【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的這種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交流電流成分。這個(gè)交流成分稱為熱噪聲。 散彈噪聲 散彈噪聲又稱 Schottky 噪聲，是由固態(tài)器件中穿越半導(dǎo)體結(jié)或者其他不連續(xù)界面的離散隨機(jī)電荷載流子運(yùn)動(dòng)引起的。散彈噪聲通常發(fā)生在半導(dǎo)體器件中（即二極管或者晶體管的 PN 結(jié)），總是伴隨著穩(wěn)態(tài)電流，實(shí)際上穩(wěn)態(tài)電流包含著一個(gè)很大的隨機(jī)起伏，這個(gè)起伏就是散彈噪聲，其幅度和電流的平方根成正比： fqIin ??22 （ 26） 式中， I 為穩(wěn)態(tài)電流； q 為電子電荷。 對(duì)于雙極晶體管 BJT 來說，通常認(rèn)為 2bi 和 2ci 為獨(dú)立的噪聲源；而對(duì)于異質(zhì)結(jié) 8 雙極型晶體管 HBT 來說，散彈噪聲 2bi 和 2ci 為相關(guān)噪聲源，其相關(guān)表達(dá)式為： feqIii jccb ??? ??? )1(2 ? （ 27） 式中， T 為和異質(zhì)結(jié)晶體管 HBT 電流放大倍數(shù)相關(guān)的時(shí)間延遲。 高頻噪聲 與熱噪聲和散彈噪聲相比，高頻噪聲是指和頻率相關(guān)而不是與電流相關(guān)的噪聲，通常與電容伴隨出現(xiàn)，如場(chǎng)效應(yīng)管中的柵極感應(yīng)噪聲等。 在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的噪聲等效電路模型中， gsC , gdC 和 dsC 分別為柵極 源極、柵極 漏極和源極 漏極本征電容， Ri 為本征溝道電阻， mg 和 dsg 分別為跨導(dǎo)和漏極輸出電容， T 為和跨導(dǎo)相關(guān)的時(shí)間 延遲， 2gi 為柵極感應(yīng)噪聲，表達(dá)式為： 2gi =4kT fg RCmgs ?)( 2? （ 28） 2di 為漏極溝道噪聲，表達(dá)式為 fPkTgi md ?? 42 （ 29） 2gLi 為柵極漏電流引起的散彈噪聲，表達(dá)式為 gLgL qIi ?22 ? （ 210） 從（ 25）看出，與散彈噪聲不同，柵極感應(yīng)噪聲和頻率的平方成正比，頻率越高，噪聲電流越大，對(duì)器件噪聲的貢獻(xiàn)也越大。 閃爍噪聲 閃爍噪聲有稱低頻噪聲，是半導(dǎo)體器件低頻情況下的重要噪聲之一，對(duì)微薄射頻振蕩器和混頻器具有重要影響。一般認(rèn)為閃爍噪聲由以下兩方面引起的電流微小變化所產(chǎn)生： 1）載流子在半導(dǎo)體器件材料界 面上的無規(guī)律入射及復(fù)合過程；2）電荷在陰極發(fā)射時(shí)的隨機(jī)變化。 閃爍噪聲幾乎在所有器件中均可以發(fā)現(xiàn)，一些無源器件中也可以看到。在雙 9 極晶體管中閃爍噪聲主要在發(fā)射極 基極耗盡區(qū)域由污染引起的陷阱和晶格缺陷所致。 閃爍噪聲與頻率有關(guān)，頻率越低，閃爍噪聲對(duì)信號(hào)失真的影響越大，通常閃爍噪聲在 DC 至 500khz10Mhz 的頻率范圍內(nèi)以 10dB 沒倍速的速度衰減。 閃爍噪聲電流的具體表達(dá)式為 ffIki fff ?? ?2/1 （ 211） 式中， 2/1fi 為閃爍噪聲電流； fk 和 f? 為擬和因子； I 為穩(wěn)態(tài)電流。 從上式可以看出， 2/1fi 的對(duì)數(shù)和頻率的對(duì)數(shù)為線性關(guān)系 )lg (10)lg (10lg (20 )/1 ffIki fff ??? ? （ 212） 等效噪聲帶寬 白噪聲 n(t)的頻率密度在所有頻率范圍內(nèi)都是平坦的，其頻譜密度為一個(gè)常數(shù)，令 2)( ??fGn （ 213） 式中， ? 為常數(shù)，系數(shù) 1/2 是指功率一半與正頻率相關(guān)，另一半與負(fù)頻率相關(guān)。 如將白噪聲加在傳輸函數(shù) H（ f）的線性系統(tǒng)的輸入端，則輸出噪聲頻譜密度)(0 fG 為 220 )(2)()()( fHfGfHfG n ??? （ 214） 則輸出噪聲功率為 dffHdffGN out 200 )()( ?? ?? ?? ?? ? （ 215） 假設(shè)相同的噪聲來自帶寬為 B、零頻率響應(yīng)為 H（ 0）的理想低通濾波器，則有 BHdffHN out 220 )0()( ?? ?? ? ? （ 216） 式中， H（ 0）為傳輸函數(shù)在中心頻率處的數(shù)值，由式（ 215）和式（ 216）即可得到等效帶寬的表達(dá)式： 10 dffHHB 202 )()0(1 ? ?? （ 217） 二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù) 接收系統(tǒng)輸出端的信噪比是通信系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的指標(biāo)，輸出端的信噪比取決于系統(tǒng)輸入信噪比與噪聲系數(shù)。在通信系統(tǒng)中輸入信噪比 是發(fā)射功率、發(fā)射機(jī)天線增益、大氣傳輸系數(shù)、大氣溫度、接收天線增益與接收機(jī)噪聲系數(shù)的函數(shù)，降低接收機(jī)噪聲系數(shù)與改善其他指標(biāo)對(duì)于輸出信噪比有同樣的效果，這與將發(fā)射機(jī)功率加倍的效果幾乎是一樣的，而將發(fā)射機(jī)功率加倍所需的費(fèi)用與改善低噪聲放大器的成本相比要高許多。 表征一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的物理特性，除了反射系數(shù)、增益等參數(shù)外，還需要網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性。表征二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性的參數(shù)通常有兩個(gè) :一是噪聲因子 F，另外一個(gè)是噪聲系數(shù) NF。兩者之間的關(guān)系為 NF=10lgF （ 218） 從上述公式可以看到，噪聲系數(shù) NF 為噪聲因子 F 的對(duì)數(shù)，單位為 dB,而噪聲因子 F 沒有單位。 噪聲系數(shù)的定義 20 世紀(jì) 40 年代， Harold Friis 首次用網(wǎng)絡(luò)的輸入信噪比和輸出信噪比定義了噪聲系數(shù)這個(gè)概念，具體表達(dá)式為 00 // NS NSS N RS N RF iioutin ?? (219) 式中， SNRin 和 SNRout 分別為輸入和輸出端口的信噪比 。Si 和 Ni 分別為輸入信號(hào)和噪聲功率； S0 和 N0 分別為輸出信號(hào)和噪聲功率。 從式（ 216）可以看到，噪聲系數(shù)的物理含義是信號(hào)從網(wǎng)絡(luò)的輸 入端傳輸?shù)捷敵龆藭r(shí)信噪比下降的數(shù)值，顯然一個(gè)理想的無噪聲放大器在放大了輸入信號(hào)的同時(shí)也放大了輸入的噪聲，因此系統(tǒng)的信噪比（ dB）保持不變，亦即 )(01 dBS N RS N RF outin ??? (220) 11 然而，實(shí)際的放大器內(nèi)部器件存在著各種噪聲，如熱噪聲、散彈噪聲、低頻噪聲等等，這些都會(huì)引起系統(tǒng)輸出信噪比的惡化，噪聲系數(shù)的高低意味著由網(wǎng)絡(luò)本身引起的噪聲的大小。值得注意的是，噪聲系數(shù)的概念只適用于處理信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)。本章討論的噪聲系數(shù)都是基于二端口網(wǎng)絡(luò)的，盡管混頻器是三端口網(wǎng)絡(luò) ，但通常也作為二端口網(wǎng)絡(luò)來處理。 噪聲系數(shù)與調(diào)制解調(diào)無關(guān)，與調(diào)制方式無關(guān)，與調(diào)制解調(diào)器的性能熬也無關(guān)。因此，用來表征（ FM）接收機(jī)靈敏度的靜噪抑制或數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率（ BER）相比，噪聲系數(shù)更具普遍性。噪聲系數(shù)與增益無關(guān)，夾雜在信號(hào)中的噪聲經(jīng)過放大器后，將和信號(hào)同時(shí)被放大相同的倍數(shù)， 等效噪聲溫度 從前面的分析可以知道，電阻引起的熱噪聲功率表達(dá)式非常簡(jiǎn)單，為了方便計(jì)算二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)，人們引入了等效噪聲溫度的概念，將網(wǎng)絡(luò)的噪聲功率用電阻在不同溫度下的熱噪聲功率來表征。對(duì)于一個(gè)資用功率為 Na 的 白噪 聲，可以用一個(gè)等效噪聲溫度 Te 的電阻來表示，等效噪聲溫度 Te 可以由以下計(jì)算得到 kBNT ae? （ 221） 值得注意的是，等效噪聲溫度的概念是相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)輸入端來說的，也就是說，所有的噪聲功率必須首先等效到網(wǎng)絡(luò)電源端才能獲得等效噪聲溫度。對(duì)于有噪聲二端口網(wǎng)絡(luò)來說，假設(shè)輸入端功率為 0，則總的輸出功率 N0 僅包括二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲貢獻(xiàn) Na，其等效噪聲溫度可以表示為 k G BNk G BNkB GNkBNT aie ???? 00 / （ 222） 12 表 21 噪聲溫度和噪聲系數(shù)的換算表 噪聲系數(shù) NF/dB 噪聲因子 F 噪聲溫度 Te/K 0 0 3 290 10 10 2610 20 100 28710 噪聲系數(shù)的測(cè)量技術(shù) 根據(jù)噪聲系數(shù)的定義，有很多種方法可以測(cè)量網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)，但是精度最高而最常用的是 Y 因子方法。采用 Y 因子方法通常需要一個(gè)精確的噪聲源，以產(chǎn)生所需的高頻噪聲。 噪聲源 顧名思義，噪聲源即產(chǎn)生噪聲的 根源，是指能夠獲得高頻噪聲的部件。目前常用的噪聲源由雪崩二極管和匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成（如圖 22），其原理是固態(tài)噪聲二極管的雪崩散彈噪聲在一定條件下近似為白噪聲。利用電路的匹配技術(shù) , 并對(duì)影響噪聲管超噪比的因素從結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行有效控制 , 可研制出高超噪比輸出 , 平坦度滿足要求的固噪聲源。根據(jù) H ines 的理論 , 當(dāng)負(fù)載為純電阻 R L 時(shí) , 處于雪崩擊穿狀態(tài)的噪聲極管傳輸?shù)截?fù)載的功率譜密度為 : 22222)()1(1)(LSPSCLabn RRR RIVaW ??????? （ 223） 式中 , ????