《放大器的噪声分析》PPT课件

光电信号处理，华中科技大学光学电子情报学院，第二章低噪声前置放大器(1)， 第二章低噪声前置放大器2.1放大器噪声电压噪声电流(En-In )模型2.2等效输入噪声和简化计算规则2.3噪声系数2.4最佳源极电阻Ropt和最小噪声系数NFmin2.5噪声温度2.6多级放大器的噪声系数nf1， 2、n2.7结合网络的低噪声设计原则2.8低噪声前置放大器的选择2.9噪声参数的测量2.10部件的分析2.11低噪声放大器的设计原则和方法2.12低噪声集成运算放大器的分析与设计！ 使用放大器的必然性：一般微弱的信号问题：在放大信号的同时也放大噪声目标：设计高质量的低噪声前置放大器时，要更好地抑制信号特性、噪声特性、噪声分析方法、目的：噪声、放大信号。 研究了描述放大器噪声和放大器噪声特性的几个参数和模型。 2.1放大器的噪声模型，放大器内的噪声用复杂的En-In模型来描述放大器的总噪声特性。 放大器的内部噪声由在输入端子串联具有零阻抗的电压发生器En和在输入端子并联具有无阻抗的电流发生器In来表达。 两者的相关系数为r。 该模型被称为放大器的En-In噪声模型，是噪声的电压-电流(En-In )模型、放大器的En-In噪声模型，vs是信号源电压rs是信号源的内部电阻的ens的热噪声电压Zi是放大器输入电阻AV是放大器电压增益vso的总的输出信号Eno的总的输出En，Zi，AV，Eno，En :放大器噪声电压in :放大器噪声电流，En-In模型的优点：理论：放大器被认为没有噪声，放大器噪声的研究归结于分析En，in在整个电路中的作用。 电路系统的噪声计算变得简单了。 实验：实验中可测定的En、In的大小为、2.2的等效输入噪声，利用En-In模型，放大系统的噪声简化为En、In和Ens三种噪声。 等效输入噪声Eni :再考虑这3个噪声源的共同效果，将它们等效地汇总到信号源位置，用等效输入噪声Eni表示。 计算、各噪声源对放大器输出侧的贡献： Ens的贡献如果： En的贡献与：En、In无关，则上述各平方的合计后的输出噪声为：上式，输入信号为Vs时，输出信号为：放大系统的电压放大率。 由于、因此等效输入噪声的等效输入噪声的含义：单个噪声源位于Vs位置，取代了原系统中的所有噪声源。 如果En、In相关，公式中的r是相关系数。等效输入噪声曲线，E2ns，E2n，E2n，E2ni，(InRs)2，Rs，Rs，Ens主，En主，InRs主，通用放大器，低噪声放大器，0，0，2.3噪声系数，在实际工作中，放大器，元件，系统的噪声性能通常对于系统而言，噪声性能不仅包括系统本身所产生的噪声的量值，还包括其对信号的影响的程度。 通常，噪声系数NF(NoiseFactor )作为测量放大器、元件或系统噪声性能的指标。 等效输入噪声Eni的公式包括源极电阻Rs及其热噪声项，因此不应将Eni用作测量的指标。 另一方面，同时用En、In来表现很麻烦。 此外，定义信噪比：电路信号功率与噪声功率的比称为信噪比，其简称为信噪比，且用符号或表示。 优选地，输出侧的信噪比越高，定义噪声系数；如果用分贝表示，放大器的噪声系数的定义表示在信号通过放大器之后信噪比越差的程度。 此外，在信号通过放大器之后，在放大器中没有滤波功能的情况下，将信号和噪声类似地放大，在放大器本身中也有噪声，这不能改善信噪比。当放大器是理想(无噪声)线性网络时，在输入端子处的信号是具有相同噪声的放大器，并且，当在输出端子处的信噪比与在输入端子处的信噪比相同时，在NF=1或NF=0dB。 在放大器本身具有噪声的情况下，输出噪声功率等于放大之后的输入噪声功率与放大器本身的噪声功率的和。在这样的放大器中，在信号被放大之后，如果输出侧的信噪比低于输入侧的信噪比，那么输出侧的信噪比就是NF1。 另外，Ap=Pso/Psi表示放大器的功率增益，Pno1=PniAp表示由信号源的内部电阻产生的噪声，表示在通过放大器后在输出端产生的噪声功率。 如由上述方程式所表示，噪声系数NF仅与输出端的两个噪声功率Pno和Pno1有关，而与输入信号的量值无关。 在、和NF的定义中，输入端子的信号功率Psi和噪声功率Pni分别由输入信号源的信号电压Vs和其内部电阻Rs的热噪声来产生，噪声系数也可以写入不同的形式，或者放大器的输出噪声功率Pno由两部分构成，一部分由PniAp； 因为在另一部分中存在于放大器本身(内部)的噪声，这是在输出端子处出现的噪声功率Pn，噪声系数另一方程式表示噪声系数与放大器内部噪声之间的关系。 实际的放大器总是产生噪声，即Pn0，所以NF1。 只有放大器是理想的，内部没有噪声，即Pn=0。 NF=1。 有时，噪声系数用电压比来表示，也就是说，这里是电压增益。 Eni是等效输入噪声：(噪声系数是等效输入噪声除以信号源的噪声)考虑相关系数r0时，噪声系数：基本定义式：的情况下：SNRo是输出侧的信噪比。 另外，如果知道输入信号功率：输入信号电压：NF，则通过求出输入噪声功率Pni、输出信号的信噪比，能够计算能够检测的最小信号。 例如，仅对放大器信号源电阻Rs=1k、工作温度290k、带宽=1kHz、NF=2、所考虑的热噪声，计算要求输出SNRo=10、可检测的最小信号. 解：放大器仅使用信号源电阻Rs的热噪声功率pni=4ktr，就能够检测的最小信号：ei0.566v、结论：噪声系数这3个式子从基本定义式：导出式：或者分别不同的角度说明噪声系数的含义，完全等价。 在计算、和特定电路的噪声系数时，使用以下两个表达式非常有用： 注意，由于噪声系数的概念仅适用于线性电路(线性放大器)，因此可以使用功率增益来描述噪声系数的概念。 非线性电路不仅无法获得线性放大器，而且在输出侧的信噪比和输入侧的信噪比是不同的，即使在信号与噪声、噪声和噪声彼此相互作用并且在电路本身中没有产生噪声的情况下。 因此，噪声系数的概念不适用。 2.4最佳源极电阻器Ropt和最小噪声系数NFmIn为四个变量En、in、Rs、f的函数，其均来自先前导出的噪声系数表达式。 放大器设计后，En、In和几乎不变。 NF仅仅是Rs的函数，NF与Rs的关系：只能通过对于一个放大器改变源极电阻来减小噪声系数。 NF和Rs相关： Rs变大时第2项变小，第3项变大，Rs变小时第2项变大，第3项变小，因此NF具有极值。 因此，信号源的内阻：时，噪声系数NF取最小值：将此时的源极电阻称为最佳源极电阻，若记为Ropt、Rs=Ropt，则能够使放大器的噪声系数最小，此时，将源极电阻和放大器的配置称为噪声匹配，这是低噪声设计根据公式、2.5噪声温度和噪声系数，放大器的噪声系数：Pn是在放大器的输出侧生成噪声的噪声功率PniAp的结果。放大器在输入侧和信号源进行功率匹配，即Rs=Ri，在输出侧和负载也进行功率匹配： Ro=RL放大器的功率增益为APH。信号源的内部电阻Rs所产生的热噪声电压的平均值为：放大器的输入噪声功率是该噪声功率被放大后的：Pn是放大器自身所产生的噪声的输出端的功率，Pn与放大器的输入端等效，假设该噪声也产生电阻值Rs的电阻，如果将该电阻的温度设为Ti，则为Ti 如果Ti=0，那么NF=1表示在放大器本身中出现噪声，而如果作为理想的无噪声放大器的Ti=T，那么(=290K )表示在NF=2(NF=3dB )，这意味着在放大器本身中出现的噪声与输入到信号源的噪声相等。 在、功率匹配的情况下，放大器的总输出噪声功率：噪声温度的物理意义：在放大器内部产生的噪声功率可以视为产生了与放大器输入端子匹配的温度Ti的电阻，或者在与放大器匹配的噪声源的内部电阻Rs对工作温度t进一步施