电子噪声与低噪声设计

【实例简介】
本书致力于利用随机噪声理论分析和解释电子系统中噪声的产生和传播问题，介绍各种噪声源相关的机制和模型，说明不同噪声的特性和传播方式，以及线性电路中的噪声分析方法和噪声特性测量方法，并详细介。。。
内容简介 电子噪声包括内部固有噪声和外部干扰噪声。电子噪声是影响检测系统性能的主要因素之一。在通 信系统中,噪声可能导致信息传输错误 本书致力于利用随机噪声理论分析和解释电子系统中噪声的产生和传播冋题,介绍各种噪声源相关 的机制和模型,说明不同噪声的特性和传播方式,以及线性电路中的噪声分析方法和噪声特性测量方法, 并详细介绍各种不同噪声的抑制方法,给出大量实例,总结出低噪声设计的规则和要点。 木书可用作电子工程、自动化、测试技术与仪器等专业的本科生或研究生教材,也可供涉及电子噪声 和电磁兼容性的工程技术人员参考。 本书封面贴有清华大学出版社防伪标签,无标签者不得销售 版权所有,侵权必究。侵权举报电话:010-6278298913701121933 图书在版编目(CIP)数据 电子噪声与低噪声设计/高晋占编著.一北京:清华大学出版社,2016 ISBN978-7302-43559-4 I.①电…Ⅱ.①高…Ⅲ.①电子系统一噪声②电子系统一低噪声一设计ⅣN.①TN911.4 ②TN722.3 中国版本图书馆CIP数据核字(2016)第081960号 责任编辑:王一玲 封面设计:常雪影 责任校对:梁毅 责任印制:沈露 出版发行:清华大学出版社 pogtlt:http://www.tup.com.cn,http://www.wqbook.com 地址:北京清华大学学研大厦A座 邮编:100084 社总机:010-62770175 邮购:010-62786544 投稿与读者服务:010-62776969,c-service(@tup.tsinghua.edu.cn 质量反馈:010-62772015, zhiliang tup. tsinghua.edu.cn 印装者:清华大学印刷厂 经销:全国新华书店 开本:185mm×260mm 印张:21 字数:522千字 版次:2016年6月第1版 印次:2016年6月第1次印刷 印数:1~1500 定价:59.00元 产品编号:06269401 在电子电路和系统中,噪声是个重要问题。噪声污染有用信号,并使信号包含的信息增 加了不确定性。电子噪声是影响检测系统性能的主要因素之一。在通信系统中,噪声可能 导致信息传输错误。即使在噪声阈值较高的数字电路和计算机系统中,严重的噪声可能造 成存储位的变化和程序运行混乱 噪声包括内部固有噪声和外部干扰噪声。内部固有噪声是由载流子的随机运动引起 的,有些固有噪声源可以通过在制造过程中提高加工质量加以控制,但其中大多数是基础噪 声,不取决于技术。而外部干扰噪声是由外部噪声源发岀,经过某种耦合渠道对电路污染的 结果。这两种噪声具有不同原因,它们需要不同的处理方法,在多数书籍和文献中,这两种 噪声都是分别对待的,外部干扰噪声通常是电磁兼容性(EMC)相关书籍的主题。但是,这 两种噪声引起的问题是类似的,应该综合在一起考虑。在处理其中的一种噪声时,有理由必 须把另一种噪声也考虑在内。 例如,当处理弱信号的电路无法正常工作时,污染了有用信号的噪声是源自于该电路本 身还是从外部拾取的,从用户的角度来看都是无关紧要的。在这两种情况下噪声都会掩盖 信号,在最坏的情况下则不能恢复信息内容。因此,只努力抑制电路的固有噪声,但缺乏抵 御干扰噪声的保护手段,电路的噪声特性就会大打折扣。另外,在设计屏蔽措施时,努力把 干扰噪声降低到固有噪声幅度之下,往往没有多大意义。 本书涵盖上述两种噪声,致力于分析和解释电子系统中各种噪声的来源和性质,介绍各 种噪声源的机制和模型,说明不同噪声的特性和耦合方式,以及线性电路中的噪声分析方法 和噪声特性测量方法,介绍各种噪声的抑制措施,给出低噪声设计的规则和方法。 许多种噪声具有随机性,其描述方式和分析方法不同于确定性信号,不太容易理解,本 书第1章首先介绍随机噪声的基本原理和特性,这是后续各章及延续阅读的理论基础。 第2~5章致力于固有噪声,这种噪声取决于电子器件和电路设计。第2章介绍各种固 有噪声源的特性和描述方法;第3章介绍各种噪声参数和噪声分析方法;第4章介绍电子 系统中常见的电子器件的噪声源、噪声模型和噪声特性;第5章介绍常用的噪声性能测量 方法。 前言 第6~8章致力于外部干扰噪声,这种噪声受设备的物理结构和电路布局的影响很大。 第6章介绍各种干扰噪声源和干扰耦合途径,除电磁噪声外,还特别介绍机械原因或温度扰 动引起的噪声;第7章介绍干扰噪声抑制方法,重点是屏蔽和接地;第8章介绍常见干扰噪 声源的噪声产生机制和预防措施。 第9章介绍低噪声电路设计的方法和技术,包括选择低噪声有源器件,确定电路组态和 工作点,噪声匹配的实现等,特别分析了反馈对噪声性能的影响。 本书可用作电子、通信、自动化、测试技术与仪器等专业的高年级本科生或研究生教材, 也可供涉及电子噪声和电磁兼容性的工程技术人员参考。 由于作者水平所限,书中难免存在缺点和错误,恳请广大读者批评指正 高晋占 2015年10月于清华园 符号說明 1.基本符号 X 电抗的通用符号,单位为Ω 频率通用符号,单位为Hz 导纳的通用符号,单位为S fo 中心频率,单位为Hz 阻抗的通用符号,单位为Ω 截止频率,单位为Hz 角频率通用符号,单位为rad/s 电流通用符号,单位为A 2.线性系统符号 距离或长度,单位为m A(t)幅度函数 电压通用符号,单位为V )相位函数 器件内部的等效电阻,单位为9G(a)幅频特性函数 B 系统频带宽度,单位为Hz 相频特性函数 B 电纳的通用符号,单位为S h(t)冲激响应函数 C 电容的通用符号,单位为F H(j)频率响应函数 E 数学期望运算子 H()传递函数 电导的通用符号,单位为S H(x1)离散传递函数 电流的有效值,单位为A 3.随机噪声符号 平均直流电流,单位为A 噪声电压 L 电感的通用符号,单位为H 噪声电流 互感的通用符号,单位为H 噪声电压的均方值 P 功率的通用符号,单位为W 噪声电流的均方值 R 电阻或等效电阻,单位为Ω E 电路的输入电阻,单位为Ω 噪声电压的有效值,En=√e R 电路的输出电阻,单位为 噪声电流的有效值,n=√ R 负载电阻,单位为Ω 噪声电压的平方根谱密度,单位 R 信号源内阻,单位为Ω 为V/√Hz 电压的有效值,单位为V 噪声电流的平方根谱密度,单位 热力学温度(旧称绝对温度),单 为A/√Hz 位为K 热噪声电压 符号说明 热噪声电流 共射接法下集射极之间的微变电 散弹噪声电压 阻 散弹噪声电流 场效应管漏源之间的等效电阻 1/f噪声电压 导通电阻 1/f噪声电流 二极管,场效应管的漏极 F 噪声系数( noise factor) 场效应管的栅极 噪声因数( noise figure),单位为dBS 场效应管的源极 S 信噪比 二极管电流,漏极电流 B 等效噪声带宽 共射接法下的基极电流 △f 窄带宽度 共射接法下的集电极电流 p(x)x的概率密度函数 共射接法下的发射极电流 x的均值 共基接法下的电流放大倍数,a= x的方差 △Ic/△I x的标准差 共射接法下的电流放大倍数,B= x的均方值 △Ic/△IB C2(x)x的自协方差函数 共射接法下的直流电流放大倍 Cx(x)x的归一化自协方差函数 数,B=Ic/IB Cx(z)x和y的互协方差函数 5.其他符号 Cx(x)x和y的归一化互协方差函数 电磁辐射速度,c=2.998×10m/s R2(r)x的自相关函数 h 普朗克( Planck)常数,h=6.62 R2(x)x和y的互相关函数 1034Js S(f)噪声的功率谱密度函数 k 玻耳兹曼( Boltzmann)常数,k= S2(f)噪声电压的功率谱密度函数 1.38×1023J/K (f)噪声电流的功率谱密度函数 电子电荷,q=1.602×10-°C 2(f)x的功率谱密度函数 波长,m S2(f)x和y的互功率谱密度函数 介质的介电常数 p(x)x的归一化自相关函数 自由空间的介电常数,Eo=8.85× (x)x和y的归一化互相关函数 10 pF/mm J|雅可比( Jacobi)行列式 对自由空间的相对介电常数,En= 4.半导体器件参数符号 基极 介质的磁导率 C 集电极 自由空间的磁导率,A0=4x 发射极 10Hm1=4x×10pH/mm fr晶体管的特征频率,即共射接法对自由空间的相对磁导率,= 下电流放大倍数为1的频率,单 /0 位为Hz 介质的电导 g 跨导 铜的电导,=5.82×107S/m 基区体电阻 对铜的相对电导,01=a/0 rb’e 发射结的微变等效电阻 CMRR共模抑制比 第1章随机噪声基础 1.1随机噪声概述………… 1.1.1噪声定义与分类 111 1.1.2内部固有噪声和外部干扰噪声比较 1.1.3噪声的影响 1.2随机噪声的概率分析方法… 347 1.3随机噪声的统计特征… 1.3.1均值、方差与均方值 ········,····,·,,··,,,,,,······,·······,·,, 1.3.2相关函数与协方差函数… 1.3.3功率谱密度函数 15 1.4常见随机噪声 17 1.4.1白噪声与有色噪声 17 1.4.2窄带噪声………………………………………………………19 1.5随机噪声通过电路系统的响应 …21 1.5.1随机噪声通过线性系统的响应……………………………21 1.5.2随机噪声通过非线性系统的响应 24 第2章电子系统中的固有噪声源……………………………………………………29 2.1热噪声 30 2.1.1热噪声的起源… 30 2.1.2热噪声的特性 ……………………30 2.2扩散噪声 ……………………………………35 2.3散弹噪声 36 2.4量子噪声………………………………………………………………………………39 Ⅵ 目录 2.5产生-复合噪声(G-R噪声)…………………………………………………………40 2.61/f噪声… 42 2.7爆裂噪声……………………………………………………………………45 2.8雪崩噪声… 第3章噪声参数与噪声分析 50 3.1.功率和增益 3.1.1功率的各种常用定义 51 3.1.2资用功率和资用功率增益… 3.1.3可交换功率和可交换功率增益 55 3.2等效噪声带宽… 56 3.3线性一端口的噪声参数…… 60 3.3.1等效噪声电阻…… ……………………………61 3.3.2等效噪声温度 62 3.3.3其他噪声参数……63 3.4线性二端口的噪声模型与噪声参数 65 3.4.1E-Ⅰ噪声模型及等效输入噪声电阻………………… 3.4.2等效输入噪声温度……… 69 3.4.3工作噪声温度…………… 72 3.4.4噪声系数 ……73 3.4.5噪声测度………………………………………………………………81 3.5二端口噪声分析…… …83 3.5.1二端口的噪声模型变换…………………………………………………83 3.5.2等效噪声源相关时二端口的噪声分析………… 84 第4章电子器件噪声 88 4.1电阻噪声 ………88 4.1.1电阻的噪声机制与噪声指标…… ……………………89 4.1.2低噪声电阻的选择 4.2电容、电感和电池噪声 93 4.3半导体二极管的噪声特性…………………………………………………………95 4.4双极型晶体管(BJT)的噪声特性…… 99 4.4.1BJT的结构、等效电路和噪声源………………………………………99 4.4.2BJT的噪声参数 102 4.4.3BJT噪声的频率分布……………………………………………………104 4.5场效应管(FET)的噪声特性 107 5.1FET的结构与噪声源…………107 4.5.2FET的噪声等效电路与噪声参数 110 4.6运算放大器的噪声特性………………………………………………………113 目录 4.6.1运算放大器的等效输入噪声模型………………………………113 4.6.2运算放大器噪声性能计算 116 4.7传感器电路噪声分析………………………………………………………122 第5章噪声性能测量 133 5.1噪声测量常用方法…… 133 5.2噪声测量中的检波器和平均器………………………………………………………136 5.3噪声功率和有效值的测量误差 140 4噪声功率谱密度测量………………………………………………………142 5.5二端口等效输人噪声测量 146 5.6噪声系数测量…………………………………………………………………147 5.7噪声温度测量…… 154 5.8其他噪声性能的测量和计算………………………………………………157 5.9噪声发生器 160 第6章干扰噪声 166 6.1外部噪声源………………………………………167 6.1.1自然噪声源 …168 6.1.2电磁噪声源 170 6.1.3静电噪声源… 173 6.1.4非电起源的干扰噪声源………………………………………………174 6.1.5干扰噪声的频谱分布 176 6.2干扰噪声耦合途径……………………………………………………………177 6.2.1传导耦合 …179 6.2.2电场耦合………………………………………………………183 6.2.3磁场耦合 ………186 6.2.4电磁辐射耦合…… …191 6.2.5耦合模式 ……………………………193 第7章干扰噪声抑制方法… 196 7.1电磁屏蔽………………………………………………………………………196 7.1.1场传播与波阻抗 197 7.1.2屏蔽层的吸收损耗……………………………………………………200 7.1.3屏蔽层的反射损耗 202 7.1.4屏蔽层中的多次反射…………………………………………206 7.1.5屏蔽效能分析与综合 208 7.1.6影响屏蔽效能的其他因素…………………………………211 7.1.7屏蔽总结 214 7.2电缆屏蔽层接地 216 【实例截图】
【核心代码】