一种由噪声系数定义推导出的噪声系数测量方法_郝国欣

第34卷第11期电子工程师V o l . 34N o . 11

　　　　　　　　　　　　　　　　N 2008年11月　　　　　　　　　　　　　　　EL E C T R O N I CE N G I N E E R o v . 2008

一种由噪声系数定义推导出的噪声系数测量方法

郝国欣, 周　旋, 张承志, 任天亮

(1. 中国电子科技集团公司第22研究所, 山东省青岛市266107;

2. 总装工程兵科研一所, 江苏省无锡市214035)

摘　要:对于高精度的电子设备, 噪声是影响其性能的关键因素。为了方便测得某一待测放大器或接收机的噪声系数, 通过介绍噪声对电子设备性能的影响以及噪声系数的定义及其数学公式推导,

总结了一种利用频谱分析仪测量放大器噪声系数的方法。该方法虽然存在一定的局限性, 但对于高增益的待测器件, 仍不失为一种简单有效的测量方法。

关键词:噪声; 噪声系数; 带宽; 功率谱密度中图分类号:T M 935. 2

比) 与输出端信号噪声功率比(即输出信号功率S o 与输出噪声功率N 的比值, 其表达式为:o 之比)

S i /Ni

F N

S o /No 　　对式(1) 变形:

S N i /Ni o /Ni

F =　　N S S o /No o /Si

N N o o

(S ) N G N o /Si i i

(2)

0　引　言

噪声作为影响高精度电子设备性能的主要因素, 越来越受到电子设计人员的关注。例如:在接收机研制过程中, 理论设计的灵敏度非常高, 但是由于噪声的

影响, 实际接收机的灵敏度会有一定程度的下降, 在通信系统中, 提高接收机的灵敏度是一种比增加发射机功率更为有效的措施。因此, 如何降低噪声对电子系统的影响, 以及如何判断噪声的存在和度量已经成为设计人员首先要考虑的事情。

一般情况下, 我们只考虑内部噪声, 它主要由电阻、晶体管或场效应管等元器件内部带电微粒无规则运动产生的, 它是随机的, 称为热噪声, 有时也称为约翰逊噪声。磁性物质也会产生噪声, 其取决于剩余磁化强度和附加直流电压及射频电压, 这种噪声成为巴克豪森噪声。通信设备中最大的噪声源还是来自于搭建电路的半导体器件, 器件中的载流子发生波动就会产生散粒噪声, 它会引起与热噪声相似的宽带噪声。

对于一件电子设备, 计算噪声大小通常采用其方均值, 通常这种方法比较复杂, 于是引出了噪声系数的概念。

(1)

式中:N G 为系统增o 为接收机的实际输出噪声功率;

益; N i 为输入端的噪声功率。

N 包括两部分, 即外部噪声功率N i A 和内部噪声功率N R :

N T A =kA B w

N F k T R =(N -1) 0B w

式中:k 为玻尔兹曼常数, k ≈1. 38×10

-20

m W/K; B w

为接收机的噪声带宽; T 290K ; T 0=A 为天线的噪声温

度。

所以:

N N i =NA +R =　　　　

　　kT (3) 0F 1N -　　由于放大器或接收机的等效噪声温度为T s =(F 1) T =N -0, 而对于整套电子系统的噪声温度有T T T 代入式(3) :s +A , 所以把T s 和T

N T B (4) i =kw 　　通常取T =290K , 噪声系数就可以转化为:

N o

F N G k T B w

(5)

1　噪声系数定义及其数学公式推导

噪声系数表示信号通过某电路网络后信号噪声比变坏的程度, 它是表征接收机内部噪声大小的一个物理量。

噪声系数的定义为放大器或接收机输入端信号噪

声功率比(即输入信号功率S i 与输入噪声功率N i 之

式中:N ; B o 为输出的噪声功率单位为W w 为接收机的

收稿日期:2008-07-24; 修回日期:2008-09-05。

带宽, 单位H z ; G 为接收机输出信号的功率和输入信

第34卷第11期郝国欣, 等:一种由噪声系数定义推导出的噪声系数测量方法·测控技术·

号的功率之比。

对F N 取对数, 可以得到:

N o

{F o =　　　　　　　　　　　　N }d B =10l G k T B w 　　　　10l o g N (10l o g k T+10l o g B G }o -w +{d B =

　　　{P 10l o g B {174}{G }N o }d B m -w +d B m -d B

(6)

式中:P 为输出噪声功率N B 数, 单位为d B m 。N o o 的d

假设噪声为带限信号, 对式(5) 变形:

F N N N o o /Bw

G k T B G k T B w w /Bw N o /Bw

G k T B w /Bw

　　在式(7) 中, 记:

D P S D , N o N o

B w

(7)

用频谱仪进行测量不可行。在这种情况下, 可以采用

级联的方式来确定低噪声放大器的噪声系数, 如图1所示

。

图1　采取级联方式测量噪声系数

采用级联方式测量待测放大器的噪声系数, 是因为多级放大器总的噪声系数主要取决于前面第1级, 而与后面各级的噪声系数几乎没有关系。这样, 采用级联方式测量出总的功率谱密度后, 根据式(8) 直接把待测放大器和已知增益放大器合成后的总增益减去即可求出待测放大器的噪声系数。

为保证测量的功率谱密度准确度更高, 在使用频谱分析仪进行测量时把分辨率带宽R B W 设置得小一点, 同时把视频带宽设置为分辨率带宽的1%甚至更小。

(8)

式中:D 为放大器或接收机的输出噪声功率谱密P S D , N o

度, 单位为W/Hz ; 对功率(单位为W ) 取对数, 就变成了d B m /Hz , 可以在频谱分析仪中直接读出。

k T B z , w /Bw 为输入噪声功率谱密度, 单位为W/H对功率(单位为W ) 取对数, 就变成了d B m /Hz 。通常在室温290K , 噪声功率谱密度为-174d B m /Hz , 这样:

{F D 174}{G }N }d B ={P S D , N o }d B m /H z +{d B m /Hz -d B

3　结束语

本文的推导思想是在没有噪声系数分析仪或者噪声系数分析仪工作带宽不符合需要的情况下, 使用频谱分析仪间接得到待测物噪声系数的一种方法。在笔

者自己研发的接收机系统中, 使用该方法测得的噪声系数为7. 2d B , 而使用噪声系数分析仪测量得到的结果为6d B , 相差1. 2d B , 分析原因是频谱分析仪和噪声系数分析仪内部的滤波器设置带宽不一样所致, 但是这个结果在整套系统中是可以接受的。

参　考　文　献

[1]张肃文, 陆兆熊. 高频电子线路[M ]. 北京:高等教育出版

社, 1993.

[2]戈稳. 雷达接收机[M ]. 北京:电子工业出版社, 2005. [3]罗伯特·A ·威特. 频谱和网络测量[M ]. 李景威, 张伦,

译. 北京:科学技术文献出版社, 1997.

　　郝国欣(1978-) , 男, 工程师, 主要从事通信设备研制和硬件电路设计。

　　对比式(6) 和式(8) 就会发现, 如果噪声为带限信

号, 通过计算功率谱密度得到的噪声系数与噪声系数定义是一样的, 这样就可以借助频谱分析仪来读取功率谱密度进而得到放大器或接收机的噪声系数。

2　噪声系数测量方法

通过上面的公式推导可以发现, 只要频谱分析仪测量范围允许, 在明确放大器或接收机通道增益的情况下, 就可利用式(8) 的结果推算出放大器或接收机的噪声系数。该方法不受任何频率范围的限制, 其最大限制来自于频谱分析仪的噪声基底。对于接收机而言, 其通道增益G 一般比较高, 按照式(8) 的推算方法, 其结果比较准确。在测量时, 需要在被测物的输入端短接匹配负载。

但是, 对于一个单独的低噪声放大器直接使用该方法进行测量就不太准确了。因为低噪声放大器的增益通常在20d B ～30d B , 当噪声系数较低(小于7d B ) 时, 通过式(8) 可知, D 在-140d B m /Hz 左右, 这P S D , N o 样就需要测量-140d B m /Hz 的噪声功率谱密度, 但是这个值低于大多数频谱仪的噪声基底。因此, 直接使

(下转第12页)

9·

·微电子与基础产品·

表1　实验结果

输入D 0D 1D 21111X 0XXX 01000X

理论电压值/V43. 52. 721. 5

实测电压

值/V3. 9233. 4612. 6901. 9771. 471

电子工程师2008年11月

[M ].S e c o n dE d i t i o n . 冯军, 李智群, 译. 北京:电子工业

出版社, 2002.

误差/%1. 925

1. 1140. 0031. 1501. 933

[2]T E L L E Z G E , F A R R A H A , S A R R A F Z A D E H M .A c t i v i t y -d r i v e n c l o c k d e s i g nf o r l o wp o w e r c i r c u i t [C ]//Pr o c e e d i n g s o f 1995, I E E E /AC M I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c eo nC o m p u t e r -A i -d e dD e s i g n , N o v 5-9, 1995, S a n J o s e , C A , U S A . L o s A l a m i -t o s , C A , U S A :IE E E , 1995:62-65.

[3]B A Z E S M .T w o N o v e l F u l l C o m p l e m e n t a r y S e l f -B i a s e dC M O S

D i f f e r e n t i a l A m p l i f i e r s [J ].I E E ES o l i d -S t a t e C i r c u i t s , 1991, 26(2) :165-168.

[4]R A Z A V I B . 模拟C M O S 集成电路设计[M]. 陈贵灿, 陈

军, 张瑞智, 等译. 西安:西安交通大学出版社, 2003:9-13.

　　力　争(1983-) , 男, 硕士研究生, 主要研究方向为数模混合集成电路设计。

6　结束语

本文基于三态输入设计了一种硬件可编程变阻电路, 采用锁存器减少权电阻开关操作, 从而降低功耗。

较少的控制端口使该电路易于集成在其他系统中。目前该电路已应用于一款电压检测芯片。

参　考　文　献

[1]A L L E N PE , H O L B E R G D R .C M O Sa n a l o gc i r c u i t d e s i g n

AC MO SMi c r o -p o w e r P r o g r a m m a b l e R e s i s t a n c e G e n e r a t o r

L I Z h e n g , L I Z h i q u n , L I UG u i z h i

(1. C o l l e g e o f I C , S o u t h e a s t U n i v e r s i t y , N a n j i n g 210018, C h i n a ; 2. N a t l i n e a r E l e c t r o n i c s C o L t d , S h a n g h a i 201203, C h i n a )

A b s t r a c t :W i t h t h e d e v e l o p m e n t o f S y s t e mo n C h i p , l o w -p o w e r d i s s i p a t i o n a n d s m a l l d i e a r e a a r e r e q u i r e d f o r t h e w i d e l y u s e d r e s i s t a n c e g e n e r a t o r . T o i m p r o v e t h e s t r u c t u r e a n d r e d u c e t h e p o w e r d i s s i p a t i o n o f t h e t r a -d i t i o n a l r e s i s t a n c e g e n e r a t o r , a n e w a r c h i t e c t u r e n e e d s t o b e d e v i s e d . T h i s a r t i c l e d e s c r i b e s a n o v e l m i c r o -p o w -e r r e s i s t a n c e g e n e r a t o r b a s e d o n c o n c e p t o f t r i -s t a t e i n p u t , w h i c h i s h a r d w a r e p r o g r a m m a b l e . 3i n p u t p o r t s c a n

b e p r o g r a m m e d t o s e t 26-l e v e l v a l u e o f t h e r e s i s t a n c e . U s i n g t h e a r c h i t e c t u r e o f l a t c h , t h ec i r c u i t w o r k s i n 10%d u t y r a t i o w i t h t h e p o w e r c o n s u m p t i o n o f 3μW i n 3Vs u p p l y . V o l t a g e s c a n b e s e t l i n e a r l y w i t h a c c u r a -c y .

K e y w o r d s :m i c r o -p o w e r ; p r o g r a m m a b l e r e s i s t a n c e ; l a t c h

1, 2

(上接第9页)

Me a s u r e m e n t o f N o i s e F a c t o r A c c o r d i n g t o I t s D e f i n i t i o n

H A O G u o x i n , Z H O UX u a n , Z H A N G C h e n g z h i , R E NT i a n l i a n g

(1. T h e 22t h R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C E T C , Q i n g d a o 266107, C h i n a ;

2. T h e F i r s t E n g i n e e r R e s e a r c h I n s t i t u t e o f t h e G e n e r a l A r m a m e n t s D e p a r t m e n t , W u x i 214035, C h i n a ) A b s t r a c t :N o i s e i s t h e m a i nf a c t o r a f f e c t i n g t h e p e r f o r m a n c e o f h i g h p r e c i s i o n e l e c t r o n i c e q u i p m e n t . T o m e a s u r et h e n o i s ef a c t o r o f a na m p l i f i e r o r r e c e i v e r e x p e d i e n t l y , an o i s e f a c t o r m e a s u r e m e n t m e t h o du s i n g

s p e c t r u ma n a l y z e r i s p r o p o s e d b a s e d o n t h e d e f i n i t i o n s a n d f o r m u l a s g i v e n i n t h e p a p e r . T h e e f f e c t o f n o i s e o n t h e e l e c t r o n i c e q u i p m e n t s p e r f o r m a n c e a n d t h e d e f i n i t i o n o f t h e n o i s e f a c t o r a r e i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r . V i a e x p e r i m e n t v a l i d a t i o n , t h o u g h t h e m e a s u r e m e n t m e t h o d h a s s o m e l i m i t a t i o n s , i t s t i l l i s a s i m p l e a n d e f f e c t i v e m e t h o d .

K e y w o r d s :n o i s e ; n o i s e f a c t o r ; b a n d w i d t h ; p o w e r s p e c t r u m d e n s i t y 1

第34卷第11期电子工程师V o l . 34N o . 11

　　　　　　　　　　　　　　　　N 2008年11月　　　　　　　　　　　　　　　EL E C T R O N I CE N G I N E E R o v . 2008

一种由噪声系数定义推导出的噪声系数测量方法

郝国欣, 周　旋, 张承志, 任天亮

(1. 中国电子科技集团公司第22研究所, 山东省青岛市266107;

2. 总装工程兵科研一所, 江苏省无锡市214035)

总结了一种利用频谱分析仪测量放大器噪声系数的方法。该方法虽然存在一定的局限性, 但对于高增益的待测器件, 仍不失为一种简单有效的测量方法。

关键词:噪声; 噪声系数; 带宽; 功率谱密度中图分类号:T M 935. 2

比) 与输出端信号噪声功率比(即输出信号功率S o 与输出噪声功率N 的比值, 其表达式为:o 之比)

S i /Ni

F N

S o /No 　　对式(1) 变形:

S N i /Ni o /Ni

F =　　N S S o /No o /Si

N N o o

(S ) N G N o /Si i i

(2)

0　引　言

噪声作为影响高精度电子设备性能的主要因素, 越来越受到电子设计人员的关注。例如:在接收机研制过程中, 理论设计的灵敏度非常高, 但是由于噪声的

对于一件电子设备, 计算噪声大小通常采用其方均值, 通常这种方法比较复杂, 于是引出了噪声系数的概念。

(1)

式中:N G 为系统增o 为接收机的实际输出噪声功率;

益; N i 为输入端的噪声功率。

N 包括两部分, 即外部噪声功率N i A 和内部噪声功率N R :

N T A =kA B w

N F k T R =(N -1) 0B w

式中:k 为玻尔兹曼常数, k ≈1. 38×10

-20

m W/K; B w

为接收机的噪声带宽; T 290K ; T 0=A 为天线的噪声温

度。

所以:

N N i =NA +R =　　　　

　　kT (3) 0F 1N -　　由于放大器或接收机的等效噪声温度为T s =(F 1) T =N -0, 而对于整套电子系统的噪声温度有T T T 代入式(3) :s +A , 所以把T s 和T

N T B (4) i =kw 　　通常取T =290K , 噪声系数就可以转化为:

N o

F N G k T B w

(5)

1　噪声系数定义及其数学公式推导

噪声系数表示信号通过某电路网络后信号噪声比变坏的程度, 它是表征接收机内部噪声大小的一个物理量。

噪声系数的定义为放大器或接收机输入端信号噪

声功率比(即输入信号功率S i 与输入噪声功率N i 之

式中:N ; B o 为输出的噪声功率单位为W w 为接收机的

收稿日期:2008-07-24; 修回日期:2008-09-05。

带宽, 单位H z ; G 为接收机输出信号的功率和输入信

第34卷第11期郝国欣, 等:一种由噪声系数定义推导出的噪声系数测量方法·测控技术·

号的功率之比。

对F N 取对数, 可以得到:

N o

{F o =　　　　　　　　　　　　N }d B =10l G k T B w 　　　　10l o g N (10l o g k T+10l o g B G }o -w +{d B =

　　　{P 10l o g B {174}{G }N o }d B m -w +d B m -d B

(6)

式中:P 为输出噪声功率N B 数, 单位为d B m 。N o o 的d

假设噪声为带限信号, 对式(5) 变形:

F N N N o o /Bw

G k T B G k T B w w /Bw N o /Bw

G k T B w /Bw

　　在式(7) 中, 记:

D P S D , N o N o

B w

(7)

用频谱仪进行测量不可行。在这种情况下, 可以采用

级联的方式来确定低噪声放大器的噪声系数, 如图1所示

。

图1　采取级联方式测量噪声系数

为保证测量的功率谱密度准确度更高, 在使用频谱分析仪进行测量时把分辨率带宽R B W 设置得小一点, 同时把视频带宽设置为分辨率带宽的1%甚至更小。

(8)

式中:D 为放大器或接收机的输出噪声功率谱密P S D , N o

度, 单位为W/Hz ; 对功率(单位为W ) 取对数, 就变成了d B m /Hz , 可以在频谱分析仪中直接读出。

k T B z , w /Bw 为输入噪声功率谱密度, 单位为W/H对功率(单位为W ) 取对数, 就变成了d B m /Hz 。通常在室温290K , 噪声功率谱密度为-174d B m /Hz , 这样:

{F D 174}{G }N }d B ={P S D , N o }d B m /H z +{d B m /Hz -d B

3　结束语

本文的推导思想是在没有噪声系数分析仪或者噪声系数分析仪工作带宽不符合需要的情况下, 使用频谱分析仪间接得到待测物噪声系数的一种方法。在笔

参　考　文　献

[1]张肃文, 陆兆熊. 高频电子线路[M ]. 北京:高等教育出版

社, 1993.

[2]戈稳. 雷达接收机[M ]. 北京:电子工业出版社, 2005. [3]罗伯特·A ·威特. 频谱和网络测量[M ]. 李景威, 张伦,

译. 北京:科学技术文献出版社, 1997.

　　郝国欣(1978-) , 男, 工程师, 主要从事通信设备研制和硬件电路设计。

　　对比式(6) 和式(8) 就会发现, 如果噪声为带限信

号, 通过计算功率谱密度得到的噪声系数与噪声系数定义是一样的, 这样就可以借助频谱分析仪来读取功率谱密度进而得到放大器或接收机的噪声系数。

2　噪声系数测量方法

(下转第12页)

9·

·微电子与基础产品·

表1　实验结果

输入D 0D 1D 21111X 0XXX 01000X

理论电压值/V43. 52. 721. 5

实测电压

值/V3. 9233. 4612. 6901. 9771. 471

电子工程师2008年11月

[M ].S e c o n dE d i t i o n . 冯军, 李智群, 译. 北京:电子工业

出版社, 2002.

误差/%1. 925

1. 1140. 0031. 1501. 933

[3]B A Z E S M .T w o N o v e l F u l l C o m p l e m e n t a r y S e l f -B i a s e dC M O S

D i f f e r e n t i a l A m p l i f i e r s [J ].I E E ES o l i d -S t a t e C i r c u i t s , 1991, 26(2) :165-168.

[4]R A Z A V I B . 模拟C M O S 集成电路设计[M]. 陈贵灿, 陈

军, 张瑞智, 等译. 西安:西安交通大学出版社, 2003:9-13.

　　力　争(1983-) , 男, 硕士研究生, 主要研究方向为数模混合集成电路设计。

6　结束语

本文基于三态输入设计了一种硬件可编程变阻电路, 采用锁存器减少权电阻开关操作, 从而降低功耗。

较少的控制端口使该电路易于集成在其他系统中。目前该电路已应用于一款电压检测芯片。

参　考　文　献

[1]A L L E N PE , H O L B E R G D R .C M O Sa n a l o gc i r c u i t d e s i g n

AC MO SMi c r o -p o w e r P r o g r a m m a b l e R e s i s t a n c e G e n e r a t o r

L I Z h e n g , L I Z h i q u n , L I UG u i z h i

(1. C o l l e g e o f I C , S o u t h e a s t U n i v e r s i t y , N a n j i n g 210018, C h i n a ; 2. N a t l i n e a r E l e c t r o n i c s C o L t d , S h a n g h a i 201203, C h i n a )

K e y w o r d s :m i c r o -p o w e r ; p r o g r a m m a b l e r e s i s t a n c e ; l a t c h

1, 2

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Me a s u r e m e n t o f N o i s e F a c t o r A c c o r d i n g t o I t s D e f i n i t i o n

H A O G u o x i n , Z H O UX u a n , Z H A N G C h e n g z h i , R E NT i a n l i a n g

(1. T h e 22t h R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C E T C , Q i n g d a o 266107, C h i n a ;

K e y w o r d s :n o i s e ; n o i s e f a c t o r ; b a n d w i d t h ; p o w e r s p e c t r u m d e n s i t y 1

一种由噪声系数定义推导出的噪声系数测量方法_郝国欣

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