前置放大器噪聲特性指標(biāo)的研究

前置放大器噪聲特性指標(biāo)的研究

0低噪聲前置放大器在各種薄弱信號檢測系統(tǒng)和高靈敏度自動設(shè)備中，為了獲得正確、可靠的信息，大多數(shù)都配備了各種性能傳感器。傳感器輸出信號往往十分微弱,只有微伏級,有時甚至有強(qiáng)烈的電磁及外界噪聲干擾。為了高精度地檢測及傳送微弱信號,一個重要的措施就是選擇具有抗強(qiáng)干擾的低噪聲前置放大器。根據(jù)傳感器的內(nèi)阻不同,應(yīng)選擇不同的低噪聲前置放大器。本文主要針對低內(nèi)阻的傳感器合理選擇低噪聲前置放大器的有源器件,以達(dá)到最佳噪聲匹配。1硫特性分析任何一個放大器內(nèi)部都有噪聲源,而前置放大器的噪聲主要由有源器件引起。通常衡量一個放大器的噪聲特性用噪聲系數(shù)(NoiseFacter)或稱噪聲指數(shù)(NoiseFigure),其大小等于輸入端的總輸出噪聲與輸入端噪聲之比。為了使問題簡單化,在分析放大器噪聲特性時,一般把所有內(nèi)部噪聲源折合為放大器輸入端的等效噪聲源來分析。前置放大器與信號源連接的實際電路與等效噪聲模型如圖1(a)、(b)所示。圖1中,RS為信號源的內(nèi)阻;En、In分別為等效輸入端噪聲電壓、電流;Ent為電阻的熱噪聲電壓;Vs為被測信號電壓。由圖1可得信號源的熱噪聲為:式中K為波爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度;!f為噪聲帶寬。等效輸入噪聲為:總的等效輸出噪聲為:噪聲系數(shù)為:由上式知,放大器固有噪聲越小,F越小,則放大微弱信號的能力越強(qiáng)。反之,其噪聲性能越差。由此可以看出,設(shè)計低噪聲放大器時應(yīng)盡可能選擇En、In較小的器件。2噪聲平衡2.1集成運放、fet和bjt對rs0rs的影響根據(jù)RS的不同,選擇合適的有源器件使得RS0≈RS,以便在直接耦合方式下達(dá)到最佳噪聲匹配。圖2是幾種有源器件內(nèi)阻的分布圖(放大器有源器件的選導(dǎo)圖)。從圖2可知,傳感器內(nèi)阻為幾十歐到幾百歐常采用三極管直接匹配;而內(nèi)阻在幾百歐至1MΩ之間,集成運放、FET和BJT均可在直接耦合下滿足RS0≈RS的要求。其中集成運放體積小、應(yīng)用方便,但噪聲比分立元件大2~5倍;而FET一般在源電阻較大時較為理想,因其In遠(yuǎn)小于BJT,而En比BJT的略大或相當(dāng),故FET的最佳源電阻RS0要遠(yuǎn)大于BJT的RS0,二者的關(guān)系如圖3所示。從圖3中可看出,雖然BJT的RS0隨頻率增加而增大,而JFET的RS0隨著頻率增大而減少,但總的來說,BJT的RS0總比JFET的RS0低。所以在低噪聲前置放大器設(shè)計中,對于較小的內(nèi)阻RS,采用BJT最合適。但其PNP和NPN型也有差別,PNP管子用于稍小源電阻的場合,而NPN型用于稍大源電阻的場合。2.2連接方法當(dāng)有源器件內(nèi)阻低于幾十歐時,為了達(dá)到噪聲匹配往往采用下面幾種耦合方式。(1)變壓器內(nèi)阻噪聲變壓器耦合法就是利用變壓器的阻抗變換原理改變信號源的內(nèi)阻,來達(dá)到噪聲最佳匹配,其實際電路與理想等效噪聲模型如圖4。故對于不同內(nèi)阻的信號源,通過改變變壓器的匝數(shù)很容易達(dá)到噪聲最佳匹配。但在實際應(yīng)用中,使用變壓器耦合會帶來一定的局限性:①變壓器的線圈與鐵芯有損耗電阻,產(chǎn)生熱噪聲,并對信號有衰減作用,使得信噪比與整機(jī)的噪聲系數(shù)變壞;②被測信號必須是頻率較高的交流信號;但當(dāng)頻率過高時,變壓器的分布電容和分布電感會帶來不利影響;③制作變壓器是一種比較復(fù)雜的技術(shù)。(2)ss0的電路等效噪聲模型當(dāng)RS<RS0時,添加一個與信號源相串聯(lián)的電阻RS1,使得RS0=RS+RS1,添加后的電路等效噪聲模型如圖5所示。顯然噪聲系數(shù)變大,并隨RS1的增大使F′變大,故此方法不利于降噪,只會使其惡化。(3)個別晶體串聯(lián)用N個噪聲性能相同的有源器件并聯(lián),減少RS0,N的選擇可以根據(jù)RS的大小決定,圖6為N個晶體管并聯(lián)的等效電路?？梢姴⒙?lián)可以降低放大器的RS0及En,并達(dá)到最佳噪聲匹配。雖然并聯(lián)后等效噪聲電流增大,但對于很小RS,En對F占主要作用,In引起的噪聲很小,故并聯(lián)法更有利于降低F。運放、場效應(yīng)管也可以采用此方法,但對于低RS,其噪聲性能略差于采用BJT。3車橋比和電極電流nf的噪聲系數(shù)d對于直接耦合的前置放大電路,當(dāng)有源器件選定后,必須選擇合適的工作點使得其噪聲最小。由前面分析可知Fmin與放大器的En及In有關(guān),而En、In與有源器件的工作點有關(guān)。圖7是BJT的噪聲系數(shù)與工作點的曲線圖。由7圖可知:RS、NF、集電極電流(Ic)是一一對應(yīng)的,并隨Ic的增大而減少,當(dāng)RS選定,要得到最小的噪聲系數(shù),就要選擇合適低的Ic。晶體管一般在很小的Ic下就可以工作,且用單電源供電,故電路的功耗也比較低。4器件的優(yōu)缺點對于較小源電阻的微弱信號放大,單級或多級并聯(lián)雙極型晶體管是最理想的前置放大器有源器件,其有下面幾個優(yōu)點:(1)等效噪聲電