微弱信号检测课件2(高晋占 --清华大学出版)

1、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 2 2 放大器的噪声系数 2 3 放大器噪声性能分析 2 4 BJT的噪声特性 2. 5 场效应管（FET）的噪声特性 2 6 运算放大器的噪声特性 2 7 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（B

2、oltzman）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

3、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,2.1.3 1/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（Burst Noise）,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

4、冲的宽度：1 ms0.1 s 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(Noise Factor)和噪声因数(Noise Figure),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

5、功率； 放大器无噪声时的输出噪声功率。,4 噪声因数NF（Noise Figure）：,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

6、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

7、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,24 BJT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,2.4.2 BJT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

8、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 。,

9、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

10、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