噪声与低噪声设计

微 弱 信 号 检 测 2Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 微弱信号检测概述微弱信号不仅指信号的幅度小，主要指被噪声淹没的信号。“微弱”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 3Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 1 1 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 ） 4Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 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。 5Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 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 。 6Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 三 随 机 噪 声 的 功 率 谱 密 度 及 相 关 函 数1 自 相 关 函 数 7Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 2)( R 8Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 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 。 9Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 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 。 10Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 4 功 率 谱 密 度 与 自 相 关 函 数 的 关 系（ 维 纳 -辛 钦 定 量 ） 11Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 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 12Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 例 1-1 随 机 噪 声 x(t)的 自 相 关 函 数 )exp()( 2 xR求 其 功 率 谱 密 度 函 数 和 功 率 13Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 22 22 2)exp()( deS jx 22 22 22 arctan1 221 dtxEPx 2)0( xx RP 14Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 2 几 种 典 型 噪 声 的 S（ ） : 15Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST B BBBNR sin2)( 0 16Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 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= (0.707Umax)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 。 17Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST dHABe 20 2201 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 xyy BAN dSH dSP 00 0 21 11421 21 等 效 噪 声 带 宽 Be dHN dSP yy 0 220 0 224 21 18Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 例 求 一 阶 RC低 通 滤 波 器 电路 的 等 效 噪 声 带 宽 Be RCjjH 1 1频 率 响应 函 数 21 1RCjH 幅 频 响应 函 数 RCdRCBe 21 10 22 令 幅 频 响 应 函 数 21jHRCB 10 19Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 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 。 20Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 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+2C u1 u2 当 C 0， u1， u2独 立 ， 互 不 相 关 ， u2= u12 +u22 当 C 1， 完 全 相 关 。 C 1 , u= u 1 +u2 C 1 , u= u1 u2当 /C/ 1， 部 分 相 关 。实 际 计 算 时 ， C很 难 确 定 ， 故 一 般 取 C 0， 则 对 于 多 个 噪 声 源 ，u2= u12 +u22+u32+u42+- 21Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 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 。 22Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 一 电 阻 的 热 噪 声 kTRfSt 4)( 1 2 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 ） ， 4kT1.6 10-20等 效 功 率 ： kTRBPE tt 4开 路 热 噪 声 电 压 有 效 值 ：kTRBPt 4适 用 范 围 ： 频 率 不 是 很 高（ 1012Hz） 。开 路 热 噪 声 电 流 有 效 值 ：RkTBIt /4 23Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 串 联 等 效 电 压 有 效 值 ： Et串 2=4K TB（ R1 R2） 24Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 212221 2122212212 22 2tttt ttttttt eEeEeE eeeeEeeEE 串et1和 et2互 不 相 关 222122212 ttttt EEeEeEE 串Et串 2=4K TB（ R1 R2） 25Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 并 联 Et并 2=4K TB（ R1/R2） 26Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST PN结 的 散 弹 噪 声dcsh qIfS 2)( BqIPI dcshsh 2 dcshsh IBIi 101066.5 / 27Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 二 电 阻 的 过 剩 噪 声原 因 ： 电 导 率 不 均 匀 ， 材 料 不 同 。大 小 ： Uex2=K IDC2R2/f 红 噪 声 碳 膜 电 阻 、 金 属 膜 电 阻 、 绕 线 电 阻 变 小 。措 施 ： 选 高 质 量 电 阻 ， 减 少 I DC. 28Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 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 。 29Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 三 . 结 论 n f 1, 热 噪 声 为 主 ； f 1， 剩 余 噪 声 为 主 。n 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 。n 低 温 或 恒 温 ， 减 少 fN. 30Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 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 ： 31Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 32Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 如 何 得 到 En和 In？ Eni2= En2 + In2 Rs2n 当 Rs 0， Eni2= En2n 当 Rs ， Eni2= In2 Rs2 取 Rs 0， （ 输 入 短 路 ） ， 测 出 Eno , 得 En Eno/K v取 Rs较 大 时 ， 测 得 Eno ，得 Eni Eno/K v= In Rs In = Eno/(K vRs) 33Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 222222 snntsnntni RieeRieee 22222222 4 snnssnntni RIEfkTRRIEEE 34Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 22222222 4 snnssnntni RIEfkTRRIEEE 高 噪 声 放 大 器 低 噪 声 放 大 器 35Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 最 佳 源 电 阻 与 噪 声 匹 配 fkTR RIEfkTR RIEfkTREEPEKPPF s Snns Snnstnininipnino 4144 222222222 ,0sR F0 sRF nnso IER / fkTieF NN 21min ssosos RRRRFF 2 11 min 36Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 37Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 38Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 39Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 级 联 放 大 器 的 噪 声 系 数 40Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 考 虑 3级 放 大 器 ， 总 得 输 出 噪 声 功 率 Po为 ：323132321 PPKPKKPKKKP io ioipo PKKK PPKPF 321 iii PKKK PPKK PPKPF 321 321 2111 iPKPF 111 1 iPKPF 222 1 iPKPF 333 1213121 11 KKFKFFF 41Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 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 。 121213121 111 MM KKK FKKFKFFF 弗 里 斯 公 式 ： 42Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 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 ） 43Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 返 回 44Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 1 4 低 噪 声 前 置 放 大 器 的 设 计 kTieF NN21min 选 择 Rs Rso， 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 / 45Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 二 器 件 的 选 择 n 电 容 ： 用 云 母 和 瓷 介 电 容 器 。 大 容 量 时 选 择 钽 电 解 电 容 器 。n 根 据 信 号 源 电 阻 来 选 择 不 同 的 放 大 器 。 46Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 四 阻 抗 匹 配 网 络 由 于 Rs Rso， 可 用 阻 抗 匹 配 网 络 来 改 变 等 效 输 入 阻 抗 。 1. 变 压 器 匹 配 NNsos ieRRn 2 sso RRn / 47Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 例 ： 信 号 源 输 出 电 阻 Rs=10欧 ， 工 作 频 率 f=1K Hz。 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。 48Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 49Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 50Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 四 阻 抗 匹 配 网 络 由 于 Rs Rso， 可 用 阻 抗 匹 配 网 络 来 改 变 等 效 输 入 阻 抗 。 1. 变 压 器 匹 配 R so n2Rs， 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 Rso Rso/N 51Prof. Yang, The college of Optic and Electronic Information Engineering, USST 1 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