近代电子测量技术-噪声系数分析仪

噪声系数分析仪

噪声系数测试的基本概念 噪声系数测试原理 典型器件的噪声系数测试

噪声系数测试的基本概念

器件性能对信号质量的影响(一)

器件性能对信号质量的影响(二)

噪声的来源

噪声的分类

热噪声(Thermal

Noise/Johnson Noise) 散粒噪声(Shot Noise) 闪烁噪声1/f噪声(Flicker)

热噪声它是由于导体中自由电子的无规则热运动形成的噪声。 因为导体具有一定的温度，导体中每个自由电子的热运动 方向和速度不规则地变化，因而在导体中形成了起伏噪声 电流，在导体两端呈现起伏电压。电阻产生的起伏噪声电 压均方值 ：

en 4kTRBn2

式中：k为玻耳兹曼常数,k=1.38 10-23J/K; T为电阻温度, 以绝对温度(K)计量,对于室温17℃, T T0 290K R为电阻的阻值；Bn为测试设备的通频带。 电阻热噪声的功率谱密度是与频率无关的常数。通常把 功率谱密度为常数的噪声称为“白噪声”,电阻热噪声在 无线电频率范围内就是白噪声的一个典型例子。

散粒噪声

由有源电路或器件中的存在的随机电流引起，它 与热噪声类似其值与频率无关，因此也是一种白 噪声，其噪声电流的均方根值为：

i 2 2qI D f

其中q为电子电量(1.6×10-19C),不难发现其大 小与随机电流的大小成正比。

闪烁噪声1/f噪声因其大小与频率成反比例关系而得 名。1/f噪声的主要参数是拐点频率fa,该点的 1/f噪声等于热噪声功率。半导体器件内的1/f 噪声的分布特性取决于其工艺。比如BiCMOS器 件的fa大约为4~8kHz;MOSEFT器件的fa大约为 1MHz。1/f噪声的幅度分布不是高斯分布。

噪声系数(一)噪声总是伴随着信号出现。信号与噪声的功 率比值S/N简称“信噪比”。决定检测能力的是接 收机输出端的信噪比。 噪声系数的定义是：接收机输入端信号噪声 比与输出端信号噪声比的比值。Si / N i F So / N o定义1

噪声系数F有明确的物理意义：它表示由于接 收机内部噪声的影响，使接收机输出端的信噪比 相对其输入端的信噪比变坏的倍数。

噪声系数(二)噪声系数还可表示为：

No F Ni GaGa为接收机的额定功率增益

定义2

Ni Ga

是输入端噪声通过“理想接收机”后，在 输出端呈现的额定噪声功率

噪声系数(三)No N实际接收机的输出额定噪声功率由两部分组成:

NiGa kT0 BnGa接收机内部噪声在输出端所呈现的额定噪声功率

N0 NiGa N kT0 BnGa N N F 1 kT0 BnGa 实际接收机总会有内部噪声

N 0

因此F>1.只有当接收机是“理想接收机”时，才会有F=1。

对噪声系数的两点说明1)噪声系数只适用于的线性电路和准线性

电路。 2)噪声系数F是没有量纲的数值，通常用分贝 表示：F(dB)=10lgF(dB)

等效噪声温度(一)为了更直观地比较内部噪声与外部噪声的大 小，可以把接收机内部噪声在输出端呈现的额定 噪声功率等效到输入端来计算。 N kTe BnGa等效噪声温度”或简称“噪声温度”,此时 接收机就变成没有内部噪声的“理想接收机”

等效噪声温度(二) N F 1 kT0 BnGa N kTe BnGa

kTe BnGa Te N F 1 1 1 kT0 BnGa kT0 BnGa T0

Te ( F 1)T0 ( F 1) 290K

等效噪声温度(三)对于低噪声接收机和低噪声器件，常用噪声温度来表 示其噪声性能。

F(倍数) 1 F(dB) 0 0

1.05 0.21 14.5

1.1 0.41 29

1.5 1.76 145

2 3.01 290

5 6.99 1160

8 9.03 2030

10 10 2610

Te

(K)

系统噪声系数指标的规划

级联电路的噪声系数(一)先考虑两个单元电路级联的情况N i kT0 BnF1 , G1 F2 , G2

N o N o12 N 2

No F Ni Ga

N 0 kT0 BnG1G2 F0 N 0 N 012 N 2

N F 1 kT0 BnGa

kT0 BnG1G2 F1

N2 ( F2 1)kT0 BnG2

N0 kT0 BnG1G2 F0 kT0 BnG1G2 F1 (F2 1)kT0 BnG2

F2 1 F0 F1 G1