第二講放大器的噪聲源及噪聲特性

微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)第二講放大器的噪聲源及噪聲特性本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第1頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.1電子系統(tǒng)內(nèi)部的固有噪聲源熱噪聲低頻噪聲(1/f)噪聲散彈噪聲g-r噪聲本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第2頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分半導(dǎo)體器件噪聲分類本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第3頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分噪聲功率譜密度的頻譜特性本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第4頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.1.1熱噪聲及其表示1、熱噪聲概念熱噪聲是由導(dǎo)體中電荷載流子(自由電子)的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的,即電子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱噪聲。一個(gè)電阻R上的熱噪聲均方值表示為熱噪聲譜密度（V2/Hz)本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第5頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分用量子理論表示熱噪聲功率譜密度函數(shù)：電阻開(kāi)路兩端呈現(xiàn)的熱噪聲電壓有效值為：本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第6頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2、電阻的熱噪聲等效實(shí)際的電阻可以等效為熱噪聲電壓源Et與無(wú)噪聲的理想電阻R的串連。也可等效為熱噪聲電流源It與無(wú)噪聲的理想電阻R的并連。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第7頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分熱噪聲圖本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第8頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分3、串/并聯(lián)電阻的熱噪聲①兩電阻串連因?yàn)閮呻娮璧脑肼暿窍嗷オ?dú)立的，溫度相同的兩個(gè)電阻串聯(lián)后的總等效噪聲功率等于兩電阻的等效噪聲功率之和。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第9頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分②兩電阻并聯(lián)溫度相同的兩個(gè)電阻并聯(lián)后的總等效噪聲功率等于兩電阻并聯(lián)后等效阻值產(chǎn)生的的等效噪聲功率。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第10頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分4、阻容并聯(lián)的熱噪聲電阻并聯(lián)一個(gè)電容（或是分布電容），其特性相當(dāng)?shù)屯V波器，輸出噪聲的帶寬是有限的。電路的頻率響應(yīng)函數(shù)為：本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第11頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分輸出噪聲的功率譜密度函數(shù)為：輸出的噪聲功率為：有效值為：本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第12頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分

這就是一白噪聲源通過(guò)一低通濾波器的輸出：電路的輸出噪聲功率和有效值與電阻的阻值無(wú)關(guān)，而只取決于并聯(lián)在電阻兩端的電容C和絕對(duì)溫度T。對(duì)一確定的電容C，輸出功率譜密度函數(shù)與電阻的關(guān)系如下圖所示，但總的輸出噪聲功率不變。R1>R2>R3本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第13頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.1.21/f噪聲及其表示

普遍存在于電子器件中，是由兩種導(dǎo)體的接觸點(diǎn)電導(dǎo)的隨機(jī)漲落引起的。廣義上來(lái)說(shuō)，凡是噪聲功率譜密度與頻率成反比的隨機(jī)漲落均可稱為1/f噪聲。在電子管中稱為閃爍噪聲，在電阻中稱為過(guò)量噪聲，在半導(dǎo)體中也稱為接觸噪聲，也被稱為粉紅噪聲。

其噪聲功率譜密度表示為：本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第14頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分1/f噪聲圖本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第15頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分1/f噪聲的噪聲譜如下圖所示。在f1和f2頻率間，1/f噪聲的功率為：本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第16頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分在晶體管中，1/f噪聲是由于載流子在半導(dǎo)體表面能態(tài)上產(chǎn)生與復(fù)合而引起的；在電阻中，1/f噪聲是由于直流電流流過(guò)不連續(xù)介質(zhì)而引起的。所以，對(duì)于一個(gè)實(shí)際電阻來(lái)說(shuō)，除了有基本的熱噪聲外，還存在低頻噪聲。1/f噪聲與頻率有關(guān)，是非白噪聲，主要影響低頻區(qū)。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第17頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.1.3散粒噪聲及其表示在半導(dǎo)體器件中，當(dāng)電荷載流子擴(kuò)散通過(guò)pn結(jié)或從陰極發(fā)射時(shí)，由于載流子運(yùn)動(dòng)速度的不一樣引起電流波動(dòng)，從而產(chǎn)生散粒噪聲。即：散粒噪聲是由于器件中電流的不平滑和不連續(xù)而引起的。散粒噪聲電流的均方值表示為其譜密度可見(jiàn)為白噪聲。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第18頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.1.4g-r噪聲及其表示（爆米花噪聲）g-r噪聲主要是由半導(dǎo)體材料或器件中的雜質(zhì)與缺陷引起的。重金屬原子污染是引起爆米花噪聲的重要原因。在雙極晶體管中，當(dāng)載流子從發(fā)射極進(jìn)入基區(qū)后，其中有一部分在基區(qū)復(fù)合成基極電流，另一部分則輸送到集電極形成集電極電流。由于復(fù)合過(guò)程是隨機(jī)的，表現(xiàn)出一定的漲落，于是引起了集電極電流的波動(dòng)。這個(gè)波動(dòng)電流稱為分配電流噪聲。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第19頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分在雙極晶體管中，爆米花噪聲以基極電流的一個(gè)階躍變化形式出現(xiàn)。因此，雙極運(yùn)算放大器爆米花噪聲通常表現(xiàn)為偏置電流噪聲。由于這一原因，雙極放大器中的爆米花噪聲可能僅在高源阻抗應(yīng)用中出現(xiàn)。表示為可見(jiàn)為一高頻噪聲本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第20頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分猝發(fā)噪聲（爆裂噪聲）的時(shí)域波形有時(shí)也稱為炒玉米噪聲本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第21頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.2放大器的噪聲系數(shù)和噪聲溫度噪聲系數(shù)噪聲溫度功率增益級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第22頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.2.1放大器的噪聲系數(shù)與噪聲溫度本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第23頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.2.2放大器的噪聲溫度放大器自身產(chǎn)生的噪聲常用等效噪聲溫度Te來(lái)表征。噪聲溫度Te與噪聲系數(shù)NF的關(guān)系為

式中，T0為環(huán)境溫度，通常取為293K。根據(jù)公式（2-1），可以計(jì)算出常用的噪聲系數(shù)和與之對(duì)應(yīng)的噪聲溫度，如表2-1所示。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第24頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分表2-1噪聲系數(shù)和噪聲溫度關(guān)系NF(dB)0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0NF1.0231.0471.0721.0961.1221.1481.1751.2021.2301.259Te(K)6.82513.8120.9628.2735.7543.4151.2459.2667.4775.87NF(dB)1.52.02.53.03.54.04.55.06.010NF1.4131.5851.7781.9952.2392.5122.8183.1623.98110.00Te(K)120.9171.3228.1291.6362.9442.9532.8633.5873.52637本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第25頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.2.3放大器的功率增益本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第26頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.2.4級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第27頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分例1：將3個(gè)放大器串聯(lián)連接放大微小信號(hào)，它們的功率增益和噪聲系數(shù)如下表所示。如何連接3個(gè)放大器才能使總的噪聲系數(shù)最??？放大器功率增益/dB噪聲系數(shù)NF/dBABCKA=10KB=12KC=20FA=1.6FB=2.0FC=4.0（作練習(xí)題）本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第28頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.3放大器的噪聲性能分析放大器的En-In模型放大器的噪聲特性本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第29頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.3.1

放大器的En-In模型

將放大器的內(nèi)部噪聲折合到輸入端，用En-In來(lái)表示——無(wú)噪化經(jīng)過(guò)這樣處理，放大器就可以看作為無(wú)噪聲的理想放大器。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第30頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分En-In模型優(yōu)點(diǎn)通用性——一個(gè)放大器中包含許多元器件，它們都可能是噪聲來(lái)源。采用此模型，可不管內(nèi)部噪聲特性如何，其外特性是可描述的。不必計(jì)算內(nèi)部每個(gè)元器件的噪聲，大大簡(jiǎn)化整個(gè)電路系統(tǒng)的噪聲計(jì)算。有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)——可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出En-In的具體大小。把放大器或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的噪聲源都?xì)w算到輸入端，并假設(shè)放大器或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身無(wú)噪聲，可比較方便地估計(jì)電路變動(dòng)對(duì)信號(hào)和噪聲的影響。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第31頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.3.2放大器的噪聲特性①等效輸入噪聲的計(jì)算

利用En-In模型，一個(gè)放大器的噪聲可以簡(jiǎn)化為三個(gè)噪聲源：En、In和Ens。進(jìn)一步考慮這三個(gè)噪聲源的共同效果，等效如下：Ei本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第32頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分用等效輸入噪聲Eni來(lái)代替：在中頻段：g=0，即In與En不相關(guān)，簡(jiǎn)化為采用In與En模型，在計(jì)算Eni時(shí)，僅考慮放大器前的電路，與放大器參數(shù)無(wú)關(guān)。特別是放大器的輸入阻抗不出現(xiàn)在Eni表達(dá)式中，為噪聲測(cè)試提供了方便。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第33頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分②噪聲匹配——最小噪聲系數(shù)

當(dāng)信號(hào)源電阻等于最佳源電阻時(shí)，可以獲得最小噪聲系數(shù)——噪聲匹配。寫(xiě)出噪聲系數(shù)F的表達(dá)式；令，得：代入上式得到噪聲系數(shù)得最小值：可見(jiàn)，為獲得較小的F，Rs不能太大，也不能太小。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第34頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分將Fmin和Rs0代入F，得到：本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第35頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分如果g≠0，則本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第36頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分③器件的無(wú)噪化處理放大器內(nèi)部噪聲主要來(lái)自于器件和網(wǎng)絡(luò)的噪聲。采用何種器件，以何種方式組成網(wǎng)絡(luò)，都將影響放大器的噪聲性能。對(duì)于各類器件，除了En-In

模型外，還可采用其它模型。通過(guò)對(duì)其它模型的計(jì)算和簡(jiǎn)化，可以化為En-In

模型，求出Rsopt及Fmin，從而進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第37頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.4二極管和雙極型晶體管的噪聲特性半導(dǎo)體二極管的噪聲模型雙極型晶體管的噪聲模型雙極型晶體管的等效輸入噪聲雙極型晶體管的噪聲分布本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第38頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.4.1半導(dǎo)體二極管的噪聲模型半導(dǎo)體二極管的噪聲主要包含散彈噪聲，但由于存在寄生電阻Rpar，也產(chǎn)生一些1/f噪聲和熱噪聲。其噪聲模型如右圖所示。等效電容Cd不產(chǎn)生噪聲。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第39頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分1、熱噪聲et

半導(dǎo)體二極管的熱噪聲是由寄生電阻產(chǎn)生的。其功率譜密度函數(shù)為：；其均方值為：。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第40頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2、1/f噪聲if

半導(dǎo)體的表面、擴(kuò)散區(qū)域的邊緣以及本質(zhì)的缺陷灰產(chǎn)生1/f噪聲。對(duì)1/f噪聲的研究還不夠成熟。其功率譜密度函數(shù)一般采用如下的形式表示：式中b通常取1，a=1~2；KF稱為1/f噪聲系數(shù)，與二極管的物質(zhì)有關(guān)。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第41頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分3、散彈噪聲

散彈噪聲是由于電荷到達(dá)陽(yáng)極復(fù)合產(chǎn)生隨機(jī)脈沖的電流。流過(guò)半導(dǎo)體二極管的電流為：其中I0exp(qV/kT)為二極管的正向擴(kuò)散電流，-I0為反向飽和電流。兩種電流產(chǎn)生的噪聲是不相關(guān)的，總的噪聲均方值為：本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第42頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分當(dāng)零偏置時(shí)V＝0，此時(shí)，當(dāng)反向偏置時(shí)只有反向飽和電流，此時(shí)，當(dāng)充分正向偏置時(shí)正向電流大大于反向飽和電流，可以忽略反向飽和電流的散彈噪聲，此時(shí)，本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第43頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.4.2雙極型晶體管的噪聲模型

雙極型晶體管是兩個(gè)PN結(jié)組成的，它的噪聲與PN結(jié)中的載流子運(yùn)動(dòng)有關(guān)。在雙極型晶體管的正向工作區(qū)，進(jìn)入集電極－基極耗盡區(qū)的少數(shù)載流子被加速收集到集電極，電荷到達(dá)的時(shí)間是隨機(jī)的，使IC呈現(xiàn)全散彈噪聲特性。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第44頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分在基極和基極—發(fā)射極耗盡區(qū)的電子復(fù)合以及載流子從基極注入導(dǎo)發(fā)射極產(chǎn)生基極電流IB，

IB呈現(xiàn)全散彈噪聲特性，同時(shí)電子復(fù)合過(guò)程也產(chǎn)生爆裂噪聲和閃爍噪聲。三極管的基極電阻是物理電阻，產(chǎn)生熱噪聲。集電極引腳電阻rc也產(chǎn)生熱噪聲，當(dāng)考慮到于高阻抗的集電極串聯(lián)，可以忽略rc產(chǎn)生的熱噪聲。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第45頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分

雙極型晶體管(BJT)的噪聲特性可以采用混合p型等效電路來(lái)分析。共射極晶體管p型噪聲等效電路本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第46頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分各噪聲源分別是：①基區(qū)電阻rbb’產(chǎn)生的熱噪聲：eb

噪聲的均方值和功率譜密度分別為：式中rbb’為基區(qū)電阻，△f為帶寬，T為三極管的絕對(duì)溫度，k為波爾茲曼常數(shù)。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第47頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分②1/f噪聲：

if

1/f噪聲可以用一噪聲電流源等效。它的功率譜密度函數(shù)為：指數(shù)

在1～2之間,KF的值在很寬的范圍變化。

1/f噪聲功率譜密度函數(shù)也可表示為：fL稱為1/f噪聲的轉(zhuǎn)折頻率，在3.7MHz～

7MHz的范圍。當(dāng)f>fL時(shí)，1/f噪聲明顯小于熱噪聲和散彈噪聲，可以被忽略。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第48頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分③散彈噪聲散彈噪聲包含基極電流IB產(chǎn)生的全散彈噪聲和集電極電流IC的全散彈噪聲。這兩種噪聲存在很弱的相關(guān)性，一般情況下可以忽略。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第49頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分④爆裂噪聲（分配噪聲）載流子在基區(qū)分配比例隨機(jī)變化所產(chǎn)生的噪聲稱為分配噪聲icp。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第50頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分⑤信號(hào)源電阻Rs產(chǎn)生的熱噪聲：ens2本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第51頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.4.3雙極型晶體管的等效輸入噪聲將混p噪聲模型化為En-In模型本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第52頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分

計(jì)算等效輸入噪聲，首先計(jì)算在輸出端總的噪聲和總增益，然后用增益除總噪聲得到等效輸入噪聲。當(dāng)輸出開(kāi)路時(shí)，輸出噪聲電流為：本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第53頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分共射極晶體管p型噪聲等效電路本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第54頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分當(dāng)輸入信號(hào)為Vs，輸出的開(kāi)路電流為：輸出增益為：等效輸入噪聲為：本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第55頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分當(dāng)源電阻為零時(shí)：用源電阻Rs2除Eni2，得In2。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第56頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.5場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲特性場(chǎng)效應(yīng)管的內(nèi)部噪聲源場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲等效本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第57頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.5.1場(chǎng)效應(yīng)管的內(nèi)部噪聲源①溝道熱噪聲id

由導(dǎo)電溝道電阻產(chǎn)生的噪聲。與一般電阻不同，溝道電阻的大小是受到柵極電壓控制。

gm場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移跨導(dǎo)。g

為與場(chǎng)效應(yīng)管的型式、尺寸和偏置有關(guān)的系數(shù)。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第58頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分②柵極散粒噪聲ig

柵極散粒噪聲是由流過(guò)柵源之間PN結(jié)的反向電流IG引起的。其功率譜密度和均方值分別為：式中IG為柵極泄漏電流。由于IG很?。?0-7～10-9A），所以噪聲ig的功率譜密度也很小，一般情況下可以忽略。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第59頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分③柵極感應(yīng)噪聲ing

溝道中的起伏噪聲通過(guò)溝道與柵極之間的電容，在柵極上感應(yīng)產(chǎn)生的噪聲。工作頻率越高，該噪聲影響越大。感應(yīng)噪聲ing的功率譜密度為：式中Gis為共源極輸入電導(dǎo)；K1是與柵源、漏源電壓有關(guān)的系數(shù)。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第60頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分④

1/f

噪聲if

與雙極型晶體管一樣，場(chǎng)效應(yīng)管也存在1/f噪聲，其產(chǎn)生機(jī)理和形態(tài)與雙極晶體管大致相同。其功率譜密度為：均方值為：式中ID為漏極電流。當(dāng)工作頻率高于幾百赫茲時(shí)，1/f噪聲可以忽略。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第61頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.5.2場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲等效①結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲等效電路本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第62頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分②噪聲電壓源En－電流源In等效本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第63頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分③En等效計(jì)算將1/f

噪聲if和溝道熱噪聲id等效為輸入端的電壓噪聲源En

，有：本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第64頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分④In的等效計(jì)算將ing和ig的疊加等效為In

，其均方值為：本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第65頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.6運(yùn)算放大器的噪聲特性等效輸入噪聲模型噪聲性能計(jì)算本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第66頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.6.1運(yùn)算放大器的等效輸入噪聲模型①運(yùn)算放大器內(nèi)部的固有噪聲晶體管－PN結(jié)－－－散彈噪聲電阻－－－－－－－熱噪聲內(nèi)部金屬接觸－－－1/f噪聲本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第67頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分②等效輸入噪聲模型將運(yùn)算放大器的內(nèi)部噪聲等效到連接在輸入端的噪聲電壓源en和噪聲電流源in。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第68頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分運(yùn)算放大器的噪聲指標(biāo)主要由生產(chǎn)廠家根據(jù)產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果給出，用戶根據(jù)自己的需要選擇合適的運(yùn)算放大器型號(hào)。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第69頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分幾種常用運(yùn)算放大器的噪聲指標(biāo)本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第70頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.6.2運(yùn)放放大電路的噪聲性能計(jì)算同相/反相放大電路的噪聲差分運(yùn)放放大電路的噪聲本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第71頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分1、同相/反相放大電路的噪聲計(jì)算

運(yùn)算放大器的放大電路

分析采用運(yùn)算放大器放大電路的噪聲，將電阻的噪聲加入到電路中，然后將輸入接到地。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第72頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分運(yùn)算放大器噪聲的分析電路本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第73頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分①分析方法a.各個(gè)噪聲源是獨(dú)立的；b.器件都假設(shè)為無(wú)噪的；c.運(yùn)算放大器建設(shè)為理想的；d.總的噪聲為各個(gè)噪聲疊加。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第74頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分②R1貢獻(xiàn)的噪聲E1本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第75頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分③R2貢獻(xiàn)的噪聲E2本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第76頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分④R3貢獻(xiàn)的噪聲E3本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第77頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分⑤電阻熱噪聲總的貢獻(xiàn)ERrms本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第78頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分將ERrms等效到輸入端EiRrms本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第79頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分

選擇

R3等于R1

與

R2

的并聯(lián)值（＝R1R2

/(R1+R2

)）。上式可簡(jiǎn)化為：本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第80頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分⑥電壓噪聲源ep的貢獻(xiàn)Ep本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第81頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分⑦電流噪聲源inp的貢獻(xiàn)Enp本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第82頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分⑧電流噪聲源inn的貢獻(xiàn)Enn本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第83頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分⑨運(yùn)算放大器總的噪聲貢獻(xiàn)本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第84頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分⑩總的噪聲ENB為等效噪聲帶寬。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第85頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2、差分運(yùn)放放大電路的噪聲計(jì)算本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第86頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分①R1貢獻(xiàn)的噪聲E1本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第87頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分②R2貢獻(xiàn)的噪聲E2本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第88頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分③R3貢獻(xiàn)的噪聲E3本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第89頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分④R4貢獻(xiàn)的噪聲E4本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第90頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分⑤電阻熱噪聲總的貢獻(xiàn)本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第91頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分⑥電壓噪聲源ep的貢獻(xiàn)Ep本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第92頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分⑦電流噪聲源inp的貢獻(xiàn)Enp本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第93頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分⑧電流噪聲源inn的貢獻(xiàn)Enn本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第94頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分⑨運(yùn)算放大器總的噪聲貢獻(xiàn)本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第95頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分⑩總的噪聲本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第96頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分簡(jiǎn)化結(jié)果本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第97頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.7低噪聲放大器設(shè)計(jì)有源器件的選擇偏置電路與直流工作點(diǎn)的選擇噪聲匹配反饋電路設(shè)計(jì)高頻低噪聲放大器設(shè)計(jì)考慮本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第98頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.7.1有源器件的選擇輸入端有源器件可以選擇分立得晶體管，也可選擇雙極晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管＋I(xiàn)C。有源器件得選擇主要取決于源阻抗和頻范圍。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第99頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分各種有源器件適應(yīng)的源電阻范圍本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第100頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.7.2偏置電路與直流工作點(diǎn)的選擇1、偏置電路①無(wú)噪偏置電路本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第101頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分②通過(guò)信號(hào)源偏置如果允許偏置電流流過(guò)信號(hào)源，可以采用如下的偏置電路，電容C將偏置電阻的熱噪聲和1/f噪聲旁路。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第102頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分③扼流圈偏置如果C足夠大，R3和R4的噪聲不會(huì)耦合導(dǎo)放大電路中。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第103頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分④調(diào)諧電路偏置如果C足夠大，R3和R4的噪聲不會(huì)耦合導(dǎo)放大電路中。同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)線圈抽頭位置，實(shí)現(xiàn)阻抗變換目的。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第104頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2、直流工作點(diǎn)選擇在直接耦合方式的放大電路中，必須選擇合適的工作點(diǎn)，以使放大器的最佳源電阻Rs0等于信號(hào)源電阻Rs，獲得最小的噪聲系數(shù)Fmin。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第105頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分對(duì)于不同的Rs，有一個(gè)最佳的Ic，使噪聲系數(shù)最小。對(duì)于晶體管，在中頻范圍內(nèi)忽略低頻和高頻噪聲，最佳源阻抗為：式中re=kT/qIE。b0是IE的函數(shù)，故RS0也是IE的函數(shù)。調(diào)整工作點(diǎn)電流Ic(或IE)，可以得到噪聲匹配，噪聲系數(shù)達(dá)到最小。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第106頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分令b0為常數(shù)，略去rbb’項(xiàng)，則故最佳工作點(diǎn)為：RS的范圍在幾千歐至幾十千歐。RS增大，最佳集電極電流IC0就減少。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第107頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.7.3噪聲匹配噪聲匹配：選擇放大電路的最佳源電阻Rs0等于信號(hào)源的輸出電阻Rs，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)最小。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第108頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分1、調(diào)整工作點(diǎn)進(jìn)行噪聲匹配的局限性當(dāng)放大電路設(shè)計(jì)制作完成之后，其噪聲因素NF隨源電阻和頻率f變化的關(guān)系就確定。

同樣，對(duì)每個(gè)固定的工作頻率f，也可以得到NF隨源電阻Rs和工作點(diǎn)電流Ic的NF等值圖。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第109頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分

對(duì)各種不同的Rs，都能找到一個(gè)最佳工作點(diǎn)和相應(yīng)的NF。但這個(gè)工作點(diǎn)并不是晶體管的最小噪聲系數(shù)位置。如上圖中，但Rs

＝400W，最佳工作點(diǎn)若為Ic＝1mA（圖中的A點(diǎn)），這時(shí)的最小噪聲系數(shù)為3dB；而該晶體管可以到達(dá)的最小噪聲系數(shù)在B點(diǎn)（NF<1dB）,最佳源電阻Rs0就不等于Rs。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第110頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2、變壓器噪聲匹配利用變壓器對(duì)信號(hào)源電阻Rs進(jìn)行變換，使之與放大器的最佳源電阻Rs0相等，達(dá)到噪聲匹配。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第111頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分匹配后:本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第112頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分例本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第113頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分解：當(dāng)不使用變壓器匹配時(shí)的噪聲系數(shù)為：當(dāng)使用變壓器匹配時(shí)的噪聲系數(shù)為：功率信噪比改善因子為：本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第114頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分3、有源器件并聯(lián)噪聲匹配對(duì)直接耦合方式，如果源電阻Rs很小，可以采用多個(gè)晶體管并聯(lián)工作方式來(lái)降低電路的最佳源電阻。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第115頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分并聯(lián)后的最佳源電阻和噪聲系數(shù)分別為：等效噪聲為：本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第116頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分結(jié)論多管并聯(lián)方式可以降低放大器的最佳源阻抗，適合與源電阻低的信號(hào)源匹配，達(dá)到最小噪聲系數(shù)的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮到并聯(lián)管子的數(shù)目N是整數(shù)；同時(shí)N的值不能過(guò)大，N過(guò)大就可能失去意義。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第117頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分4、復(fù)源阻抗的噪聲匹配①并聯(lián)諧振回路方式②串聯(lián)諧振回路方式本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第118頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分①并聯(lián)諧振回路方式采用并聯(lián)諧振回路，不僅可以起到噪聲的匹配，而且還可以充分濾除帶外噪聲及干擾。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第119頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分(a)信號(hào)源電導(dǎo)gs大于晶體管電導(dǎo)gs0信號(hào)源導(dǎo)納gs-jbs折合到晶體管輸入端：其中p為電感的接入系數(shù)。如果要噪聲匹配，必須：其中g(shù)0為回路損耗。為了減少g0的影響，一般希望電感L有高Q值。調(diào)節(jié)C使噪聲匹配，但此時(shí)電路是失諧的。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第120頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分(b)信號(hào)源電導(dǎo)gs小于晶體管電導(dǎo)gs0本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第121頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分②串聯(lián)諧振回路方式高頻信號(hào)源的源阻抗很小，需采用串聯(lián)諧振回路方式來(lái)實(shí)現(xiàn)噪聲匹配。信號(hào)源阻抗Rs

和Ls匹配電容本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第122頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分阻抗為回路諧振時(shí)，有：可見(jiàn)，如果要噪聲匹配，就必須：既要噪聲匹配，又要諧振，比較困難。實(shí)際情況是調(diào)節(jié)C，滿足Rs’=Rs0，Xs’+X0=Xs0。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第123頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分2.7.4反饋電路設(shè)計(jì)反饋電路不會(huì)影響放大器本身的固有噪聲，但會(huì)改變放大電路的增益和帶寬，同時(shí)反饋電路本身產(chǎn)生噪聲。本文檔共140頁(yè)；當(dāng)前第124頁(yè)；編輯于星期三\12點(diǎn)15分1、電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器電路的電壓放大倍數(shù)K=-Rf/R