測控電子技術(shù)第五章--微弱信號檢測

1、第第5 5章章 微弱信號檢測電路微弱信號檢測電路為什么要分析放大器噪聲為什么要分析放大器噪聲? ? 微弱信號需要放大到可以識別幅度。微弱信號需要放大到可以識別幅度。 電子器件本身是噪聲源。電子器件本身是噪聲源。 放大器有電子噪聲和固有噪聲放大器有電子噪聲和固有噪聲電子噪聲定義電子噪聲定義1 1、廣義、廣義 污染和干擾有用信號的不期望的信號。污染和干擾有用信號的不期望的信號。 包括：外部干擾、電路內(nèi)部噪聲可是確定的也可是隨機(jī)。包括：外部干擾、電路內(nèi)部噪聲可是確定的也可是隨機(jī)。2 2、狹義、狹義 電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動導(dǎo)致的電壓、電流的隨機(jī)波動。電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動導(dǎo)致的電壓、電流的隨機(jī)波動。微弱信號：

2、指被噪聲淹沒的信號，微弱是相對噪聲而言的。微弱信號：指被噪聲淹沒的信號，微弱是相對噪聲而言的。任務(wù)：提高信噪比，即專門抑制噪聲。任務(wù)：提高信噪比，即專門抑制噪聲。電子學(xué)電子學(xué)信息論信息論計算機(jī)計算機(jī)物理學(xué)物理學(xué)微弱信號的檢測微弱信號的檢測喇叭噪聲的表現(xiàn)：喇叭噪聲的表現(xiàn)：穩(wěn)定的咝咝聲或沙沙聲：穩(wěn)定的咝咝聲或沙沙聲：放大器元器件產(chǎn)生的固有噪聲。放大器元器件產(chǎn)生的固有噪聲。輕微輕微 且穩(wěn)定，不隨音量調(diào)節(jié)變化。且穩(wěn)定，不隨音量調(diào)節(jié)變化。措施：只有改變放大器的電路設(shè)計措施：只有改變放大器的電路設(shè)計 。嗡聲（嗡聲（“交流聲交流聲”） ： 器材工藝設(shè)計不合理。器材工藝設(shè)計不合理。連接線纜的屏蔽能力。連接線纜

3、的屏蔽能力。供電電壓過低導(dǎo)致內(nèi)部電路不正常等供電電壓過低導(dǎo)致內(nèi)部電路不正常等噼啪聲（放電聲）噼啪聲（放電聲）器材內(nèi)部積累灰塵過多。器材內(nèi)部積累灰塵過多。元器件超過使用壽命失效。元器件超過使用壽命失效。立即修理檢查立即修理檢查流水聲：流水聲： 高頻自激的現(xiàn)象。高頻自激的現(xiàn)象。電路設(shè)計不良造成電路設(shè)計不良造成嘯叫聲、汽船聲：嘯叫聲、汽船聲：高頻、低頻自激。高頻、低頻自激。關(guān)閉系統(tǒng)電源關(guān)閉系統(tǒng)電源檢查連接檢查連接偶爾的滋滋聲：偶爾的滋滋聲：交流供電線路的串?dāng)_。交流供電線路的串?dāng)_。供電質(zhì)量差供電質(zhì)量差當(dāng)入射光強(qiáng)度較大時：當(dāng)入射光強(qiáng)度較大時：降低入射光功率、增大放大率時：降低入射光功率、增大放大率時：再

4、降低入射光功率時：再降低入射光功率時：正弦波幅度越來越小，雜亂無章的變化愈來愈大。正弦波幅度越來越小，雜亂無章的變化愈來愈大。最后噪聲完全埋沒了信號，失去探測弱光信號的能力。最后噪聲完全埋沒了信號，失去探測弱光信號的能力。例：光電檢測例：光電檢測電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲特點(diǎn)：電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲特點(diǎn)：1 1、電路元器件產(chǎn)生：內(nèi)部噪聲。、電路元器件產(chǎn)生：內(nèi)部噪聲。2 2、電荷載體隨機(jī)運(yùn)動結(jié)果：與輸入信號無關(guān)，瞬間幅度不可測，要統(tǒng)計和概率計算。、電荷載體隨機(jī)運(yùn)動結(jié)果：與輸入信號無關(guān)，瞬間幅度不可測，要統(tǒng)計和概率計算。3 3、熱噪聲、散彈噪聲、熱噪聲、散彈噪聲、1/f1/f噪聲、爆裂噪聲。噪聲、爆裂噪聲

5、。4 4、噪聲是連續(xù)的，基本上固定不變，頻譜分布廣。、噪聲是連續(xù)的，基本上固定不變，頻譜分布廣。5 5、需要改進(jìn)元器件的材料和生產(chǎn)工藝。、需要改進(jìn)元器件的材料和生產(chǎn)工藝。6 6、決定系統(tǒng)分辨率和最小可檢測信號幅度決定系統(tǒng)分辨率和最小可檢測信號幅度。5.1 低噪聲放大器 檢測微弱信號的專門放大器。設(shè)計低噪聲放大器工作：抑制固有噪聲和外部噪聲，提高信噪比。特征高信噪比高分辨力關(guān)鍵： 抑制噪聲噪聲電子系統(tǒng)外部的干擾噪聲所有器件本身的固有噪聲關(guān)鍵： 抑制固有噪聲限制了放大器的分辨力、制約放大器信噪比目的：從噪聲背景中提取出有效微弱信號并進(jìn)行有效放大。5.1.1 5.1.1 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源電子系

6、統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源1. 1. 電阻的熱噪聲電阻的熱噪聲現(xiàn)象：任何電阻或?qū)w，即使沒有連接到信號源或電源，其兩端會出現(xiàn)微弱的電壓波動?，F(xiàn)象：任何電阻或?qū)w，即使沒有連接到信號源或電源，其兩端會出現(xiàn)微弱的電壓波動。起因：電阻中自由電子隨機(jī)熱運(yùn)動，導(dǎo)致電阻兩端電荷的瞬時堆積，形成噪聲電壓。起因：電阻中自由電子隨機(jī)熱運(yùn)動，導(dǎo)致電阻兩端電荷的瞬時堆積，形成噪聲電壓。熱噪聲是約翰遜（熱噪聲是約翰遜（J.B.JohnsonJ.B.Johnson ，貝爾實驗室）貝爾實驗室）于于19281928年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn), ,又稱為又稱為JohnsonJohnson噪聲噪聲?；诹孔永碚摰贸龅臒嵩肼曤妷旱墓β首V密度函數(shù)基于量子

7、理論得出的熱噪聲電壓的功率譜密度函數(shù): 當(dāng)當(dāng) fkT/h，St(f)會逐漸減小。會逐漸減小。在室溫下在室溫下(T=300K)，當(dāng)，當(dāng)f0.1kT/h1012Hz時，展開，取前兩項：時，展開，取前兩項：式中：式中：h=6.62x10-34Js普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) f : 頻率頻率 R : 電阻值電阻值 k=1.38x10-23 J/K波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù) T : 絕對溫度。絕對溫度。熱噪聲熱噪聲-公式公式和和f沒有關(guān)系，和什么相關(guān)？沒有關(guān)系，和什么相關(guān)？工作頻率比工作頻率比10101212HzHz低得多低得多，廣泛使用。廣泛使用。當(dāng)當(dāng)T T和和 R R 一定時，一定時，S St t(f)(f

8、) 為常數(shù)為常數(shù)。在工作頻率范圍內(nèi)在工作頻率范圍內(nèi), ,可認(rèn)為熱噪聲是白噪聲?？烧J(rèn)為熱噪聲是白噪聲。在很高頻率及很低溫度時，在很高頻率及很低溫度時，S St t(f)(f)變化。變化。5.1.1 5.1.1 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源R的熱噪聲等效功率：的熱噪聲等效功率：（用其均方值表示）（用其均方值表示）溫度為溫度為27 (300 )時，時，R的單位：的單位：k 包含電阻的電路都存在熱噪聲。5.1.1 5.1.1 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源例：當(dāng)溫度為17 時，帶寬為100kHz的放大電路中，10k 的電阻兩端為4uV。 對于檢測微伏級或納伏級微弱信號的系

9、統(tǒng)，電阻熱噪聲不容忽視的。說明：在微弱信號檢測系統(tǒng)中,應(yīng)使R和B盡量小。 使放大電路前置級工作于極低的溫度。熱噪聲電壓的大小取決于熱力學(xué)溫度。 溫度比室溫低幾十?dāng)z氏度沒有多大效果。5.1.1 5.1.1 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源1 1、等效電壓源、等效電壓源2 2、等效電流源、等效電流源等效電路分析等效電路分析利用兩端網(wǎng)絡(luò)的戴維南模型利用兩端網(wǎng)絡(luò)的戴維南模型利用諾頓定理利用諾頓定理實際電阻實際電阻熱噪聲電壓源熱噪聲電壓源理想電阻理想電阻R R串聯(lián)串聯(lián)實際電阻實際電阻熱噪聲電流源熱噪聲電流源ItIt理想電阻理想電阻R R并聯(lián)并聯(lián)電流功率譜密度函數(shù)電流功率譜密度函數(shù)電流有效值電

10、流有效值噪聲電路噪聲電路等效電路圖5.11 兩個電阻相串聯(lián)的熱噪聲電壓源等效電路互不相干 ，=0l 無源元件的任意連接所產(chǎn)生的熱噪聲等于等效網(wǎng)絡(luò)阻抗的實部電阻所產(chǎn)生的熱噪聲。無源元件的任意連接所產(chǎn)生的熱噪聲等于等效網(wǎng)絡(luò)阻抗的實部電阻所產(chǎn)生的熱噪聲。說明：說明：1、熱噪聲源相加，然后求均方值，兩個信號不相關(guān)、熱噪聲源相加，然后求均方值，兩個信號不相關(guān)2、功率加和，得到等效功率，再得到電壓有效值、功率加和，得到等效功率，再得到電壓有效值3、有效電壓不能簡單加和，否則能量增加，應(yīng)該是利用統(tǒng)計平均等到。、有效電壓不能簡單加和，否則能量增加，應(yīng)該是利用統(tǒng)計平均等到。4、等效電路的電阻加和。、等效電路的電

11、阻加和。例5.1.2 試證明溫度相同的兩個電阻R1和R2相并聯(lián)所產(chǎn)生的等效熱噪聲電壓有效值為 (a噪聲電路 (b)等效電路 圖5.12 兩個電阻并聯(lián)的熱噪聲電壓源等效電路Et1和Et2：表示R1和R2熱噪聲電壓有效值證明:等效電路的電阻并聯(lián)等效電路的電阻并聯(lián)2. 2. 阻容并聯(lián)電路的熱噪聲阻容并聯(lián)電路的熱噪聲電阻兩端引線間分布電容電阻兩端引線間分布電容限制帶寬在電阻兩端電容限制帶寬在電阻兩端電容圖5.1.3 阻容并聯(lián)電路的熱噪聲輸出噪聲的功率譜密度函數(shù)：輸出噪聲的功率譜密度函數(shù)：輸出噪聲功率：有效值：輸出功率及有效值與電阻的阻值無關(guān)，取決于并聯(lián)在電阻兩端的電容C及絕對溫度T.電阻熱噪聲輸出電壓

12、電阻熱噪聲輸出電壓的頻帶寬度是有限的。的頻帶寬度是有限的。電流有效值：電流有效值：對于一定帶寬對于一定帶寬B,B, PNPN結(jié)的散彈噪聲電流的功率：結(jié)的散彈噪聲電流的功率：平方根譜密度：（單位平方根譜密度：（單位帶寬方根的散彈噪聲有效值）帶寬方根的散彈噪聲有效值）帶寬大，電流有效值大。帶寬大，電流有效值大。第第5 5章章 微弱信號檢測電路微弱信號檢測電路5.1 低噪聲放大器噪聲電子系統(tǒng)外部的干擾噪聲所有器件本身的固有噪聲限制了放大器的分辨力、信噪比5.1.1 5.1.1 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源1. 1. 電阻的熱噪聲電阻的熱噪聲工作頻率工作頻率 10101212HzHz。

13、R和B盡量小l 無源元件的任意連接所產(chǎn)生的熱噪聲等于等效網(wǎng)絡(luò)阻抗的實部電阻所產(chǎn)生的熱噪聲。無源元件的任意連接所產(chǎn)生的熱噪聲等于等效網(wǎng)絡(luò)阻抗的實部電阻所產(chǎn)生的熱噪聲。2. 2. 阻容并聯(lián)電路的熱噪聲阻容并聯(lián)電路的熱噪聲3.PN3.PN結(jié)的散彈噪聲結(jié)的散彈噪聲(shot noisc)(shot noisc)平方根譜密度：平方根譜密度：由兩導(dǎo)體接觸點(diǎn)電導(dǎo)的隨機(jī)漲落引起的。又稱為低頻噪聲。由兩導(dǎo)體接觸點(diǎn)電導(dǎo)的隨機(jī)漲落引起的。又稱為低頻噪聲。約翰遜，約翰遜，19251925年，在電子管板極電流中發(fā)現(xiàn)，之后在半導(dǎo)體器件中也發(fā)現(xiàn)了。年，在電子管板極電流中發(fā)現(xiàn)，之后在半導(dǎo)體器件中也發(fā)現(xiàn)了。4. 1/f 4.

14、1/f 噪聲（噪聲（ 接觸噪聲、閃爍接觸噪聲、閃爍(aicker)(aicker)噪聲）噪聲）1/f/f噪聲的特性：功率譜密度函數(shù)功率譜密度函數(shù)在f1和f2之間的頻段中，1/f噪聲的功率：Pf取決于頻率上下限之比 。（熱噪聲和散彈噪聲功率正比于帶寬）。 在低頻段，f越低，1/f噪聲的幅度很大。 認(rèn)為當(dāng)頻率低到一定程度時, 1/f噪聲的幅度趨向于常數(shù)。 限定B的低頻邊界頻率大于0.OO1Hz。 當(dāng)頻率高于某一數(shù)值時，與熱噪聲和散彈噪聲相比，1/f噪聲忽略。電阻的1/f噪聲（過剩噪聲）： 在碳電阻中，電流流過許多碳粒之間的接觸點(diǎn) 1/f噪聲很嚴(yán)重。 碳電阻碳電阻金屬膜電阻金屬膜電阻金屬絲線繞電阻金

15、屬絲線繞電阻功率譜密度函數(shù)：在f1和f2范圍內(nèi)，過剩噪聲的功率：表現(xiàn)：表現(xiàn)：PN結(jié)電流的突然變化，結(jié)電流的突然變化，20世紀(jì)世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)年代發(fā)現(xiàn).原因：半導(dǎo)體材料有雜質(zhì)原因：半導(dǎo)體材料有雜質(zhì)(通常是金屬雜質(zhì)通常是金屬雜質(zhì))。雜質(zhì)能隨機(jī)發(fā)射或捕獲載流子。雜質(zhì)能隨機(jī)發(fā)射或捕獲載流子。圖5.1.4 爆裂噪聲波形在兩種電流值之間切換。在兩種電流值之間切換。取決制作工藝和材料中的雜質(zhì)。取決制作工藝和材料中的雜質(zhì)。背景吵聲背景吵聲寬度不同寬度不同幅度基本相同幅度基本相同隨機(jī)電流脈沖。隨機(jī)電流脈沖。幾率：每秒幾百個到幾分鐘一個。幾率：每秒幾百個到幾分鐘一個。理論分析證明，爆裂噪聲元的功率譜密度函數(shù)為理論

16、分析證明，爆裂噪聲元的功率譜密度函數(shù)為 爆裂噪聲是電流型噪聲，在高阻電路中影響更大。 改善工藝，提高純度，減少雜質(zhì)，改善爆裂噪聲。 對器件的挑選能夠避免爆裂噪聲。f0f0：轉(zhuǎn)折頻率：轉(zhuǎn)折頻率當(dāng)當(dāng)ff0f1。 噪聲系數(shù)隨放大器的偏置電流、工作頻率、溫度及信號源內(nèi)阻而變化。 須說明工作條件。 噪聲系數(shù)只適用于線性電路。 非線性電路內(nèi)部即使沒有噪聲源，其輸出端的信噪比與輸入端也不同，信號輸入信號輸入后續(xù)電路要求信噪比足夠大后續(xù)電路要求信噪比足夠大放大放大放大器可檢測的最小信號：例5.1.3 設(shè)放大器的輸入噪聲只有信號源電阻Rs=1k 的熱噪聲，溫度為17 ，放 大器等效噪聲帶寬為B=1kHz，噪聲系

17、數(shù)F=2，要求SNRo=10， 試求系統(tǒng)可檢測的最小信號Et。解: T=17 +273 =290K, 放大器的輸入噪聲功率=源電阻的熱噪聲功率 放大器可檢測的最小信號為3)噪聲因數(shù)(noise figure) 噪聲系數(shù)F用dB表示,稱為噪聲因數(shù)NF。 NF表征在信號源噪聲之上由放大器增加的噪聲功率。 利用NF的對數(shù)特性，把噪聲系數(shù)F的相乘運(yùn)算化解為相加運(yùn)算。 NF越大,說明放大器的噪聲性能越差。 低噪聲放大器的NF小， 理想放大器NF為零。低噪聲設(shè)計的目的是使放大器的NF盡量小。以三級為例子以三級為例子輸出總噪聲：輸出總噪聲：放大器無噪聲放大器無噪聲2 . 級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)級聯(lián)放大器的噪聲

18、系數(shù)功率功率功率功率功率功率1) 1) 級級聯(lián)放大器噪聲系數(shù)級級聯(lián)放大器噪聲系數(shù)F F級聯(lián)放大器噪聲系數(shù)級聯(lián)放大器噪聲系數(shù)同理同理,M,M級級聯(lián)放大器總的噪聲系數(shù)級級聯(lián)放大器總的噪聲系數(shù)F:F:說明：說明： 前級前級噪聲系數(shù)對總噪聲系數(shù)的影響大。噪聲系數(shù)對總噪聲系數(shù)的影響大。 如果如果K1K1足夠大，則總的足夠大，則總的F F主要取決于主要取決于FlFl。2)2)噪聲測度噪聲測度( (n noise measureoise measure）F F：噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)：功率增益功率增益按照噪聲測度從小到大的順序排列各級放大器，能獲得最小的總噪聲系數(shù)。按照噪聲測度從小到大的順序排列各級放大器，能獲得

19、最小的總噪聲系數(shù)。定義定義確保第一級的噪聲系數(shù)足夠小。確保第一級的噪聲系數(shù)足夠小。前置放大器的器件選擇和電路設(shè)計重要前置放大器的器件選擇和電路設(shè)計重要。例5.1.4 將三個放大器串聯(lián)起來放大微小信號，它們的功率增益和噪聲系數(shù)見表， 如何連接三個放大器才能使總的噪聲系數(shù)最小?選擇總噪聲系數(shù)小的：選擇總噪聲系數(shù)小的： 第二級選第二級選B,B,第三級選第三級選C C： 第二級選第二級選C,C,第三級選第三級選B B：噪聲測度：噪聲測度： MA=0,67, MB=1.07 ,MC=3.03MA=0,67, MB=1.07 ,MC=3.03按按A A、B B、C C的順序排列放大器可以得到最小的噪聲系數(shù)

20、的順序排列放大器可以得到最小的噪聲系數(shù). .A A、B B、C C的的排列排列3.放大器的噪聲模型羅斯等提出圖5.16 二端口網(wǎng)絡(luò)噪聲模型網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部所有噪聲源在輸入端的等效。功率譜密度： En和和In : 中心頻率為中心頻率為 f 的窄帶寬的窄帶寬f內(nèi)的內(nèi)的等效輸入噪聲電壓等效輸入噪聲電壓有效值和電流有效值有效值和電流有效值; En2和和In2 : 等效輸入噪聲電壓和電流的功率。等效輸入噪聲電壓和電流的功率。f f 要足夠小。要足夠小。當(dāng)帶寬當(dāng)帶寬 f f 為為1Hz1Hz時，時， En En2 2和和I In n2 2分別表示電壓源和電流源的功率譜密度。分別表示電壓源和電流源的功率譜密度。在在

21、寬帶寬帶情況下，用帶寬情況下，用帶寬B B代替上面公式中的代替上面公式中的f f。構(gòu)成無噪聲二端口網(wǎng)絡(luò)噪聲源的噪聲源的平方根譜密度平方根譜密度：在數(shù)據(jù)手冊中，給出一定工作條件在數(shù)據(jù)手冊中，給出一定工作條件( (如如f f）下的下的e en n和和i in n的平方根譜密度的平方根譜密度e eN N和和i iN N數(shù)值數(shù)值. . 注意:等效噪聲模型是將網(wǎng)絡(luò)輸出端的噪聲等效到其輸入端。等效噪聲模型是將網(wǎng)絡(luò)輸出端的噪聲等效到其輸入端。 e en n和和i in n在網(wǎng)絡(luò)輸入端是測量不出來的，也不能用來計算輸入電路的實際噪聲。在網(wǎng)絡(luò)輸入端是測量不出來的，也不能用來計算輸入電路的實際噪聲。 等效：先測量

22、電路輸出端的噪聲，再折算到輸入端得到等效：先測量電路輸出端的噪聲，再折算到輸入端得到e en n和和i in n的統(tǒng)計特性。的統(tǒng)計特性。等效等效的原因的原因: : 放大器內(nèi)部有很多噪聲源，到輸出端的傳輸通道各不相同放大器內(nèi)部有很多噪聲源，到輸出端的傳輸通道各不相同, , 對于多數(shù)實對于多數(shù)實際電路，很難計算出噪聲源的噪聲性能及對輸出噪聲的各自貢獻(xiàn)。際電路，很難計算出噪聲源的噪聲性能及對輸出噪聲的各自貢獻(xiàn)。 4.放大器的噪聲特性1) 等效輸入噪聲與信號源內(nèi)阻的關(guān)系前置放大器等效噪聲電路被測信號電壓被測信號電壓傳感器輸出內(nèi)阻傳感器輸出內(nèi)阻電阻的熱噪聲電壓源電阻的熱噪聲電壓源等效噪聲電壓等效噪聲電壓

23、等效噪聲電流等效噪聲電流設(shè)et 、 en和in互不相關(guān),噪聲電流源轉(zhuǎn)換為噪聲電壓源in R s輸入電路的總噪聲功率：有效值的平方：將電阻的熱噪聲公式代入式： 對于對于普通放大器普通放大器， En和和In數(shù)值較大數(shù)值較大, 當(dāng)當(dāng)Rs較小時，輸入總噪聲由較小時，輸入總噪聲由En主導(dǎo)；主導(dǎo)； 當(dāng)當(dāng)Rs較大時，輸入總噪聲由較大時，輸入總噪聲由In Rs主導(dǎo)。主導(dǎo)。 對于對于低噪聲放大器低噪聲放大器，En和和In Rs數(shù)值較小，數(shù)值較小， 在在Rs的中等數(shù)值范圍，輸入總噪聲的主導(dǎo)成分是的中等數(shù)值范圍，輸入總噪聲的主導(dǎo)成分是Rs的熱噪聲的熱噪聲Et； 在在Rs很大時，輸入總噪聲由很大時，輸入總噪聲由In

24、Rs主導(dǎo)。主導(dǎo)。淹沒了信號源電阻的熱噪聲。淹沒了信號源電阻的熱噪聲。2)最佳源電阻及噪聲匹配噪聲系數(shù)F： 放大器對輸入端的各種噪聲的增益相同。式中式中: Pno：放大器總的輸出噪聲功率：放大器總的輸出噪聲功率; Pni：信號源電阻的熱噪聲功率：信號源電阻的熱噪聲功率; Kp ：放大器的功率放大倍數(shù)：放大器的功率放大倍數(shù)。表明：當(dāng)表明：當(dāng)RsRs趨于零或趨于無窮大時，趨于零或趨于無窮大時，F(xiàn) F趨于無窮大。趨于無窮大。 當(dāng)當(dāng)RsRs很小時，熱噪聲很小時，熱噪聲EtEt小，放大器等效輸入噪聲電壓小，放大器等效輸入噪聲電壓EnEn使使F F大為增加大為增加; ; 當(dāng)當(dāng)RsRs很大時很大時, , 會使

25、會使F F大為增加大為增加; ; 當(dāng)當(dāng)RsRs為為最佳源電阻最佳源電阻RsoRso時，噪聲系數(shù)時，噪聲系數(shù)F F才能達(dá)到其最小值才能達(dá)到其最小值FinFin，稱為，稱為噪聲匹配噪聲匹配。噪聲匹配：噪聲匹配：噪聲系數(shù)最小值：噪聲系數(shù)最小值： B B：等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬噪聲系數(shù)噪聲系數(shù):寬帶情況：寬帶情況：最佳源電阻：最佳源電阻：噪聲源的噪聲源的平方根譜密度平方根譜密度：5.5.運(yùn)算運(yùn)算放大器的噪聲特性放大器的噪聲特性1)1)運(yùn)放的等效輸入噪聲模型運(yùn)放的等效輸入噪聲模型運(yùn)放內(nèi)部的噪聲運(yùn)放內(nèi)部的噪聲PNPN結(jié)的散彈噪聲結(jié)的散彈噪聲電阻的熱噪聲電阻的熱噪聲內(nèi)部連接接觸產(chǎn)生的內(nèi)部連接接觸產(chǎn)生的1/

26、f1/f噪聲噪聲固有噪聲固有噪聲失調(diào)電壓失調(diào)電壓失調(diào)電流失調(diào)電流其漂移其漂移直流分量和極低頻率分量直流分量和極低頻率分量與輸入信號無關(guān)與輸入信號無關(guān)重點(diǎn)討論重點(diǎn)討論5.5.運(yùn)算放大器的噪聲特性運(yùn)算放大器的噪聲特性1)1)運(yùn)放的等效輸入噪聲模型運(yùn)放的等效輸入噪聲模型輸入輸入端的等效噪聲端的等效噪聲電壓源電壓源e en n和噪聲電流源和噪聲電流源i in n。如果運(yùn)放輸入端連接的外部信號源內(nèi)阻為零，只考慮如果運(yùn)放輸入端連接的外部信號源內(nèi)阻為零，只考慮e en n；否則還須考慮；否則還須考慮i in n的影響。的影響。圖518 運(yùn)算放大器的噪聲模型模型中有兩個電流噪聲源模型中有兩個電流噪聲源，在運(yùn)放

27、每個輸入，在運(yùn)放每個輸入端產(chǎn)生噪聲電壓。端產(chǎn)生噪聲電壓。e en n熱噪聲熱噪聲e et t散彈噪聲散彈噪聲i ishsh1/f1/f噪聲噪聲e en n和和i in n是隨機(jī)噪聲，是隨機(jī)噪聲，非非確定性信號；確定性信號；e en n和和i in n幅度和功率取決于系統(tǒng)頻帶寬度，在低頻段還取決于工作頻率的高低。幅度和功率取決于系統(tǒng)頻帶寬度，在低頻段還取決于工作頻率的高低。功率譜密度函數(shù)：功率譜密度函數(shù)：(a)電壓源的功率譜密度分布(b)電流源的功率譜密度分布圖5.19 運(yùn)放等效輸入噪聲源的功率譜密度分布白噪聲1/f噪聲熱噪聲et散彈噪聲ish功率譜密度分布曲線為兩部分拐點(diǎn)頻率拐點(diǎn)頻率2)運(yùn)算放

28、大器的噪聲性能計算等效噪聲電壓源和電流源的功率(即均方值):En：等效噪聲電壓源有效值In：等效噪聲電流源的有效值(RMS值)。由功率譜密度函數(shù)分布曲線,可得fAfB ：工作頻段 注意: 峰-峰值=有效值 x 概率密度函數(shù)的峰值系數(shù)6.6 l 運(yùn)放的等效輸入電壓和電流噪聲功率取決于3個因素：（1）平坦段白噪聲的功率譜密度函數(shù)e2N、i2N；（2）1/f噪聲與白噪聲相交的拐點(diǎn)頻率；（3）工作頻帶的高、低頻率。高斯分布的隨機(jī)噪聲電路輸出端總的噪聲功率譜密度：電路輸出端總的噪聲功率譜密度：在等效噪聲帶寬在等效噪聲帶寬BeBe的輸出總噪聲的功率的輸出總噪聲的功率: : 公式成立的條件:各個噪聲源產(chǎn)生的

29、噪聲互不相關(guān)。 如果相關(guān)性不強(qiáng) ，則近似成立。在綜合工程中，不能對各個噪聲源單獨(dú)作用時的輸出電壓瞬時值進(jìn)行疊加，只能對在綜合工程中，不能對各個噪聲源單獨(dú)作用時的輸出電壓瞬時值進(jìn)行疊加，只能對各單獨(dú)輸出的統(tǒng)計量各單獨(dú)輸出的統(tǒng)計量( (如功率譜、功率等如功率譜、功率等) )進(jìn)行疊加。進(jìn)行疊加。多噪聲源的情況：多噪聲源的情況：解：解： 畫噪聲等效電路：電阻的熱噪聲和運(yùn)算放大器的輸入端等效噪聲源。畫噪聲等效電路：電阻的熱噪聲和運(yùn)算放大器的輸入端等效噪聲源。b噪聲等效電路5,1,10(a)差動放大電路 代入公式：代入公式：B為頻帶寬度l 普通運(yùn)算放大器的內(nèi)部噪聲是很嚴(yán)重的。即使是低噪聲運(yùn)算放大器，其噪聲

30、系數(shù)也很難達(dá)到專門設(shè)計的分立元件低噪聲放大器的指標(biāo)。l 當(dāng)被測信號比較微弱時，一般都在運(yùn)算放大器的前面附加分立元件前置放大器。5.1.3 低噪聲放大器設(shè)計 前置放大器是微弱信號檢測儀器引入噪聲的主要部件之一. 系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和分辨力主要取決于前置放大器的噪聲系數(shù)。前置放大器的設(shè)計內(nèi)容最佳源電阻：最小噪聲系數(shù)：低噪聲前置放大器有源器件選擇的依據(jù) 選擇低噪聲半導(dǎo)體器件；選擇低噪聲半導(dǎo)體器件； 確定電路級數(shù)和電路組態(tài)；確定電路級數(shù)和電路組態(tài)； 確定低噪聲工作點(diǎn)，進(jìn)行噪聲匹配等工作。確定低噪聲工作點(diǎn)，進(jìn)行噪聲匹配等工作。(2) (2) 根據(jù)根據(jù)RsRs的大小，選用合適器件，使的大小，選用合適器件，使

31、Rso RsoRsRs，達(dá)到噪聲匹配，達(dá)到噪聲匹配， 使使F F最小，最小，F(xiàn)=FminF=Fmin。當(dāng)源電阻很小時，使用變壓器耦合當(dāng)源電阻很小時，使用變壓器耦合, , 達(dá)到噪聲匹配。達(dá)到噪聲匹配。在高頻情況下在高頻情況下, , 利用共基極組態(tài)的低輸入阻抗特點(diǎn)使放大電路達(dá)到噪聲利用共基極組態(tài)的低輸入阻抗特點(diǎn)使放大電路達(dá)到噪聲匹配匹配. .輸入電阻很小，則輸入電容的充放電時間常數(shù)很短輸入電阻很小，則輸入電容的充放電時間常數(shù)很短。 選用合適的低噪聲運(yùn)放可使電路設(shè)計和調(diào)試簡化。選用合適的低噪聲運(yùn)放可使電路設(shè)計和調(diào)試簡化。 在集成運(yùn)放噪聲特性不能滿足要求的情況下，可在集成運(yùn)放前加一級或兩級分立元在集成

32、運(yùn)放噪聲特性不能滿足要求的情況下，可在集成運(yùn)放前加一級或兩級分立元件放大器，以提高整機(jī)的噪聲特性。件放大器，以提高整機(jī)的噪聲特性。2.2.噪聲匹配噪聲匹配通過改變放大器輸入級的工作點(diǎn)調(diào)整放大器的通過改變放大器輸入級的工作點(diǎn)調(diào)整放大器的RsoRso，達(dá)到，達(dá)到噪聲匹配，以噪聲匹配，以減小噪聲系數(shù)。減小噪聲系數(shù)。影響噪聲匹配的因素：影響噪聲匹配的因素： 當(dāng)傳感器當(dāng)傳感器源電阻很低源電阻很低時時，如熱電偶，通過選擇器件、改變工作點(diǎn)等，如熱電偶，通過選擇器件、改變工作點(diǎn)等方法難實現(xiàn)噪聲匹配方法難實現(xiàn)噪聲匹配; ; 當(dāng)傳感器源電阻很大時當(dāng)傳感器源電阻很大時, ,給噪聲匹配帶來不便。給噪聲匹配帶來不便。

33、單靠調(diào)整工作點(diǎn)不一定能使電路的噪聲性能達(dá)到最佳單靠調(diào)整工作點(diǎn)不一定能使電路的噪聲性能達(dá)到最佳; ;1)附加電阻對噪聲系數(shù)的影響設(shè)放大器的噪聲系數(shù)為F 最佳源電阻為Rso, 信號源內(nèi)阻為Rs,。當(dāng)RsRso時， 串聯(lián)電阻Rs1， 使(a)原噪聲電路(b)增加串聯(lián)電阻后的噪聲電路圖5,1.12 增加串聯(lián)電阻導(dǎo)致噪聲特性變化實現(xiàn)噪聲匹配了嗎？增加兩個額外的噪聲源：增加兩個額外的噪聲源： F大于原來的噪聲系數(shù)F。 增加的Rs1越大,噪聲系數(shù)增加得越多。為達(dá)到噪聲匹配，給信號源串聯(lián)或并聯(lián)電阻，結(jié)果會使放大器的噪聲性能更惡化。2)利用變壓器實現(xiàn)噪聲匹配如果Rs不等于放大器的Rso，實現(xiàn)噪聲匹配最好的方法是

34、改變信號源呈現(xiàn)在放大器輸入端的阻抗。阻抗變換：變壓器的噪聲系數(shù)為變壓器的噪聲系數(shù)為1 1選擇合適的圈數(shù)比n,以實現(xiàn)噪聲匹配：例5.1.6 如果信號源輸出電阻Rs=10 ，工作頻率產(chǎn)1kHz，選用的前置放大器為0P07， 試求匹配變壓器的圈數(shù)比和能達(dá)到的信噪改善比SNIR。解: OP07在產(chǎn)1kHz時的等效輸入噪聲平方根譜密度：放大器的最佳輸入電阻：匹配變壓器圈數(shù)比：當(dāng)不使用變壓器時：當(dāng)使用變壓器時，放大器的最小噪聲系數(shù)：功率信噪比改善：電壓信噪比改善：利用匹配變壓器使得放大器輸出信噪比有了大幅度提高。（1）實際變壓器的噪聲系數(shù)總是大于1。 變壓器的線圈和鐵芯有損耗電阻，產(chǎn)生熱噪聲，并對信號有衰

35、減，使信噪比和整 體噪聲系數(shù)變壞。 只要等效到變壓器初級的損耗電阻比信號源電阻足夠小，可以利用變壓器進(jìn)信號源電阻足夠小，可以利用變壓器進(jìn) 行噪行噪 聲匹配聲匹配。（2）被測信號必須是頻率較高的交流信號。 對于直流、慢變和超低頻信號不能用變壓器進(jìn)行噪聲匹配變壓器進(jìn)行噪聲匹配，須另選放大器或改變 放大器工作狀態(tài)的方法來改善噪聲系數(shù)。 當(dāng)頻率太高時，變壓器的分布電容和分布電感會帶來不利影響。（3）噪聲匹配變壓器的制作技術(shù)復(fù)雜，要求良好的鐵芯材料，完善的電磁屏蔽措施。在實際應(yīng)用中使用變壓器進(jìn)行噪聲匹配受到的限制：3.反饋電路對噪聲特性的影響 反饋電路對于有用信號、信號源噪聲和放大器等效輸入噪聲的增益改

36、變同樣的量值。 反饋支路的電阻會產(chǎn)生熱噪聲，而且輸入噪聲電流經(jīng)反饋電阻會產(chǎn)生噪聲電壓，使放大器的噪聲系數(shù)變壞。 如果反饋元件造成的不利影響很小，與信號源產(chǎn)生的熱噪聲相比可以忽略，那么可以利用反饋改變輸入阻抗，實現(xiàn)噪聲匹配。在低噪聲電路設(shè)計中， 考慮通過噪聲匹配來使系統(tǒng)的噪聲系數(shù)盡量小， 考慮通過功率(阻抗)匹配來使傳輸?shù)墓β首畲螅?解決電纜終端反射的問題。 考慮利用負(fù)反饋改變放大器輸入阻抗，減小放大器輸入阻抗時，采用電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，反之采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。(a噪聲電路圖5.1.14 電壓并聯(lián)負(fù)反饋放(b)等效電路例：電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器。運(yùn)放：高增益、高輸入阻抗和低噪聲設(shè)系統(tǒng)帶寬為B，各噪聲源互不相關(guān)，輸入噪聲源綜合在一起的總輸出噪聲功率(均方差)：代入上式式中:B電路的等效噪聲帶寬。等效輸入總噪聲功率: :對比對比得得選