【文章內容簡介】 的總帶寬，則所得的整個帶寬上的總噪聲功率 對低噪聲應用可能是不可接受的。 熱噪聲是在電阻一類導體中，自由電子的布朗運動引起的噪聲。導體中的每一個自由電子由于其熱能而運動。電子運動的途徑，由于和其他粒子碰撞，是隨機的和曲折的，即呈現布朗運動。所有電子運動的總結果形成通過導體的電流。電流的方向是隨機的，因而平均值為零。然而，電子的這種隨機運動還會產生一個交流電流成分。這個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)器件中穿越半導體結或者其他不連續(xù)界面的離散隨機電荷載流子運動引起的。散彈噪聲通常發(fā)生在半導體器件中（即二極管 或者晶體管的 PN 結），總是伴隨著穩(wěn)態(tài)電流，實際上穩(wěn)態(tài)電流包含著一個很大的隨機起伏，這個起伏就是散彈噪聲，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。 對于雙極晶體管 BJT 來說，通常認為 2bi 和 2ci 為獨立的噪聲源；而對于異質結 6 雙極型晶體管 HBT 來說，散彈噪聲 2bi 和 2ci 為相關噪聲源，其相關表達式為： feqIii jccb ??? ??? )1(2 ? （ 27） 式中， T 為和異質結晶體管 HBT 電流放大倍數相關的時間延遲。 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而不是與電流相關的噪聲，通常與電容伴隨出現，如場效應管中的柵極感應噪聲等。 在場效應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 分別為跨導和漏極輸出電容， T 為和跨導相關的時間延遲， 2gi 為柵極感應噪聲，表達式為： 2gi =4kT fg RCmgs ?)( 2? （ 28） 2di 為漏極溝道噪聲，表達式為 fPkTgi md ?? 42 （ 29） 2gLi 為柵極漏電流引起的散彈噪聲，表達式為 gLgL qIi ?22 ? （ 210） 從（ 25）看出，與散彈噪聲不同，柵極感應噪聲和頻率的平方 成正比，頻率越高，噪聲電流越大，對器件噪聲的貢獻也越大。 閃爍噪聲 閃爍噪聲有稱低頻噪聲，是半導體器件低頻情況下的重要噪聲之一，對微薄射頻振蕩器和混頻器具有重要影響。一般認為閃爍噪聲由以下兩方面引起的電流微小變化所產生： 1）載流子在半導體器件材料界面上的無規(guī)律入射及復合過程；2）電荷在陰極發(fā)射時的隨機變化。 閃爍噪聲幾乎在所有器件中均可以發(fā)現，一些無源器件中也可以看到。在雙 7 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，頻率越低，閃爍噪聲對信號失真的影響越 大，通常閃爍噪聲在 DC 至 500khz10Mhz 的頻率范圍內以 10dB 沒倍速的速度衰減。 閃爍噪聲電流的具體表達式為 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 的對數和頻率的對數為線性關系 )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都是平坦的，其頻譜密度為一個常數，令 2)( ??fGn （ 213） 式中， ? 為常數，系數 1/2 是指功率一半與正頻率相關，另一半與負頻率相關。 如將白噪聲加在傳輸函數 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） 假設相同的噪聲來自帶寬為 B、零頻率響應為 H（ 0）的理想低通濾波器，則有 BHdffHN out 220 )0()( ?? ?? ? ? （ 216） 式中， H（ 0）為傳輸函數在中心頻率處的數值，由式（ 215）和式（ 216）即可得到等效帶寬的表達式： 8 dffHHB 202 )()0(1 ? ?? （ 217） 二端口網絡的噪聲系數 接收系統(tǒng)輸出端的信噪比是通信系統(tǒng)中的一個非常重要的指標，輸出端的信噪比取決于系統(tǒng)輸入信噪比與噪聲系數。在通信系統(tǒng)中輸入信噪比是發(fā)射功率、發(fā)射機天線增益、大氣傳輸系數、大氣溫度、接收天線增益與接收機噪聲系數的函數，降低接收機噪聲系數與改善其他指標對于輸出信噪比有同樣的效果，這與將發(fā)射機功率加倍的效果幾乎是一樣的，而將發(fā)射機功率加倍所需的費用與改善低噪聲放大器的成本相比要高許多。 表征一個二端口網絡的物理特性，除了反射系數、增益等參數 外，還需要網絡的噪聲特性。表征二端口網絡的噪聲特性的參數通常有兩個 :一是噪聲因子 F，另外一個是噪聲系數 NF。兩者之間的關系為 NF=10lgF （ 218） 從上述公式可以看到，噪聲系數 NF 為噪聲因子 F 的對數，單位為 dB,而噪聲因子 F 沒有單位。 噪聲系數的定義 20 世紀 40 年代， Harold Friis 首次用網絡的輸入信噪比和輸出信噪比定義了噪聲系數這個概念，具體表達式為 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 分別為輸入信號和噪聲功率； S0 和 N0 分別為輸出信號和噪聲功率。 從式（ 216）可以看到，噪聲系數的物理含義是信號從網絡的輸入端傳輸到輸出端時信噪比下降的數值，顯然一個理想的無噪聲放大器在放大了輸入信號的同時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) 9 然而，實際的放大器內部器件存在著各種噪聲，如熱噪聲、散彈噪聲、低頻噪聲 等等，這些都會引起系統(tǒng)輸出信噪比的惡化，噪聲系數的高低意味著由網絡本身引起的噪聲的大小。值得注意的是，噪聲系數的概念只適用于處理信號的網絡。本章討論的噪聲系數都是基于二端口網絡的，盡管混頻器是三端口網絡，但通常也作為二端口網絡來處理。 噪聲系數與調制解調無關，與調制方式無關，與調制解調器的性能熬也無關。因此，用來表征（ FM）接收機靈敏度的靜噪抑制或數字通信系統(tǒng)的誤碼率（ BER）相比，噪聲系數更具普遍性。噪聲系數與增益無關，夾雜在信號中的噪聲經過放大器后，將和信號同時被放大相同的倍數， 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式非常簡單，為了方便計算二端口網絡的噪聲系數，人們引入了等效噪聲溫度的概念，將網絡的噪聲功率用電阻在不同溫度下的熱噪聲功率來表征。對于一個資用功率為 Na 的 白噪聲，可以用一個等效噪聲溫度 Te 的電阻來表示，等效噪聲溫度 Te 可以由以下計算得到 kBNT ae? （ 221） 值得注意的是，等效噪聲溫度的概念是相對于網絡輸入端來說的，也就是說，所有的噪聲功率必須首先等效到網絡電源端才能獲得等效噪聲溫 度。對于有噪聲二端口網絡來說，假設輸入端功率為 0，則總的輸出功率 N0 僅包括二端口網絡的噪聲貢獻 Na，其等效噪聲溫度可以表示為 k G BNk G BNkB GNkBNT aie ???? 00 / （ 222） 10 表 21 噪聲溫度和噪聲系數的換算表 噪聲系數 NF/dB 噪聲因子 F 噪聲溫度 Te/K 0 0 3 290 10 10 2610 20 100 28710 噪聲系數的 測量技術 根據噪聲系數的定義，有很多種方法可以測量網絡噪聲系數，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精確的噪聲源，以產生所需的高頻噪聲。 噪聲源 顧名思義，噪聲源即產生噪聲的根源，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絡構成（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 , 并對影響噪聲管超噪比的因素從結構方面進行有效控制 , 可研制出高超噪比輸出 , 平坦度滿足要求的固噪聲源。根據 H ines 的理論 , 當負 載為純電阻 R L 時 , 處于雪崩擊穿狀態(tài)的噪聲極管