前置放大器噪声特性指标的研究

前置放大器噪声特性指标的研究

0低噪声前置放大器在各种薄弱信号检测系统和高灵敏度自动设备中，为了获得正确、可靠的信息，大多数都配备了各种性能传感器。传感器输出信号往往十分微弱,只有微伏级,有时甚至有强烈的电磁及外界噪声干扰。为了高精度地检测及传送微弱信号,一个重要的措施就是选择具有抗强干扰的低噪声前置放大器。根据传感器的内阻不同,应选择不同的低噪声前置放大器。本文主要针对低内阻的传感器合理选择低噪声前置放大器的有源器件,以达到最佳噪声匹配。1硫特性分析任何一个放大器内部都有噪声源,而前置放大器的噪声主要由有源器件引起。通常衡量一个放大器的噪声特性用噪声系数(NoiseFacter)或称噪声指数(NoiseFigure),其大小等于输入端的总输出噪声与输入端噪声之比。为了使问题简单化,在分析放大器噪声特性时,一般把所有内部噪声源折合为放大器输入端的等效噪声源来分析。前置放大器与信号源连接的实际电路与等效噪声模型如图1(a)、(b)所示。图1中,RS为信号源的内阻;En、In分别为等效输入端噪声电压、电流;Ent为电阻的热噪声电压;Vs为被测信号电压。由图1可得信号源的热噪声为:式中K为波尔兹曼常数;T为绝对温度;!f为噪声带宽。等效输入噪声为:总的等效输出噪声为:噪声系数为:由上式知,放大器固有噪声越小,F越小,则放大微弱信号的能力越强。反之,其噪声性能越差。由此可以看出,设计低噪声放大器时应尽可能选择En、In较小的器件。2噪声平衡2.1集成运放、fet和bjt对rs0rs的影响根据RS的不同,选择合适的有源器件使得RS0≈RS,以便在直接耦合方式下达到最佳噪声匹配。图2是几种有源器件内阻的分布图(放大器有源器件的选导图)。从图2可知,传感器内阻为几十欧到几百欧常采用三极管直接匹配;而内阻在几百欧至1MΩ之间,集成运放、FET和BJT均可在直接耦合下满足RS0≈RS的要求。其中集成运放体积小、应用方便,但噪声比分立元件大2~5倍;而FET一般在源电阻较大时较为理想,因其In远小于BJT,而En比BJT的略大或相当,故FET的最佳源电阻RS0要远大于BJT的RS0,二者的关系如图3所示。从图3中可看出,虽然BJT的RS0随频率增加而增大,而JFET的RS0随着频率增大而减少,但总的来说,BJT的RS0总比JFET的RS0低。所以在低噪声前置放大器设计中,对于较小的内阻RS,采用BJT最合适。但其PNP和NPN型也有差别,PNP管子用于稍小源电阻的场合,而NPN型用于稍大源电阻的场合。2.2连接方法当有源器件内阻低于几十欧时,为了达到噪声匹配往往采用下面几种耦合方式。(1)变压器内阻噪声变压器耦合法就是利用变压器的阻抗变换原理改变信号源的内阻,来达到噪声最佳匹配,其实际电路与理想等效噪声模型如图4。故对于不同内阻的信号源,通过改变变压器的匝数很容易达到噪声最佳匹配。但在实际应用中,使用变压器耦合会带来一定的局限性:①变压器的线圈与铁芯有损耗电阻,产生热噪声,并对信号有衰减作用,使得信噪比与整机的噪声系数变坏;②被测信号必须是频率较高的交流信号;但当频率过高时,变压器的分布电容和分布电感会带来不利影响;③制作变压器是一种比较复杂的技术。(2)ss0的电路等效噪声模型当RS<RS0时,添加一个与信号源相串联的电阻RS1,使得RS0=RS+RS1,添加后的电路等效噪声模型如图5所示。显然噪声系数变大,并随RS1的增大使F′变大,故此方法不利于降噪,只会使其恶化。(3)个别晶体串联用N个噪声性能相同的有源器件并联,减少RS0,N的选择可以根据RS的大小决定,图6为N个晶体管并联的等效电路。可见并联可以降低放大器的RS0及En,并达到最佳噪声匹配。虽然并联后等效噪声电流增大,但对于很小RS,En对F占主要作用,In引起的噪声很小,故并联法更有利于降低F。运放、场效应管也可以采用此方法,但对于低RS,其噪声性能略差于采用BJT。3车桥比和电极电流nf的噪声系数d对于直接耦合的前置放大电路,当有源器件选定后,必须选择合适的工作点使得其噪声最小。由前面分析可知Fmin与放大器的En及In有关,而En、In与有源器件的工作点有关。图7是BJT的噪声系数与工作点的曲线图。由7图可知:RS、NF、集电极电流(Ic)是一一对应的,并随Ic的增大而减少,当RS选定,要得到最小的噪声系数,就要选择合适低的Ic。晶体管一般在很小的Ic下就可以工作,且用单电源供电,故电路的功耗也比较低。4器件的优缺点对于较小源电阻的微弱信号放大,单级或多级并联双极型晶体管是最理想的前置放大器有源器件,其有下面几个优点:(1)等效噪声电