第二部分-放大器的噪声源和噪声特性课件.ppt

1、 低噪声放大电路设计与应用 放大器的噪声源和噪声特性1.0 引言引言1.1 放大器的噪声系数放大器的噪声系数1.2 放大器的噪声性能分析放大器的噪声性能分析1.3 分立元器件噪声分析分立元器件噪声分析1.4 运算放大器的噪声特性运算放大器的噪声特性1.5 放大器噪声系数测量放大器噪声系数测量1.6 低噪声放大器设计低噪声放大器设计 低噪声放大电路设计与应用 1.0 引言(1)(1)电子噪声的两种定义电子噪声的两种定义:一是由于电荷载体的随一是由于电荷载体的随机运动所导致的电压或电流的随机波动机运动所导致的电压或电流的随机波动,另一种另一种是污染或干扰有用信号的不期望的信号是污染或干扰有用信号的

2、不期望的信号。(2)第二种噪声定义的范围更广，它既包括电路内第二种噪声定义的范围更广，它既包括电路内部产生的噪声，也包括来自电路外部的干扰。叠部产生的噪声，也包括来自电路外部的干扰。叠加在有用信号上的外部干扰噪声可能是随机的，加在有用信号上的外部干扰噪声可能是随机的，也可能是确定性的。也可能是确定性的。(3)由组成检测电路的元件产生的内部噪声称为固有由组成检测电路的元件产生的内部噪声称为固有噪声，它是由电荷载体的随机运动所引起的。噪声，它是由电荷载体的随机运动所引起的。低噪声放大电路设计与应用 1.0 引言爆裂噪声爆裂噪声 低噪声放大电路设计与应用 1.0 引言(4)(4)电子系统内部几乎所有

3、的器件本身往往就是噪电子系统内部几乎所有的器件本身往往就是噪声源声源,在放大微弱信号的同时在放大微弱信号的同时,这些噪声源产生的这些噪声源产生的噪声同样会被放大噪声同样会被放大.即使电子系统外部的所有干即使电子系统外部的所有干扰噪声都被有效地抑制掉扰噪声都被有效地抑制掉,放大器也会输出一定放大器也会输出一定幅度的噪声幅度的噪声.(5)在各种测试系统中在各种测试系统中,固有噪声的大小决定了系统固有噪声的大小决定了系统的分辨率和可检测的最小信号幅度的分辨率和可检测的最小信号幅度.(6)电子系统内部的固有噪声具有随机的性质电子系统内部的固有噪声具有随机的性质,其瞬其瞬时幅度不可预测时幅度不可预测,只

4、能用概率和统计的方法来表只能用概率和统计的方法来表述其大小和特征述其大小和特征.低噪声放大电路设计与应用 1.0 引言(7)微弱信号检测的目的是从噪声中恢复被测信号微弱信号检测的目的是从噪声中恢复被测信号.为了把微弱信号放大到可以感知的水平为了把微弱信号放大到可以感知的水平,必须使必须使用放大电路用放大电路.放大器在放大有用信号的同时也放放大器在放大有用信号的同时也放大了噪声大了噪声,不仅如此不仅如此,实际放大器本身还要产生额实际放大器本身还要产生额外的噪声外的噪声,不合理的电路结构还可能引入外界干不合理的电路结构还可能引入外界干扰噪声扰噪声,使得被测信号中的噪声进一步增加使得被测信号中的噪声

5、进一步增加.结论：结论：分析与设计低噪声放大电路对于检测微弱信分析与设计低噪声放大电路对于检测微弱信 号是至关重要的号是至关重要的!低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源1.1.热噪声热噪声 任何电阻或导体任何电阻或导体,即使没有连接到任何信号源或即使没有连接到任何信号源或电源电源,也没有任何电流流过该电阻也没有任何电流流过该电阻,其两端也会呈现其两端也会呈现噪声电压起伏噪声电压起伏,这就是电阻的热噪声这就是电阻的热噪声.它起源于电阻它起源于电阻中电子的随机热运动中电子的随机热运动,导致电阻两端电荷的瞬时堆导致电阻两端电荷的瞬时堆积积,形成噪声电压形成噪声电压.1928年年,John

6、son首先发现热噪声首先发现热噪声.Nyquist用用数学方式描述了热噪声的统计特性数学方式描述了热噪声的统计特性.低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源1.1.热噪声热噪声 热噪声的功率谱密度函数和等效功率分别为热噪声的功率谱密度函数和等效功率分别为:2t2tttt()4(V/Hz)()d4d4(V)4(V)BBSfkTRPSffkTR fkTRBEPkTRB 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源1.1.热噪声热噪声 由量子理论得到的更精确的热噪声功率谱密度函由量子理论得到的更精确的热噪声功率谱密度函数表达式为数表达式为:t4()exp(/()1hfRSfhfkT 低噪

7、声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源1.1.热噪声热噪声 （1）等效电压源：电压恒定，和电流无关）等效电压源：电压恒定，和电流无关（2）等效电流源：电流恒定，和电压无关）等效电流源：电流恒定，和电压无关)(理想电阻RkTBRt4E)(理想电阻RRkTBt/4E 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源1.1.热噪声热噪声 21RR)(4E21RRkTBt电阻串联电阻串联噪声电路21eeettt 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源1.1.热噪声热噪声 21RR)(4E21RRkTBt21eeettt)ee()E(e2212tttE)ee2ee()E(e2122212

8、tttttE)ee2()e()e()E(e2122212tttttEEE)e()e()E(e22212tttEE0 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源1.1.热噪声热噪声 12E4()tkTB RR（1）热噪声相加，然后求均方值，两个信号不相关。）热噪声相加，然后求均方值，两个信号不相关。（2）功率加和，得到）功率加和，得到等效功率等效功率，再得到电压有效值。，再得到电压有效值。（3）有效电压不能简单加和，应该是利用统计平均）有效电压不能简单加和，应该是利用统计平均等到。等到。（4）等效电路的电阻加和。）等效电路的电阻加和。21RR)(4E21RRkTBt 低噪声放大电路设计与应

9、用 电子系统内部固有噪声源1.1.热噪声热噪声 12122211ettteRRReRRR 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源1.1.热噪声热噪声 1212E4()tRRkTBRR（1）功率加和，得到等效功率，再求有效电压）功率加和，得到等效功率，再求有效电压（2）对每一路噪声电压进行分压）对每一路噪声电压进行分压（3）等效电路的电阻并联）等效电路的电阻并联)/(2121RRRR21214ERRRRkTBt 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源1.1.热噪声热噪声 无源元件的任意连接所产生的热噪声等于无源元件的任意连接所产生的热噪声等于等效网等效网络阻抗的实部电阻络阻抗

10、的实部电阻所产生的热噪声。所产生的热噪声。低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源1.1.热噪声热噪声 并联电容后，无论什么阻值，只要电容一定，温度并联电容后，无论什么阻值，只要电容一定，温度一定，噪声有效值一定，但是功率谱分布变化。一定，噪声有效值一定，但是功率谱分布变化。低噪声放大电路设计与应用 低噪声放大电路设计与应用 21eq21212221212212122222221211()1j/()1jj()()j1()1()R RCZRRCRRCR R RR CRR RCRR CRRCRRCneq4Re()4.69nVVkTBZ 低噪声放大电路设计与应用 EQ600R2152noEQ

11、49.94 10VEkTBRno0.1VEno63VkTEC 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源2.PNPN结的散弹噪声结的散弹噪声 在半导体器件中在半导体器件中,越过越过PN结的载流子的随机扩散结的载流子的随机扩散以及空穴电子对的随机产生与复合导致散弹噪声以及空穴电子对的随机产生与复合导致散弹噪声.凡是具有凡是具有PN结的器件均存在这种散弹噪声结的器件均存在这种散弹噪声.散弹散弹噪声电流是一种白噪声噪声电流是一种白噪声,其功率谱密度函数为其功率谱密度函数为:2shdcshshdcshshdc()2(A/Hz)()d22BSfqIPSffqI BIPqI B 低噪声放大电路设计与

12、应用 电子系统内部固有噪声源2.PNPN结的散弹噪声结的散弹噪声 为了减小散弹噪声的不利影响为了减小散弹噪声的不利影响,流过流过PN结的平均结的平均直流电流应该越小越好直流电流应该越小越好.低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源3.1/1/f噪声噪声 1/f噪声是由两种导体的接触点电导的随机涨落引噪声是由两种导体的接触点电导的随机涨落引起的起的,凡是有导体接触不理想的地方都存在凡是有导体接触不理想的地方都存在1/f噪声噪声.因为其功率谱密度正比于因为其功率谱密度正比于1/f,频率越低频率越低1/f噪声越严噪声越严重重,所以所以1/f噪声又称为低频噪声噪声又称为低频噪声.212dc2d

13、c21()()dln(/)fffffffK ISffPSffK Iff 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源3.1/1/f噪声噪声 在碳电阻中在碳电阻中,电流必须流过许多碳粒之间的接触电流必须流过许多碳粒之间的接触点点,所以它的所以它的1/f噪声很严重噪声很严重.金属膜电阻的金属膜电阻的1/f噪声噪声要轻微得多要轻微得多,最好是金属丝线绕电阻最好是金属丝线绕电阻.低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源4.爆裂噪声爆裂噪声 是一种流过半导体是一种流过半导体PN结电流的突然变化结电流的突然变化.原因是原因是半导体材料中的杂质半导体材料中的杂质(通常是金属杂质通常是金属杂质),

14、这些杂质这些杂质能随机发射或捕获载流子能随机发射或捕获载流子.爆裂噪声爆裂噪声 低噪声放大电路设计与应用 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源4.爆裂噪声爆裂噪声 (1)爆裂噪声通常是由一系列宽度不同爆裂噪声通常是由一系列宽度不同,而幅度基本而幅度基本相同的随机电流脉冲组成相同的随机电流脉冲组成,脉冲的宽度可在几微秒脉冲的宽度可在几微秒到到0.1s 量级之间变化量级之间变化,脉冲的幅度约为脉冲的幅度约为0.01uA-0.001uA量级量级.(2)因为脉冲的幅度只是因为脉冲的幅度只是PN结杂质特性的函数结杂质特性的函数,对对于某个特定的半导体器件样品于某个特定的半导体器件样品,爆裂噪

15、声的幅度是爆裂噪声的幅度是固定的固定的,所以通常的爆裂噪声电流只在两种电流值所以通常的爆裂噪声电流只在两种电流值之间切换之间切换.(3)取决于半导体制作工艺和材料中杂质的情况取决于半导体制作工艺和材料中杂质的情况,爆裂噪声脉冲出现的频率可在每秒几百个到几分爆裂噪声脉冲出现的频率可在每秒几百个到几分钟一个之间变化钟一个之间变化.低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源4.爆裂噪声爆裂噪声 低噪声放大电路设计与应用 1.1 放大器的噪声系数(1)任何电路都有很多噪声源在同时作用任何电路都有很多噪声源在同时作用.热噪声热噪声,散弹噪声散弹噪声,1/f噪声噪声,爆裂噪声爆裂噪声(2)从设计和调

16、试的角度出发从设计和调试的角度出发,人们关心的是整体电人们关心的是整体电路的噪声特性路的噪声特性,而不是各个独立的噪声源的噪声而不是各个独立的噪声源的噪声特性特性.这就需要定义一些整体电路的噪声特性指这就需要定义一些整体电路的噪声特性指标标,以便以便衡量电路噪声特性的优劣衡量电路噪声特性的优劣,进行不同电路进行不同电路的性能对比的性能对比,并利用这些性能指标对电路进行改并利用这些性能指标对电路进行改进和优化进和优化.(3)噪声系数和噪声因数噪声系数和噪声因数就是这样的指标就是这样的指标.低噪声放大电路设计与应用 1.1.1 噪声系数和噪声因数 1.1.噪声系数噪声系数(noise factor

17、)(noise factor)当衡量一个有源器件的噪声特性时当衡量一个有源器件的噪声特性时,人们更为关人们更为关注信号被放大和传递过程中信噪比的变化情况注信号被放大和传递过程中信噪比的变化情况,为此引入为此引入噪声系数噪声系数F这一重要指标这一重要指标,以衡量有源器以衡量有源器件的噪声特性的优劣件的噪声特性的优劣.低噪声放大电路设计与应用 1.1.1 噪声系数和噪声因数一、噪声系数噪声系数(noise factor)(noise factor)低噪声放大电路设计与应用 1.1.1 噪声系数和噪声因数一、噪声系数噪声系数(noise factor)(noise factor)低噪声放大电路设计与

18、应用 1.1.1 噪声系数和噪声因数 1.噪声系数噪声系数(noise factor)(noise factor)(1)噪声系数噪声系数F表征二端口网络对信噪比影响的情况表征二端口网络对信噪比影响的情况.对于一个无噪声的理想放大器对于一个无噪声的理想放大器,F=1;而对于具有而对于具有内部噪声源的实际放大器内部噪声源的实际放大器,F1.F越大越大,说明放大说明放大器内部噪声越严重器内部噪声越严重.(2)噪声系数随放大器的噪声系数随放大器的偏置电流偏置电流,工作频率工作频率,温度及温度及信号源内阻信号源内阻而变化而变化,在谈及一个放大器的噪声系在谈及一个放大器的噪声系数是多少时数是多少时,必须说

19、明上述工作条件必须说明上述工作条件.低噪声放大电路设计与应用 1.1.1 噪声系数和噪声因数二、噪声因数噪声因数(noise figure)(noise figure)FNFlg10(1)利用噪声因数利用噪声因数NF的对数特性的对数特性,可以把噪声系数可以把噪声系数F的相乘运算化解为相加运算的相乘运算化解为相加运算.(2)低噪声放大器的噪声因数小低噪声放大器的噪声因数小.对于自身不产生任对于自身不产生任何噪声的理想放大器何噪声的理想放大器,其噪声因数为零其噪声因数为零.(3)噪声因数越大噪声因数越大,说明放大器的噪声性能越差说明放大器的噪声性能越差.(4)低噪声设计的目的是使放大器的低噪声设计

20、的目的是使放大器的NF值尽量地小值尽量地小.低噪声放大电路设计与应用 1.1.1 噪声系数和噪声因数三、可检测的最小信号可检测的最小信号 低噪声放大电路设计与应用 1.1.2 级联放大器的噪声系数 M级级联放大器总的噪声系数级级联放大器总的噪声系数F的弗里斯公式的弗里斯公式:121213121111MMKKKFKKFKFFF 低噪声放大电路设计与应用 1.1.2 级联放大器的噪声系数 低噪声放大电路设计与应用 1.2 放大器的噪声性能分析 任何一个放大器内部都有许多噪声源任何一个放大器内部都有许多噪声源(包括电阻包括电阻,晶体管等晶体管等),为了使问题简化为了使问题简化,在放大器的噪声分析在放

21、大器的噪声分析,噪声指标计算及低噪声电子设计中噪声指标计算及低噪声电子设计中,一般都是把一般都是把所有内部噪声源都折合到放大器的输入端所有内部噪声源都折合到放大器的输入端,用输用输入端的等效噪声源来表示入端的等效噪声源来表示.低噪声放大电路设计与应用 几个基本概念(1)en表示等效输入噪声电压表示等效输入噪声电压,(2)in表示等效输入噪声电流表示等效输入噪声电流.(3)En表示中心频率为表示中心频率为f的窄带宽的窄带宽f内的等效输入噪内的等效输入噪声电压有效值声电压有效值,(4)In表示同样带宽表示同样带宽f内的等效输入噪声电流有效内的等效输入噪声电流有效值值,(5)E2n和和I2n分别为等

22、效输入噪声电压和电流的功率分别为等效输入噪声电压和电流的功率.(6)Snv(f)为等效输入噪声电压的功率谱密度为等效输入噪声电压的功率谱密度 (7)Sni(f)为等效输入噪声电流的功率谱密度为等效输入噪声电流的功率谱密度 (8)eN为等效输入噪声电压的平方根谱密度为等效输入噪声电压的平方根谱密度 (9)iN为等效输入噪声电流的平方根谱密度为等效输入噪声电流的平方根谱密度 低噪声放大电路设计与应用 几个基本概念22nvn22ninNnvnNnin()=/(V/Hz)()=/(A/Hz)=()=/(V/Hz)=()=/(A/Hz)SfEfSfIfeSfEfiSfIf 低噪声放大电路设计与应用 1.

23、2.1 放大器的等效输入噪声 等效噪声输入电路的总噪声功率等效噪声输入电路的总噪声功率:22222nitnn222nn4sssEEEI RkTRfEI R 低噪声放大电路设计与应用 1.2.1 放大器的等效输入噪声22222nitnn222nn4sssEEEI RkTRfEI R 低噪声放大电路设计与应用 1.2.2 最佳源电阻及噪声匹配2222222nonnnnni2nit222NN414414ssspssssPkTRfEI REI REFP KEkTRfkTRfei RFkTR 只有当只有当Rs为最佳源电阻为最佳源电阻Rso时时,噪声系数才能达到其噪声系数才能达到其最小值最小值,这种情况称

24、为噪声匹配这种情况称为噪声匹配.NnnNN Nnnmin1122soeERIie iE IFkTBkT 低噪声放大电路设计与应用 1.2.2 最佳源电阻及噪声匹配 由最佳源电阻不一定能得到最大的功率增益由最佳源电阻不一定能得到最大的功率增益,Rso是是能给出最大信噪比的源电阻数值能给出最大信噪比的源电阻数值.选择最佳源电选择最佳源电阻的目的不是要达到功率匹配阻的目的不是要达到功率匹配,而是要达到噪声而是要达到噪声匹配匹配.低噪声放大电路设计与应用 1.2.3 噪声因数等值图(NF图)低噪声放大电路设计与应用 1.2.4 等效噪声温度222222nanitnnsEEEEI R2222nannse

25、ss44EEI RTkRfkRf222nnsesss114EI RTFkT RfT e0(1)TFT 低噪声放大电路设计与应用 1.2.4 等效噪声温度e0(1)TFT 低噪声放大电路设计与应用 510103.162F 2162ni45.06 10V/HzsEFkTR0e(1)2.162*290K=626.98K=354 CTFT 低噪声放大电路设计与应用 2snos4R REkTfRR22ss()RARRs22nosssni22ss4()4()R RkTfERRRR REkTfRARRRss2ssni2ts()4()14RR RkTfRRRERFEkTRfRR 低噪声放大电路设计与应用 1.

26、3 分立元器件噪声分析 电阻、电感、电容器、二极管、晶体管、场效应管电阻、电感、电容器、二极管、晶体管、场效应管 一、电阻的噪声一、电阻的噪声 电阻的噪声有两种：热噪声和过剩噪声。电阻的噪声有两种：热噪声和过剩噪声。1.1.热噪声热噪声4tEkTR f 2.过剩噪声过剩噪声 过剩噪声是电流通过不连续介质时产生的，与制过剩噪声是电流通过不连续介质时产生的，与制作电阻的材料及工艺有关。作电阻的材料及工艺有关。222()DCexKIREff 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析 电阻、电感、电容器、二极管、晶体管、场效应管电阻、电感、电容器、二极管、晶体管、场效应管 一、电阻的噪声一

27、、电阻的噪声 2.过剩噪声过剩噪声 过剩噪声也可用噪声指数过剩噪声也可用噪声指数NI来表示。来表示。NI的定义是：的定义是：电阻两端每电阻两端每1V直流压降在十倍频内产生的过剩噪直流压降在十倍频内产生的过剩噪声均方根电压值（声均方根电压值（V），并以对数表示：），并以对数表示：DC20lg(/)(dB)exNIEV 考虑过剩噪声后，电阻的噪声功率谱为：考虑过剩噪声后，电阻的噪声功率谱为：22DC()4KIRS fkTRf 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析 电阻、电感、电容器、二极管、晶体管、场效应管电阻、电感、电容器、二极管、晶体管、场效应管 一、电阻的噪声一、电阻的噪声2

28、2DC()4KIRS fkTRf 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析 电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管 二、电容器的噪声二、电容器的噪声 （1）理想电容器不产生噪声，只有当电容器绝缘）理想电容器不产生噪声，只有当电容器绝缘电阻下降，产生漏电流时才有噪声产生。电阻下降，产生漏电流时才有噪声产生。（2）电路阻抗的实数部分产生热噪声。）电路阻抗的实数部分产生热噪声。低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析 电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管 二、电容器的噪声二、

29、电容器的噪声222211VssAR C222222222nonitnn2Vs(1)AssEEER CEI R22222notnn2222221()()11sssREEEIR CR C 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析 电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管 三、电感的噪声三、电感的噪声 （1）理想电感不产生噪声，但实际使用的电感线）理想电感不产生噪声，但实际使用的电感线圈有电阻。圈有电阻。（2）电路阻抗的实数部分产生热噪声。）电路阻抗的实数部分产生热噪声。低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析 电阻、电容器、电

30、感、二极管、晶体管、场效应管电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管 三、电感的噪声三、电感的噪声2222222notnn22222222221(1)(1)sssRLEEEILCR CLCR C2222221(1)VssALCR C2222222222222nonitnn2Vs(1)()AssEEELCR CEIRL 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析 电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管 四、半导体二极管的噪声模型四、半导体二极管的噪声模型0121020exp(/)1exp(/)IIqV kTIIIIIIqV kT 1

31、.1.散弹噪声散弹噪声21022022212022exp(/)21 exp(/)shiqIfiqIfqV kTiiiqIfqV kT 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析 电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管 四、半导体二极管的噪声模型四、半导体二极管的噪声模型2.2.1/f噪声噪声Ff()K ISff3.3.正向偏置二极管噪声模型正向偏置二极管噪声模型ekTrqI 低噪声放大电路设计与应用 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析五、双极型晶体管的噪声模型五、双极型晶体管的噪声模型 低噪声放大电路设计与应用 1.

32、3 分立元器件噪声分析五、双极型晶体管的噪声模型五、双极型晶体管的噪声模型 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析五、双极型晶体管的噪声模型五、双极型晶体管的噪声模型 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析五、双极型晶体管的噪声模型五、双极型晶体管的噪声模型 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析五、双极型晶体管的噪声模型五、双极型晶体管的噪声模型 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析五、双极型晶体管的噪声模型五、双极型晶体管的噪声模型 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析五、双极型晶体管的噪声模型五、双极型晶体管的噪声

33、模型2DCmDCmminmDCDC2/12/1/sobbbbRrggFr g 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析五、双极型晶体管的噪声模型五、双极型晶体管的噪声模型2DCmDCmminmDCDC2/12/1/sobbbbRrggFr g 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析五、双极型晶体管的噪声模型五、双极型晶体管的噪声模型 3.3.双极型晶体管的噪声因数频率分布双极型晶体管的噪声因数频率分布 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析五、双极型晶体管的噪声模型五、双极型晶体管的噪声模型 3.3.双极型晶体管的噪声因数频率分布双极型晶体管的噪声因数频

34、率分布 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析六、场效应管的噪声特性六、场效应管的噪声特性 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析六、场效应管的噪声特性六、场效应管的噪声特性 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析六、场效应管的噪声特性六、场效应管的噪声特性 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析六、场效应管的噪声特性六、场效应管的噪声特性 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析六、场效应管的噪声特性六、场效应管的噪声特性 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析六、场效应管的噪声特性六、场效应管的噪声特性 低噪

35、声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析六、场效应管的噪声特性六、场效应管的噪声特性 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析六、场效应管的噪声特性 低噪声放大电路设计与应用 1.3 分立元器件噪声分析六、场效应管的噪声特性六、场效应管的噪声特性 （1）与双极性晶体管相比，场效应管的等效输入电流噪声要小）与双极性晶体管相比，场效应管的等效输入电流噪声要小很多，而其等效输入电压噪声与双极性晶体管相当或略高，使很多，而其等效输入电压噪声与双极性晶体管相当或略高，使得场效应管的源电阻较大。得场效应管的源电阻较大。（2）场效应管的低频）场效应管的低频1/f噪声只出现在等效输入电压噪

36、声中，噪声只出现在等效输入电压噪声中，而不出现在等效输入电流噪声中。而不出现在等效输入电流噪声中。（3）结型场效应管的白噪声要低于双极性晶体管，低频段的）结型场效应管的白噪声要低于双极性晶体管，低频段的噪声更是远远低于双极性晶体管。噪声更是远远低于双极性晶体管。（4）场效应管的噪声特性要优于双极性晶体管场效应管的噪声特性要优于双极性晶体管，尤其是等效，尤其是等效输入噪声电流比双极性晶体管低得多。而且，场效应管的最佳输入噪声电流比双极性晶体管低得多。而且，场效应管的最佳源电阻比所有双极性晶体管大得多，适合源电阻较大的传感器。源电阻比所有双极性晶体管大得多，适合源电阻较大的传感器。低噪声放大电路设

37、计与应用 1.3 分立元器件噪声分析六、场效应管的噪声特性六、场效应管的噪声特性 低噪声放大电路设计与应用 1.4 运算放大器的噪声特性运算放大器内部的固有噪声运算放大器内部的固有噪声:(1)运算放大器内部包含大量晶体管运算放大器内部包含大量晶体管,因此就有因此就有大量大量PN结结,它们都是它们都是散弹噪声源散弹噪声源;(2)运算放大器内部还包含一定数量的电阻运算放大器内部还包含一定数量的电阻,它它们都会产生们都会产生热噪声热噪声;(3)运算放大器的引脚及内部连接总会涉及不同运算放大器的引脚及内部连接总会涉及不同金属的接触金属的接触,因此因此1/f噪声噪声必然存在必然存在.低噪声放大电路设计与

38、应用 1.4 运算放大器的噪声特性 低噪声放大电路设计与应用 1.4 运算放大器的噪声特性 低噪声放大电路设计与应用 等效输入噪声源的功率谱密度分布 低噪声放大电路设计与应用 等效输入噪声源的功率谱密度分布 低噪声放大电路设计与应用 等效输入噪声源的功率谱密度分布 (1)当频率低到一定程度时当频率低到一定程度时,1/f噪声的幅度趋向于常噪声的幅度趋向于常数数,而不是趋向于无穷大而不是趋向于无穷大.(2)运算放大器的等效输入电压噪声功率和等效输运算放大器的等效输入电压噪声功率和等效输入电流噪声功率都取决于入电流噪声功率都取决于三个因素三个因素:一个是平坦段一个是平坦段白噪声的功率谱密度函数白噪声

39、的功率谱密度函数,另一个是另一个是1/f噪声与白噪噪声与白噪声相交的拐点频率声相交的拐点频率,再一个就是工作频带的高、低再一个就是工作频带的高、低频率频率.低噪声放大电路设计与应用 几种常用运算放大器的噪声指标 低噪声放大电路设计与应用 噪声计算举例例例1:下图所示差动放大电路的等效噪声带宽为下图所示差动放大电路的等效噪声带宽为0.01-100Hz(反馈电容未示出反馈电容未示出,运放型号为运放型号为uA741.在输入端对地短路情况下在输入端对地短路情况下,试计算输出端噪声的试计算输出端噪声的有效值有效值Vno.低噪声放大电路设计与应用 低噪声放大电路设计与应用 低噪声放大电路设计与应用 低噪声

40、放大电路设计与应用 自归零放大器 低噪声放大电路设计与应用 自归零放大器 低噪声放大电路设计与应用 1.5 放大器噪声系数测量 测量放大器的噪声系数需要做两个测量测量放大器的噪声系数需要做两个测量:一个是在放大器输入端对地短路情况下一个是在放大器输入端对地短路情况下,测量测量放大器本身噪声在其输出端呈现的噪声功率放大器本身噪声在其输出端呈现的噪声功率;另一个是测量放大器对校准了的信号源的响另一个是测量放大器对校准了的信号源的响应应.低噪声放大电路设计与应用 1.5 放大器噪声系数测量 低噪声放大电路设计与应用 1.6 低噪声放大器设计 (1)对于微弱信号检测仪器或设备对于微弱信号检测仪器或设备

41、,前置放大前置放大器是引入噪声的主要部件之一器是引入噪声的主要部件之一,整个检测系统整个检测系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系数数.(2)设计低噪声前置放大器的内容包括选择低设计低噪声前置放大器的内容包括选择低噪声半导体器件噪声半导体器件,确定电路级数和电路组成确定电路级数和电路组成,确确定低噪声工作点定低噪声工作点,进行噪声匹配等工作进行噪声匹配等工作.(3)在实现噪声指标的基础上在实现噪声指标的基础上,还要根据放大还要根据放大器要求的总增益器要求的总增益,频率响应频率响应,输入输出阻抗输入输出阻抗,动态动态范围范围,稳定性等指标稳定性等指标,确

42、定电路的级数确定电路的级数,组态组态,反反馈和频率补偿方法等馈和频率补偿方法等.低噪声放大电路设计与应用 1.6.1 有源器件的选择 (1)低噪声放大器应尽可能选用低噪声放大器应尽可能选用eN，iN小的器件，小的器件，这样才能使这样才能使Fmin较小。此外还必须考虑到较小。此外还必须考虑到eN，iN以及噪声系数都是频率的函数，各种低噪声以及噪声系数都是频率的函数，各种低噪声器件只是在一定的频率范围内才能达到其最器件只是在一定的频率范围内才能达到其最小噪声系数。小噪声系数。NNN Nmin/12soReie iFkT 低噪声放大电路设计与应用 1.6.1 有源器件的选择 (2)双极型晶体管的双极

43、型晶体管的eN较小，故其较小，故其Rso较小，比较小，比较适合源电阻较小的情况；而场效应管的较适合源电阻较小的情况；而场效应管的iN较较小，故其小，故其Rso较大，比较适合源电阻较大的情较大，比较适合源电阻较大的情况。况。低噪声放大电路设计与应用 1.6.1 有源器件的选择 (3)有源器件的最佳源电阻有源器件的最佳源电阻Rso是频率的函数是频率的函数.低噪声放大电路设计与应用 1.6.1 有源器件的选择 (4)集成运算放大器的噪声特性劣于分立元件集成运算放大器的噪声特性劣于分立元件.经过选择的集成电路经过选择的集成电路,其噪声电平通常为晶体其噪声电平通常为晶体管电路的管电路的2-5倍倍.选择合

44、适的集成运算放大器选择合适的集成运算放大器,则可以使电路设计和调试工作大大简化则可以使电路设计和调试工作大大简化.低噪声放大电路设计与应用 1.6.2 直流工作点的选择 直流工作点的选择直流工作点的选择对噪声特性有着直接影响，任对噪声特性有着直接影响，任何一个固定的源电阻就有一个最佳集电极电流。何一个固定的源电阻就有一个最佳集电极电流。2DCmDCmDCDCDCDC2/(2)0.026sobbbbeeeEERrggrrrkTrqII 低噪声放大电路设计与应用 1.6.3 噪声匹配 1.附加电阻对噪声系数的影响附加电阻对噪声系数的影响 2.调整工作点进行噪声匹配的局限性调整工作点进行噪声匹配的局

45、限性 3.利用变压器实现噪声匹配利用变压器实现噪声匹配 4.有源器件并联法有源器件并联法 低噪声放大电路设计与应用 1.6.3 噪声匹配 1.1.附加电阻对噪声系数的影响附加电阻对噪声系数的影响 附加的电阻对有用信号和信号源内阻热附加的电阻对有用信号和信号源内阻热噪声的衰减量相同噪声的衰减量相同,但是它还衰减了有用信号但是它还衰减了有用信号和放大器噪声之比和放大器噪声之比,此外附加电阻还要产生热此外附加电阻还要产生热噪声噪声.总之总之,采用附加电阻的方法只会使噪声系采用附加电阻的方法只会使噪声系数增大数增大.低噪声放大电路设计与应用 附加串联电阻附加串联电阻nenisRtese无噪声放大器串联

46、电阻nenisRtese无噪声放大器t1et2e1sR热噪声 in电压降222nns 14sEIRFkTRf soss1RRR 低噪声放大电路设计与应用 附加串联电阻nenisRtese无噪声放大器t1et2e1sR热噪声 in电压降soss1RRR22222nns1ns122221ns11ns14 144R/R/44sssssssEIRkTRfIRFkTRfkTRfIFFRRIkTRfkTRf 理解：引入的电阻必然带来新的噪声源，将引入的电阻认理解：引入的电阻必然带来新的噪声源，将引入的电阻认为是放大器的一部分，那么恶化了放大器原来的噪声情况为是放大器的一部分，那么恶化了放大器原来的噪声情况

47、，改变了，改变了Fmin等特性等特性输入输入原来的噪声系数原来的噪声系数 低噪声放大电路设计与应用 nenisRtese无噪声放大器2sRsoss2RR/Rt2e热噪声soss1RRR时，并联？附加并联电阻 低噪声放大电路设计与应用 附加并联电阻nisi无噪声放大器sRti2sR2itnei为了分析方便，写为电流源为了分析方便，写为电流源对es对et对et2对ensssR/ei sttR/ei s2t2t2R/ei)/RR/(eis2snne 低噪声放大电路设计与应用 附加并联电阻nisi无噪声放大器sRti2sR2itnei22222tnt2nss22t22nss22/(/)I/(2/)/4

48、sssIIIERRFFRRER RkTRf为了分析方便，写为电流源为了分析方便，写为电流源 低噪声放大电路设计与应用 低噪声放大电路设计与应用 附加串联、并联电阻结论附加串联、并联电阻结论选定器件后，为了噪声匹配，进行串联和并选定器件后，为了噪声匹配，进行串联和并联电阻都恶化了放大器的噪声性能联电阻都恶化了放大器的噪声性能串联电阻越大，效果越差，串联电阻越大，效果越差，F大大并联电阻越小，效果越差，并联电阻越小，效果越差，F大大那么怎么噪声匹配？那么怎么噪声匹配？低噪声放大电路设计与应用 1.6.3 噪声匹配 2.调整工作点进行噪声匹配的局限性调整工作点进行噪声匹配的局限性 低噪声放大电路设计

49、与应用 1.6.3 噪声匹配 3.利用变压器实现噪声匹配利用变压器实现噪声匹配 ssoNNsosRRnieRRn/2 低噪声放大电路设计与应用 1.6.3 噪声匹配 3.利用变压器实现噪声匹配利用变压器实现噪声匹配 例例2:如果信号源输出阻抗如果信号源输出阻抗Rs=10欧姆欧姆,工作频率工作频率f=1kHz,选用的前置放大器为选用的前置放大器为OP07,试求匹配试求匹配变压器的圈数比和能够达到的信噪改善比变压器的圈数比和能够达到的信噪改善比.低噪声放大电路设计与应用 1.6.3 噪声匹配 4.有源器件并联法有源器件并联法22NN22NNsosominmin/eeMiMiRRMFF 低噪声放大电

50、路设计与应用 1.6.3 噪声匹配 4.4.有源器件并联法有源器件并联法 低噪声放大电路设计与应用 1.6.4 反馈电路对噪声特性的影响 1.1.电压并联负反馈放大器电压并联负反馈放大器 低噪声放大电路设计与应用 低噪声放大电路设计与应用 低噪声放大电路设计与应用 1.6.4 反馈电路对噪声特性的影响 2.2.电压串联负反馈放大器电压串联负反馈放大器 低噪声放大电路设计与应用 1.6.4 反馈电路对噪声特性的影响 2.2.电压串联负反馈放大器电压串联负反馈放大器22anps(12/)IIRR 低噪声放大电路设计与应用 结束语 基于低噪声运放的传感器前置放大器设基于低噪声运放的传感器前置放大器设