，单位Hz，et为热噪声电压值，Pt单位为V2,噪声电压的有效值Et：,例：证明温度相同的两个电阻R1和R2相串联和并联所产生的等效噪声电压的有效值分别为,和,（2）半导体二极管的散弹噪声（shot noise）原因：少数载流子由发射极通过PN结注入基区时,在单位时间内注入的载流子数不同（速度不均匀）,是随机起伏的。这种起伏会影响到集电极电流的起伏,由此引起的噪声叫散弹噪声。,（3）半导体三极管的噪声,电阻的热噪声、散弹噪声、接触噪声（1/f）、爆裂噪声,1/f噪声是由两种导体的接触点电导的随机涨落引起的，凡是有导体接触不理想的器件都存在1/f噪声，所以1/f噪声又称为接触噪声。因为其功率谱密度正比于1/f，频率越低噪声越严重，所以又称为低频噪声,爆裂噪声是一种流过半导体PN结电流的突然变化。通常的爆裂噪声电流只在两种电流值之间切换，取决于半导体制作工艺和材料中杂质的情况，其出现的几率可在每秒几百个到几分钟一个之间变化。它是电流型噪声，在高阻电路中影响更大。,按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。见下图。,（4）场效应管的噪声,1.沟道热噪声 2.栅极感应噪声3.栅极散弹噪声4.栅极感应噪声,2、低噪声前置放大技术 低噪声前置放大器的等效噪声模型,en表示等效输入噪声电压，in表示等效输入噪声电流,例：设图(a)所示差动放大电路的等效噪声带宽为0.01-100 Hz,使用的运算放大器型号为A741。求等效噪声电压源的电压和电流。,低噪声前置放大器的设计,a)最佳信号源内阻,信号源在理论分析中是按理想模型进行分析的，忽略了内阻的作用。但实际上它是存在的，在实际电路分析中不能忽略，电路设计时应根据实际电路特点，合理选用适当内阻的信号源才能达到设计目的。,信号源内阻对功率放大器的影响 在功率放大器中，信号源内阻要和负载的阻抗匹配，才能使输出功 率最大.,信号源内阻对输出信号的影响 当信号源为电压/流源时，输出电压/流的大小与信号源内阻有关，当考虑信号源内阻时，输出电压/流变小。内阻Rs越小，对输出电压/流影响越小，输出电压/流就越稳定。,简单地说，阻抗就是电阻加电抗，所以才叫阻抗；周延一点地说，阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电的世界中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻，世界上所有的物质都有电阻，只是电阻值的大小差异而已。电阻小的物质称作良导体，电阻很大的物质称作非导体，而最近在高科技领域中称的超导体，则是一种电阻值几近于零的东西。但是在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的流动，这种作用就称之为电抗，意即抵抗电流的作用。电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗。它们的计量单位与电阻一样是奥姆，而其值的大小则和交流电的频率有关系，频率愈高则容抗愈小感抗愈大，频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。此外电容抗和电感抗还有相位角度的问题，具有向量上的关系式，因此才会说：阻抗是电阻与电抗在向量上的和,何为阻抗（impedance matching）？,阻抗匹配的基本原理：,1纯电阻电路把一个电阻为R的用电器，接在一个电动势为E、内阻为r的电池 组上，在什么条件下电源输出的功率最大呢？,当外电阻等于内电阻时，电源对外电路输出的功率最大，这就是纯电阻电路的功率匹配。假如换成交流电路，同样也必须满足R=r这个条件电路才能匹配。,2电抗电路（略）,阻抗三角形法,阻抗匹配：,负载阻抗等于信源内阻抗，即它们的模与辐角分别相等，这时在负载阻抗上可以得到无失真的电压传输。负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值，即它们的模相等而辐角之和为零。这时在负载阻抗上可以得到最大功率。这种匹配条件称为共轭匹配。如果信源内阻抗和负载阻抗均为纯阻性，则两种匹配条件是等同的。,是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。,匹配条件：,公式：,最佳源电阻：,分别为放大器的等效输入电压噪声和等效输入电流噪声的平方根谱密度。,最小噪声系数：,说明：,1）低噪声放大器应该尽量选用 小的器件，使最小噪声系数较小2）器件的 和噪声系数都是频率f的函数，因此各种低噪声器件只是在一定的频率范围内才能达到其最小噪声系数。,结论：,一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系，以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。对电子设备互连来说，例如信号源连放大器，前级连后级，只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上，就可认为阻抗匹配良好；对于放大器连接音箱来说，电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱，而晶体管放大器则无此限制，可以接任何阻抗的音箱。,微波射频器件分为无源和有源两大类，区分两者的标准是看该器件建立起的等效电路模型中是否含有电源（电压源或者电流源），若器件等效电路模型中有电源，该器件被称为有源器件。,有源器件是微波射频器件中重要的一类，在微波技术中占有非常重要的地位。,有源器件的类型主要分为：电子管，晶体管，集成电路。,电子管不论二极还是多极，它都有阳极和阴极，阴极在外加电源的作用下，发射电子向阳极流动。外加电源可以直接加在阴极上，也可以加在另外的加热灯丝上。就是因为这个外加电源的存在，而统称为有源器件。,b)有源器件的选择,1.电子管电子管又名真空管，所以又称为电真空器件。,2.晶体管属于半导体器件。导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。如硅、锗晶体都属于半导体。所以用这些晶体材料做成的电子器件，称为晶体管。它分晶体二极管和晶体三极管。,3.集成电路集成电路顾名思义是将有源器件和无源器件及连接线等集中制造在一个很小的硅片上，再经引线和封装，形成一个有预定功能的微型整体。(符号为IC)。集成电路的优点是体积小、寿命长、成本低、可靠性高性能好。当前集成电路及大规模集成电路越来越被广泛的应用。,选择方法：,低噪声放大器应该尽可能选用 小的器件,这样才能使最小噪声 系数Fmin较小。另外，由于 都是频率f的函数，因此各种低噪 声器件只是在一定的频率范围内才能达到其最小噪声系数；根据信号源大小选用合适类型的器件，使器件的最佳源电阻等于负 载电阻，实现噪声匹配下的最小噪声系数。,c)偏置电路与直流工作点的选择,为了使放大电路正常地工作，把输入信号不失真地加以放大，必须有一个合适而稳定的静态工作点为放大电路提供直流电流和直流电压的电路.叫做直流(静态)偏置电路，简称偏置电路。由于各种电子电路对偏置电路有不同的要求，所以在实际电路中加设的偏置电路也有所不同。下面介绍几种常见的偏置电路。,1.固定偏置电路,固定偏置电路如图所示，它是共发射极放大电路。当EC和RB一经确定，就能得到一个固定的基极电流lB和集电极电流IC，所以把这种电路叫做固定偏置电路。,2.电压负反馈偏置电路,它和固定偏置电路的不同之处，是将偏流电阻RB接在了三极管集电极上。,电流负反馈偏置电路如图15-13 所示。它和固定偏置电路的不同之处是.在半导三极管的发射极上串接了一个电阻RE。,4.分压式电流负反馈偏置电路,3.电流负反馈偏置电路,电路中除三极管发射极上接有RE外，同时在基极上还接有RB1和RB2，它们分别接在电源EC的两端。,最小噪声系数：,直流工作点：,定义：所谓直流工作点就是输入信号为零时,电路处于直流工作状态,这些 直流电流,电压的数值在三极管特性曲线上表示为一个确定的点。目的：保证在被放大的交流信号加入电路时,不论是正半周还是负半周都 能满足发射结正向偏置,集电结反向偏置的三极管放大状态。方法：由于不同的信号源内阻，晶体管放大级的最佳直流工作点值不同，所以选定源器件后，必须选合适的工作点，使放大器的最佳源电阻 Rs0等于信号源电阻Rs，才能使放大器的噪声系数达到最小值。,例：已知晶体管0=100，rbb=100,试求Rs=1K时的最佳集电极电流和最小噪声系数。,解：,d）噪声匹配/阻抗匹配,由于Rs Rso，可用阻抗匹配网络来改变等效输入阻抗。1.变压器匹配,2.输入级并联法 N个完全相同的放大器并联，则RsoRso/N,Rson2Rs，改变n即可。缺点：会带来信号频率失真,减小噪声系数的措施:,在放大或其它电路中，电子器件的内部噪声起着重要作用。因此，改进电子器件的噪声性能和选用低噪声的电子器件，就能大大降低电路的噪声系数。,a.选用低噪声元器件,减小噪声系数的措施:,b.正确选择晶体管放大级的静态工作点,对于不同的信号源内阻，晶体管放大级的最佳静态工作点值不同.,信号源内阻变化时，也影响 F 的大小.,c.选择合适的信号源内阻,d.选择合适的工作带宽,根据上面的讨论，噪声电压都与通带宽度有关。接收机或放大器的带宽增大时，接收机或放大器的各种内部噪声也增大。因此，必须严格选择接收机或放大器的带宽，使之既不过窄，以能满足信号通过时对失真的要求，又不致过宽，以免信噪比下降。,热噪声是内部噪声的主要来源之一，所以降低放大器、特别是接收机前端主要器件的工作温度，对减小噪声系数是有意义的。对灵敏度要求特别高的设备来说，降低噪声温度是一个重要措施。,优良的高稳定和低噪声电路。,e.选用合适的放大电路,f.热噪声,