噪声与低噪声设计

1、微弱信号检测微弱信号检测 微弱信号检测概述微弱信号检测概述 微弱信号不仅指信号的幅度小，主要指被噪声微弱信号不仅指信号的幅度小，主要指被噪声 淹没的信号。淹没的信号。“微弱微弱”是相对于噪声而言的。是相对于噪声而言的。 环境噪声很大时。收音机。 分贝计算公式：10*lg(P/Pref)，其中Pref=20mPa，P为声功率 例：两个60分贝的声音合成。 60=10*lg(P/Pref)，所以P=20000 两个60分贝的声音合成，P=2*20000=40000， 所以总的分贝是：10*lg(40000*1000/20）=63dB 研究抑制噪声和提高信噪比。 常规的方法：滤波；调制解调 11 噪

2、声的基本概念 一. 干扰与噪声的定义：扰乱有用信号的任何不期望的内 部产生的扰动称为内部噪声或噪音，外部产生的扰动称干扰。 但无论内部噪声还是外部干扰，这里统称噪声。 二. 噪声的统计规律（意义） 1.符合统计规律的正态分布 概率密度: 均方值: 均方根值: (相当于交流电的有效值) 平均值: a: 数学期望，在这里是噪声电压的平均值，等于0。 2.噪声测量 交流电测量 i = I m sin t 整流后测平均值： 而有效值： I效/ I平 1.11 I效1.11 I平 因而修正刻度，即将测得的I平 再乘以1.11后，最后得到I效。 由于噪声不是正弦波，而是短尖脉冲，故测量方法相同，但不是乘上

3、1.11 修正刻度，而是通过经验得到修正值是1.13。现有的噪声表都是将噪声整流 后测平均值，再用1.13修正得到噪声的有效值。 三随机噪声的功率谱密度及相关函数 1自相关函数 2 )(R 2功率谱密度：均方根值用来衡量噪声电压幅值的大 小，功率谱密度S（）用来分析噪声功率随频率的分 布情况。 ：角频率，f ：频率， P（，）处带宽之间噪声的平均功率。 已知S( ()或S( (f), 就可求得噪声得平均功率（均方值）： 特点： 1）频带增加，PN 上升，欲使PN下降，减少通频带减少 噪声带宽； 2）S（）所覆盖的面积，在数值上等于噪声的总功率。 3）S （）是的实偶函数。 4功率谱密度与自相关

4、函数的关系 （维纳- -辛钦定量） 自相关函数和功率谱密度的形状都与随机噪声变化的速度有关 例1-1 随机噪声x(t)的自相关函数)exp()( 2 x R 求其功率谱密度函数和功率 22 2 2 2 )exp()( deS j x 2 2 22 2 2 arctan 1 2 2 1 dtxEP x 2 )0( xx RP 2几种典型噪声的 S（）: B B BBN R sin 2 )( 0 四.噪声带宽 对于确定信号的线性系统，带宽的典型定义是 半功率点之间的频率间隔。即：线性电路的- 3dB带宽。功率下降到50%，相当于电压下降 到70.7%，即电压下降了3dB。 P= U2/R= (0.

5、707Umax)2/R=0.5Umax2/R 对于随机噪声，人们主要关心的是系统输出的 随机噪声功率大小。 dH A Be 2 0 2 2 0 1 Be是在相同的输入噪声情况下，与实际线性电路输出噪声功 率相等的理想矩形通带系统的带宽。 e x yy BA N dSH dSP 0 0 0 2 1 11 4 2 1 2 1 等效噪声带宽Be dH N dSP yy 0 2 2 0 0 22 4 2 1 例 求一阶RC低通滤波器电 路的等效噪声带宽Be RCj jH 1 1频率响 应函数 21 1 RC jH 幅频响 应函数 RC d RC Be 2 1 1 0 2 2 令幅频响应函数 2 1 j

6、H RC B 1 0 等效噪声带宽Be比-3dB带宽B0要宽，Be1.57B0 对于二阶低通滤波器，Be1.22B0 对于三阶低通滤波器，Be1.15B0 对于四阶低通滤波器，Be1.13B0 对于五阶低通滤波器，Be1.11B0 滤波器的阶次越高，其幅频响应曲线越接近于理想 滤波器。 五. . 噪声源的相关性 相关系数：设二随机噪声u1(t)、u2(t),则定义相关系数C 为： 两噪声相加得：u2=u12+u22+2Cu1u2 当C0，u1，u2独立，互不相关，u 2=u 1 2+u 2 2 当C1，完全相关。 C1,u=u1+u2C1,u=u1u2 当/C/1，部分相关。 实际计算时，C很

7、难确定，故一般取C0，则对于多个噪声 源， u2=u12+u22+u32+u42+- 六、信噪比（SNR）及信噪改善比（SNIR） 定义： SNR=S/N=信号有效值/噪声有效值 1/测量误差。 SNIR输出信噪比/输入信噪比 反映系统噪声是否得到改善得情况。 一电阻的热噪声 kTRfSt4)( 12 电阻的热噪声和过剩噪声原因 功率谱密度函数： 在室温下（17），4kT1.610-20 等效功率： kTRBPE tt 4 开路热噪声电压有效值： kTRBP t 4 适用范围：频率不是很高 （1012Hz）。 开路热噪声电流有效值： RkTBI t /4 21 2 2 2 1 21 2 2 2

8、 1 2 21 2 22 2 tttt ttttttt eEeEeE eeeeEeeEE 串 et1和et2互不相关 2 2 2 1 2 2 2 1 2 ttttt EEeEeEE 串 PN结的散弹噪声 dcsh qIfS2)( BqIPI dcshsh 2 dc shsh I BIi 10 1066. 5 / 二电阻的过剩噪声 原因：电导率不均匀，材料不同。 大小：Uex2=KIDC2R2/f红噪声 爆裂噪声 流过半导体PN结电流的突然变化，原因是半导体材 料中的杂质。 三. . 结论 f 1, 热噪声为主；f1，剩余噪声为主。 少用直流放大器，多用交流放大器，采用调 制方法将直流变成交流。

9、 低温或恒温，减少fN. 1-3 1-3 有源器件的噪声 噪声系数: 描述系统或放大器的噪声情况(F)。 定义： F输入信噪比/输出信噪比 用功率形式表达： 如何得到E En n和I In n？ Eni2=En2+In2Rs2 当Rs0，Eni2=En2 当Rs，Eni2=In2Rs2 取Rs0，（输入短路），测出Eno, 得EnEno/Kv 取Rs较大时，测得Eno， 得EniEno/Kv=InRsIn=Eno/(KvRs) 2222 2 2 snntsnntni RieeRieee 22222222 4 snnssnntni RIEfkTRRIEEE 22222222 4 snnssnnt

10、ni RIEfkTRRIEEE 高噪声放大器 低噪声放大器 最佳源电阻与噪声匹配 fkTR RIE fkTR RIEfkTR E E P E KP P F s Snn s Snns t ni ni ni pni no 4 1 4 4 222222 2 22 , 0 s R F 0 s R F nnso IER/ fkT ie F NN 2 1 min s so so s R R R RF F 2 1 1 min 级联放大器的噪声系数 考虑3 3级放大器，总得输出噪声功率P Po o为： 323132321 PPKPKKPKKKP io i o ip o PKKK P PK P F 321 ii

11、i PKKK P PKK P PK P F 321 3 21 2 1 1 1 i PK P F 1 1 1 1 i PK P F 2 2 2 1 i PK P F 3 3 3 1 21 3 1 2 1 11 KK F K F FF 结论：1. 放大倍数分配原则先大后小。 2第一 级放大器噪声对系统影响最大， 重点要减少前置放大器的噪声系数。 3以上公式和结论适合于线性电路中。 12121 3 1 2 1 111 M M KKK F KK F K F FF 弗里斯公式： 运算放大器的噪声特性 大量晶体管（PN结产生散弹噪声），一定数量的电阻（热 噪声），引脚（1/f噪声） 返回 1 14 4 低

12、噪声前置放大器的设计 kT ie F NN 2 1 min 选择RsRso，使F最小，抑制噪声最好。 一从Fmin出发选择最佳的源电阻Rso. NNso ieR/ 二器件的选择 电容：用云母和瓷介电容器。大容量时选择钽电解电容器。 根据信号源电阻来选择不同的放大器。 四 阻抗匹配网络 由于RsRso，可用阻抗匹配网络来改变等效输入阻 抗。 1.变压器匹配 N N sos i e RRn 2 sso RRn/ 例：信号源输出电阻Rs=10欧，工作频率f=1KHz。前置 放大器OP07。求匹配变压器的圈数比和能够达到的信噪 改善比SNIR。 四 阻抗匹配网络 由于RsRso，可用阻抗匹配网络来改变

13、等效输入阻抗。 1.变压器匹配 Rson2Rs，改变n即可。缺点：会带来信号频 率失真 2.输入级并联法 N个完全相同的放大器并联，则RsoRso/N 1 15 5 抑止干扰和噪声的外部方法 一屏蔽1 主要导线屏蔽 2、主要印刷电路走线屏蔽 3、部分装置的屏蔽 4、整个装置的屏蔽 二接地 1、电路单点接地 2、电路多点接地 3、电路混合接地 4、屏蔽体接地 三隔离1、变压器隔离 2、光电耦合器隔离 微弱信号检测概述微弱信号检测概述 微弱信号不仅指信号的幅度小，主要指被噪声微弱信号不仅指信号的幅度小，主要指被噪声 淹没的信号。淹没的信号。“微弱微弱”是相对于噪声而言的。是相对于噪声而言的。 环境

14、噪声很大时。收音机。 分贝计算公式：10*lg(P/Pref)，其中Pref=20mPa，P为声功率 例：两个60分贝的声音合成。 60=10*lg(P/Pref)，所以P=20000 两个60分贝的声音合成，P=2*20000=40000， 所以总的分贝是：10*lg(40000*1000/20）=63dB 研究抑制噪声和提高信噪比。 常规的方法：滤波；调制解调 11 噪声的基本概念 一. 干扰与噪声的定义：扰乱有用信号的任何不期望的内 部产生的扰动称为内部噪声或噪音，外部产生的扰动称干扰。 但无论内部噪声还是外部干扰，这里统称噪声。 二. 噪声的统计规律（意义） 2.噪声测量 交流电测量 i = I m sin t 整流后测平均值： 而有效值： I效/ I平 1.11 I效1.11 I平 因而修正刻度，即将测得的I平 再乘以1.11后，最后得到I效。 由于噪声不是正弦波，而是短尖脉冲，故测量方法相同，但不是乘上1.11 修正刻度，而是通过经验得到修正值是1.13。现有的噪声表都是将噪声整流 后测平均值，再用1.13修正得到噪声的有效值。 三随机噪声的功率谱密度及相关函数 1自相关函数 2222