3.2放大器的噪声分析ppt课件

1、 2.1 放大器的噪声电压放大器的噪声电压噪声电流噪声电流(En-In)模型模型 2.2 等效输入噪声及简化计算法则等效输入噪声及简化计算法则 2.3 噪声系数噪声系数 2.4 最佳源电阻最佳源电阻Ropt与最小噪声系数与最小噪声系数NFmin 2.5 噪声温度噪声温度 2.6 多级放大器的噪声系数多级放大器的噪声系数NF1,2,n 2.7 耦合网络的低噪声设计原则耦合网络的低噪声设计原则 2.8 低噪声前置放大器的选用低噪声前置放大器的选用 2.9 噪声参数的测量噪声参数的测量 2.10 元器件器件分析元器件器件分析 2.11 低噪声放大器的设计原则与方法低噪声放大器的设计原则与方法 2.1

2、2 低噪声集成运算放大器分析与设计！低噪声集成运算放大器分析与设计！ 使用放大器的必然性：一般是微弱信号 问题：放大信号的同时也放大了噪声 目的：设计高质量的低噪声前置放大器必须研究：信号的特性， 噪声的特性， 噪声分析方法， 目的：更好地抑制噪声、放大信号。 研究关于放大器的噪声及描述放大器噪声特性的一些有关参数和模型。 放大器内部的噪声是很复杂的放大器内部的噪声是很复杂的 采用采用En-InEn-In模型来描述放大器的总模型来描述放大器的总的噪声特性。的噪声特性。 放大器的内部噪声可以用串联在输放大器的内部噪声可以用串联在输入端的具有零阻抗的电压发生器入端的具有零阻抗的电压发生器EnEn和

3、一个并联在输入端具有无穷大阻抗和一个并联在输入端具有无穷大阻抗的电流发生器的电流发生器InIn来表示。两者相关系来表示。两者相关系数为数为r r。这个模型称为放大器的这个模型称为放大器的EnEnInIn噪声模噪声模型型噪声的电压噪声的电压电流电流En-InEn-In模型模型 Vs为信号源电压；为信号源电压； Rs为信号源内阻；为信号源内阻； Ens为的热噪声为的热噪声电压；电压； Zi为放大器输入为放大器输入电阻电阻 Av为放大器电压为放大器电压增益增益 Vso总的输出信总的输出信号号 Eno总的输出噪总的输出噪声声 RsEnsVsInrZiAv无噪声放大器VsoEnZiAVEno En：放大

4、器的噪声：放大器的噪声电压；电压； In：放大器的噪声电：放大器的噪声电流；流； En-In模型的优点：模型的优点：理论：放大器看成是无噪声的，理论：放大器看成是无噪声的， 对放大器噪声的研究归结为只要分析对放大器噪声的研究归结为只要分析En、In在整个电路中所起的作用。在整个电路中所起的作用。 简化了电路系统的噪声的计算。简化了电路系统的噪声的计算。实验：能够通过实验测量得出实验：能够通过实验测量得出En、In 的大小的大小利用利用En-In模型，放大系统的噪模型，放大系统的噪声简化为三个噪声声简化为三个噪声, 即即En、In和和Ens。等效输入噪声等效输入噪声Eni： 进一步考虑这三个噪声

5、源的共进一步考虑这三个噪声源的共同效果，将它们等效地归结到同效果，将它们等效地归结到信号源位置上，信号源位置上， 用等效输入噪用等效输入噪声声Eni来表示。来表示。计算各噪声源在放大器输出端的计算各噪声源在放大器输出端的贡献：贡献： Ens的贡献为：的贡献为： En的贡献为：的贡献为： In的贡献为：的贡献为：AvZRZEEisinsEnons)(AvZRZEEisinEnons )(AvZRIIEisnnno)|()( AvZRZRIisisnRsEnsVsInrZiAv无噪声放大器Vso若若En、In不相关，将上述各项平不相关，将上述各项平方相加方相加 得总的输出噪声为：得总的输出噪声为：

6、在上式中，有一个公共因子在上式中，有一个公共因子 当输入信号为当输入信号为Vs时，输出信号时，输出信号为：为： 即放大系统的电压放大倍数。即放大系统的电压放大倍数。 2)(2)(2)(2nnnsInoEnoEnonoEEEE 222222AvZRZRIAvZRZEAvZRZEisisnisinisinsAvZRZisiAvZRZVVisisso AvZRZVVKisisso因而： 为等效输入噪声 等效输入噪声的意义： 单一噪声源位于Vs位置上，代替了原系统的所有噪声源。如果En、In是相关的，那么： 式中r为相关系数。 2222222snnnsvnoniRIEEKEEsnnsnnnsniRIr

7、ERIEEE222222fKTREsns 42E2nsE2nsE2nE2nE2niE2ni(InRs)2(InRs)2RsRsEns为主En为主InRs为主通用放大器通用放大器低噪声放大器低噪声放大器00在实际工作中常常需要考虑放大器、在实际工作中常常需要考虑放大器、元件及系统的噪声性能。元件及系统的噪声性能。对于系统来说，其噪声性能不仅仅是对于系统来说，其噪声性能不仅仅是指系统本身元器件产生噪声的大小，指系统本身元器件产生噪声的大小，还包括它对信号影响的程度。还包括它对信号影响的程度。通常是用噪声系数通常是用噪声系数 NFNoise Factor作为衡量放大器或元件、或系统噪声作为衡量放大器

8、或元件、或系统噪声性能的指标。性能的指标。等效输入噪声等效输入噪声Eni的表示式中含有源电的表示式中含有源电阻阻Rs及其热噪声项，故不宜用及其热噪声项，故不宜用Eni作作为衡量的指标。为衡量的指标。另一方面，同时用另一方面，同时用En、In来表示又比来表示又比较麻烦。较麻烦。 定义信噪比：定义信噪比： 电路信号功率与噪声功率之比，称为电路信号功率与噪声功率之比，称为信号噪声比，简称信噪比，信号噪声比，简称信噪比， 用符号用符号 或或 表示。输出端的信表示。输出端的信噪比越高越好噪比越高越好定义噪声系数：定义噪声系数：用分贝表示则写成：用分贝表示则写成： NsPPNS输出端信噪比输入端信噪比no

9、sonisiPPPPNF/nosonisiFPPPPN/lg10放大器的噪声系数的定义表示信号通过放大放大器的噪声系数的定义表示信号通过放大器后，信噪比变坏的程度。器后，信噪比变坏的程度。 信号通过放大器后，若放大器无滤波功能，则信号和信号通过放大器后，若放大器无滤波功能，则信号和噪声都同样放大了，放大器本身也有噪声，信噪比噪声都同样放大了，放大器本身也有噪声，信噪比不可能变好。不可能变好。 如果放大器是理想的无噪声线性网络，如果放大器是理想的无噪声线性网络， 输入端的信号与噪声得到同样的放大，输入端的信号与噪声得到同样的放大， 即输出端的信噪比与输入端的信噪比相同，即输出端的信噪比与输入端的

10、信噪比相同， 那么：那么：NF=1 或或 NF= 0 dB。 如果放大器本身有噪声，则输出噪声功率等于放大后如果放大器本身有噪声，则输出噪声功率等于放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声功率之和，对的输入噪声功率和放大器本身的噪声功率之和，对这样的放大器，信号经放大后，输出端的信噪比就这样的放大器，信号经放大后，输出端的信噪比就比输入端的信噪比低，那么比输入端的信噪比低，那么 NF1。 Ap=Pso/Psi为放大器的功率增益， Pno1=PniAp 表示信号源内阻产生的噪声，通过放 大器后在输出端所产生的噪声功率。上式表示，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

11、的大小无关。 sisoninosoninosinosonisinosonisiPPPPPPPPPPPPPPPPNF/pninoAPPNF1nonoPPNF由NF的定义，且输入端的信号功率Psi和噪声功率Pni分别由输入信号源的信号电压Vs和其内阻Rs的热噪声所产生，噪声系数也可以写成另一种形式：或l放大器的输出噪声功率Pno是由两部分组成的，一部分是Pni Ap；另一部分是放大器本身内部产生的噪声在输出端上呈现的噪声功率Pn，l 即l 所以，噪声系数又可写成：l l 上式表明噪声系数与放大器内部噪声的关系。l 实际放大器总是要产生噪声的，l 即： Pn0，因而 NF1。l 只有放大器是理想情况

12、，内部无噪声，即Pn=0。那么 NF=1。 nnonnipnoPPPPAP1nipnnippninoPAPPAAPPNFnipnpninPAPAPP11l有时噪声系数用电压比表示，l即：l 其中 为电压增益。l l而 Eni为等效输入噪声l 那么：l （噪声系数等于等效输入噪声除以信号源的噪声）l若考虑相关系数r0，则噪声系数 ：22202020221vnsnnsnssKEEEVEVNFssovVVK2220nivnEKE22201vnsnKEENF22nsniEE22222nssnnnsERIEE222222nssnnsnnnsERIrERIEENF基本定义式：输出端信噪比输入端信噪比nos

13、onisiPPPPNF/niosininososiPSNRPPPPPNF)/(那么：SNRo为输出端的信噪比。niosiPSNRNFP则输入信号功率：则输入信号电压：niosiPSNRNFE 若已知NF，输入噪声功率Pni，要求输出信号的信噪比，就可以计算出可以检测的最小信号。l例如：放大器信号源电阻Rs=1k ，工作温度为290k，带宽=1kHz，NF=2，只考虑的热噪声，l 若要求输出SNRo=10，计算可检测的最小信号。解：放大器仅有信号源电阻Rs 的热噪声功率 Pni=4kTRs niosiPSNRNFE 可检测的最小信号： Ei0.566VNFSNRfkTREossi4l噪声系数的三

14、个表达式为：l基本定义式：l导出式：l或：l它们分别从不同的角度说明了噪声系数的含义，是完全等效的。输出端信噪比输入端信噪比nosonisiPPPPNF/功率源电阻产生的输出噪声输出端总的噪声功率pninoAPPNF功率源电阻产生的输出噪声放大器产生的噪声功率11pninAPPNFl在计算具体电路的噪声系数时，用后面两式比较方便。l应该指出，噪声系数的概念仅仅适用于线性电路线性放大器），因此可以用功率增益来描述。l对于非线性电路而言，不仅得不到线性放大，而且信号和噪声、噪声和噪声之间会相互作用，即使电路本身不产生噪声，在输出端的信噪比和输入端的也不相同。l 因此噪声系数的概念就不能适用。l根据

15、前面导出的噪声系数表达式 l由上式可见，NF是四个变量En、In、Rs、f的函数。l放大器一旦设计好以后，En、In和就基本不变了，NF只是Rs的函数22222222221nssnnsnnssnnnsERIEEERIEENFfKTREsns 42fKTRRIfKTRENFssnsn4)(4122lNF和Rs的关系:l对于一个确定的放大器，只能通过改变源电阻来减小它的噪声系数。lNF和Rs有关：l Rs增大时第二项减小而第三项增大，Rs减小时第二项增大第三项减小，l因而，NF是有极值的。 fKTRIfKTRENFsnsn44122求偏导 ：得： 因而，当信号源的内阻： 时， 噪声系数NF取得最小

16、值： 称此时的源电阻为最佳源电阻，记为RoptsdRNFd)(0441222fKTIfKTERRNFnnssoptsnnsRIER)(记作nnsIER fKTIEfKTIEfKTIENFnnnnnn21441minl当Rs=Ropt时，可使放大器的噪声系数为最小，l这时源电阻和放大器的配置称为“噪声匹配”，l这是低噪声设计的一个重要原则。 根据噪声系数的公式，放大器的噪声系数: Pn是放大器内部噪声在输出端产生的噪声功率PniAp是信号源的内阻产生的噪声功率在放大器输出端的结果。pninAPPNF 1 设放大器在输入端和信号源是功率匹配的， 即Rs=Ri，在输出端和负载也是功率匹配的：Ro=R

17、L放大器的功率增益为APH。信号源的内阻Rs产生的热噪声电压均方值为:而放大器的输入噪声功率则为：该噪声功率放大后为：fKTREPsnsni42fKTREsns 42fKTAAPPHpnilPn为放大器本身产生的噪声在输出端的功率，将Pn等效到放大器的输入端，并且假定这个噪声也是一个阻值为Rs的电阻产生的，并且这个电阻的温度为Ti，即：l 得：l Ti就称为放大器的噪声温度。l当Ti=0时，NF=1表示放大器本身不产生噪声，是理想的无噪声放大器；l当Ti=T时（=290K则NF=2NF=3dB），表示放大器本身所产生的噪声和信号源所输入的噪声相等。 fKTAPiPHn) 1(111NFTTTTfKTAfKTAAPPNFiiPHiPHpninl在功率匹配情况下，放大器的总的输出噪声功率：l噪声