1、微弱信號檢測微弱信號檢測 why ? what? (電子系統(tǒng)(元氣件)2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性固有噪聲的概念固有噪聲的概念:檢測電路元件產(chǎn)生的內(nèi)部噪檢測電路元件產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲，其是隨機的，用統(tǒng)計特性來分析聲，其是隨機的，用統(tǒng)計特性來分析固有噪聲的大小決定了系統(tǒng)的分辨率固有噪聲的大小決定了系統(tǒng)的分辨率和可檢測的最小信號幅度和可檢測的最小信號幅度2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.1 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源 2.1.1 電阻的熱噪聲電阻的熱噪聲 (1) 統(tǒng)計特征統(tǒng)計特征1kTRBdffSeEPtBtt42)(噪聲電壓噪聲電壓14

2、kThftehfRfS)()/()(HzV42kTRfSt電阻值電阻值/絕對溫度絕對溫度/K波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù)1.3810-23J/K經(jīng)典熱力學(xué)的結(jié)論經(jīng)典熱力學(xué)的結(jié)論量子理論的結(jié)果量子理論的結(jié)果(高頻時高頻時)2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.1 系統(tǒng)固有噪聲源系統(tǒng)固有噪聲源 2.1.1 電阻的熱噪聲電阻的熱噪聲 (1) 統(tǒng)計特征統(tǒng)計特征2)/()(HzV4kTRfStkTRBEt41e4kThfthfRfS)(經(jīng)典熱力學(xué)的結(jié)論經(jīng)典熱力學(xué)的結(jié)論量子理論的結(jié)果量子理論的結(jié)果KThfkThf 1e當當 f 不太高不太高( (0.1kT/h=1012Hz) )時時 ( (

3、室溫下室溫下) )有效值有效值例例:17度度,帶寬帶寬100KHZ,10K電阻的開電阻的開路熱噪聲電壓有效值約為路熱噪聲電壓有效值約為4uV2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.1 系統(tǒng)固有噪聲源系統(tǒng)固有噪聲源 2.1.1 電阻的熱噪聲電阻的熱噪聲 (2) 噪聲模型噪聲模型3kTRBEt4RRRkTBIt/4等效電阻產(chǎn)生等效的噪聲（電阻的并串聯(lián)）等效電阻產(chǎn)生等效的噪聲（電阻的并串聯(lián)）2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.1 系統(tǒng)固有噪聲源系統(tǒng)固有噪聲源 2.1.1 電阻的熱噪聲電阻的熱噪聲 (3) 阻容并聯(lián)電路熱噪聲阻容并聯(lián)電路熱噪聲(Why)4RCetet

4、o1110CRjeCjCjReettt22214)()(|)(|)(RCfkTRfSfHfStto11CRjH)(CkTdffSteEPtotot)()(02CkTEto物理意義物理意義2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.1 系統(tǒng)固有噪聲源系統(tǒng)固有噪聲源 2.1.2 PN結(jié)的散彈噪聲結(jié)的散彈噪聲 5BeIdffSiEPBdcsh2shsh2)(BeIPIdcshsh2)/()(HzA22dcsheIfS電子電荷電子電荷散彈電流有效值散彈電流有效值i = Idc+ish散彈電流散彈電流/A平均直流電流平均直流電流/A流過流過PN結(jié)的電流結(jié)的電流/Adc-10shsh105.6

5、6IBIi散彈電流平散彈電流平方根譜密度方根譜密度散彈噪聲與直流電流及帶寬的關(guān)系散彈噪聲與直流電流及帶寬的關(guān)系2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.1 系統(tǒng)固有噪聲源系統(tǒng)固有噪聲源 2.1.3 1f 噪聲噪聲(接觸接觸噪聲噪聲,閃爍噪聲閃爍噪聲,低頻噪聲低頻噪聲) (1) 早期模型早期模型6122dcfff21ffIKdffSPffln)()/()(HzV22ffdcfIKfS頻率頻率/Hz與接觸面材料及形狀有關(guān)的系數(shù)與接觸面材料及形狀有關(guān)的系數(shù)流過樣品的直流電流流過樣品的直流電流/ANIaffS2Hfdc1)(2) 遷移率漲落模型遷移率漲落模型不同材料的電阻其接觸噪聲是不同

6、的：不同材料的電阻其接觸噪聲是不同的：碳膜、金屬膜、金屬絲繞線電阻碳膜、金屬膜、金屬絲繞線電阻導(dǎo)體接觸不理想的器件均存在該噪聲導(dǎo)體接觸不理想的器件均存在該噪聲2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.1 系統(tǒng)固有噪聲源系統(tǒng)固有噪聲源 2.1.4 爆裂爆裂噪聲噪聲 (1) 早期模型早期模型7)/()()(HzA1220bBBffIKfS轉(zhuǎn)折頻率轉(zhuǎn)折頻率/Hz與半導(dǎo)體材料及雜質(zhì)有關(guān)的常數(shù)與半導(dǎo)體材料及雜質(zhì)有關(guān)的常數(shù)流過樣品的直流電流流過樣品的直流電流/A2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.2 放大器的噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù) 2.2.1 單級放大器的噪聲系數(shù)單級放

7、大器的噪聲系數(shù) (1) 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)(F或或NF :Noise Factor ):衡量電路噪聲特衡量電路噪聲特 性的優(yōu)劣。適用于線性系統(tǒng)性的優(yōu)劣。適用于線性系統(tǒng)8PPPnonosininisisiniisionoPPPFP KP KPPPSN RKPSN RPNF=10lgF (dB)輸出噪聲輸出噪聲輸入噪聲輸入噪聲放大倍數(shù)放大倍數(shù)輸入信號輸入信號輸出信號輸出信號F =輸出總噪聲功率輸出總噪聲功率(實際實際)放大器無噪聲時的噪聲輸出功率放大器無噪聲時的噪聲輸出功率功率信噪比功率信噪比2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性F的物理意義：反映了兩端口網(wǎng)絡(luò)對信噪比影響的情況。F=1

8、：表明無噪聲的理想放大器；F1：表明是有噪聲源的實際放大器。F越大，說明放大器內(nèi)部噪聲越嚴重。2.2 放大器的噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù) 2.2.1 單級放大器的噪聲系數(shù)單級放大器的噪聲系數(shù) (1) 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)(F或或NF :Noise Factor）ioSNRFSNR 噪聲系數(shù)隨放大器的偏置電流，工作頻率，溫度及信號源內(nèi)阻而發(fā)生變化，此外，噪聲系數(shù)只適用于線性電路。 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)F常用常用dB表示為噪聲因數(shù)表示為噪聲因數(shù)NF: NF=10F (dB) 噪聲因數(shù)表征在原來不可避免的信號源噪聲之上由放大器增加的噪聲噪聲因數(shù)表征在原來不可避免的信號源噪聲之上由放大器增加的噪聲功率。功率。

9、利用噪聲因數(shù)的對數(shù)特性，可以把噪聲系數(shù)的相乘運算轉(zhuǎn)化為相加運利用噪聲因數(shù)的對數(shù)特性，可以把噪聲系數(shù)的相乘運算轉(zhuǎn)化為相加運算。算。低噪聲設(shè)計的目的低噪聲設(shè)計的目的是使放大器的是使放大器的NF值盡量地小值盡量地小運算放大器運算放大器有指標供參考有指標供參考（請查閱，并會看請查閱，并會看!）噪聲因數(shù)2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.2 放大器的噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù) 2.2.1 單級放大器的噪聲系數(shù)單級放大器的噪聲系數(shù) (2) 可測最小信號（可測最小信號（只有當輸出信噪比達到一定程度的時只有當輸出信噪比達到一定程度的時候才能夠從噪聲中提取出信號，實現(xiàn)檢測的目的候才能夠從噪聲中

10、提取出信號，實現(xiàn)檢測的目的） 9PPPPsinonosinisisisisininisioninonoPPPPPPPFK PK PP KP KPSNR PPPsioniPF SNRP可測最小信號可測最小信號minisioniEPF SNRP 放大器的噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù) 輸出信噪比輸出信噪比 放大器的輸入噪聲功率放大器的輸入噪聲功率例2-3如上圖所示，放大器的輸入噪聲只有信號源電阻RS=1k的熱噪聲，溫度為17C，放大器等效噪聲帶寬為B=1KHz，噪聲系數(shù)F=2，要求輸出信噪比=10。試求系統(tǒng)可檢測的最小信號Ei？解： 放大器的輸入噪聲功率就是信號源電阻的熱噪聲功率4nisPkTR B40

11、.566isisoEPkTR B F SNRVisioniEPF SNRP可檢測的最小信可檢測的最小信號的物理意義號的物理意義1。放大器的噪聲系數(shù)F越大（內(nèi)部噪聲大），則E越大，放大器的檢測分辨率越低。2。減小放大器的等效噪聲帶寬可以提高檢測分辨率。3。減小信號源電阻也能提高檢測分辨率。2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.2 放大器的噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù) 2.2.2級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù) 10MlMlkklMkkxiMMMMMxiMxoKPKPPPKPKKPKKPKKKP1111231221MkkKKKKKKK1Mk321P121213121111MM

12、KKKFKKFKFFF費里斯公式費里斯公式 推導(dǎo)見后面推導(dǎo)見后面2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.2 放大器的噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù) 2.2.2級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù) 11MlMlkklMkkxixoKPKPP111xiMMxixilkkMllxiMlkkMkkMllxixixoPKKKPPKKPPKPKPPKKPPPKPF212121111111P11111112 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.2 放大器的噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù) 2.2.2級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù) 12xiMMxixiPKKKPPKKPPKPF

13、21212111xixixixixoPKPPKPPKPKPF1111111112 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.2 放大器的噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù) 2.2.2級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù) 12xiMMxixiPKKKPPKKPPKPF21212111xixixixixixoPKKPKFPKPPKPPKPKPF2121222222222112 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.2 放大器的噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù) 2.2.2 聯(lián)級放大器的噪聲系數(shù)聯(lián)級放大器的噪聲系數(shù) 12xiMMxixiPKKKPPKKPPKPF21212111mllximm

14、llmximmmKPPKFPKPF111112 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.2 放大器的噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù) 2.2.2 聯(lián)級放大器的噪聲系數(shù)聯(lián)級放大器的噪聲系數(shù) 12MkkKKKKKKK1Mk321P121213121111MMKKKFKKFKFFF弗里斯公式說明：級聯(lián)放大器中各級的噪聲系數(shù)對總噪聲系數(shù)的影響是不同的，越是前級影響越大，第一級影響最大。在設(shè)計用于微弱信號檢測的低噪聲系統(tǒng)時，必須確保第一級的噪聲系數(shù)足夠小。低噪聲前置放大器因此前置放大器的器件選擇和電路設(shè)計是至關(guān)重要的。121213121111MMKKKFKKFKFFF費里斯公式費里斯公式P53 例2

15、-4例題: 三個放大器串級連接放大微小信號,他們的功率和噪音系數(shù)如下表:如何連接使得總的噪音系數(shù)最小如何連接使得總的噪音系數(shù)最小? 解:1: 1-2-3排列 F=F1+(F2-1)/K1+(F3-1)/K1K2= 1.7182:1-3-2排列 F=F1+(F3-1)/K1+(F2-1)/K1K2 =1.9002 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.3 放大器的噪聲性能分析放大器的噪聲性能分析 2.3.1 放大器的噪聲模型放大器的噪聲模型基本思想：將所有內(nèi)部噪音源折合到放大器的輸入端，基本思想：將所有內(nèi)部噪音源折合到放大器的輸入端，用輸入端的等效噪聲源來表示，處理分析簡單用輸入端

16、的等效噪聲源來表示，處理分析簡單ne13實際二實際二端口網(wǎng)絡(luò)端口網(wǎng)絡(luò)無噪聲二無噪聲二端口網(wǎng)絡(luò)端口網(wǎng)絡(luò))()(HZ/V22nnvfEfSfEfSennvN)(fIfSinniN)()()(HZ/A22nnifIfS等效噪聲源等效噪聲源根譜根譜密度及功率譜密度密度及功率譜密度ni2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.3 放大器的噪聲性能分析放大器的噪聲性能分析 2.3.2 放大器的噪聲特性放大器的噪聲特性 (1) 等效輸入噪聲與信源內(nèi)阻的關(guān)系等效輸入噪聲與信源內(nèi)阻的關(guān)系1422n2n2t2nisRieee2s2n2ns2s2n2n2t2ni4RIEfkTRRIEEE2 放大器的噪

17、聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.3 放大器的噪聲性能分析放大器的噪聲性能分析 2.3.2 放大器的噪聲特性放大器的噪聲特性 (1) 等效輸入噪聲與信源內(nèi)阻的關(guān)系等效輸入噪聲與信源內(nèi)阻的關(guān)系142s2n2ns2s2n2n2t2ni4RIEfkTRRIEEE低噪聲放大器低噪聲放大器高噪聲放大器高噪聲放大器圖的解釋圖的解釋P562 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.3 放大器的噪聲性能分析放大器的噪聲性能分析 2.3.2 放大器的噪聲特性放大器的噪聲特性 (2) 最佳信源內(nèi)阻及噪聲匹配最佳信源內(nèi)阻及噪聲匹配15fkTRRIEfkTRRIEfktRPKEKPKpFs2s2n

18、2ns2s2n2nsniP2niPniPno4144輸出噪聲功率輸出噪聲功率輸入噪聲功率輸入噪聲功率功率放大倍數(shù)功率放大倍數(shù)噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)s2s2N2N41kTRRieF用等效噪聲源方用等效噪聲源方根譜密度表示根譜密度表示fEfSennvN)(fIfSinniN)(說明了什么？請學(xué)生思考回答說明了什么？請學(xué)生思考回答2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.3 放大器的噪聲性能分析放大器的噪聲性能分析 2.3.2 放大器的噪聲特性放大器的噪聲特性 (2) 最佳信源內(nèi)阻及噪聲匹配最佳信源內(nèi)阻及噪聲匹配15fkTRRIEfkTRRIEfktRPKEKPKpFs2s2n2ns2s2n

19、2nsniP2niPniPno4144輸出噪聲功率輸出噪聲功率噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)表明：表明：1：當信號源內(nèi)阻趨于：當信號源內(nèi)阻趨于0或無窮大時或無窮大時,噪聲系數(shù)均趨于無噪聲系數(shù)均趨于無窮大窮大.2：存在一個最佳的信號源內(nèi)阻，使得：存在一個最佳的信號源內(nèi)阻，使得F為極小值。為極小值。3：如何確定最佳信號源內(nèi)阻的阻值？：如何確定最佳信號源內(nèi)阻的阻值？請學(xué)生回答請學(xué)生回答2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.3 放大器的噪聲性能分析放大器的噪聲性能分析 2.3.2 放大器的噪聲特性放大器的噪聲特性 (2) 最佳最佳信源內(nèi)阻信源內(nèi)阻及及噪聲匹配噪聲匹配15fkTRRIEFs2s2n2

20、n41fkTIEFIERfkTIfkTRERF41044nnnns02n2s2nsminss0s0s211RRRRFFminNNs0ieRkTieF41NNmin低噪聲放大器低噪聲放大器2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.3 放大器的噪聲性能分析放大器的噪聲性能分析 2.3.2 放大器的噪聲特性放大器的噪聲特性 (3) 最佳信源內(nèi)阻及最小噪聲系數(shù)與頻率最佳信源內(nèi)阻及最小噪聲系數(shù)與頻率16(4) 其它表示法其它表示法 等效噪聲溫度等效噪聲溫度 等效噪聲電阻等效噪聲電阻2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.3 放大器的噪聲性能分析放大器的噪聲性能分析 2.3.

21、2 放大器的噪聲特性放大器的噪聲特性 (5) 噪聲系數(shù)等值圖噪聲系數(shù)等值圖172 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.6 運算放大器的噪聲特性運算放大器的噪聲特性 2.6.1 運算放大器的等效輸入噪聲模型運算放大器的等效輸入噪聲模型181/f 噪聲噪聲1/f 噪聲噪聲白噪聲白噪聲白噪聲白噪聲電壓源功率譜密度電壓源功率譜密度電流源功率譜密度電流源功率譜密度運算放大器的內(nèi)部固有噪聲：運算放大器的內(nèi)部固有噪聲：散彈、熱、散彈、熱、1/f放大器的失調(diào)電壓、失調(diào)電流及其漂移造放大器的失調(diào)電壓、失調(diào)電流及其漂移造成輸出端的直流分量或低頻分量。成輸出端的直流分量或低頻分量。2 放大器的噪聲源

22、和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.6 運算放大器的噪聲特性運算放大器的噪聲特性 2.6.2 運算放大器的噪聲性能計算運算放大器的噪聲性能計算19輸入等效噪聲電輸入等效噪聲電壓和電流有效值壓和電流有效值BBAA2222NceBneNNBAA( )lnffffe ffESf dfedfeffffHz010A.fBBAA2222NceBneNNBAA( )lnffffi ffISf dfidfiffff2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.6 運算放大器的噪聲特性運算放大器的噪聲特性 2.6.3 運算放大電路的輸出噪聲運算放大電路的輸出噪聲(舉例舉例)2022122n21122

23、22n2no2122RRERREERRRIVnE1RE2RE1RE2REnI具體計算見具體計算見79-802 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.7 低噪聲放大器設(shè)計低噪聲放大器設(shè)計 2.7.1 有源器件的選擇有源器件的選擇21NNs0ieRkTieF41NNmin最佳源電阻最佳源電阻最小噪聲系數(shù)最小噪聲系數(shù)02N41skTReFmin各種有源器件適用的源內(nèi)阻范圍各種有源器件適用的源內(nèi)阻范圍2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.7 低噪聲放大器設(shè)計低噪聲放大器設(shè)計 2.7.2 偏置電路與直流工作點偏置電路與直流工作點22低噪聲偏置低噪聲偏置源內(nèi)阻、直流工源內(nèi)阻、直流工作點、噪聲系數(shù)作點、噪聲系數(shù)Ebb0111eIkTrFmin2 放大器的噪聲源和噪聲特性放大器的噪聲源和噪聲特性2.7 低噪聲放大器設(shè)計低噪聲放大器設(shè)計 2.7.3 噪聲匹配噪聲匹配