最新射频通信电路- 噪声与非线性失真课件PPT.ppt 85页

'射频通信电路-噪声与非线性失真 第二章内容目录2·1起伏噪声特性2·2电路器件的噪声电阻的热噪声及等效电路、双极型晶体三极管的噪声、场效应管的噪声、电抗元件的噪声两端口网络的等效输入噪声源2·3噪声系数定义、噪声系数与输入等效噪声源的关系无源有耗网络的噪声系数2·4等效噪声温度定义、等效噪声温度与噪声系数的关系2·5多级线性网络级联的噪声系数8/8/20212Information&CommunicationEngineeringDept. 第二章内容目录（续）2·6非线性器件的描述方法非线性器件的描述方法、线性化参数2·7器件非线性的影响输入端仅有一个有用信号输入端有两个以上信号多级非线性级级联特性2·8非线性器件在频谱搬移中的应用2·9灵敏度与动态范围8/8/20213Information&CommunicationEngineeringDept. 2·1起伏噪声特性白噪声通过系统白噪声：功率谱分布均匀有色噪声：功率谱分布不均匀ff()fSi()fSi()wH()wH()fSO()fSOw)()()(2fSjfHfSvo=8/8/20217Information&CommunicationEngineeringDept. 2·1起伏噪声特性设输入噪声功率谱为白色的，与频率无关系统传递函数为H(f)，则输出噪声功率谱So(f)为：相应的输出噪声电压均方值为：8/8/20218Information&CommunicationEngineeringDept. 2·1起伏噪声特性其中噪声等效带宽BL为表明H2(f)曲线下的面积与H02BL相同,可用BL来简单地计算功率。其中H0=H(f0)为系统中心频率处的传递函数。3dB带宽？8/8/20219Information&CommunicationEngineeringDept. 2·2电路器件的噪声电阻噪声功率谱密度：噪声电压均方值；热噪声等效电路：RR匹配情况下电阻可输出的最大热噪声功率（额定噪声功率）为：8/8/202110Information&CommunicationEngineeringDept. 2·2电路器件的噪声常温下1K电阻上的最大热噪声电压有效值对于一个电阻网络，总的等效的噪声功率应当是各个噪声源作用的瞬时值的叠加，再求其瞬时功率的统计平均值，由于各个电阻的噪声源是统计不相关的，也就是说其互相关函数为0，因而可以得出总的等效噪声源可用其总等效电阻的噪声来表示。8/8/202111Information&CommunicationEngineeringDept. 2·2电路器件的噪声例：试求如图网络的噪声等效电路。利用戴维南定理，求出R1的噪声对输出的贡献为：R2、R3的噪声对输出的贡献为：根据叠加定理，有：8/8/202112Information&CommunicationEngineeringDept. 2·2电路器件的噪声8/8/202113Information&CommunicationEngineeringDept. 2·2电路器件的噪声由于vn是平稳的白噪声，各个源互相独立，互相关为0，且集合平均可以用样本的时间平均来等效。故上式中第2个极限部分的结果值为0，第1个极限中的各项可用其功率谱密度与带宽的乘积来表示，得到：8/8/202114Information&CommunicationEngineeringDept. 2·2电路器件的噪声双极型晶体三极管散弹噪声PN结中，载流子的不规则随机运动，导致出现散弹噪声。散弹噪声和热噪声相同，都具有接近白色的频谱特性，其噪声电流的均方值为：分配噪声三极管中基区载流子复合率起伏变化，造成集电极电流和基极电流的分配有起伏，结果使得集电极电流相应变化。这种现象导致的噪声称为分配噪声，其电流均方值为：其中Ic为集电极静态电流，a0为低频共基电流放大倍数。8/8/202115Information&CommunicationEngineeringDept. 2·2电路器件的噪声由于可知分配噪声主要分布在频率高于fa的地方，设计放大器时，应当采用fa高的管子。闪烁噪声由于半导体材料本身和制作工艺不完善，造成半导体表面少数载流子复合随机变化，表现为发射极电流起伏变化，称为闪烁噪声。其电流噪声谱密度与频率近似成反比，又称1/f噪声。主要集中在低频（几千赫兹以下）。热噪声管子的基极电阻rbb’的热噪声，与一般的电阻噪声类似8/8/202116Information&CommunicationEngineeringDept. 2·2电路器件的噪声场效应管沟道热噪声沟道中多数载流子的不规则热运动所导致的噪声。与电阻的热噪声相同。噪声电流均方值为：其中gm为跨导。折合到栅极的噪声电压均方值为：栅极感应噪声沟道热噪声通过栅极电容耦合到栅极上的噪声。其值随频率增加而增加。闪烁噪声同样是由于半导体材料和制作工艺上的缺陷造成的噪声。一般来讲，场效应管的噪声要小于晶体管的噪声。8/8/202117Information&CommunicationEngineeringDept. 2·2电路器件的噪声二端口网络任何一个有噪的二端口网络的内部噪声都可以由置于输入端的两个噪声源来等效：一个和信号源串联的噪声电压源一个和信号源并联的噪声电流源其中：是当输入端短路时网络输出噪声功率等效到输入端的值是当输入端开路时网络输出噪声功率等效到输入端的值有噪电路无噪电路8/8/202118Information&CommunicationEngineeringDept. 2·3噪声系数在标准信号源激励下，网络输入信噪比与其输出信噪比的比值。即信噪比变坏的程度。放大器标准信号源（1）噪声系数的几种描述：8/8/202119Information&CommunicationEngineeringDept. 2·3噪声系数“标准信号源”是指信号电压为vs，内阻为Rs，并仅含有Rs产生的白噪声的信号源。网络输出端的输出噪声功率由两部分构成，即通过网络后的输入噪声功率和网络附加的噪声功率NA。网络输出噪声功率与输入噪声功率在输出端的比值。可见标准信号源很重要。NA为网络内部各有噪元件产生的噪声功率在其输出端的反映。8/8/202120Information&CommunicationEngineeringDept. 2·3噪声系数上式表明：任何实际网络的噪声系数，都是在理想网络噪声系数（F=1）的基础上，加上某一噪声系数的增量。该增量与NA成正比，与Gp和Ni成反比。讨论：1、8/8/202121Information&CommunicationEngineeringDept. 2·3噪声系数2、由于系统内部不可避免地存在噪声，输出信噪比必然小于输入信噪比，故必有F>1。3、NA是系统内部噪声造成的输出噪声，由于系统内部噪声通常不是白色的，不能简单地只用带宽B来表示，还与系统的频率特性有关，因此：a定义点频上的F，按每单位频带内的噪声功率定义。b对于整个频带内的噪声系数，可用等效噪声带宽来定义。4、F与输入信号无关，但与输入噪声功率有关，为保证唯一性，规定Ni为信号源内阻Rs上的热噪声功率的输出值，若信号源为电压源，则Ni为kTB，并规定T为290K。这种规定方法使得F与实际的Ri大小无关(Pi/Ni与Ri无关)8/8/202122Information&CommunicationEngineeringDept. 2·3噪声系数5、由于表示输入噪声在输出端呈现的噪声电压和噪声电流的均方值。表示网络内部噪声在输出端呈现的噪声电压和噪声电流的均方值。8/8/202123Information&CommunicationEngineeringDept. 2·3噪声系数可知F与负载电阻RL无关。可以使用最简单的方法，如开路电压法或短路电流法来求解。6、噪声系数的定义只适用于线性或准线性的电路。对于非线性电路，由于信号与噪声、噪声与噪声的相互作用，会使输出端的信噪比严重恶化，故无此概念。在接收机中，仅对检波以前的高放、中放等线性电路和准线性的变频电路成立。8/8/202124Information&CommunicationEngineeringDept. 2·3噪声系数7、把网络内部的噪声用输入等效噪声源表示，得到如图电路：无噪网络8/8/202125Information&CommunicationEngineeringDept. 2·3噪声系数Rs大=>则为主要的噪声源；Rs小=>则为主要的噪声源对F的表达式求导，并令其为0，可得使F最小的最佳源内阻Rsopt:两种匹配：a、最大功率传输匹配：信号源内阻与网络输入阻抗复共轭。b、最小噪声系数匹配：满足上式。8/8/202126Information&CommunicationEngineeringDept. 2·4等效噪声温度等效噪声温度：把系统内部的噪声等效为信号源内阻在Te温度下的热噪声所导致的，即：kTeBn；系统输入噪声功率为kT0Bn，网络增益为Ap，则输出噪声功率为：噪声系数为：8/8/202127Information&CommunicationEngineeringDept. 2·4等效噪声温度噪声系数的计算由于F与电路的实际连接情况无关，可假设输入和输出都处于匹配状态，用额定功率增益来求F比较简单。对于无源四端网络，有其中Gpm是该网络的额定功率增益，1/Gpm也就是通常所说的插入损耗L。设输入端匹配Rs=Ri则有8/8/202128Information&CommunicationEngineeringDept. 2·4等效噪声温度若输出端也匹配，则有噪声系数为：8/8/202129Information&CommunicationEngineeringDept. 2.5多级线性网络级联的噪声系数当有多级单元模块级联时，由于每个模块都有固有噪声，级联之后会影响整个接收机性能。多级级联的噪声系数计算：a、应当尽量减小前几级的噪声系数b、应当适当提高前几级的增益8/8/202130Information&CommunicationEngineeringDept. 2.5多级线性网络级联的噪声系数例：求如图网络的噪声系数解：开路电压法(RL为无穷大）短路电流法（RL为0）8/8/202131Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法常用的电路元件有三类：线性元件：元件参数与通过元件的电流或施于其上的电压无关，如大多数电阻、电容、电感非线性元件：元件参数与通过它的电流或元件上的电压有关，如晶体二极管、变容二极管等时变参量元件：元件参数按一定规律随时间变化，但这种变化与通过元件的电流或元件上的电压无关，如工作在时变参量态下的三极管。严格地来讲，一切实际元件都是非线性的，但在一定条件下，元件的非线性特性对电路的影响很小，可以近似地看成是线性元件。8/8/202132Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法只由线性元件组成的电路叫做线性电路。非线性电路至少含有一个非线性器件，并且该器件必须工作于非线性状态。电路中，由于器件的非线性特性，会产生各种各样的失真（不利）；但在各种频率搬移电路中，只有依靠器件的非线性特性才能够完成相应功能电路（有利）。以后章节中所讨论的混频器、振荡器、功率放大器以及各种调制和解调电路，它们所应用的电子器件都是工作于非线性状态的，是本课程中所涉及的几类最主要的非线性电路。8/8/202133Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法非线性器件工作状态的几点讨论1、不满足叠加定理的系统是非线性系统。2、非线性器件的特性是非直线型的。3、信号通过非线性系统后会出现新的频率分量———具有频率变换作用。4、非线性系统没有传递函数的概念———F、L变换分析法不适用于非线性系统8/8/202134Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法非线性电阻设i=f(v)为其伏安特性，则其静态电阻为：动态电阻为：R(v)为正值：损耗交流能量R(v)为负值：放出交流能量二极管,三极管,FET等在大信号条件下都呈现非线性特性。8/8/202135Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法非线性电容设Q＝f(v)为非线性电容的伏－库特性，则其静态电容为：动态电容为：而电容上的电流为：二极管反偏时其势垒电容Cj呈非线性特性。8/8/202136Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法非线性电感设Y＝f(I)为非线性电感的磁通，则其静态电感为：动态电感为：而电感上的电压为：有磁芯的电感器为非线性的——铁磁材料的磁滞回线。8/8/202137Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法非线性电路的分析方法非线性电路的一般分析方法是：对含有非线性器件的电路建立非线性微分方程组。直接求该方程的解析解，或求其近似解；图解法；数值方法；时变参量法。根据非线性器件的不同工作条件，可对其采取不同的求解描述形式：解析函数法幂级数逼近折线逼近时变参量法8/8/202138Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法一、解析函数法：给出输入量与输出量之间的解析函数关系表达式。双极型晶体管场效应管8/8/202139Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法二、幂级数展开法小信号的时候，将器件的伏安特性在工作点处用幂级数展开。泰勒级数展开输出电流ic在静态工作点VQ处展开：8/8/202140Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法幂级数项数的确定：由于(a)通常输入信号幅度很小（<<1V)才采用幂级数逼近分析；(b)an与n!呈反比，n越大，an越小。==>通常分析时取前3～5项可达到余项误差小到可忽略的程度。幂级数系数的确定：(a)已知i=f(v),求其在VQ点的各阶导数。(b)在伏安特性曲线上选择特征点，得到系数an的联立方程，求解得出an。8/8/202141Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法例：二极管的伏安特性曲线如图所示。若偏置电压VQ=0.2V，电压变化范围0～0.4V，试用幂级数法表示此范围内的特性曲线。解：设电流表达式为取三个点(0,0),(0.2,0.3),(0.4,1.2)联立方程求解，得8/8/202142Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法三、折线分析法器件的转移特性为:其中器件的转移特性vBEiC:输入信号vBE:VBB+vi:8/8/202143Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法当wtq时，ic为0时的wt记做导通角q电流的最大值：8/8/202144Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法将ic展开为傅里叶级数：令为余弦电压分解系数，则有8/8/202145Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法图中画出了a0~a3的曲线讨论：*n↑,an↓*最佳q=120o/n，使an最大。*g1(q)=a1(q)/a0(q)，与效率有关。8/8/202146Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法例：晶体三极管的转移特性曲线与输入电压波形如图所示，LC谐振频率等于输入信号频率。(1)说明电路的工作原理；(2)求RL上获得的输出功率已知：a(q)30°45°60°a0(q)0.1110.1650.218a1(q)0.2150.3110.3910.1S8/8/202147Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法接入系数p=1/2等效负载大小：50/p2=200(W)导通角：8/8/202148Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法开关函数分析法vs和vc同时作用于二极管（或发射结）回路，且满足Vcm>>VD,Vcm>>Vs，==>二极管工作在开关状态。若折线的转折点位于原点处，也称为开关函数分析法。8/8/202149Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法S1(wct)为单向开关函数，其傅里叶展开为：8/8/202150Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法S2(wt)为双向开关函数，其傅里叶展开为：10S1(wt)wt2p10S2(wt)wt-12p8/8/202151Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法四、时变参量分析法设则：将上式在vBE＝VBB+vc处展开为泰勒级数8/8/202152Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法对vs而言，工作在线性方式下，而跨导gm受vc控制变化由于Vsm比较小，忽略vs2以上各项可得：也就是说，非线性器件在一定的工作条件下可用线性时变参量来描述，即：其特性对某一输入信号（小信号）而言是线性的，但器件参数受其它信号（大信号）控制变化。8/8/202153Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法其中Ic(t)称为时变静态电流gm(t)称为时变跨导8/8/202154Information&CommunicationEngineeringDept. 2·6非线性器件的描述方法例：对图示电路，晶体管特性如图所示已知画出时变跨导gm(t)的波形，并求出gm1的值。8/8/202155Information&CommunicationEngineeringDept. 2.7器件非线性的影响三角函数常用公式乘积项的展开8/8/202156Information&CommunicationEngineeringDept. 2.7器件非线性的影响一、输入一个有用信号时谐波设输入为：用幂级数分析法讨论非线性电路，有：当Vim比较大时，各次谐波的影响不能忽略8/8/202157Information&CommunicationEngineeringDept. 2.7器件非线性的影响增益压缩基波信号电流定义平均跨导其幅度为基波电流表达式通常a3<0，平均跨导会随着输入信号幅度的增大而减小，此现象称为增益压缩。定义1dB压缩点（增益比线性放大器增益下降1dB）8/8/202158Information&CommunicationEngineeringDept. 2.7器件非线性的影响1dB压缩点：根据定义，020logVin20logVout1dB则：8/8/202159Information&CommunicationEngineeringDept. 2.7器件非线性的影响设输入为两个不同频率的单音频信号高阶乘幂项会导致组合频率分量出现。例如，对最高阶次为3的幂级数进行展开：二、输入两个以上信号时8/8/202160Information&CommunicationEngineeringDept. 2.7器件非线性的影响对于放大，基频项有用；对于混频和调制，差频和频项有用。基频项和频与差频8/8/202161Information&CommunicationEngineeringDept. 2.7器件非线性的影响堵塞现象(blocking)若一大一小两个不同频率的信号加到放大器输入端，而有用信号幅度V1m远远小于无用信号V2m，输出电流的基波分量：由于V1m<出现堵塞基波分量的平均跨导：8/8/202162Information&CommunicationEngineeringDept. 2.7器件非线性的影响交叉调制(crossmodulation)若有用信号v1相对较弱，强干扰为调幅信号v2=V2m(1+mcosWt)cosw2t=V2m(t)cosw2t会引起交叉调制，可以听到失真的干扰台的声音。由非线性器件的三次方项引起的失真。8/8/202163Information&CommunicationEngineeringDept. 2.7器件非线性的影响互调失真(intermodulation,IM)两个频率比较接近的干扰信号输入到放大器中，3阶组合频率分量2w1-w2和2w2-w1就会落入基带频段，构成干扰忽略增益压缩8/8/202164Information&CommunicationEngineeringDept. 2.7器件非线性的影响设：互调失真干扰项：衡量互调失真的两项主要指标：(1)互调失真比电压比功率比8/8/202165Information&CommunicationEngineeringDept. 2.7器件非线性的影响(2)三阶互调截点IP3（3rd-orderInterceptPoint）:三阶互调功率达到和基波功率相等的点，相应的输入功率记为IIP3，相应的输出功率记为OIP3。PoPiGp3Pi3Gp1Pi10logPo10logPiIIP3OIP3IP310logGP110logGP38/8/202166Information&CommunicationEngineeringDept. 2.7器件非线性的影响三阶互调截点对应的输入信号功率：1dB压缩点和三阶互调截点是描述器件非线性特性的两个主要指标。10logPo10logPiIIP3OIP3IP310logGP110logGP31dB1dB压缩点8/8/202167Information&CommunicationEngineeringDept. 2.7器件非线性的影响输入两个以上信号时1、信号通过非线性器件后会出现新的组合频率分量。2、组合频率分量是成对出现的w1±w23、由n次乘幂项可确定i中包含的组合频率分量为：4、m次谐波，以及p+q=m次的谐波的振幅仅与幂级数中幂次等于m和高于m，且奇偶性与m相同的项有关。使用中，希望得到有用频率分量，减小无用频率分量。要求(1)选取合适的工作条件(信号幅度、静态工作点等)(2)选取合理的电路结构(对称结构以抵消无用分量)(3)采用滤波电路8/8/202168Information&CommunicationEngineeringDept. 2·8非线性器件在频谱搬移中的应用频谱搬移的典型应用：混频、调制与解调频谱搬移的实质：产生两个不同频率(w1,w2)信号的和频(w1+w2)信号和/或差频(w1-w2)信号。实现的方法（1）乘法器滤波器8/8/202169Information&CommunicationEngineeringDept. 2·8非线性器件在频谱搬移中的应用（2）利用非线性器件的二次乘幂项用非线性器件实现频谱搬移时，要选用合适的器件、合适的电路形式以及合适的工作状态，以减少其他组合频率分量的影响。8/8/202170Information&CommunicationEngineeringDept. 2.9灵敏度与动态范围用dB的方式描述电压和功率8/8/202171Information&CommunicationEngineeringDept. 2.9灵敏度与动态范围接收机的灵敏度在给定要求的输出信噪比的条件下，接收机所能检测的最低输入信号电平。从上面的关系可以看出，如果要在尽可能小的输入信号下得到一定的输出信噪比，需要采取两项措施：减小系统的噪声系数F、减小输入端的温度T。8/8/202172Information&CommunicationEngineeringDept. 2.9灵敏度与动态范围灵敏度的计算其中，KTaBGp是天线噪声经放大后的输出；N内是接收机内部噪声，可等效为天线内阻在等效噪声温度为Te时产生的噪声经放大后的输出。因为：8/8/202173Information&CommunicationEngineeringDept. 2.9灵敏度与动态范围所以有：用dB表示时：当Ta=T0=290K时：用dB表示：8/8/202174Information&CommunicationEngineeringDept. 2.9灵敏度与动态范围动态范围描述的是系统正常工作时所能够承受的信号变化范围。下限是灵敏度，受基底噪声的限制；上限受系统非线性失真的限制，由最大可接受的信号失真决定。两种定义线性动态范围(LinearDynamicRange)产生1dB压缩点的输入信号电平与灵敏度之比无杂散动态范围(Spurious-freeDynamicRange)上限规定为该输入信号在输出端引起的三阶互调失真分量PO3折合到输入端等于基底噪声。8/8/202175Information&CommunicationEngineeringDept. 2.9灵敏度与动态范围线性动态范围最大信号－增益产生1dB压缩对应的输入功率Pin-1dB最小信号－基底噪声Ft或接收机灵敏度Pin,min说明：讨论放大器的线性动态范围时，最小信号一般用基底噪声；讨论接收机的线性动态范围时，最小信号一般用灵敏度。8/8/202176Information&CommunicationEngineeringDept. 2.9灵敏度与动态范围无杂散动态范围最大信号－此输入信号产生的三阶互调分量折合到输入端等于基底噪声Ft；最小信号－基底噪声（或灵敏度Pin,min）(1)系统的三阶互调增益基波功率和三阶互调功率为：在三阶互调截点(Pin=IIP3)处二者相等，因此：8/8/202177Information&CommunicationEngineeringDept. 2.9灵敏度与动态范围(2)最大输入信号Pin,max系统的三阶互调失真由最大输入信号的限制(3)无杂散动态范围8/8/202178Information&CommunicationEngineeringDept. 作业本第1课时整式（1）第二章整式的加减 作业本一、选择或填空题（每题10分，共40分）1.下列各式书写错误的有()A.1个B.2个C.3个D.4个2.下列代数式书写规范的是()A.8x2yB.C.ax3D.2m÷nCA 作业本3.“比a的2倍大1的数”用式子表示是()A.2(a+1)B.2(a－1)C.2a+1D.2a－14.购买1个单价为a元的面包和3瓶单价为b元的饮料,所需钱数为()A.(a+b)元B.3(a+b)元C.(3a+b)元D.(a+3b)元CD 作业本5.一个两位数,十位数字为a,个位数字为b,则这个两位数为_______.6.有a名男生和b名女生在社区做义工,他们为建花坛搬砖.男生每人搬了40块,女生每人搬了30块,这a名男生和b名女生一共搬了____________块砖.(用含a,b的代数式表示)10a+b(40a+30b) 作业本7.将一些半径相同的小圆按如图所示的规律摆放,请仔细观察,第n个图形有_________个小圆.(用含n的代数式表示)n(n+1)+4(或n2+n+4) 作业本二、解答题（每题15分，共60分）8.用含字母的式子表示:(1)x与y两数的差的平方;(2)比x的平方的5倍少2的数;(3)某商品的原价是a元,提价10%后的价格.(1)(x－y)2(2)5x2-2(3)(1+10%)a=1.1a元（或1.1a元） 作业本9.甲、乙两人从同一地点出发,甲每小时走v1千米,乙每小时走v2千米(v1>v2).(1)同向行走t小时,两人相距多少千米?(2)反向行走t小时,两人相距多少千米?解：(1)同向行走t小时,两人之间的距离即为两人所行走的路程之差,即(v1t－v2t)千米.(2)反向行走t小时,两人之间的距离即为两人所行走的路程之和,即(v1t+v2t)千米.'