微弱信號檢測2.6-3.2

微弱信號檢測內(nèi)容第二章放大器的噪聲源和噪聲特性2.6低噪聲放大器設(shè)計2.7噪聲特性測量第三章干擾噪聲及其抑制3.1環(huán)境干擾噪聲3.2干擾耦合途徑2.6低噪聲放大器設(shè)計對于微弱信號檢測儀器或設(shè)備，前置放大器是引入噪聲的主要部件之一，整個檢測系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要取決于前置放大器的噪聲系數(shù)。整個儀器可以檢測的最小信號也主要取決于前置放大器的噪聲。低噪聲前置放大器的設(shè)計內(nèi)容包括選擇低噪聲半導(dǎo)體器件，確定電路組態(tài)，確定低噪聲工作點，進行噪聲匹配等工作。另外還要根據(jù)放大器要求的總增益、頻率響應(yīng)、輸入輸出阻抗、動態(tài)范圍、穩(wěn)定性等指標，確定整體電路的級數(shù)、組態(tài)、反饋和頻率補償方法。2.6.1有源器件的選擇只有在放大器的最佳源電阻等于信號源輸出電阻的情況下，才能使電路的噪聲系數(shù)最小

放大器的最佳源電阻為Rso=eN/iN,

由此得到的最小噪聲系數(shù)為Fmin=1+eNiN/2kT低噪聲放大器應(yīng)盡可能選用eNiN

小的器件，此外eNiN

以及噪聲系數(shù)F都是頻率的函數(shù)，各種低噪聲器件只是在一定的頻率范圍內(nèi)才能達到其最小噪聲。根據(jù)信號源電阻Rs的大小，可以選用合適類型的放大器件，以使其最佳源電阻Rso約等于Rs，以便在直接耦合方式下達到噪聲匹配，使電路的噪聲系數(shù)達到最小值。2.6.1有源器件的選擇1．從源電阻考慮，各種有源器件適用的源電阻范圍2．從工作頻率考慮，有源器件的最佳源電阻Rso是頻率的函數(shù)2.6.1有源器件的選擇3.放大器輸出的功率信噪比SNRp=ES2/Eni2,2.6.2偏置電路與直流工作點選擇1、偏置電路低噪聲設(shè)計在源電路中增加電抗或任何額外電阻都可能增加系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，這給輸入級偏置電路的設(shè)置帶來了問題解決方法，以雙極型晶體管為例共發(fā)射極電路偏置通過信號源進行偏置射頻電路偏置2.6.2偏置電路與直流工作點選擇2.直流工作點的選擇附加串連電阻噪聲系數(shù)增大為：附加并聯(lián)電阻噪聲系數(shù)增大為：2.6.3噪聲匹配調(diào)整工作點進行阻抗匹配某晶體管在f=100kHz時的噪聲因數(shù)等值圖利用變壓器變換阻抗，則可達到最小噪聲系數(shù)希望：等效電路：利用變壓器變換阻抗的缺點和限制：變壓器線圈和鐵芯的損耗電阻會產(chǎn)生熱噪聲被測信號必須是頻率較高的交流信號外來的電磁干擾會引入附加噪聲制作復(fù)雜，材料要求高，需要電磁屏蔽措施有源器件并聯(lián)實現(xiàn)阻抗匹配若M個有源器件并聯(lián)，則多個運放并聯(lián)多個運放并聯(lián)減少最佳源電阻2.6.4反饋電路對噪聲特性的影響放大器中采用合適的反饋措施，可以有效地改善放大器的新能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，只會影響放大器的外部表現(xiàn)。改變了放大器的增益、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反饋支路的電阻分量會產(chǎn)生熱噪聲，并在反饋電阻兩端產(chǎn)生噪聲電壓如能使反饋元件造成的不利影響很小，使該影響與信號源產(chǎn)生的熱噪聲可以忽略，那么可以利用反饋改變輸入阻抗，以實現(xiàn)噪聲匹配。并考慮通過功率匹配使傳輸?shù)墓β首畲?。只要反饋電路給信號源電路增加的阻抗與源電阻相比可以忽略，并且并聯(lián)反饋中的反饋阻抗足夠大，那么放大器的噪聲特性基本保持不變。2.6.4反饋電路噪聲分析1．電壓并聯(lián)負反饋放大器由等效電路得對比兩式可得反饋支路的引入對放大器等效輸入電壓噪聲無影響，只是使得等效輸入電流噪聲增加了一項取決于反饋電阻

的熱噪聲2．電壓串聯(lián)負反饋放大器2.6.5高頻低噪聲放大器設(shè)計考慮1、信號源輸出阻抗為復(fù)數(shù)可通過在信號源和放大器之間連接一個電抗-jXs

可以抵消Xs的不利影響，當Xs是感抗時，要連接一個電容，當Xs是容抗是容抗時，要連接一個電感。2.6.5高頻低噪聲放大器設(shè)計考慮2、放大器的en與in相關(guān)晶體管的極間電容和引線的分布電容會導(dǎo)致各噪聲源之間的互相耦合，導(dǎo)致en與in

之間產(chǎn)生相關(guān)性，設(shè)其相關(guān)系數(shù)為ρ，其實部和虛部分別為ρ1和ρ2對F求導(dǎo)，并令其等于0，可以求出最佳源電阻和源電抗，以及噪聲系數(shù)的最小值。2.6.5高頻低噪聲放大器設(shè)計考慮只有當信號源阻抗?jié)M足Rs=Rso,以及Xs=Xso時，放大器才能達到最佳的噪聲性能。為了滿足Xs=Xso

，可以在信號源與放大器之間串聯(lián)電抗X0

,為了滿足Rs=Rso

，不能采用信號源或并聯(lián)電阻的方法，只能采用選擇器件，調(diào)整工作點，增設(shè)匹配變壓器等方式。當工作頻率不是很高時，放大器的噪聲相關(guān)系數(shù)可以忽略，Xso=02.7噪聲特性測量2.7.1噪聲功率和有效值測量1、測量誤差

測量精度決定了測量過程的復(fù)雜程度和測量設(shè)備的費用，應(yīng)控制在適當?shù)乃健?、利用示波器觀測噪聲

在測量精度要求不高的場合，但可以粗略地判斷噪聲來源2.7.1噪聲功率和有效值測量3、噪聲聲音分析對于音頻噪聲，可以將噪聲放大并用喇叭發(fā)聲，通過聽取喇叭發(fā)出的噪聲聲音，可以分析噪聲的種類。4、利用儀表測量噪聲幅度放大器：足夠的增益，且本身的噪聲要足夠小檢波器：將交流噪聲轉(zhuǎn)換為直流信號平均器：濾除檢波器輸出信號的交流波動直流表：讀數(shù)2.7.1寬帶噪聲功率測量放大器和測量裝置的帶寬要遠遠大于噪聲的帶寬2.7.2噪聲功率譜密度測量測量在某個頻率點處的功率譜密度，要在很窄的頻帶寬度內(nèi)進行，但測量所需要的時間反比于測量電路的帶寬，因為，要盡量使用較寬的頻帶寬度1、測量誤差分析

取決于噪聲的譜密度在測量濾波器的帶寬范圍內(nèi)的變化情況。測量噪聲在頻點fo的譜密度：Gm(f)：測量電路的功率增益響應(yīng)fo：測量電路的中心頻率Sn(f)：被測噪聲的功率譜密度測得的噪聲功率為：噪聲功率譜密度測量誤差分析1.Gm(f)的帶寬足夠窄2.Sn(f)在Gm(f)的頻帶寬度內(nèi)有微小變化GPO：測量電路在頻率f0處的功率增益Bm：測量電路的等效噪聲帶寬Gm(f)對稱于f0Sn(f)在f0

處線性變化噪聲功率譜密度測量誤差分析3.Sn(f)在Gm(f)的頻帶寬度內(nèi)有微小變化，且Sn(f)在f0

處有明顯彎曲。

對于1/f噪聲：對于矩形的Gm(f)Sn(f0)=Kf/foSn’’(f0)=2Kf/f03Kf是取決于電流和接觸面性質(zhì)的系數(shù)噪聲功率譜密度測量誤差分析噪聲功率譜密度測量的頻譜分析在感興趣的頻率范圍內(nèi)獲取完整的功率譜密度函數(shù)，不但可以顯示隨機噪聲的頻譜，還可以顯示出周期干擾在頻譜上的突出線2.7.3噪聲系數(shù)測量噪聲系數(shù)是四端網(wǎng)絡(luò)的一種品質(zhì)因數(shù)，反映了四端網(wǎng)絡(luò)對信噪比減低的程度，也就反映了網(wǎng)絡(luò)自身所產(chǎn)生的噪聲的嚴重程度。取決于信號源輸出電阻的熱噪聲和系統(tǒng)本身產(chǎn)生的噪聲計算放大器的噪聲系數(shù)需要做兩個測量：在放大器輸入端對地短路情況下，測量放大器本身噪聲在其輸出端呈現(xiàn)的噪聲功率測量放大器對校準了的信號源的響應(yīng)（正弦波信號源或?qū)拵г肼暟l(fā)生器）正弦波信號源方法兩種簡化方法寬帶噪聲發(fā)生器方法其他噪聲特性的測量和計算最佳源電阻和最小噪聲系數(shù)

作圖法等效輸入噪聲電壓和等效輸入噪聲電流

等效噪聲溫度測

其中，Y是熱態(tài)輸出功率與冷態(tài)輸出功率之比電阻過剩聲測量第三章干擾噪聲及其抑制干擾噪聲：

由某個外部干擾源產(chǎn)生噪聲，并經(jīng)過一定的途徑將噪聲耦合到信號檢測電路中（電磁場耦合，機械振動等）。對檢測結(jié)果影響的大小與檢測電路的布局和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，取決于干擾源和耦合途徑的特性。隨機性+確定性削弱方式：

降低噪聲的功率

削弱耦合途徑的耦合強度

通過改變檢測電路的布局和結(jié)構(gòu)改善干擾噪聲的敏感性3.1環(huán)境干擾噪聲干擾噪聲源：電磁兼容性；機械性：受溫度波動影響常見的噪聲源電力線噪聲電器設(shè)備噪聲射頻噪聲地電位差噪聲雷電天體噪聲機械起源的噪聲其他噪聲源電力線噪聲尖峰脈沖產(chǎn)生原因：電網(wǎng)中大功率開關(guān)的通斷，電機、變壓器和其他大功率設(shè)別的啟停以及電焊機等原因特點：幅度5～4000V，μs量級，頻繁，220V工頻電網(wǎng)的主要干擾源危害：檢測波形的畸變、信號處理計算機的程序跑飛和死機工頻電磁場：由工頻電力線供電的現(xiàn)場，高電壓或高電流情況下，會在檢測電路的導(dǎo)體和信號回路中感應(yīng)出50HZ的干擾噪聲電網(wǎng)電壓波動：電壓波動±15%,常出現(xiàn)在電源穩(wěn)壓電路性能不高的檢測電路中。電氣設(shè)備噪聲放電干擾輝光放電：產(chǎn)生超高頻電磁波，其強度取決于放電電流（熒光燈和霓虹燈）?；」夥烹姡寒a(chǎn)生高頻電磁波輻射，造成局部電網(wǎng)的電壓波動和尖峰脈沖干擾（電焊）?；鸹ǚ烹姡弘姎庠O(shè)備通斷的瞬間，觸點間的斷續(xù)電流。頻率范圍寬，輻射能量大。電暈放電：高壓電線絕緣失效時產(chǎn)生間歇脈沖電流。變壓器可大幅度濾除高頻分量（低通濾波作用）。射頻噪聲特點：廣播電視、雷達,頻率范圍很廣，100kHz～GHZ,調(diào)制或隨機,

μV級。頻率范圍高于檢測信號的頻率范圍，利用濾波器可以有效抑制射頻噪聲的不利影響。地電位差噪聲檢測系統(tǒng)的不同部件采用不同的接地點，這些接地點會存在或大或小的地電位差。噪聲頻率范圍很可能與信號頻率范圍相重疊，濾波難以解決，應(yīng)采用合適的接地技術(shù)或隔離技術(shù)。雷電一次電流達106A，上升時間1μs，云－地面感應(yīng)電場1～10kV/m，電位差高達幾千伏。發(fā)射頻率50～100MHz。天體噪聲宇宙射線和太陽黑子頻率很高（GHz量級），影響不大機械起源的噪聲摩擦電效應(yīng)：電荷轉(zhuǎn)移解決方法：減小電纜兩端連接導(dǎo)體的電阻；電纜綁緊扎固以減小或消除電纜的彎曲；采用特殊的低噪聲電纜；所有連接線盡量短，并固定在不振動的結(jié)構(gòu)上，遠離溫度變化較大的電流，以防熱脹冷縮。導(dǎo)體在磁場中的運動（法拉第定律）壓電效應(yīng)解決方法：通過防振動安裝來減少檢測電路的振動，或通過選擇壓電效應(yīng)較小的絕緣材料顫噪效應(yīng)——機械原因?qū)е聝蓚€導(dǎo)體的相互位置發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容的變化解決方法：避免關(guān)鍵電路元件發(fā)生機械振動；降低攜帶微弱信號的電纜的穩(wěn)態(tài)電壓其他噪聲源電化學(xué)噪聲成因：電化學(xué)物質(zhì)的污染與濕氣混合形成電解液，并與接觸的電路中的不同金屬構(gòu)成電化學(xué)電池解決方法：徹底清潔電路板，并用防潮涂料處理覆蓋電路板溫度變化引起的噪聲成因：溫差電動勢解決方法：避免形成不同金屬的接點；敏感部位采用低溫度系數(shù)的電阻；采用對稱平衡的差動輸入放大器電路；把敏感電路裝配在高導(dǎo)熱率、大熱容量的散熱器上。觸點噪聲：機械振動或溫度變化使不良觸點的接觸電阻發(fā)生變化，并形成噪聲電壓。干擾噪聲的頻譜分布在任何頻段，都找不到不存在干擾噪聲的間隙3.2干擾耦合途徑抑制噪聲的三種方法：消除或削弱干擾源設(shè)法使檢測電路對干擾噪聲不敏感使噪聲傳輸通道的耦合作用最小化輻射場耦合是最普遍的耦合方式，設(shè)其輻射場波長為λ，距離小于λ/2π，分別考慮電場耦合和磁場耦合，其中電場耦合通過導(dǎo)線之間的分布電容來計算，磁場耦合通過導(dǎo)線之間的互感來計算距離大于λ/2π，主導(dǎo)的耦合方式是輻射電磁場其他耦合方式：傳導(dǎo)耦合和公共阻抗耦合傳導(dǎo)耦合傳導(dǎo)耦合經(jīng)導(dǎo)線傳導(dǎo)引入干擾噪聲，也包括電感、電容和變壓器引入干擾噪聲。耦合途徑：噪聲源和檢測電路之間的電氣連接解決途徑：使信號線盡量遠離噪聲源；在信號線和電源線進入檢測系統(tǒng)時，采取有效的去耦合濾波措施。公共阻抗耦合：發(fā)生在兩個電路的電流有共同通路的情況中。當

其中的任何一個電路的電流產(chǎn)生

波動時，都會在公共導(dǎo)線的阻抗

上產(chǎn)生波動電壓，形成對其他電

路的干擾。合適的接地措施可以有效地克服公共阻抗耦合噪聲。

傳導(dǎo)耦合電源耦合來源直流電源上會不同程度地疊加來自電源電路中的整流器、電壓調(diào)節(jié)器以及其它元件的固有噪聲直流電源的輸出阻抗以及連接導(dǎo)線的阻抗不為零，使電路的工作電流變化也導(dǎo)致電源電壓的波動工頻電網(wǎng)上連接著的高頻設(shè)備會使電源線上疊加一些高頻噪聲工頻電源線還是各種射頻干擾的接收天線，接收各種無線廣播和無線通信的射頻信號傳導(dǎo)耦合電源耦合解決方法選用低噪聲、低輸出阻抗的電源。增設(shè)電源濾波電容和放大器偏置電路濾波電容在交流輸入側(cè)并聯(lián)壓敏電阻可以有效抑制尖峰干擾和電網(wǎng)出現(xiàn)的浪涌電壓。為尖峰干擾提供了低阻通路。添加交流噪聲濾波器。對于高頻干擾，可采用

電源變壓器繞組屏蔽

的方法。

3.2.2電場耦合1.并行導(dǎo)線間分布電容：例如：5cm長相距1mm的直徑1mm平行導(dǎo)線，式中：2.導(dǎo)線與平面間的分布電容例如：5cm長、直徑1mm的導(dǎo)線與平面相距1mm，式中：3．電場耦合噪聲3、電場耦合噪聲放大器的輸入電阻越高，噪聲頻率越高，放大器對電場耦合噪聲越敏感。4、抑制電場耦合的常用方法信號線遠離電源線敏感信號線使用屏蔽電纜，并將屏蔽層接地，能夠有效抑制電場干擾噪聲3.2.3磁場耦合2．電磁感應(yīng)耦合設(shè)平均磁場

的有效值為

，

的方向與感應(yīng)平面法線之間的夾角為，則1.