6-噪聲的特點及低噪聲設(shè)計匯總課件

1、神經(jīng)電記錄儀的輸入短路噪聲實測值（微伏）（成都儀器廠生產(chǎn)）II 系統(tǒng)的噪聲 （Noise)概念：與外部干擾相區(qū)別，把測量系統(tǒng)內(nèi)部由器件、材料、部件的物理因素產(chǎn)生的自然擾動稱為噪聲（電壓或電流）。噪聲是電路內(nèi)固有的，不能用諸如屏蔽、合理接地等方法予以消除。一、噪聲的一般性質(zhì)噪聲電壓或噪聲電流是隨機的，噪聲的隨機過程不可能用一個確定的時間函數(shù)來描述 。它服從于一定的統(tǒng)計規(guī)律，能通過表示噪聲過程的概率密度P(u)而得知噪聲電壓落在某一范圍內(nèi)的概率。隨機噪聲為一平穩(wěn)隨機過程，概率密度與時間t無關(guān)。 一、噪聲的一般性質(zhì)噪聲電壓或噪聲電流是隨機的，噪聲的隨機過程不可能用一個確定的時間函數(shù)來描述 。它服從于

2、一定的統(tǒng)計規(guī)律，能通過表示噪聲過程的概率密度P(u)而得知噪聲電壓落在某一范圍內(nèi)的概率。隨機噪聲為一平穩(wěn)隨機過程，概率密度與時間t無關(guān)。 隨機噪聲（熱噪聲和散粒噪聲 ）式中u是噪聲電壓的平均值，一般為零，這時方差2為噪聲電壓u的均方值，標準差等于均方根值。在低噪聲設(shè)計中，為主要的實用參數(shù)。Gaussian distribution of noise amplitude rms: root mean square Ths7002_buffer_preamp_gain-1_in-_short to_Gnd+/-12v_battery_power_buffer_noise-outpup 測量中的校正

3、系數(shù)(1)全波整流后的平均值 (2)均方根值（有效值rms，root-mean-square)測量中的校正系數(shù)測量中的校正系數(shù)測量噪聲應(yīng)用熱效應(yīng)定義的均方根值電壓表。正弦波全波整流的平均值是峰值的0.636，而它的均方根值是峰值的0.707，所以常用的交流電壓表（平均值電壓表）測量正弦波的均方根值應(yīng)作修正，修正系數(shù)為1.11。而且噪聲波形并不是正弦波，是由大量尖脈沖組成，噪聲電壓均方根值是峰值的0.798倍，均方根值與平均值之比為0.798/0.636=1.255，所以均方根值正弦響應(yīng)的電壓表測量到的噪聲電壓須乘以1.13（0.798/0.707 ）的修正系數(shù)才得到噪聲電壓的均方根值。噪聲的頻

4、域描述方法 噪聲服從一定的統(tǒng)計規(guī)律，無法用頻譜描述，而用功率譜表示它的頻域特性。噪聲電壓（或噪聲電流）的均方值是它在一歐姆電阻上產(chǎn)生的平均功率。此功率是各頻率分量功率之和，功率譜密度S（f）為:S(f)=U2/ R /f = U2/f ; S(f)= I2*R/f= I2/f功率譜密度U2/f or I2/f S（f）為功率譜密度，它表示單位頻帶內(nèi)噪聲的功率及隨頻率的變化情況。單位：W/Hz粉紅噪聲b藍色噪聲cS( f )f在很寬的頻帶內(nèi)， S（f）為常數(shù)，則為白噪聲a噪聲的相關(guān)性小結(jié)：噪聲描述的方法噪聲的基本特性可以用統(tǒng)計平均量來描述1）均方值表示噪聲的強度，2）概率密度表示噪聲在幅度域里的

5、分布密度；3）功率譜密度表示噪聲在頻域里的特性；4）通常認為兩種噪聲源為完全不相關(guān)，噪聲電壓瞬時值之間沒有關(guān)系，噪聲總均方電壓等于各噪聲源均方電壓之和。(功率相加）二、生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中的主要噪聲1/f噪聲（低頻噪聲）熱噪聲散粒噪聲1/f 噪聲（閃爍噪聲或低頻噪聲） Flicker Noise 電子系統(tǒng)中，1/f噪聲是普遍存在的。凡兩種材料之間不完全接觸，形成起伏的導(dǎo)電率便產(chǎn)生1/f噪聲。 它發(fā)生在兩個導(dǎo)體連接的地方，如開關(guān)、繼電器或晶體管、二極管的不良接觸，以及電流流過合成碳質(zhì)電阻的不連續(xù)介質(zhì)等。各有源器件在制作工藝過程中，材料表面特性及半導(dǎo)體器件結(jié)點中的缺陷等，是1/f噪聲的主要成因。 數(shù)

6、學(xué)描述K是頻率為1Hz時的譜密度值熱噪聲（Thermal Noise)熱噪聲是由導(dǎo)體中載流子的隨機熱運動引起的。任何處于絕對零度以上的導(dǎo)體中，電子都在作隨機熱運動。 1927年約翰遜（Johnson）首先在實驗中觀察到導(dǎo)體上熱噪聲電壓的存在，1928年乃奎斯特進行了理論分析。熱噪聲又常稱為約翰遜噪聲或乃奎斯特噪聲。 數(shù)學(xué)描述k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，R為阻值散粒噪聲 （Shot Noise)在半導(dǎo)體器件中，載流子產(chǎn)生與消失的隨機性，使得流動著的載流子數(shù)目發(fā)生波動，時多時少，由此而引起電流瞬時漲落稱為散粒噪聲。 散粒噪聲與流過半導(dǎo)體PN結(jié)位壘的電流有關(guān)，所以三極管、二極管中，都存在產(chǎn)生散粒

7、噪聲電流的單元。在簡單的導(dǎo)體中沒有位壘，因此沒有散粒噪聲。 數(shù)學(xué)描述測量系統(tǒng)中的主要噪聲類型小結(jié)1/f噪聲、熱噪聲、散粒噪聲Un和In參數(shù)噪聲系數(shù)三、描述放大器噪聲性能的參數(shù)Signal to Noise Ratio（SNR)信噪比：表示信號與噪聲的相對大小，間接反映了噪聲對信號的影響程度和信號的精度水平。SNR=10Lg（Ps/Pn）=20Lg（Us/Un）；（分貝） 式中：Ps為信號功率；Pn為噪聲功率；Us為信號有效值；Un為噪聲有效值。 在一定的輸出信噪比的要求之下，輸出噪聲折合到輸入端，可以判斷放大器可能放大多弱的信號。為此，通常把放大器的噪聲等效到輸入端。 放大器的Un和In參數(shù)R

8、sUnsus*Zi In UnoA Un*假設(shè)Un、In不相關(guān)，C=0，各噪聲源的噪聲電壓的均方值相加，得到輸出噪聲電壓的均方值 放大器對信號Uns的電壓增益A為 結(jié) 論 放大器的等效輸入噪聲為三個噪聲電壓發(fā)生器的均方值的和，用位于Us處的一個噪聲源來等效系統(tǒng)中的所有噪聲源。此方程式適用于任何有源器件的系統(tǒng)，是分析噪聲問題中的重要公式。 源電阻不同（高、低）時的器件選擇。等效輸入端噪聲 Refered-to-input (RTI) Rs=0時：可以測得Un值Rs較大時：可以估測In（二）噪聲系數(shù)Noise Factor(NF)NF噪聲系數(shù)是放大器引起的信號質(zhì)量（信噪比）惡化程度的量度。理想狀態(tài)

9、，放大器在源熱噪聲的基礎(chǔ)上不再增加噪聲，即放大器本身無噪聲，這時F=1或NF=0。實際上總是NF0dB。低噪聲設(shè)計的目的是使NF值盡可能小。噪聲系數(shù)結(jié)論噪聲系數(shù)結(jié)論 當(dāng)信號源電阻等于最佳源電阻時，可以獲得最小的噪聲系數(shù)。調(diào)整信號源電阻使噪聲系數(shù)最小，稱為電路的噪聲匹配。NF VS SNR 由此可知，最大的輸出信噪比發(fā)生在Rs=0處。所以，最小的噪聲系數(shù)并不一定有最大的輸出信噪比或最小噪聲。 Un，In*Rs Uns信號SRTI噪聲源SNR信號圖2-44 等效輸入噪聲與源電阻Rs的關(guān)系RsoRsUnUnsUniInRsUni兩級放大的噪聲F2AP2Pn2PnOF1AP1Pn1RsUnsus*（三

10、）多級放大器的噪聲結(jié)論第一級放大的噪聲系數(shù)對總噪聲系數(shù)的貢獻最大，努力降低第一級噪聲，是實現(xiàn)低噪聲設(shè)計的原則。如果第一級功率增益足夠大，則第二級的噪聲影響可忽略，總的噪聲系數(shù)主要決定于第一級的噪聲系數(shù)。 四、器件的噪聲1、電阻：熱噪聲;串并聯(lián)等效 金屬膜的1/f小，碳膜電阻的1/f大e4KTRdf=2四、器件的噪聲2、電容：1/f噪聲和漏電阻的熱噪聲。 鉭（Tantalum)電容、瓷片電容和云母電容的噪聲較??；鋁電解電容的噪聲較大。3、場效應(yīng)管和雙極晶體管的噪聲 熱噪聲；散粒噪聲；1/f噪聲；4、三極管和運放的噪聲Un,In圖2-51 三種器件的等效噪聲電壓曲線1雙極型晶體管； 2結(jié)型場效應(yīng)晶

11、體管； 3集成運放器件0 10 102 103 104 105 Rs(Ohm) Uni（V) 10-610-710-810-910-10321根據(jù)總增益、頻率響應(yīng)、動態(tài)范圍、穩(wěn)定性等指標設(shè)計后級電路，決定放大級數(shù)及電路結(jié)構(gòu)等，應(yīng)注意后級電路不能破壞總的噪聲性能。后級電路設(shè)計根據(jù)噪聲要求、源阻抗特性、輸入耦合網(wǎng)絡(luò)選擇電路結(jié)構(gòu)形式和器件、確定工作點并進行噪聲匹配。輸入級電路低噪聲設(shè)計III、低噪聲放大器設(shè)計 一、噪聲性能指標放大器輸入端對地短路時的固有噪聲折合到輸入端（RTI噪聲），作為放大器的性能指標，它基本反映了放大器能區(qū)分的最小信號。體表心電圖10V（0250Hz）體表希氏束電圖0.5V （

12、80300Hz）頭皮電極腦電圖1V（0100Hz）針電極肌電圖1V（210000Hz）腦誘發(fā)電位0.7V （010KHz）眼電生理信號0.5V （01KHz）輸入級器件選用參考 10 100 1k 10k100k1M 10M 100M 1G 10G 100GRso 結(jié)型場效應(yīng)管 JFET 變壓器耦合 雙極晶體管 金屬氧化物場效應(yīng)管MOSFET 集成運放 噪聲匹配的過程：傳感器阻抗不同選擇可匹配的器件調(diào)節(jié)器件參數(shù)傳感器的阻抗特點靜態(tài)參數(shù)噪聲等值圖輸入級器件選用參考放大電路的噪聲分析1、電路基本分析方法；2、噪聲源不相關(guān)，輸出端功率相加；3、分為外圍電路及放大器本身的噪聲兩部分；采用疊加原理。 R

13、1在輸出端產(chǎn)生的噪聲E1 R2在輸出端產(chǎn)生的噪聲E2 R3在輸出端產(chǎn)生的噪聲E3 ep在輸出端產(chǎn)生的噪聲Ep inp在輸出端產(chǎn)生的噪聲Enp inn在輸出端產(chǎn)生的噪聲Enn輸出端總噪聲疊加計算二、低噪聲 設(shè)計原則 根據(jù)噪聲要求和源的性質(zhì)，確定輸入電路的結(jié)構(gòu)形式和器件篩選根據(jù)放大倍數(shù)和電路的帶寬，給第一級分配盡可能高的放大倍數(shù)；選擇后級電路，以不破壞總的噪聲性能為依據(jù)電阻阻值盡量小，金屬膜；有極性電容選鉭電容，無極性電容選瓷片或云母電容三、低噪聲設(shè)計實例注意事項具體實現(xiàn)理論分析、仿真模擬挑戰(zhàn)極限-高精度-高增益-模擬阻容元件的參數(shù)帶寬、增益、輸入級INA110噪聲指標ina110_g10_2M_

14、gbw.pdfFast-Settling FET-InputINSTRUMENTATION AMPLIFIER(IA)INA110APPLICATIONSMULTIPLEXED INPUT DATA ACQUISITIONFAST DIFFERENTIAL PULSE AMPLIFIERHIGH SPEED GAIN BLOCKAMPLIFICATION OF HIGH IMPEDANCE SOURCESINA110FEATURESLOW BIAS CURRENT: 50pA maxFAST SETTLING: 4ms to 0.01%HIGH CMR: 106dB min; 90dB at

15、10kHzINTERNAL GAINS: 1, 10, 100, 200, 500VERY LOW GAIN DRIFT: 10 to 50ppm/CLOW OFFSET DRIFT: 2mV/CLOW COSTLOW NOISEPINOUT SIMILAR TO AD524 AND AD624DESCRIPTION The INA110 is a versatile monolithic FET-input instrumentation amplifier. Its current-feedback circuit topology and laser trimmed input stag

16、e provide excellent dynamic performance and accuracy. The INA110 settles in 4ms to 0.01%, making it ideal for high speed or multiplexed-input data acquisition systems. Internal gain-set resistors are provided for gains of 1,10, 100, 200, and 500V/V. Inputs are protected for differential and common-m

17、ode voltages up to VCC. Its very high input impedance and low input bias current make the INA110 ideal for applications requiring input filters or input protection circuitry. The INA110 is available in 16-pin plastic and ceramic DIPs, and in the SOL-16 surface-mount package. Military, industrial and

18、 commercial temperature range grades are available.INA110：NoiseINPUT NOISEVoltage: fO = 10kHz 10nV/ fB = 0.1Hz to 10Hz 1 Vp-pCurrent:fO = 10kHz 1.8 fA/OUTPUT NOISEVoltage: fO = 10kHz 65 nV/ 白噪聲 fB = 0.1Hz to 10Hz 8 Vp-p 1/f三、低噪聲設(shè)計實例注意事項具體實現(xiàn)理論分析、仿真模擬挑戰(zhàn)極限-高精度-高增益-模擬阻容元件的參數(shù)帶寬、增益、輸入級INA110噪聲指標ina110_g10

19、_2M_gbw.pdf結(jié)構(gòu)：放大濾波方法：理論分析 仿真實驗 實測驗證實現(xiàn)方法增益2000精度1V噪聲1V(帶寬2.5KHz) 設(shè)計指標高增益高精度低噪聲放大器設(shè)計LPF 3KHzLPF 3KHz1Output Buffer2000IA Gain2000仿真結(jié)構(gòu)示意圖電路功能示意圖理論分析:頻帶確定等效輸入端噪聲與放大器的噪聲性能、外圍電阻的熱噪聲、頻帶寬度及工作溫度均有關(guān)系。本系統(tǒng)的低通濾波器最高截止頻率為2500Hz，因濾波器的過渡帶和阻帶特性并非完全理想，所以系統(tǒng)的真正帶寬并非2500Hz，在如下計算中取系統(tǒng)的帶寬為截止頻率的4倍頻，即10KHz。理論分析：電阻的熱噪聲理論計算表明，1K

20、電阻在室溫（20度）條件下，其熱噪聲電壓譜密度約為4.02nV/ 。本系統(tǒng)中，放大器至少需要7只電阻，阻值均按10K計算；四階低通濾波器最少需要10只電阻，阻值平均按20K計算，忽略源電阻和電容的噪聲，不失一般性，假設(shè)各電阻的熱噪聲不相關(guān)，按照噪聲功率相加的原則，估算出熱噪聲譜密度約為66.06nV/ 。理論分析：運放的熱噪聲前置增益級的噪聲密度取理論極限值1nV/ ，差分放大器、4階濾波器中的2個運放及輸出緩沖級均視為極低噪聲運算放大器（如OP27），噪聲密度取3nV/ 。源電阻較小時，忽略各放大器的等效輸入端電流噪聲。增益為1時，輸出噪聲譜密度 帶寬10KHz時，總輸出噪聲有效值為：6.6

21、3V等效輸入噪聲有效值為：6.63V增益為2000時（假設(shè)全部由前置增益級提供），輸出噪聲譜密度為：總輸出噪聲有效值為：等效輸入噪聲有效值為：0.14V理論分析：結(jié)論盡管上述假設(shè)中已忽略了其他一些噪聲源，但在低增益時，輸入端噪聲有效值已經(jīng)大于6V，而高增益時（增益為2000 ），等效輸入端噪聲小于1V。因此，從理論上分析有可能實現(xiàn)設(shè)計目標。GAIN VS FREQUENCY仿真：三種放大器的幅頻特性曲線（輸入1mV,增益2000）PHASE VS FREQUENCY仿真：三種放大器的相頻特性曲線（增益2000）增益2000時三種放大器的輸出噪聲電壓譜密度（V/ ）FrequencyAD624I

22、NA103INA1100.106.99531.233213.29191.006.99531.233213.291910.006.99531.233213.2919100.006.99511.233213.29181000.006.96901.233113.28433053.866.76031.232713.221410000.005.27531.228012.5898100000.000.80280.90663.7637A）仿真結(jié)果與理論計算的增益2000倍時的輸出噪聲電壓譜密度 在同一水平B）INA103的噪聲電壓譜密度最小，增益2000倍、頻帶10KHz時，其等效輸入端噪聲約為0.062V

23、 (不包含濾波器的噪聲)測試方法電路實現(xiàn)高增益高精度低噪聲放大器實現(xiàn)放大器采用INA103，固定增益設(shè)計為2000（實測增益為1925倍），濾波部分采用4階Chebysheve低通濾波器，其截止頻率為3KHz，通帶紋波0.01dB，通帶增益為1。 實驗室環(huán)境，室溫20度，模塊通電預(yù)熱10分鐘后測量。數(shù)據(jù)采集卡為PCI6034E，輸入量程范圍+/-50mV，16bit，最小分辨率1.525V，采集速率從1Hz到200KHz。計算均值（Mean）和標準差(Sd)。輸入信號由HP33250A任意波形發(fā)生器產(chǎn)生。 數(shù)據(jù)采集卡輸入端短接時本底噪聲數(shù)據(jù)采集卡輸入端短接時采集到的PCI6034E的本底噪聲。采樣頻率100Hz，100次疊加。其均值為11.57V，相當(dāng)于采集卡的靜態(tài)直流漂移