4.2 噪聲和低噪聲器件

1、4.2 噪聲和低噪聲器件1主要內(nèi)容噪聲的一般性質(zhì)噪聲的描述噪聲的測(cè)量功率譜密度信號(hào)提取系統(tǒng)中的主要噪聲類型1/f噪聲熱噪聲散粒噪聲24.2.1 噪聲的特性隨機(jī)性統(tǒng)計(jì)學(xué)描述概率密度函數(shù)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程正態(tài)分布32. 信號(hào)提取過(guò)程中的噪聲類型主要類型：1/f噪聲熱噪聲散粒噪聲要求掌握：產(chǎn)生的機(jī)理噪聲的性質(zhì)4（1）1/f噪聲由于功率譜是頻率的函數(shù)：一般1，故稱為1/f噪聲K為f1Hz時(shí)的頻譜密度，由具體器件決定的常數(shù)5（1）1/f噪聲產(chǎn)生的原因：材料之間不完全接觸，形成起伏的導(dǎo)電率如兩個(gè)導(dǎo)體連接的地方，開(kāi)關(guān)、繼電器、晶體管、二極管的不良接觸，以及電流流過(guò)合成碳質(zhì)電阻的不連續(xù)介質(zhì)有源器件在制作工藝過(guò)程中，

2、材料表面特性及半導(dǎo)體器件中結(jié)點(diǎn)的缺陷等由于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的頻帶范圍大都處于低頻或超低頻段，1/f噪聲是生物信號(hào)提取中主要障礙6（1）1/f噪聲 由f1f2帶寬內(nèi)噪聲的平均功率得到相應(yīng)此頻段內(nèi)噪聲的電壓均方值：例：已知1/f噪聲過(guò)程在1Hz上的譜密度為510-10V2/Hz，求100到200Hz 范圍內(nèi)噪聲電壓均方值7（2）熱噪聲產(chǎn)生的原因：熱噪聲是在電阻一類導(dǎo)體中，自由電子的布朗運(yùn)動(dòng)引起的噪聲 電子運(yùn)動(dòng)的途徑，由于和其他粒子碰撞，是隨機(jī)的和曲折的，即呈現(xiàn)布朗運(yùn)動(dòng)。所有電子運(yùn)動(dòng)的總結(jié)果形成通過(guò)導(dǎo)體的電流。電流的方向是隨機(jī)的，因而平均值為零。 但是在每一瞬間，它們并不為零，則在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生壓降，形

3、成噪聲電壓。又稱為約翰遜噪聲或乃奎斯特噪聲存在于：電阻電容介質(zhì)的損耗電感的渦流損耗有源器件如晶體管的基區(qū)電阻等危害是測(cè)量系統(tǒng)分辨力的最終限制。8（2）熱噪聲影響熱噪聲的因素：減小測(cè)量時(shí)產(chǎn)生熱噪聲器件的溫度提取信號(hào)的電阻應(yīng)盡量小，避免額外的串聯(lián)電阻盡量減小系統(tǒng)的頻帶屬于白噪聲波爾茲曼常數(shù)1.3810-23J/K絕對(duì)溫度頻帶寬度數(shù)學(xué)表示： 電壓均方值： 譜密度：9（3）散粒噪聲產(chǎn)生的原因：半導(dǎo)體器件中，載流子產(chǎn)生與消失的隨機(jī)性，使得流動(dòng)的載流子數(shù)目發(fā)生波動(dòng)，引起瞬時(shí)電流的變化，稱為散粒噪聲存在于：二極管和三極管等半導(dǎo)體器件中，簡(jiǎn)單的導(dǎo)體中，不存在此類噪聲數(shù)學(xué)表達(dá)式：電子電荷器件的平均直流測(cè)量系統(tǒng)的

4、頻帶寬度譜密度：2qIDC，屬于白噪聲103. 描述放大器噪聲性能參數(shù)研究放大器的噪聲有利于分析放大器的性能指標(biāo)判斷放大器可能放大多弱的信號(hào)。放大器的等效電路：放大器本身所產(chǎn)生的噪聲電阻為零的電壓源電阻無(wú)窮大的電流源信號(hào)源等效噪聲主要為電阻的熱噪聲113.描述放大器噪聲性能參數(shù)放大器輸出端噪聲計(jì)算：輸入噪聲源 輸出噪聲大小放大器產(chǎn)生的噪聲信號(hào)源產(chǎn)生的噪聲假設(shè)Un，In互不相關(guān)，C0，則各噪聲電壓的平方值相加，得到輸出電壓：123.描述放大器噪聲性能參數(shù)輸入端等效電壓：1Rs利用上式分析的優(yōu)點(diǎn)：利用等效噪聲源Uni分析所有的噪聲，適用于任何有源器件的噪聲分析易于測(cè)量：Rs0，只存在Un；若Rs很

5、大時(shí)，確定In。13（2）噪聲放大系數(shù)噪聲放大系數(shù)的定義：噪聲放大器數(shù)的意義：比較放大器的噪聲性能，信號(hào)經(jīng)過(guò)了放大器，信噪比是否變化如果F1則放大器本身不引入噪聲分貝表示：14例題1某晶體管已知NF6dB，求輸出信噪比相對(duì)于輸入信噪比減少多少？即輸出信噪比為輸入信噪比的1/415例2某放大器噪聲系數(shù)為6dB，其通頻帶為10kHz，要求輸出信噪比為 ,則此放大器的輸入信號(hào)功率是多少？解:輸入信號(hào)的信噪比：信號(hào)源的噪聲主要為熱噪聲16噪聲系數(shù)討論1. 噪聲系數(shù)求取可由Un，In表示（C0）由上式可知，當(dāng)放大器固定，則Un和In不變，噪聲系數(shù)F為Rs的函數(shù)，17噪聲系數(shù)討論2. 噪聲系數(shù)最小值則，R

6、s為：此時(shí)，Rs稱為最佳源電阻，可獲得最小噪聲系數(shù)：18噪聲系數(shù)討論3.輸出信噪比（理想狀態(tài)越大越好，信號(hào)為信號(hào)源的均方電壓，噪聲為總的輸出噪聲）：顯然：當(dāng)Rs0時(shí)，信噪比最大，所以最小的噪聲系數(shù)并不一定有最大的輸出信噪比。噪聲系數(shù)的價(jià)值是用于比較放大器的噪聲，它并不適于作為放大器低噪聲設(shè)計(jì)的依據(jù)。19（3）多級(jí)放大器的噪聲多級(jí)放大器的耦合其中：Ap1，Ap2為第一、二級(jí)的功率增益F1，F(xiàn)2為第一、二級(jí)的噪聲系數(shù)Pn1，Pn2為第一、二級(jí)的內(nèi)部噪聲功率Pns為信號(hào)源內(nèi)阻的噪聲功率噪聲系數(shù)的定義：20（3）多級(jí)放大器的噪聲第一級(jí)放大噪聲功率：由此可得到第一級(jí)放大器的噪聲輸出功率：同理，相對(duì)于熱源

7、噪聲的噪聲系數(shù)定義（不牽涉第一級(jí)放大器噪聲的影響），則第二級(jí)放大器的噪聲功率Pn2為：兩級(jí)放大后總的輸出功率Pno為由三部分組成：信號(hào)源內(nèi)阻熱噪聲經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后Ap1Ap2Pns第一級(jí)放大器噪聲經(jīng)過(guò)第二級(jí)放大后的輸出Ap2Pn1第二級(jí)放大器本身的噪聲Pn221（3）多級(jí)放大器的噪聲總的輸出噪聲總的噪聲系數(shù)：224 .器件的噪聲（1） 電阻噪聲主要為熱噪聲等效電路234 .器件的噪聲（2）電容器的噪聲主要噪聲為介質(zhì)損耗，即電容器的漏電。相當(dāng)于理想電容并聯(lián)一個(gè)電阻Rp， Rp構(gòu)成電容器阻抗的實(shí)數(shù)分量，成為電容器的熱噪聲源。由介質(zhì)損耗角表示：可見(jiàn)漏電小的Rp大，值小，旁路噪聲能力強(qiáng)。244 .器件的

8、噪聲（3）耦合變壓器噪聲 在外磁場(chǎng)作用下，變壓器的磁性材料磁化的不連續(xù)性，呈現(xiàn)出磁起伏噪聲，并且把外界的噪聲引入到電路里來(lái)。254 .器件的噪聲（4）場(chǎng)效應(yīng)管噪聲主要有：溝道熱噪聲柵極散粒噪聲1/f噪聲264 .器件的噪聲（5）雙極晶體管噪聲基區(qū)擴(kuò)散電阻的熱噪聲基極電流IB和集電極電流Ic引起的散粒噪聲基極電流IB流經(jīng)基極發(fā)射極耗盡區(qū)時(shí)，產(chǎn)生的1/f噪聲274 .器件的噪聲（6）運(yùn)算放大器噪聲集成元件大的噪聲為各分立元件的綜合運(yùn)算放大器的輸入級(jí)是確定噪聲性能的關(guān)鍵采用差動(dòng)輸入，噪聲電壓為單一晶體管的 倍。285.低噪聲放大器設(shè)計(jì)（1）噪聲性能指標(biāo)但為了統(tǒng)一，用輸入端對(duì)地短路時(shí)放大器的噪聲Uin作為放大器的性能指標(biāo)。表示了放大器可以放大的最小信號(hào)值。 以下為各生理信號(hào)測(cè)量用放大器在相應(yīng)帶寬下的噪聲指標(biāo)：體表心電圖 10V (0250Hz)體表希氏束電圖 0.5 V (80300Hz)頭皮電機(jī)腦電圖 1 V (0100Hz)針電極肌電圖 1 V (010KH