微弱信号检测课件2(高晋占_--清华大学出版).ppt

第二章放大器的噪声源和噪声特性,噪声源,内部固有噪声,外部干扰噪声,电场干扰噪声磁场干扰噪声电磁辐射噪声地电位差噪声公共阻抗耦合噪声,热噪声散弹噪声1/f噪声爆烈噪声,本章内容,2.1电子系统内部固有噪声源22放大器的噪声系数23放大器噪声性能分析24BJT的噪声特性2.5场效应管（FET）的噪声特性26运算放大器的噪声特性27低噪声放大器设计,2.1电子系统内部固有噪声源,2.1.1电阻的热噪声,1.起因：电阻中电子的随机热运动，又称为Johnson噪声。,2功率谱密度函数,式中：-热噪声的功率谱密度函数，k-玻尔兹曼（Boltzman）常数,T-电阻的绝对温度，K；,3幅度分布：零均值高斯分布。,4热噪声的等效功率,式中：B系统的等效噪声带宽（Hz）；,5热噪声电压有效值(rms值),例：温度为17C，在带宽为100kHz的放大电路中，的电阻两端所呈现的开路热噪声电压有效值。,6电阻等效电路,例：试证明温度相同的两个电阻和相串联所产生的等效热噪声有效值,解：叠加后的功率为,两边开方得,等效输出电阻为,7阻容并联电路的热噪声,热噪声电压有效值,2.1.2散弹噪声,1起因：P-N结载流子的随机发射与随机扩散；空穴电子对的随机产生与组合。,2功率谱密度函数,式中：电子电荷；流过PN结的平均直流电流。,3散弹噪声电流的功率,4散弹噪声电流的有效值（均方根值）为,上式表明，单位带宽方根的只是的函数。,5的幅度分布：高斯分布,2.1.31/f噪声,1起因：两种导体接触点电导的随机涨落，因此又称接触噪声。,2早期的1/f噪声模型,功率谱密度函数,式中：,流过样品的直流电流平均值,A；取决于接触面材料类型和几何形状的系数。,3迁移率涨落模型,式中：样品中的载流子总数；无量纲的Hooge系数,上式就退化为早期模型。,4幅度分布：高斯分布,2.1.4爆烈噪声（BurstNoise）,1起因：半导体材料中的杂质（通常是金属杂质）随机发射或俘获载流子。2爆烈噪声脉冲的宽度：1ms0.1s量级。3脉冲的幅度：约为4出现的几率：每秒几百个到几分钟一个。,5功率谱密度,式中：直流电流；取决于半导体材料中杂质情况的常数；转折频率，当功率谱密度曲线趋于平坦,6特点：电流型噪声，在高阻电路中影响更大。通过改善半导体制作工艺，减少杂质数量，爆烈噪声可得以改善。,22放大器的噪声系数,2.2.1噪声系数(NoiseFactor)和噪声因数(NoiseFigure),1输入端信噪比,2输出端信噪比,3放大器的噪声系数F,（1）表示信噪比恶化程度,（2）输出端噪声总功率和输入端噪声功率在输出端的比值,式中：放大器的功率增益；输出噪声总功率；放大器无噪声时的输出噪声功率。,4噪声因数NF（NoiseFigure）：,5噪声系数特点：,随放大器的偏置电流、工作频率、温度及信号源内阻而变化。,6放大器可检测的最小信号,例：放大器的输入噪声只有源电阻的热噪声，温度为17C，放大器等效噪声带宽为噪声系数F=2，要求试求系统可检测的最小信号。,解：,2.2.2级联放大器的噪声系数,弗里斯公式Friis:,注意：各级噪声系数对总噪声系数的影响是不同的，越是前级影响越大。如果足够大，系统总的噪声系数F主要取决于第一级的噪声系数。,例：用三个放大器串级联接来放大微小信号，其功率增益和噪声系数如下表：,如何联接才能使总的噪声系数最小？,解：三个放大器中F最小的放大器A应该用作第一级。两种联接排列：(a)A、B、C或(b)A、C、B增益换算为倍数：,（a）A、B、C排列,（b）A、C、B排列,2.3放大器噪声性能分析,2.3.1放大器的噪声模型,1.功率谱密度,2.平方根谱密度,2.3.2放大器噪声性能分析,1放大器的等效输入噪声,输入电路的总噪声功率：,思考：如何测量确定放大器的,等效输入噪声功率与信号源内阻的关系,2放大器的噪声系数与最佳源电阻,上式表明，当信号源电阻趋向于零或趋向于无穷大时，噪声系数F都会趋向于无穷大。,3噪声系数最小值,放大器中的所有晶体管的噪声特性都会随工作频率的不同而变化，所以放大器的都是频率的函数。,4噪声因数等值图（NF图）,最佳工作点：,最佳源电阻最佳工作频率约为,24BJT的噪声特性,2.4.1双极型晶体管的噪声特性,1双极型晶体管的内部噪声源,式中：,2双极型晶体管的噪声等效电路,（1）等效电路的化简,等效为一个输入电压源和一个输入电流源,当频率足够高时,忽略噪声,（2）等效输入电压噪声随变化曲线,（3）等效输入电流噪声随变化曲线,（5）最佳源电阻随变化曲线,2.4.2BJT的噪声因数频率分布,频率分布曲线：,1）低频段：噪声使得频率越低，噪声功率谱密度越大；2）高频段：的反馈作用加强，下降，分配噪声加强；3）中频段：白噪声（热噪声和散弹噪声）。,2.5场效应管（FET）的噪声特性,1场效应管的内部噪声源,（1）沟道的热噪声：,起因于电阻性导电沟道中载流子的热运动,功率谱密度,式中：,（2）栅极的散弹噪声：,在JFET中有PN结存在，产生散弹噪声,功率谱密度,式中：,电子电荷，C；流过栅源之间PN结的反向电流；很小，一般可以忽略。,功率谱密度,式中：,（4）栅极感应噪声:,通过电容的高频分量耦合到栅极输入电路,功率谱密度,式中:,和栅源电压、漏源电压有关的系数；共源极输入电导,2场效应管的噪声等效电路,4种噪声源中,起主要作用的是沟道热噪声电流和栅极感应噪声。,等效为一个输入电压源和一个输入电流源,3结型场效应管的噪声因数频率分布,（1）沟道热噪声电流（2）栅极感应噪声（3）。,前置放大器一般都选择高跨导、高输入电阻、栅源电容小的结型场效应管。,26运算放大器的噪声特性,1运放的内部噪声源晶体管PN结的散弹噪声；电阻的热噪声；不同金属接触的1/f噪声。2运放的噪声模型表示等效输入噪声电压，表示等效输入噪声电流。,上图常用;有的IC厂家使用两个电压源和两个电流源，也有一些IC厂家使用一个电压源和一个电流源。,4运算放大器的噪声性能计算,等效噪声源的归一化功率：,使用时注意：公式无效。所以一般取。,几种常用运算放大器的噪声指标：,例：图示差动放大电路的带宽为0.01100Hz，运放为741。在输入端对地短路情况下，计算其输出端噪声的有效值。,解：运算放大器uA741的噪声指标为：,当单独起作用时，电路的电压放大倍数为；,单独起作用时，电路的电压放大倍数为1；单独起作用时，电路的电压放大倍数为；在电路输出端产生的噪声电压为。考虑到各噪声源互不相关，,27低噪声放大器设计,2.7.1有源器件的选择1从源电阻考虑,2从工作频率考虑,2.7.2直流工作点选择,2.7.3噪声匹配,附加串连电阻噪声系数增大为：,附加并联电阻噪声系数增大为：,利用变压器变换阻抗，则可达到最小噪声系数,希望：,等效电路：,例：信号源输出电阻，工作频率。选用的前置放大器为OP07。试求匹配变压器的圈数比n和能够达到的信噪改善比SNIR。,解：,调整工作点进行阻抗匹配,某晶体管在f=100kHz时的噪声因数