深入浅出射频噪声

学术   2024-12-22 08:55   浙江  
任何射频系统中的噪声都是具有随机幅度和频率的信号。它可以显示为电压或电流,它一直在变化。根据频率分布,它可以在整个频谱中以各种形式延伸,但幅度并不总是相同。在噪声方面没有特定的模式。

噪声会掩盖所需的信号,从而导致数据错误并增加误码率。

如果 n(t) 是噪声,则噪声的平均 power 可以定义为:

什么是功率谱密度 (PSD) 函数?

   

信号的功率谱密度 (PSD) 将信号中存在的功率描述为每单位频率的函数。它显示了功率和频率之间的关系。PSD 还显示强度随频率的变化。换句话说,我们可以说 PSD 显示了频率变化强或弱。例如,在图中,f1 的噪声功率高于 f0,f0 具有低噪声能量,因此功率较低。

 PSD从理论上是可以计算的

PSD 始终以 1Hz 表示功率,因此带宽限制为 1Hz。如果我们取 PSD 的积分,PSD 下的面积等于 average power。

噪声的分类

热噪声:它是由于温度而发生的,温度导致电荷的随机运动——通常是导体中的电子。    

散粒噪声:这种噪声是由电流随时间变化的波动引起的。

相位噪声:这种形式的噪声在射频和其他信号上可见。它以信号扰动或相位抖动的形式出现。

闪烁噪声:它几乎存在于所有电子元件中,并且与频率成反比。如果频率增加,闪烁噪声会减少。它通常以电阻波动的形式出现。

雪崩噪音:它发生在在雪崩击穿点或附近区域工作的晶体管的 PN 结中。

所有有源和无源设备都有自己的噪声。添加到外部噪声中的器件噪声会降低输出端的 SNR。这种噪声是由用于设计模块的组件产生的,如电阻器、晶体管和非理想电感器。这些分量对总噪声有贡献;因此 SNR 输入不等于 SNR 输出。因此,我们也可以说 MOSFET 和 BJT 会产生噪声。理想的电感器是无噪声的,因为它没有任何与之相关的寄生电容。然而,在现实世界中,我们总是会有一个电阻小、寄生电容不理想的电感,它会产生噪声,但不会像电阻和晶体管那样多。

电阻器中的噪声: 电阻器产生的噪声类型是Thermal Noise。热能导致电阻器中的电荷载流子随机搅动,因此会产生噪声。由于热量,电荷开始随机移动并产生噪音。这种噪声在 PSD 中以两种方式显示,一种是电压源,另一种是并联电流源。热噪声取决于电阻器的值和温度。提高温度会增加热搅动,因此会增加噪音水平。在电流中,它与 R 的值成反比,如以下公式所示:    

         

 

上图显示了热噪声的电压谱密度。可以观察到,频谱密度与频率是恒定的,因为方程中没有频率分量。当频率达到非常高的值时,图中显示了一个点,并且噪声开始降低。但是,许多应用程序在恒定的光谱密度下工作。

晶体管中的噪声:有两种类型的噪声与 MOS 相关:热噪声和闪烁噪声。晶体管在通道内具有电荷载流子,这些电荷会因温度而随机移动。因此具有热噪声。

晶体管的栅极处使用并联电流源或电压源进行建模,晶体管的噪声模型

在方程中,'γ' 是超额噪声系数,并且是常数。长通道晶体管的 γ 为 2/3,短通道晶体管为 2。因此,我们可以说短通道晶体管的 γ 高于长通道晶体管的 γ。随着设备的尺寸越来越小,它会产生更多的噪声,这是主要缺点之一。    

闪烁噪声总是出现在低频中,它与频率成反比,如果我们降低频率,闪烁噪声就会增加,如图所示。闪烁噪声只能通过增加晶体管尺寸来降低,但它可能会导致其他问题,如尺寸限制和更高的寄生。这是 size-parastic 和 noise 之间的一种权衡。热噪声的 PSD 是常数,闪烁噪声随频率变化。因此,我们可以说,与热噪声相比,闪烁噪声在低频占主导地位。PMOS 晶体管的 K(玻尔兹曼常数)低于 NMOS,这意味着 PMOS 的闪烁噪声相对较低。

闪烁噪声的影响       

 

在设计零中频接收器时面临的最重要的问题是闪烁噪声。闪烁噪声不仅是影响零中频接收机,也同样影响低IF接收机。

当通道在零频率附近时,它具有非常低的频率,正如我们所知,闪烁噪声在低频中占主导地位,它的功率谱密度 (PSD) 与频率成反比。因此,随着频率的降低,闪烁噪声变得占主导地位。    

只考虑热噪声的噪声总功率 Pn2 ,闪烁噪声时的噪声总功率Pn1

   

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