第二章低噪聲前置放大技術(shù)

1、微弱信號檢測與應(yīng)用講義微弱信號檢測與應(yīng)用講義 孫士平孫士平 2012.12第第3章章 周期性微弱信號周期性微弱信號檢測方法檢測方法第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法 教學目的教學目的 1、了解電子元器件噪聲的產(chǎn)生機理；、了解電子元器件噪聲的產(chǎn)生機理； 2、了解低噪聲前置放大器的設(shè)計方法；、了解低噪聲前置放大器的設(shè)計方法； 3、了解系統(tǒng)的屏蔽接地技術(shù)；、了解系統(tǒng)的屏蔽接地技術(shù)； 4、理解與噪聲相關(guān)的幾個基本概念；、理解與噪聲相關(guān)的幾個基本概念； 5、熟練掌握放大器的等效噪聲模型。、熟練掌握放大器的等效噪聲模型。 第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法引例引

2、例2： 采用交流平衡電橋法，測量一個微小阻抗的變化，并用導線將兩路信號接入前置放大器，因為阻抗變化很小，形成的電壓變化也很小，理論計算只有幾百個，采用了多級放大電路，如圖2-1所示。 圖2-1 所加電橋激勵信號如圖2-2所示，理論推到應(yīng)該輸出一個很干凈的正弦信號，結(jié)果放大輸出信號如圖2-3所示，信號怎么“長毛”了？這是什么原因呢？電橋兩端短路掃頻輸出結(jié)果出現(xiàn)了如圖2-4所示的輸出波形，這又是什么回事呢？第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法2.1電子元器件的噪聲電子元器件的噪聲 1、電子線路內(nèi)部噪聲是由電子元器件產(chǎn)生的噪聲按照一定的規(guī)律疊加的結(jié)果； 2、要設(shè)計或正確使用低噪聲

3、放大器就必須對電子元器件的噪聲有所了解； 3、正確地選擇，篩選，使用元件對于設(shè)計制造低噪聲放大器是十分重要的環(huán)節(jié)。 4、定性地了解電阻、電容、變壓器、晶體管、場效應(yīng)管等電子元器件的噪聲性能。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法2.1.1電阻原件的噪聲電阻原件的噪聲 電阻具有熱噪聲和過剩噪聲。 熱噪聲：對于一切電阻都有一個基本的噪聲機理，由電荷載流子的運動引起的熱噪聲。這一噪聲電壓與電阻的溫度、阻值和測量儀器的帶寬有關(guān)，由乃奎斯特公式表示電阻的熱噪聲電壓為： 式（2-1）中R為電阻值或阻抗的實部，為測量儀器的噪聲帶寬。 熱噪聲是電阻的最低噪聲，不論是碳質(zhì)電阻，碳膜電阻，金屬膜

4、電阻，線繞電阻都具有相同的熱噪聲。 第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法 過剩噪聲（電流噪聲）： 電阻中流過直流電流時，往往還產(chǎn)生過剩噪聲，過剩噪聲是在電阻的基本噪聲之外多余的噪聲。有時也稱電流噪聲。 過剩噪聲功率與 成正比。過剩噪聲電壓與流過電阻的直流電流大小成正比。電阻中的過剩噪聲電壓VNex的經(jīng)驗公式是： （2-2） 式（2-2）中k為常數(shù)，與電阻材料和制作方法有關(guān)。IDC為流過電阻的直流電流。引入直流電壓 上式可以改寫成： （2-3） 式（2-3）表明電阻的過剩噪聲和加在電阻上的直流電壓有關(guān)，與電阻的阻值無關(guān)。f/1RIVDCDCfkVVDCNex22fRkIVDC

5、Nex222第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法從低噪聲運用的角度考慮建議使從低噪聲運用的角度考慮建議使用電阻時著重考慮如下幾個方面：用電阻時著重考慮如下幾個方面： 1）采用金屬膜電阻。 2）使用大瓦數(shù)額定功率的電阻。 3）采用刻紋的金屬膜電阻。 4）在電路設(shè)計時考慮無噪聲偏置（即偏置電阻兩端不加直流電壓）。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法 在微弱信號檢測過程中，電阻的電路物理模型一般是將它等效為電阻的噪聲電壓源模型，如圖2-5（a）所示，一個噪聲電壓源和一個無噪聲理想電阻的串聯(lián)形式；或者將它等效為電阻的噪聲電流源模型，如圖2-5（b）所示，一個噪聲

6、電流源和一個無噪聲理想電阻的并聯(lián)形式來表示。 圖2-5考慮電阻熱噪聲的電阻等效電路模型（a）電阻的噪聲電壓源等效模型；（b）電阻的噪聲電流源等效模型第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法 例2-1 試證明，環(huán)境溫度相同的兩個電阻和串聯(lián)所產(chǎn)生的等效熱噪聲電壓為： (2-6) 證明：如圖2-6（a）所示為兩個電阻串聯(lián)的噪聲模型。圖2-6兩個電阻串聯(lián)的噪聲模型（a）兩電阻串聯(lián)噪聲電路；（b）兩電阻串聯(lián)的等效噪聲電路)(421RRKTBVet串第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法解：解：第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法2.1.2電容器的噪聲

7、電容器的噪聲 電容器的噪聲是很小的。因為它不是一個熱噪聲源。實際的電容器有損耗，電容器的損耗會不會帶來很大的熱噪聲？ 有耗電容器的等效電路如圖2-7所示。圖2-7有耗電容器的噪聲等效電路（a）有耗電容器；（b）噪聲等效電路第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法電容噪聲的分析電容噪聲的分析第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法電阻電容并聯(lián)電路的熱噪聲情況電阻電容并聯(lián)電路的熱噪聲情況 如圖2-8所示的阻容并聯(lián)電路。圖2-8電阻電容并聯(lián)電路的熱噪聲（a）并聯(lián)電阻電容電路；（b）并聯(lián)電路的熱噪聲原理圖第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法電阻電容并

8、聯(lián)電路的熱噪聲分析電阻電容并聯(lián)電路的熱噪聲分析第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法2.1.3變壓器的噪聲變壓器的噪聲 1、變壓器能實現(xiàn)信號的偶和、傳輸、阻抗變換等功能。除了這些功能外在實際使用中還必須要考慮變壓器的共模抑制，磁屏蔽，初級電感，頻率響應(yīng)和麥克風效應(yīng)等。 2、變壓器的噪聲并不是只有自身電阻的熱噪聲。更為主要的是外界的干擾。這些干擾來自磁場干擾，地回路干擾，共模信號的干擾。由于在微弱信號檢測中輸入變壓器的輸入信號可能小到毫微伏數(shù)量級或更小。因此，必須很小心地消除這些干擾和減小熱噪聲。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法消除變壓器干擾和減小熱噪聲

9、方法消除變壓器干擾和減小熱噪聲方法 1、變壓器的磁干擾是由外部磁場在變壓器上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。 2、共模干擾可以加法拉弟靜電屏蔽抑制。 3、輸入變壓器初級電感量大，電阻小，才能得到較低的頻率響應(yīng)和較小的等效噪聲電壓。 4、電感量大的變壓器在受到?jīng)_擊或振動時都會產(chǎn)生干擾電壓，這時鐵芯或?qū)Т怕适艿秸{(diào)制，就可產(chǎn)生感應(yīng)電壓，有時對變壓器講話都會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。最好對變壓器在線圈和迭層與屏蔽層之間以及屏蔽層相互之間進行聲學隔離。 5、注意消除迭層和屏蔽罩中的剩磁，除了在裝配前進行去磁處理外，在拿到變壓器之后不要用萬用表對線圈進行通斷測量，不然會造成無意磁化。 第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢

10、測方法2.1.4晶體管的噪聲晶體管的噪聲 晶體管噪聲很多，主要有熱噪聲，低頻噪聲1/f和散彈噪聲。應(yīng)用混合 型小信號等效電路加上各種噪聲，并將噪聲折合到輸入端，求得晶體管在中頻區(qū)的等效輸入噪聲電壓和噪聲電流如下： （2-17） （2-18） 式中 為其極擴散電阻， 為集電極電流，re為發(fā)射極電阻，q為電子電荷，IB為基極電流。 2224eCbbnrqIKTrVBnqII22bbrCI第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法三極管共射放大電路三極管共射放大電路 、 隨隨 IC 變化的曲線關(guān)系變化的曲線關(guān)系 nVnI第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法三極管放大

11、電路的等效噪聲電路三極管放大電路的等效噪聲電路 圖中 為三極管的等效輸入噪聲電壓；In為三極管的等效輸入噪聲電流；VR信號源電阻RS的等效輸入噪聲電壓，且 ；RS為信號源電阻； 為輸出總噪聲功率，且功率與電壓、電流的平方成正比。圖2-10三極管放大電路的等效噪聲電路nVeSRBKTRV42noP第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法三極管的最佳噪聲系數(shù)三極管的最佳噪聲系數(shù) 和和最佳源電阻最佳源電阻 由式1-43可得： （2-19） 式（2-19）為連續(xù)函數(shù)，且存在極小值最佳噪聲系數(shù) ，為了尋求最佳噪聲系數(shù)，得到最佳源電阻，將式（2-19）對 求導，并令 ，得： （2-20）o

12、ptFsoptRoptFSR0SRFnnsoptIVReSnSnRpRnSnpniPnoBKTRVRIVkVVRIkPkPF4122222222第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法 1、由式（2-23）可得，最佳源內(nèi)阻隨著集電極電流的減小成線性關(guān)系增加。 2、由式（2-22）表明，提高 可以減小最佳噪聲系數(shù)。同樣減小基極電阻或集電極電流噪聲系數(shù)也減小。這一結(jié)論似乎和上述 討論時的結(jié)論隨著集電極電流的減小而增大相矛盾。其實不然，因為最佳噪聲系數(shù)是在最佳源內(nèi)阻條件下求得的，考慮到了 與 兩者的統(tǒng)一。 3、當源內(nèi)阻在幾千歐到

13、幾百千歐，在較大的集電極電流時噪聲系數(shù)最小，源內(nèi)阻的下限取決于基極電阻，低噪聲晶體管應(yīng)當具有小的基極擴散電阻和大的 值。0soptRoptFnV0第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法 很多微弱信號測量裝置中，使用的傳感器載止頻率較低，通常工作在100Hz以下。這樣1/f噪聲就成為噪聲的主要來源?？梢岳碚撉蟮镁w管的1/f噪聲的和In如下： （2-24） （2-25） 式（2-24）中的 為一個新定義的基極電阻 ，最佳源電阻 。 在最佳源內(nèi)阻 時，最佳噪聲系數(shù)： （2-26） 或用表示，可以寫成： （2-27）bbbrr21soptRfrIqfVbrBLn222fIqfIrB

14、Ln22frIKTqfFoptbrBL41frIKTqfFoptbeL041第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法半導體三極管噪聲系數(shù)特點：半導體三極管噪聲系數(shù)特點： （1）半導體三極管共射極、共集極、共基極三種接法的噪聲系數(shù)是不同的，但其數(shù)值彼此相近(差別不大)，因此可認為噪聲系數(shù)與半導體三極管接法無關(guān)。這樣在選擇電路時，三極管接法可不予考慮。例如，可采用共射極接法提高放大倍數(shù)，用以加強信號的驅(qū)動能力，克服后級噪聲影響；采用共集極接法可以用來提高輸入阻抗；采用共基極接法可以增加頻帶的帶寬等等。（2）半導體三極管放大器的

15、噪聲系數(shù)F是器件工作點、及源電阻的函數(shù)，所以必須指出測試條件。當測試條件改變時，其結(jié)果也隨之改變。（3）噪聲因數(shù)與工作頻率關(guān)系如圖1-12所示。在低頻區(qū)主要是低頻噪聲起作用，一般在幾KHz以下；在高頻區(qū)主要是高頻噪聲起作用，之間主要是“白噪聲”起作用。圖2-12三極管噪聲因數(shù)與工作頻率關(guān)系圖總體而言，低噪聲晶體管放大電路設(shè)計應(yīng)選擇，工作頻率高，輸入電阻小，放大倍數(shù)大的管子，并采用合適的源電阻和設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，才能得到最佳的噪聲系數(shù)。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法NFf圖2-12三極管噪聲因數(shù)與工作頻率關(guān)系圖第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法

16、2.1.5場效應(yīng)晶體管的噪聲場效應(yīng)晶體管的噪聲 1、與雙極型晶體管相比，場效應(yīng)管(FET)具有高輸入阻抗和低噪聲系數(shù)的特點，比較適合用于低噪聲前置放大器。 2、場效應(yīng)管分為兩類：結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)和金屬氧化物半導體場效應(yīng)管(MOSFET)。 3、場效應(yīng)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行機理不同于雙極型晶體管，它是通過調(diào)制導電溝道的電阻來工作的，內(nèi)部噪聲源也不同于雙極型晶體管。 4、場效應(yīng)管內(nèi)部噪聲主要包括溝道的熱噪聲，低頻噪聲 ，柵極的散彈噪聲和柵極感應(yīng)噪聲等等。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法場效應(yīng)管的等效噪聲模型場效應(yīng)管的等效噪聲模型 圖2-13中，在頻率較低時場效應(yīng)管的噪聲

17、電壓，噪聲電流和噪聲系數(shù)特別簡單。由下式表示： （2-28） （2-29） （2-30） 式中 為漏極電流， 為柵極漏電流， 為跨導。圖2-13場效應(yīng)管放大電路的等效噪聲電路222mdNgIV22gNII222441meSdegSgBKTRIKTBIRFdIgImg第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法考慮高頻噪聲噪聲和低頻噪聲場考慮高頻噪聲噪聲和低頻噪聲場效應(yīng)管的效應(yīng)管的VN，IN的典型曲線的典型曲線 第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法場效應(yīng)管的噪聲因素與頻率的關(guān)場效應(yīng)管的噪聲因素與頻率的關(guān)系系 圖2-15場效應(yīng)管的噪聲因素NF與頻率f的關(guān)系圖第第3章

18、章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法場效應(yīng)管噪聲系數(shù)有如下特點：場效應(yīng)管噪聲系數(shù)有如下特點： 1、場效應(yīng)管的噪聲特性要優(yōu)于雙極型晶體管，尤其是其等效輸入噪聲電流要比雙極型晶體管低得多。2、場效應(yīng)管的等效最佳電阻要比所有雙極型晶體管大得多，適合于源電阻較大的傳感器。3、與雙極性晶體管一樣，噪聲因數(shù)與工作頻率關(guān)系如圖1-15所示。在低頻區(qū)主要是低頻噪聲起作用，并且低頻噪聲作用不大，一般在幾百幾十Hz以下；在高頻區(qū)主要是高頻噪聲柵極感應(yīng)噪聲起作用， 之間主要是“白噪聲”起作用。1f2f第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法結(jié)論：結(jié)論： 低噪場效應(yīng)管放大電路設(shè)計適合于源電

19、阻較大的傳感器電路，容易得到最佳的噪聲系數(shù)。微弱信號檢測系統(tǒng)的前置放大器一般都選擇使用高跨導、高輸入電阻、柵源電容小的結(jié)型場效應(yīng)管作為前置放大。 第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法2.2 低噪聲前置放大技術(shù)低噪聲前置放大技術(shù) 低噪聲前置放大器是弱信號檢測儀器的第一級，它擔負著放大微弱信號的任務(wù)。由于信號十分微弱，則要求前置放大器具有低噪聲的性能。不然，由于前置放大器本身的噪聲將會使原來就被噪聲淹沒的信號淹沒得更深，這就要求前置放大器必須是一個性能優(yōu)良的低噪聲放大器，雖然前置放大器不具有抑制噪聲的能力，但是它本身所產(chǎn)生的噪聲大小至為重要。當儀器其它部分確定之后，前置放大器的

20、好壞就是決定整機最高靈敏的關(guān)鍵。 第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法2.2.1低噪聲前置放大器的等效低噪聲前置放大器的等效噪聲模型噪聲模型 圖中還包括了信號源 和信號源內(nèi)阻 。 是當 等于零時放大器存在的噪聲等效到輸入端的值。 是當 不為零時放大器的附加電流噪聲。 SV圖2-16含有信號源電阻噪聲的放大器等效噪聲模型SVSRSRSRNVNI第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法放大器的等效輸入噪聲功率放大器的等效輸入噪聲功率 輸出總噪聲功率 ： 設(shè)到達放大器輸入阻抗 的信號電壓和噪聲電壓被放大后到輸出端的電壓增益為A倍，用分壓和分流原理可以求出輸出總噪聲

21、功率 為： （2-31） iZ2NOV2NOV)()()(2222222222ZiRRZIZiRZiVVAVSsiNSSNNo第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法考慮噪聲電壓與噪聲電流相關(guān)時考慮噪聲電壓與噪聲電流相關(guān)時的放大器等效噪聲電路的放大器等效噪聲電路 式（2-38）應(yīng)變?yōu)椋?（2-39）式（2-39）中，等效輸入噪聲 中加上了一個相關(guān)項 ，該式中的C為噪聲電壓與噪聲電流相關(guān)性有關(guān)的常數(shù)，但是這一相關(guān)項有關(guān)生產(chǎn)廠家很少給出這一參數(shù)，所以在以后我們粗略計算噪聲

22、時都不考慮這一項，而直接寫成式（2-38）所示的形式。 NVNI圖2-17考慮噪聲電壓與噪聲電流相關(guān)時的放大器等效噪聲電路sNNsNNNSIRICVRIVN22222NSINSNNRICV2第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法 在微弱信號測量中，有時除了上述放大器本身產(chǎn)生的噪聲和源內(nèi)阻的熱噪聲外，還有外來的干擾噪聲 ，這些噪聲可能是外來的干擾噪聲或是源內(nèi)阻的過剩噪聲，同樣可以一起歸到信號源處，這樣總的噪聲為： （2-40）NdV222222NdNsNRNiVVRIVV第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法2.2.2低噪聲前置放大器的設(shè)計低噪聲前置放大器的設(shè)

23、計 可以這樣理解，我們對微弱信號進行最佳的前置放大，是希望前置放大電路能夠從傳感器獲取最大的信號功率。放大器要從傳感器獲取最大信號功率的條件就是進行阻抗匹配，即滿足阻抗實部相等，虛部大小相等符號相反的原則時，放大器能從傳感器獲取最大的輸入功率。 第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法1、 最佳信號源內(nèi)阻最佳信號源內(nèi)阻 圖2-18中 為 的熱噪聲。 2NiVSR圖2-18放大器總等效輸入噪聲與信號源電阻之間的關(guān)系2SVSR第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信

24、號檢測方法第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法2、為滿足信號源、為滿足信號源 附加串附加串聯(lián)電阻對放大器噪聲系數(shù)的影響聯(lián)電阻對放大器噪聲系數(shù)的影響 如果一個信號源內(nèi)阻 ，是不是可以用一個電阻串聯(lián)增加信號源內(nèi)阻到 ，從而得到最佳的噪聲系數(shù)呢？結(jié)論是否定的。因為從表面上看減小了噪聲系數(shù)。而實際上有下列三點不利影響。 （a）串聯(lián)電阻R加大了熱噪聲，惡化了輸入信噪比； （b）串聯(lián)電阻R增加了放大器噪聲電流源的噪聲貢獻； （c）串聯(lián)電阻R衰減了輸入信號。 上述三點不利影響，減小了輸出信噪比。出現(xiàn)信噪比減小，而噪聲系數(shù)減小的矛盾。主要是噪聲系數(shù)定義的局限性而引起的。我們已經(jīng)指明，只有在

25、源內(nèi)阻相同的條件下，比較噪聲系數(shù)才有意義。 soptiRR soptSRR soptR第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法3、為滿足信號源、為滿足信號源 附加并附加并聯(lián)電阻對放大器噪聲系數(shù)的影響聯(lián)電阻對放大器噪聲系數(shù)的影響 若有一個信號源，源內(nèi)阻為 ，有 怎樣使放大器工作在最佳狀態(tài)？是不是也可以用一個電阻并聯(lián)減小信號源內(nèi)阻到 ，從而得到最佳的噪聲系數(shù)呢？結(jié)論也是否定的。并聯(lián)電阻后同時存在三點不利影響。 （a）并聯(lián)電阻R引入了新的熱噪聲，惡化了輸入信噪比； （b）并聯(lián)電阻R的熱噪聲與放大器的等效噪聲源疊加增加了放大器噪聲電流源的噪聲貢獻； （c）并聯(lián)電阻R對信號電流分流減了輸

26、入信號的電流強度。soptiRR SRsoptSRR soptR第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法4、加入電壓并聯(lián)、電壓串聯(lián)負、加入電壓并聯(lián)、電壓串聯(lián)負反饋放大器對放大器性能的影響反饋放大器對放大器性能的影響 1、放大器的附加反饋支路不會改變放大器內(nèi)部固有噪聲源的任何指標，它只會影響放大器的外部表現(xiàn)。反饋改變了放大器的增益，但是對于有用信號、信號源噪聲和放大器等效輸入噪聲的增益都改變了同樣的量值。 2、反饋支路的電阻分量必然會產(chǎn)生熱噪聲，而且輸入噪聲電流流經(jīng)反饋電阻還會在其兩端產(chǎn)生噪聲電壓，所以附加反饋支路只會使放大器的噪聲系數(shù)或多或少地變壞。 第第3章章 周期性微弱信號

27、檢測方法周期性微弱信號檢測方法（a）電壓并聯(lián)負反饋噪聲電路圖 (b) 等效噪聲電路圖圖2-21電壓并聯(lián)負反饋放大器第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法 由上述推到可得，電壓并聯(lián)負反饋的引入，對放大器的等效噪聲電壓沒有影響，但使得等效輸入電流噪聲增加了一項，增加的大小取決于反饋電阻的熱噪聲。而且反饋電阻 越大，其影響越小。 由噪聲系數(shù)的定義可得加電壓并聯(lián)負反饋后的噪聲系數(shù)為： (2-60) fRfSfSSSNNSNIRRFRRBkTRRIVkTBRVF4142222/總第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測

28、方法結(jié)論：結(jié)論： 由式(2-59)可得，加電壓并聯(lián)負反饋后的噪聲系數(shù)比沒有加反饋的噪聲系數(shù)增加了 ， 越大，噪聲系數(shù)增加的越少。 同樣也可以證明，加電流串聯(lián)負反饋后的噪聲系數(shù)也比不加反饋增加了，并且反饋電阻越大，增加的噪聲系數(shù)也越大。fSRRfR第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法5、要達到最佳噪聲匹配的設(shè)計、要達到最佳噪聲匹配的設(shè)計處理方法處理方法 （a）如果選用晶體管作為前置放大器，可）如果選用晶體管作為前置放大器，可以通過調(diào)整靜態(tài)工作點，達到最佳噪聲系以通過調(diào)整靜態(tài)工作點，達到最佳噪聲系數(shù)。數(shù)。 KHzf1CI圖2-22晶體管2N4250在時的噪聲因素與的關(guān)系曲線第第

29、3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法（b）采用有源器件的并聯(lián)方法。圖2-24 多個放大器并聯(lián)原理圖第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法圖2-25 多個放大器并聯(lián)后的等效原理圖第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法（c）用變壓器提高源內(nèi)阻，使放大器工作在最佳噪聲情況下圖2-26輸入變壓器進行噪聲匹配的電路原理圖第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法圖2-27輸入變壓器進行噪聲匹配的等效電路圖第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法結(jié)論：結(jié)論： 總之為了達

30、到最佳的噪聲匹配，滿足最佳總之為了達到最佳的噪聲匹配，滿足最佳的噪聲系數(shù)設(shè)計，使的噪聲系數(shù)設(shè)計，使Rs=Rso，不能采用，不能采用給信號源串聯(lián)或并聯(lián)電阻的方法，也不能給信號源串聯(lián)或并聯(lián)電阻的方法，也不能采用給放大電路增加反饋回路的方法，只采用給放大電路增加反饋回路的方法，只能采用選擇合適的有源器件，合理的調(diào)整能采用選擇合適的有源器件，合理的調(diào)整有源器件的靜態(tài)工作點，根據(jù)電路特性合有源器件的靜態(tài)工作點，根據(jù)電路特性合理的進行有源器件的并聯(lián)，增設(shè)匹配變壓理的進行有源器件的并聯(lián)，增設(shè)匹配變壓器等方式來達到最佳的噪聲匹配。器等方式來達到最佳的噪聲匹配。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢

31、測方法2.3微弱信號檢測系統(tǒng)屏蔽與接微弱信號檢測系統(tǒng)屏蔽與接地技術(shù)地技術(shù) 1、在任何處理低電平的系統(tǒng)中，采用適當?shù)钠帘闻c接地技術(shù)是很重要的。如果屏蔽和接地不當，信號就會被環(huán)境噪聲和干擾污染，給測量帶來誤差，有時甚至達到無法測量的地步。 2、當屏蔽良好時，可以大大降低噪聲耦合，屏蔽的方式，一般是用金屬屏蔽體把元器件、電路、組合件、電纜和傳輸線等包圍起來。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法接地設(shè)計有兩個基本目的：接地設(shè)計有兩個基本目的： 1、消除各電路電流流經(jīng)一個公共地線阻抗時，而產(chǎn)生的相互耦合和干擾。 2、避免受磁場和地電位差的影響。即不形成地回路，從而減小或消除地回路電流

32、的干擾。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法2.3.1干擾噪聲源干擾噪聲源 干擾噪聲種類很多，它可能是電噪聲，通過電場、磁場、電磁場或直接的電氣連接耦合到敏感的檢測電路，這些都是電磁兼容性所涉及的領(lǐng)域；干擾噪聲的本源也可能是機械性的，例如，通過壓電效應(yīng)，機械振動會導致電噪聲；甚至溫度的隨機波動也可能導致隨機的熱電勢噪聲。 第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法常見的噪聲源：常見的噪聲源： 1、電力線噪聲、電力線噪聲 （1）尖峰脈沖）尖峰脈沖 (2)工頻電磁場工頻電磁場 (3)電網(wǎng)電壓波動電網(wǎng)電壓波動第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法2

33、、電氣設(shè)備噪聲、電氣設(shè)備噪聲 (1)輝光放電 (2)弧光放電 (3)火花放電 (4)電暈放電 第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法 3、射頻噪聲 4、地電位差噪聲、地電位差噪聲（a）地電位差形成的共模噪聲（b）地電位差形成的差模噪聲圖2-28 地電位差形成的噪聲第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法 5、雷電、雷電 6、天體噪聲、天體噪聲 7、機械起源的噪聲、機械起源的噪聲 (1)摩擦電效應(yīng)摩擦電效應(yīng) (2)導體在磁場中的運動 (3)壓電效應(yīng) (4)顫噪效應(yīng)(microphony)第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法8、其他噪聲源、其他

34、噪聲源 (1)電化學噪聲 (2)溫度變化引起的噪聲 (3)觸點噪聲 需要注意的是，射頻噪聲的起因不僅可能是電視或無線電廣播信號，而且很多脈沖源都有可能發(fā)射射頻干擾噪聲，例如電弧、電火花加工、汽車火花塞等。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法2.3.2電容性耦合與屏蔽電容性耦合與屏蔽 只要電路或系統(tǒng)的兩個部分或兩個器件，兩根導線之間存在電容就有電容性耦合，這是種普遍存在的耦合方式。 （a）兩根導線之間的電容偶合示意圖（b）兩根導線之間的電容偶合等效電路圖2-31 兩根導線之間的電容偶合第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周

35、期性微弱信號檢測方法帶屏蔽層的兩根導線之間的電容偶合（a）帶屏蔽的兩導線間的電容偶合示意圖（b）帶屏蔽的兩導線間電容偶合等效電路圖2-31 帶屏蔽層的兩根導線之間的電容偶合第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法 綜上所述，要對電容性耦合屏蔽效果好，第一要屏蔽體接地，第二要盡量多地使屏蔽體把被干擾的部分包圍起來，把干擾源和被干擾部分的耦合電容減到最小。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法2.3.3電感性耦合與屏蔽電感性耦合與屏蔽 當電流在一閉合回路中流過通時，將產(chǎn)生與電流成正比電流的磁通，磁通與所流過的電流的比值稱電感L。因此，有公式： （2-79） 電感值

36、取決于回路的幾何形狀及周圍介質(zhì)的導磁率。 若當一個回路里的電流在第二回路中產(chǎn)生磁通時，那么在回路1和2之間，就存在一個互感M。 Li第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法兩個回路之間的互感偶合兩個回路之間的互感偶合 圖2-33兩個回路之間的互感偶合第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法 由于屏蔽體并沒有改變導線1和2之間的幾何形狀，介質(zhì)的磁性，所以對導線2不起屏蔽作用。 得到的結(jié)論是：一個不接地或一端接地的屏蔽體，對導線的磁感應(yīng)的干擾電壓不起屏蔽作用。 圖2-34用一個不接地或者單點接地非磁性屏蔽體把回

37、路2屏蔽第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法 怎樣才能起到磁屏蔽作用呢?防止回路受磁場影響的最好方法是減小回路的面積。 圖2-35 屏蔽、信號源和負載不同的接地方式第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法圖圖2-35屏蔽體對電路的回路面屏蔽體對電路的回路面積的影響及抑制磁場干擾的效果。積的影響及抑制磁場干擾的效果。 圖2-35（a）中信號源VS通過單根導線接到負載RL，用地作返回途徑，電流所包圍的面積是導線與地之間的面積，面積大，易受外界磁干擾。 圖2-35（b）中將導線加了屏蔽，并且屏蔽體兩端都接地。 圖2-35（c）中屏蔽體只有一端接地，與圖2-33所示

38、用一個不接地或者單點接地非磁性屏蔽體把回路2屏蔽一樣，沒有改變原來電流返回電流的途徑。因此，不起防磁感應(yīng)作用。 圖2-35（d）中電阻RL不接地，返回電流全部流經(jīng)屏蔽體，能很好地減小回路面積，能起防磁感應(yīng)作用。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法 必須指出，小信號測量，特別是微弱信號檢測中，不能把屏蔽體作為電路的回路的一部分。由于屏蔽體內(nèi)流過的干擾或噪聲電流，就相當于在信號電路中加進了干擾和噪聲，兩點地之間的電位差也直接加到了信號中去，這就成了干擾。 第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法幾種接法，對頻率為幾種接法，對頻率為50KHz時時的磁場干擾抑制結(jié)果

39、的實驗的磁場干擾抑制結(jié)果的實驗 圖2-36 在幾種接法下對頻率為50KHz的磁場干擾抑制結(jié)果實驗第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法2.3.4接地方式接地方式 信號地線接地方式有兩種： 1、單點接地與多點接地。一般來講頻率在1MHz以下使用單點接地的方式。 2、當頻率高于10MHz時應(yīng)用多點接地的方式。 3、在1MHz到10MHz之間兩種方式并用。 第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法接地時的幾點注意接地時的幾點注意 （a）任何導線都具有一定的阻抗，即具有電阻和電抗，當頻率較高時不但要考慮導線的電阻，還要考慮電抗。 （b）兩個分開的接地點很難做到等電位。

40、 （c）交流電源的地線不能作為信號地線，一段電源地線的兩點間會有相當大的交流電壓，對于微弱信號測量來講是一個非常嚴重的干擾。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法1、單點接地、單點接地 圖2-37 單點接地的兩種方法第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法串行接地的特點及適用范圍：串行接地的特點及適用范圍： （1）接線簡單，布線方便，在對噪聲特性要求不高的電路中使用得很普遍； （2）廣泛應(yīng)用于脈沖數(shù)字電路； （3）不合適各部分電路功率差異較大的情況； （4）不合適有的部分是數(shù)字電路、有的部分是模擬電路的情況，尤其是微弱信號檢測電路的情況。第第3章章 周期性微弱

41、信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法并行單點接地的特點及適用范圍：并行單點接地的特點及適用范圍： （1）在高頻情況下，各部分電路接地線之間會經(jīng)過分布電容和分布電感的耦合而形成相互干擾。而且頻率越高，接地線的感抗越大，接地線之間的分布電容越大，這種相互影響越嚴重。在很高頻率的情況下，接地線的等效阻抗會很大，而且會像天線一樣向外發(fā)射電磁波噪聲。 （2）當頻率低于1 MHz時，這種接地方式比較適用； （3）當頻率為1 MHz10 MHz時，要注意最長的接地線不要超過波長的120； （4）當頻率高于10 MHz時，必須考慮使用多點接板地方法。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法單點分

42、組接地圖2-38單點分組接地原理圖第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法單點分組接地的處理方法單點分組接地的處理方法 把低電平電路分成一組，經(jīng)一公共地線接地，把高電平電路分成另一組，經(jīng)一公共地線接地，根據(jù)電平高低和電路的多少可以分成幾組，但要注意不要把電平相差很大的電路編在一組，這些分組地線再與機殼地線接到同一接地點，這樣處理后能解決大部分的接地問題。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法2、多點接板地、多點接板地 多點接板地方法用于高頻電路，以降低接地阻抗，各部分電路就近連接到板地上。所謂板地，可以是金屬板條，也可以是金屬機殼，板地本身的高頻阻抗要盡量小。

43、 圖3-39 多點接板地原理圖第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法多點接板地的特點及適用范圍：多點接板地的特點及適用范圍： （1）多點接板地方法用于高頻電路，以降低接地阻抗； （2）如果把多點接板地方法用于低頻情況，尤其是地電流較大的情況，則因各部分電路的地電流都流經(jīng)板地，板地阻抗會導致一定程度的相互耦合，所以其低頻特性劣于并行單點接地方式。 多點接板地在一般印刷電路板繪圖軟件中都可以實現(xiàn)，如：Protel軟件、Altivm Designer軟件中都可以使用大面積覆銅，網(wǎng)絡(luò)標號接到地上的方法來實現(xiàn)。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法3、混合接地方式、混

44、合接地方式 在并行單點接地的基礎(chǔ)上，各部分電路又用小電容就近接到板地 圖3-40混合接地方式示意圖第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法混合接地方式的特點及適用范圍：混合接地方式的特點及適用范圍： （1）適用于各部分電路的工作頻率范圍很寬，既有高頻分量，又有低頻分量的情況； （2）在并行單點接地的基礎(chǔ)上，各部分電路又用小電容就近接到板地，所以該方式綜合了前兩種接地方式的優(yōu)點； （3）對于低頻地電流，小電容阻抗很大，該方式相當于并行單點接地；而對于高頻地電流，小電容阻抗很小，該方式相當于多點接板地。第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法2.3.5系統(tǒng)的地回路電

45、流系統(tǒng)的地回路電流 2.3.3節(jié)和2.3.4節(jié)討論電感性耦合和接地的目的，是設(shè)法減小地回路電流的干擾。地回路電流的所謂變壓器效應(yīng)（磁感應(yīng)耦合），就是2.3.3節(jié)討論的電感耦合。地回路電流流過一個公共阻抗會產(chǎn)生電路間的耦合。在任何實際系統(tǒng)中都會存在地回路，將有交流工頻50Hz感應(yīng)電流或其它干擾及噪聲電流流過地回路，這些回路電流是否給測量帶來干擾，決定于具體電路的特殊性。 第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法圖2-41 信號源、放大器通過屏蔽電纜屏蔽層兩端接地的測試系統(tǒng)原理框圖第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法圖2-42信號源、放大器通過屏蔽電纜屏蔽層兩端

46、接地的測試系統(tǒng)等效電路圖第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法 由圖2-42（a）可以求出共模干擾電壓Vcm在前置放大器輸入端Zin上所產(chǎn)生的干擾電壓Vin為： （2-84） 一般來講，前置放大器的輸入阻抗Zin很大，信號電纜線的外導體及芯導體的電阻RCG，RCS都很小（在m量級）。信號源內(nèi)阻RS也不很大，這時有ZinRS+RCS+RCG，ZinRS+RCS，在（2-84）式含有Zin式為小項，可以略去，則（2-84）式簡化為： （2-85） 由式（2-85）可得圖2-41（a）的等效電路為圖2-41（b） )1 ()1)(inCSSCGinCGCSSPGSGCGcminZR

47、RRZRRRRRRVVCGPGSGCGcminRRRRVV第第3章章 周期性微弱信號檢測方法周期性微弱信號檢測方法消除回路電流在前置放大器輸入消除回路電流在前置放大器輸入端產(chǎn)生的電壓端產(chǎn)生的電壓 的方法的方法 （1）Vcm=0，使信號源和前置放大器一點接地，并要求屏蔽消除電容性，電感性干擾在回路中產(chǎn)生回路電流。實踐表明，這樣做很難成功。 （2）RCG=0，要求信號電纜外導體的電阻越小越好，最好為0。方法是把信號和前置放大器的機殼用大的金屬條用螺絲緊緊連接起來。盡量減小RCG。但是，實踐發(fā)現(xiàn)，這樣的方法并不能得到滿意的結(jié)果，因為一塊大的金屬條兩個分離點之間，同樣能存在較大的電位差。 （3）RSG=，源對地“浮空”。從而切斷了地回路電流。由式（2-85