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发表于 2018-5-4 15:00:40
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产生的噪声温度是指级联级的输入(T eq)由下式给出:
T eq = T 1 +(T 2 / G 1)+ [T 3 /(G 1 * G 2)] + ...
级联中每个组件的噪声温度(以开尔文为单位)为:T(1,2,3 ...)= T o(F(1,2,3 ...) - 1)
级联中每个组件的功率增益(线性而非dB)为:G 1,2,3 ...
级联的噪声系数为:NF [dB] = 10 * LOG [1+(T eq / T o)]
示例:考虑三级放大器的情况,每级放大器增益为13 dB,噪声温度为60K。
每个级的数值增益(线性而不是dB)为G = 10(13/10)= 20
组合阶段的噪音温度为:
T eq = 60 +(60/20)+ 60 /(20 * 20)= 60 + 3 + 0.15 = 63.15K
三级串联放大器在室温下的噪声系数为:
NF [dB] = 10 * LOG [1+(63.15 / 290)] = 0.85dB
在卫星和空间接收系统中,来自天线的噪声水平可能非常低,受地面噪声(由于天线的旁瓣辐射)以及背景天空温度的限制(其值通常低于100K)。
在这些情况下,接收系统噪声系数的微小变化可能会导致信噪比(SNR)发生更多变化。
其他设备的噪声系数
处理信号的所有设备都会产生噪声,因此会产生噪声系数。
放大器,混频器,晶体管,二极管等都有噪声数字。
例如,RF衰减器的噪声系数基底等于其衰减值。
10dB的垫有10dB的NF。如果信号进入衰减器并且本底噪声为-174 dBm / Hz,则信号衰减10dB,而本底噪声保持不变(室温下衰减不会低于-174 dBm / Hz)。因此通过焊盘的信噪比降低了10dB。与放大器一样,如果本底噪声高于kTB,则衰减器的信噪比降低将低于其噪声系数。
天线的辐射电阻不能将功率转换为热量,因此不是热噪声的来源。
接收器输入的负载阻抗不直接影响接收噪声。因此,接收机的噪声系数小于2x(或等效噪声系数小于3dB)的确是可能的,甚至是常见的。
无线电接收机的噪声系数
就噪声而言,天线与最后一个IF级输出之间的超外差接收机部分可视为放大器,并可应用上述所有级联级放大器噪声分析。
接收机混频器级改变噪声频率的事实,这不会改变情况和上述说法。它只会导致噪声位于输入噪声频谱的不同位置。
由于检测器(但不是混频器)的噪声输出受信号的影响,因此接收器噪声系数始终在最终检测器(最后一个IF级输出)的输入端定义。例如,FM信号会抑制弱噪声,但会被强噪声抑制。
唯一的例外是接收器没有(或较差)射频图像抑制。
在这种情况下,接收机的噪声系数比如果同一个接收机具有良好的RF图像抑制性能更差3dB,因为图像噪声出现在输出端以及与期望的接收频率相关的噪声。
这有效地将IF放大器输出端的噪声功率(3dB)加倍。
有噪声接收器的输出将取决于信号源可用的噪声,
接收机的增益,以及接收机内电路产生的噪声的增加。
在要检测的信号的接收器中,它必须高于本底噪声。
出于这个原因,术语最小可辨别信号(MDS)通常与噪声底限定义一起使用。通常MDS应该比接收机本底噪声高3dB(或更高)
噪声源的类型
电路中有几种噪声源。但是,我们在这里只讨论三个重要的噪声源。
1.热或强制 - 尼奎斯特噪声
2.散粒噪声
3. 1 / f噪声(也称为闪烁或粉红噪声)
4.白噪声
5.爆裂噪声
1.热噪声
这是由导体中电子的热搅动产生的噪音。
也称为约翰逊 - 奈奎斯特噪声,是由导体或电子设备中的电子热激发产生的随机白噪声(平坦的频率)。
它是由电导体中电荷的热搅动产生的,并与导体的绝对温度成正比。
温度高于零开尔文(绝对零度)的任何物质都含有一些可以在该物质中自由移动的电子。随着温度升高,这些电子所包含的能量的量增加,并且能量的增加意味着自由电子的平均速度增加。
然而,移动的电子构成电流。由于电流随着温度而增加,噪声功率也随着温度而增加。此外,由于脉冲是随机的,它们分布在很宽范围的频率上。
它发展了这一点,如果我们看看给定通带中包含的功率,那么功率的值与通带的实际中心频率无关。
热噪声会在音频设备的输入电路中表现出来,例如话筒前置放大器或接收器的天线输入端,信号电平较低。
热噪声水平是任何电路在给定温度下可达到的极限最小噪声。
请注意,每赫兹的热噪声功率在整个频谱中是相等的,仅取决于k和T.
信号源电阻中的热噪声是实现信号灵敏度的基本限制。
热噪声在时域中具有高斯幅度分布,并均匀分布在整个频谱上。
热噪声的频谱宽度及其来源的普遍性导致它在许多应用中占主导地位。
2.散粒噪声
当存在潜在的障碍(电压差)时,通常会发生散粒噪声。
 N结二极管是一个有势垒的例子。当电子和空穴穿过屏障时,产生散粒噪声。
例如,二极管,晶体管和真空管都会产生Shot噪声。
结型二极管通常会有两个噪声成分。一个是热噪声,另一个是散粒噪声。
请注意,如果有源器件提供放大功能,噪声也会随信号一起放大。
另一方面,电阻通常不会产生散粒噪声,因为在电阻内部没有建立势垒。流过电阻的电流不会出现任何波动。但是,流过二极管的电流会产生小的波动。
这是由于电子(反过来,电荷)一次到达量子,一个电子。电流不是连续的,而是受电荷量的限制。
•散粒噪声与通过器件的电流成正比。
Shot Noise特性为白色。
3.闪烁噪声 - 1 / f(1-f)噪声
闪烁噪声存在于许多自然现象中,如核辐射,通过导体的电子流,甚至在环境中。在电气工程中,它也被称为1 / f(one-over-f)噪声。
闪烁噪声与半导体中的晶体表面缺陷有关,并且由于阴极上的氧化物涂层,在真空管中也会出现闪烁噪声。
噪声功率与偏置电流成正比,与热噪声和散粒噪声不同,
闪烁噪声随频率降低。闪烁噪声不存在精确的数学模型,因为它是如此特定于设备的。然而,对于低频,与频率的反比例几乎恰好为1 / f,而对于几千赫以上的频率,噪声功率很弱但基本上是平坦的。
闪烁噪声本质上是随机的,但由于其频谱不平坦,所以不是
一个白色的噪音。它通常被称为粉红噪声,因为大部分功率都集中在频谱的低端。
FET中的闪烁噪声更为突出(通道长度更短,闪烁噪声更大)以及体积更大的碳电阻。之前提到的用于关键低噪声应用的碳电阻器的反对意见是由于它们在传输直流电流时会产生闪烁噪声。就此而言,对于低频率,低噪声应用来说,金属膜电阻器是更好的选择。
闪烁噪声通常由拐角频率f c定义,其中闪烁噪声与白噪声相等。
在“典型”工作条件下,精密双极工艺提供最低的1 / f转角:1Hz至10Hz左右。
用高频双极工艺制造的器件的角落通常为1Hz至10kHz。
MOSFET中的1 / f拐角频率与通道长度的倒数一致,典型值为100kHz至1MHz,最新的纳米通道长度工艺甚至高达1GHz。
采用III-V工艺制造的器件,如砷化镓场效应管和铟镓 - 磷HBT,可提供极宽的带宽,但在100 MHz范围内可产生更高频率的1 / f转角。
4.白噪声
白噪声是具有恒定频率功率的噪声。
白噪声的例子有热噪声和散粒噪声。
5.爆裂噪声
爆裂噪音或爆米花噪音是另一种似乎与重金属离子污染相关的低频噪音。测量结果显示,在突然返回到初始状态之前,持续短时间的偏置电流水平突然变化。
如果在音频系统中放大,这种随机出现的离散电平突发将具有爆音。
像闪烁噪声一样,爆米花噪声非常依赖于设备,所以数学模型并不是非常有用。
但是,这种噪声随偏置电流电平而增加,并与频率1 / f 2的平方成反比。
降噪策略
噪声是一个严重的问题,特别是在低信号电平的情况下,并且有一些常识方法可以最大限度地减少系统中噪声的影响。
在本节中,我们将检查其中几种方法。
尽可能降低源电阻和放大器输入电阻。使用高值电阻会增加热噪声电压。
总热噪声是电路带宽的函数。因此,将电路的带宽降至最低也会使噪声最小化。还需要将带宽与输入信号所需的频率响应进行匹配。
通过适当使用接地,屏蔽和滤波,防止外部噪音影响系统的性能。
在系统的输入级使用低噪声放大器(LNA)。
对于某些半导体电路,请使用能够完成此工作的最低直流电源电压。
在晶体管级别,器件噪声可以通过负反馈来感测和降低。
晶体管中的电流波动有助于相位和振幅噪声。
一个未旁路的发射极电阻(RE〜10..30欧姆)可以降低噪声,但通过检测发射极电流并将信号反馈回基极端子可以进一步提高噪声。已经证明成功的PM和AM噪音降低了20dB。
在较高的频率下,器件的反馈电容会将基极/集电极结(BJT)的散粒噪声或沟道电阻(MOSFET)的热噪声耦合到输入,并导致与频率相关的噪声。
在需要低源电阻的应用中,BJT可实现最佳噪声匹配,而MOSFET可用于高源电阻应用。 |
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