电放大器相位噪声

放大器的噪声基础IC的噪声有两种类型：一种是外部噪声，来源于IC外部；另一种是内部噪声，来源于器件本身。

外部噪声一些工程师认为外部噪声不应该被称为噪声，因为它不是随机产生的，使用“干扰”一词也许更恰当。

首先，简单谈谈三种外部噪声的主要来源：RFI耦合环境中充斥着各种电磁波，虽然这些射频干扰信号通常在目标带宽以外，但器件的非线性有时会调整这些信号，将其带入目标区域中。

特别是连接传感器的引线较长时，噪声一般会从输入引线进入电路。

抑制射频干扰的办法包括：输入端滤波、屏蔽和采用双绞线输入。

电源噪声电子电路抑制电源线信号的能力有限，尤其是频率较高时，因此必须先消除电源线上的高频干扰，使其无法到达低噪声电路。

可以对电源进行适当滤波以及IC本身采取良好的旁路措施来实现。

敏感模拟电路与数字逻辑应采用不同的电源，至少应深度滤波。

接地环路我们经常可以从原理图上看到很多的接地符号，但必须注意，在实际电路中任何两点的电位都不可能完全相等，电流会流经地线，从而产生电位差。

必须考虑电流如何流动，并将高电流路径与敏感电路隔离。

例如，实用新型接地配置，或者将模拟地层与数字地层接在一个点上。

内部噪声内部噪声来源于信号链中的电路元件，IC数据手册中相关的性能规格就是针对这种噪声。

典型的内部噪声源包括传感器、电阻、放大器和模数转换器。

电阻噪声电阻噪声分为两类：一是内部热噪声，这种噪声与电阻构造无关，仅取决于总电阻、温度和带宽，它与所施加的信号无关；二是附加电流噪声，通常被称为过量噪声，它取决于电阻的构造，与热噪声不同，电阻电流噪声与所施加的电压有关。

薄膜电阻和绕线电阻具有出色的电流噪声性能，其噪声主要是内部热噪声。

炭核电阻则不然，一般认为其噪声性能较差，在之后的讨论中我们将假设在低噪声设计中使用高质量薄膜电阻，因此可以忽略电流噪声，只专注于热噪声。

理想电阻的热噪声公式为：可以看出，热噪声取决于温度、电阻、带宽和波尔兹曼常数。

但在实际设计中，并不要求记住这个公式，因为我们有一个非常方便的速算法。

相位噪声定义相位噪声是指信号的相位在一定时间范围内随机变化的现象。

在通信系统、雷达系统、测量系统等领域中，相位噪声是一个重要的性能指标，对系统的性能和精度有着重要影响。

1. 相位噪声的概念与表征相位噪声可以看作是频率稳定度的一种表现形式。

频率稳定度是指信号在时间上保持稳定的能力，而相位噪声则体现了信号相位随时间变化的不确定性。

通常情况下，我们用相位噪声谱密度来描述信号中存在的相位噪声。

相位噪声谱密度表示了单位频率范围内单位功率内所含有的相位变化。

常用单位为rad^2/Hz。

2. 相位噪声源在实际应用中，相位噪声主要来自以下几个方面：2.1 振荡器本身振荡器是产生高精度时钟信号或者参考信号的关键组件，而振荡器本身会引入一定的相位噪声。

这主要由于振荡器元件（如晶体谐振器、铁氧体谐振器等）的非线性特性和噪声产生机制引起的。

2.2 环境因素环境因素也会对信号的相位稳定性产生影响，如温度变化、机械振动、电磁干扰等。

这些因素会引入额外的相位噪声，降低系统的性能。

2.3 电路和系统设计电路和系统设计中存在的不完美因素也会导致相位噪声。

例如，不稳定的时钟分频电路、功率放大器等都可能引入相位噪声。

3. 相位噪声的影响相位噪声对于各种通信和测量系统都有重要意义，它会直接影响系统的性能和精度。

以下是几个常见领域中相位噪声的影响：3.1 通信系统在通信系统中，相位噪声会导致信号传输质量下降，增加误码率。

特别是在高速数据传输中，相位噪声对于时钟恢复和信号解调等关键步骤有着重要影响。

3.2 雷达系统雷达系统需要精确测量目标物体的距离和速度，而相位噪声会影响测量的准确性。

对于高精度雷达系统来说，降低相位噪声是提高测量精度的关键。

3.3 测量系统在科学实验和工程测量中，相位噪声会影响测量结果的准确性。

例如，在频率计、频谱仪等测量设备中，相位噪声会导致频率测量误差增大。

4. 相位噪声的抑制与衡量为了降低相位噪声对系统性能的影响，我们需要采取一些抑制措施。

相位噪声的产生原因和影响概述相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。

在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号(以1 MHz为例)的持续时间应该恰好是1微秒，每500ns有一个跳变沿。

但不幸的是，这种信号并不存在。

如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。

这种不确定就是相位噪声，或者说抖动。

相位噪声是频率域的概念。

相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。

用一个振荡器信号来解释相位噪声。

如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。

但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。

从图2中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。

相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。

一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。

定义定义1：相位噪声是指单位Hz的噪声密度与信号总功率之比,表现为载波相位的随机漂移,是评价频率源(振荡器)频谱纯度的重要指标源自: 有线数字电视传输特性与故障解析《中国有线电视》 2005年赵雨境,王恒江定义2：相位噪声是指光的正弦振荡不稳定,时而出现某处相位的随机跳变.相位噪声导致光源线宽变宽.光强度噪声是指因自发辐射光强的随机变化和外界温度的变化,导致发射光强的起伏源自: Fabry-Perot干涉式光纤温度传... 《传感器技术》 2001年曹满婷来源文章摘要：分析了温度对相位的调制作用以及Fabry -Perot干涉结构检测相位变化的原理 ,提出了一种具有高灵敏度和高分辨率的相位调制型全光纤结构 ,并进行了系统的噪声分析。

定义3：是一随机量通常把信号的相似随机起伏中（t）称为相位噪声.（t）随时间变化的随机过程是一平稳的随机过程并使随机量的概率密度分布符合正态分布源自: 受多项噪声影响的二级方差估值的置信度《四川教育学院学报》 1997年林时昌来源文章摘要：有限次（ｍ次）采样测量的二级方差估值（，ｍ）随机地偏离其真值＜）。

所谓噪声，就是在放大电路或电子设备的输出端与有用信号同时存在的一种随机变化的的电流或电压，没有有用信号是时它也存在。

电路噪声(放大器的噪声)一、放大电路内部噪声的来源和特点放大电路的内部噪声主要来源于包括输入变换在内的电阻热噪声和放大器件的噪声。

（一）放大器噪声_电阻的热噪声一个电阻在没有外加电压时，电阻材料的自由电子要作无规动，他的一次运动过程，会在电阻两端产生很小的电压，就一段时间来看，出现正负电压的概率相同，因而两端的平均电压为零。

但就一瞬时来看，电阻两端电压的大小和方向是随机变化的。

这种因热而产生的起伏电压称为电阻的热噪声。

噪声电压un(t)是随机变化的，无法确切地写出它的数学表达式。

而大量的实践和理论分析已经找出它们的规律性，可以用概率特性和功率谱密度来描述。

例如，电阻热噪声电压un(t)具有很宽的频谱，它从零开始连续不断，而且各个频率分量是相等的如下图所示：在较长时间里，噪声电压un(t)的统计平均值为零。

但是，假如将un(t)平方后再取其平均值，就具有一定的数值，称其为噪声电压的方均值，即电阻的热噪声可以用一个噪声电压源和一个无噪声的串联电阻R等效,也可以用一个噪声电流源和一个元噪声的电导g并联等效。

因功率与电压或电流的方均值成正比,电阻热噪声也可以看成是噪声功率源。

(二)放大器噪声_晶体三极管的噪声晶体三极管的噪声主要有四个来源。

1.热噪声2.散粒噪声由于com少数载流子由发射极通过PN结注入基区时,在单位时间内注人的载流子数不同,是随机起伏的。

这种起伏会影响到集电极电流的起伏,由此引起的噪声叫散粒噪声。

3.分配噪声晶体管发射区注入到基区的少数载流子中,一部分经过基极区到达集电极形成集电极电流,一部分在基极区复合。

载流子复合时,其数量是随机起伏的。

分配噪声就是集电极电流随基区载流子复合数量的变化而变化所引起的噪声。

4.闪烁噪声闪烁噪声又称为1/f噪声。

它主要在低频(几千赫以下)范围起主要作用。

相位噪声分析及对电路系统的影响1. 概述相位噪声就是短期频率稳定度，一个物理现象的两种表示方法，相位噪声为频域表示，短期频率稳定度为时域表示。

相位噪声一般是指在系统内各种噪声作用下所引起的输出信号相位随机起伏。

相位的随机起伏必然引起频率随机起伏，这种起伏速度较快，所以又称之为短期频率稳定度，用单边带，1Hz 带宽内的相位噪声功率谱密度£(ƒm )表示。

而时域一般用在一定时间间隔内，频率变化量的相对值表示，它是测量时间τ的函数，一般用方差><)(2τσ描述频率稳定度，可分长期稳定度和短期稳定度，目前没有严格界限。

频率源的相位噪声是一项非常重要的性能指标，它对电子设备和电子系统的性能影响很大，从频域看它分布在载波信号两旁按幂律谱分布。

用这种信号不论做发射激励信号，还是接收机本振信号以及各种频率基准时，这些相位噪声将在解调过程中都会和信号一样出现在解调终端，引起基带信噪比下降。

在通信系统中使话路信噪比下降，误码率增加；在雷达系统中影响目标的分辨能力，即改善因子。

接收机本振的相位噪声，当遇到强干扰信号时，会产生“倒混频”使接收机有效噪声系数增加。

所以随着电子技术的发展，对频率源的相位噪声要求越来越严格，因为低相位噪声，在物理、天文、无线电通信、雷达、航空、航天以及精密计量、仪器、仪表等各种领域里都受到重视。

2. 相位噪声及频率稳定度分析2.1 相位噪声分析任何信号的频谱都不可能绝对纯净，总会受到噪声的调制产生调制边带。

噪声可分为：闪变噪声、干扰噪声和白噪声，1Hz 带宽内的热噪声功率N o 在常温17℃时为-174dBm/Hz 。

这些噪声连续分布，假设对一纯净信号ƒo 进行调制，取1Hz 带宽内的噪声功率，频率为)(0f f ∆+，在时间小于1秒时，可以认为噪声电压也是正弦波。

这样可用矢量法来分析这两个正弦信号的调制结果，用图1表示。

图1中用V 2表示ƒ0幅度，用02N 表示噪声正弦波幅度，把ƒ0信号看成静止，则噪声分量以 f ∆=∆πω2的角速度旋转。