第二部分放大器噪声源和噪声特性课件

,低噪声放大电路设计与应用,放大器的噪声源和噪声特性,1.0,引言,1.1,放大器的噪声系数,1.2,放大器的噪声性能分析,1.3,分立元器件噪声分析,1.4,运算放大器的噪声特性,1.5,放大器噪声系数测量,1.6,低噪声放大器设计,1.0,引言,电子噪声的两种定义,:,一是由于电荷载体的随机运动所导致的电压或电流的随机波动,另一种是污染或干扰有用信号的不期望的信号,。,(2),第二种噪声定义的范围更广，它既包括电路内部产生的噪声，也包括来自电路外部的干扰。叠加在有用信号上的外部干扰噪声可能是随机的，也可能是确定性的。,(3),由组成检测电路的元件产生的内部噪声称为固有噪声，它是由电荷载体的随机运动所引起的。,1.0,引言,爆裂噪声,1.0,引言,电子系统内部几乎所有的器件本身往往就是噪声源,在放大微弱信号的同时,这些噪声源产生的噪声同样会被放大,.,即使电子系统外部的所有干扰噪声都被有效地抑制掉,放大器也会输出一定幅度的噪声,.,(5),在各种测试系统中,固有噪声的大小决定了系统的分辨率和可检测的最小信号幅度,.,(6),电子系统内部的固有噪声具有随机的性质,其瞬时幅度不可预测,只能用概率和统计的方法来表述其大小和特征,.,1.0,引言,(7),微弱信号检测的目的是从噪声中恢复被测信号,.,为了把微弱信号放大到可以感知的水平,必须使用放大电路,.,放大器在放大有用信号的同时也放大了噪声,不仅如此,实际放大器本身还要产生额外的噪声,不合理的电路结构还可能引入外界干扰噪声,使得被测信号中的噪声进一步增加,.,结论：,分析与设计低噪声放大电路对于检测微弱信 号是至关重要的,!,电子系统内部固有噪声源,热噪声,任何电阻或导体,即使没有连接到任何信号源或电源,也没有任何电流流过该电阻,其两端也会呈现噪声电压起伏,这就是电阻的热噪声,.,它起源于电阻中电子的随机热运动,导致电阻两端电荷的瞬时堆积,形成噪声电压,.,1928,年,Johnson,首先发现热噪声,.,Nyquist,用数学方式描述了热噪声的统计特性,.,电子系统内部固有噪声源,热噪声,热噪声的功率谱密度函数和等效功率分别为,:,电子系统内部固有噪声源,热噪声,由量子理论得到的更精确的热噪声功率谱密度函数表达式为,:,电子系统内部固有噪声源,热噪声,（,1,）等效电压源：电压恒定，和电流无关,（,2,）等效电流源：电流恒定，和电压无关,电子系统内部固有噪声源,热噪声,电阻串联,噪声电路,电子系统内部固有噪声源,热噪声,0,电子系统内部固有噪声源,热噪声,（,1,）热噪声相加，然后求均方值，两个信号不相关。,（,2,）功率加和，得到,等效功率,，再得到电压有效值。,（,3,）有效电压不能简单加和，应该是利用统计平均等到。,（,4,）等效电路的电阻加和。,电子系统内部固有噪声源,热噪声,电子系统内部固有噪声源,热噪声,（,1,）功率加和，得到等效功率，再求有效电压,（,2,）对每一路噪声电压进行分压,（,3,）等效电路的电阻并联,电子系统内部固有噪声源,热噪声,无源元件的任意连接所产生的热噪声等于,等效网络阻抗的实部电阻,所产生的热噪声。,电子系统内部固有噪声源,热噪声,并联电容后，无论什么阻值，只要电容一定，温度一定，噪声有效值一定，但是功率谱分布变化。,电子系统内部固有噪声源,2.,PN,结的散弹噪声,在半导体器件中,越过,PN,结的载流子的随机扩散以及空穴电子对的随机产生与复合导致散弹噪声,.,凡是具有,PN,结的器件均存在这种散弹噪声,.,散弹噪声电流是一种白噪声,其功率谱密度函数为,:,电子系统内部固有噪声源,2,.,PN,结的散弹噪声,为了减小散弹噪声的不利影响,流过,PN,结的平均直流电流应该越小越好,.,电子系统内部固有噪声源,3.,1/,f,噪声,1/,f,噪声是由两种导体的接触点电导的随机涨落引起的,凡是有导体接触不理想的地方都存在,1/,f,噪声,.,因为其功率谱密度正比于,1/,f,频率越低,1/,f,噪声越严重,所以,1/,f,噪声又称为低频噪声,.,电子系统内部固有噪声源,3.,1/,f,噪声,在碳电阻中,电流必须流过许多碳粒之间的接触点,所以它的,1/,f,噪声很严重,.,金属膜电阻的,1/,f,噪声要轻微得多,最好是金属丝线绕电阻,.,电子系统内部固有噪声源,4.,爆裂噪声,是一种流过半导体,PN,结电流的突然变化,.,原因是半导体材料中的杂质,(,通常是金属杂质,),这些杂质能随机发射或捕获载流子,.,爆裂噪声,电子系统内部固有噪声源,4.,爆裂噪声,(1),爆裂噪声通常是由一系列宽度不同,而幅度基本相同的随机电流脉冲组成,脉冲的宽度可在几微秒到,0.1s,量级之间变化,脉冲的幅度约为,0.01uA-0.001uA,量级,.,(2),因为脉冲的幅度只是,PN,结杂质特性的函数,对于某个特定的半导体器件样品,爆裂噪声的幅度是固定的,所以通常的爆裂噪声电流只在两种电流值之间切换,.,(3),取决于半导体制作工艺和材料中杂质的情况,爆裂噪声脉冲出现的频率可在每秒几百个到几分钟一个之间变化,.,电子系统内部固有噪声源,4.,爆裂噪声,1.1,放大器的噪声系数,(1),任何电路都有很多噪声源在同时作用,.,热噪声,散弹噪声,1/,f,噪声,爆裂噪声,(2),从设计和调试的角度出发,人们关心的是整体电路的噪声特性,而不是各个独立的噪声源的噪声特性,.,这就需要定义一些整体电路的噪声特性指标,以便,衡量电路噪声特性的优劣,进行不同电路的性能对比,并利用这些性能指标对电路进行改进和优化,.,(3),噪声系数和噪声因数,就是这样的指标,.,1.1.1,噪声系数和噪声因数,1.,噪声系数,(noise factor),当衡量一个有源器件的噪声特性时,人们更为关注信号被放大和传递过程中信噪比的变化情况,为此引入,噪声系数,F,这一重要指标,以衡量有源器件的噪声特性的优劣,.,1.1.1,噪声系数和噪声因数,一、,噪声系数,(noise factor),1.1.1,噪声系数和噪声因数,一、,噪声系数,(noise factor),1.1.1,噪声系数和噪声因数,1.,噪声系数,(noise factor),噪声系数,F,表征二端口网络对信噪比影响的情况,.,对于一个无噪声的理想放大器,F,=1;,而对于具有内部噪声源的实际放大器,F,1.,F,越大,说明放大器内部噪声越严重,.,(2),噪声系数随放大器的,偏置电流,工作频率,温度及信号源内阻,而变化,在谈及一个放大器的噪声系数是多少时,必须说明上述工作条件,.,1.1.1,噪声系数和噪声因数,二、,噪声因数,(noise figure),利用噪声因数,NF,的对数特性,可以把噪声系数,F,的相乘运算化解为相加运算,.,低噪声放大器的噪声因数小,.,对于自身不产生任何噪声的理想放大器,其噪声因数为零,.,噪声因数越大,说明放大器的噪声性能越差,.,低噪声设计的目的是使放大器的,NF,值尽量地小,.,1.1.1,噪声系数和噪声因数,三、,可检测的最小信号,1.1.2,级联放大器的噪声系数,M,级级联放大器总的噪声系数,F,的弗里斯公式,:,1.1.2,级联放大器的噪声系数,1.2,放大器的噪声性能分析,任何一个放大器内部都有许多噪声源,(,包括电阻,晶体管等,),为了使问题简化,在放大器的噪声分析,噪声指标计算及低噪声电子设计中,一般都是把所有内部噪声源都折合到放大器的输入端,用输入端的等效噪声源来表示,.,几个基本概念,(1),e,n,表示等效输入噪声电压,(2),i,n,表示等效输入噪声电流,.,(3),E,n,表示中心频率为,f,的窄带宽,f,内的等效输入噪声电压有效值,(4),I,n,表示同样带宽,f,内的等效输入噪声电流有效值,(5),E,2,n,和,I,2,n,分别为等效输入噪声电压和电流的功率,.,(6)S,nv,(,f,),为等效输入噪声电压的功率谱密度,(7)S,ni,(,f,),为等效输入噪声电流的功率谱密度,(8),e,N,为等效输入噪声电压的平方根谱密度,(9),i,N,为等效输入噪声电流的平方根谱密度,几个基本概念,1.2.1,放大器的等效输入噪声,等效噪声输入电路的总噪声功率,:,1.2.1,放大器的等效输入噪声,1.2.2,最佳源电阻及噪声匹配,只有当,R,s,为最佳源电阻,R,so,时,噪声系数才能达到其最小值,这种情况称为噪声匹配,.,1.2.2,最佳源电阻及噪声匹配,由最佳源电阻不一定能得到最大的功率增益,R,so,是能给出最大信噪比的源电阻数值,.,选择最佳源电阻的目的不是要达到功率匹配,而是要达到噪声匹配,.,1.2.3,噪声因数等值图,(NF,图,),1.2.4,等效噪声温度,1.2.4,等效噪声温度,1.3,分立元器件噪声分析,电阻、电感、电容器、二极管、晶体管、场效应管,一、电阻的噪声,电阻的噪声有两种：热噪声和过剩噪声。,1.,热噪声,2.,过剩噪声,过剩噪声是电流通过不连续介质时产生的，与制作电阻的材料及工艺有关。,1.3,分立元器件噪声分析,电阻、电感、电容器、二极管、晶体管、场效应管,一、电阻的噪声,2.,过剩噪声,过剩噪声也可用噪声指数,NI,来表示。,NI,的定义是：电阻两端每,1V,直流压降在十倍频内产生的过剩噪声均方根电压值（,V,），并以对数表示：,考虑过剩噪声后，电阻的噪声功率谱为：,1.3,分立元器件噪声分析,电阻、电感、电容器、二极管、晶体管、场效应管,一、电阻的噪声,1.3,分立元器件噪声分析,电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管,二、电容器的噪声,（,1,）理想电容器不产生噪声，只有当电容器绝缘电阻下降，产生漏电流时才有噪声产生。,（,2,）电路阻抗的实数部分产生热噪声。,1.3,分立元器件噪声分析,电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管,二、电容器的噪声,1.3,分立元器件噪声分析,电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管,三、电感的噪声,（,1,）理想电感不产生噪声，但实际使用的电感线圈有电阻。,（,2,）电路阻抗的实数部分产生热噪声。,1.3,分立元器件噪声分析,电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管,三、电感的噪声,1.3,分立元器件噪声分析,电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管,四、半导体二极管的噪声模型,1.,散弹噪声,1.3,分立元器件噪声分析,电阻、电容器、电感、二极管、晶体管、场效应管,四、半导体二极管的噪声模型,2.,1/,f,噪声,3.,正向偏置二极管噪声模型,1.3,分立元器件噪声分析,五、双极型晶体管的噪声模型,1.3,分立元器件噪声分析,五、双极型晶体管的噪声模型,1.3,分立元器件噪声分析,五、双极型晶体管的噪声模型,1.3,分立元器件噪声分析,五、双极型晶体管的噪声模型,1.3,分立元器件噪声分析,五、双极型晶体管的噪声模型,1.3,分立元器件噪声分析,五、双极型晶体管的噪声模型,1.3,分立元器件噪声分析,五、双极型晶体管的噪声模型,1.3,分立元器件噪声分析,五、双极型晶体管的噪声模型,1.3,分立元器件噪声分析,五、双极型晶体管的噪声模型,3.,双极型晶体管的噪声因数频率分布,1.3,分立元器件噪声分析,五、双极型晶体管的噪声模型,3.,双极型晶体管的噪声因数频率分布,1.3,分立元器件噪声分析,六、场效应管的噪声特性,1.3,分立元器件噪声分析,六、场效应管的噪声特性,1.3,分立元器件噪声分析,六、场效应管的噪声特性,1.3,分立元器件噪声分析,六、场效应管的噪声特性,1.3,分立元器件噪声分析,六、场效应管的噪声特性,1.3,分立元器件噪声分析,六、场效应管的噪声特性,1.3,分立元器件噪声分析,六、场效应管的噪声特性,1.3,分立元器件噪声分析,六、场效应管的噪声特性,1.3,分立元器件噪声分析,六、场效应管的噪声特性,（,1,）与双极性晶体管相比，场效应管的等效输入电流噪声要小很多，而其等效输入电压噪声与双极性晶体管相当或略高，使得场效应管的源电阻较大。,（,2,）场效应管的低频,1/,f,噪声只出现在等效输入电压噪声中，而不出现在等效输入电流噪声中。,（,3,）结型场效应管的白噪声要低于双极性晶体管，低频段的噪声更是远远低于双极性晶体管。,（,4,）,场效应管的噪声特性要优于双极性晶体管,，尤其是等效输入噪声电流比双极性晶体管低得多。而且，场效应管的最佳源电阻比所有双极性晶体管大得多，适合源电阻较大的传感器。,1.3,分立元器件噪声分析,六、场效应管的噪声特性,1.4,运算放大器的噪声特性,运算放大器内部的固有噪声,:,(1),运算放大器内部包含大量晶体管,因此就有大量,PN,结,它们都是,散弹噪声源,;,(2),运算放大器内部还包含一定数量的电阻,它们都会产生,热噪声,;,(3),运算放大器的引脚及内部连接总会涉及不同金属的接触,因此,1/,f,噪声,必然存在,.,1.4,运算放大器的噪声特性,1.4,运算放大器的噪声特性,等效输入噪声源的功率谱密度分布,等效输入噪声源的功率谱密度分布,等效输入噪声源的功率谱密度分布,(1),当频率低到一定程度时,1/f,噪声的幅度趋向于常数,而不是趋向于无穷大,.,(2),运算放大器的等效输入电压噪声功率和等效输入电流噪声功率都取决于,三个因素,:,一个是平坦段白噪声的功率谱密度函数,另一个是,1/,f,噪声与白噪声相交的拐点频率,再一个就是工作频带的高、低频率,.,几种常用运算放大器的噪声指标,噪声计算举例,例,1:,下图所示差动放大电路的等效噪声带宽为,0.01-100Hz(,反馈电容未示出,运放型号为,uA741.,在输入端对地短路情况下,试计算输出端噪声的,有效值,V,no,.,自归零放大器,自归零放大器,1.5,放大器噪声系数测量,测量放大器的噪声系数需要做两个测量,:,一个是在放大器输入端对地短路情况下,测量放大器本身噪声在其输出端呈现的噪声功率,;,另一个是测量放大器对校准了的信号源的响应,.,1.5,放大器噪声系数测量,1.6,低噪声放大器设计,(1),对于微弱信号检测仪器或设备,前置放大器是引入噪声的主要部件之一,整个检测系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系数,.,(2),设计低噪声前置放大器的内容包括选择低噪声半导体器件,确定电路级数和电路组成,确定低噪声工作点,进行噪声匹配等工作,.,(3),在实现噪声指标的基础上,还要根据放大器要求的总增益,频率响应,输入输出阻抗,动态范围,稳定性等指标,确定电路的级数,组态,反馈和频率补偿方法等,.,1.6.1,有源器件的选择,(1),低噪声放大器应尽可能选用,e,N,，,i,N,小的器件，这样才能使,F,min,较小。此外还必须考虑到,e,N,，,i,N,以及噪声系数都是频率的函数，各种低噪声器件只是在一定的频率范围内才能达到其最小噪声系数。,1.6.1,有源器件的选择,(2),双极型晶体管的,e,N,较小，故其,R,so,较小，比较适合源电阻较小的情况；而场效应管的,i,N,较小，故其,R,so,较大，比较适合源电阻较大的情况。,1.6.1,有源器件的选择,(3),有源器件的最佳源电阻,R,so,是频率的函数,.,1.6.1,有源器件的选择,(4),集成运算放大器的噪声特性劣于分立元件,.,经过选择的集成电路,其噪声电平通常为晶体管电路的,2-5,倍,.,选择合适的集成运算放大器,则可以使电路设计和调试工作大大简化,.,1.6.2,直流工作点的选择,直流工作点的选择,对噪声特性有着直接影响，任何一个固定的源电阻就有一个最佳集电极电流。,1.6.3,噪声匹配,1.,附加电阻对噪声系数的影响,2.,调整工作点进行噪声匹配的局限性,3.,利用变压器实现噪声匹配,4.,有源器件并联法,1.6.3,噪声匹配,1.,附加电阻对噪声系数的影响,附加的电阻对有用信号和信号源内阻热噪声的衰减量相同,但是它还衰减了有用信号和放大器噪声之比,此外附加电阻还要产生热噪声,.,总之,采用附加电阻的方法只会使噪声系数增大,.,附加串联电阻,串联电阻,热噪声,i,n,电压降,附加串联电阻,热噪声,i,n,电压降,理解：引入的电阻必然带来新的噪声源，将引入的电阻认为是放大器的一部分，那么恶化了放大器原来的噪声情况，改变了,F,min,等特性,输入,原来的噪声系数,热噪声,附加并联电阻,附加并联电阻,为了分析方便，写为电流源,对,e,s,对,e,t,对,e,t2,对,e,n,附加并联电阻,为了分析方便，写为电流源,附加串联、并联电阻结论,选定器件后，为了噪声匹配，进行串联和并联电阻都恶化了放大器的噪声性能,串联电阻越大，效果越差，,F,大,并联电阻越小，效果越差，,F,大,那么怎么噪声匹配？,1.6.3,噪声匹配,2.,调整工作点进行噪声匹配的局限性,1.6.3,噪声匹配,3.,利用变压器实现噪声匹配,1.6.3,噪声匹配,3.,利用变压器实现噪声匹配,例,2:,如果信号源输出阻抗,R,s=10,欧姆,工作频率,f,=1kHz,选用的前置放大器为,OP07,试求匹配变压器的圈数比和能够达到的信噪改善比,.,1.6.3,噪声匹配,4.,有源器件并联法,1.6.3,噪声匹配,4.,有源器件并联法,1.6.4,反馈电路对噪声特性的影响,1.,电压并联负反馈放大器,1.6.4,反馈电路对噪声特性的影响,2.,电压串联负反馈放大器,1.6.4,反馈电路对噪声特性的影响,2.,电压串联负反馈放大器,结束语,基于低噪声运放的传感器前置放大器设计复杂，涉及很多理论与技术问题，且有些重要问题的解决方法相互矛盾，需要权衡后作出折衷。实践证明，只要合理选择元器件、合理设计电路及合理布局布线，基于低噪声运放的传感器前置放大器，在很多情况下可以满足应用需要。,随着相关技术的不断发展，基于低噪声运放的传感器前置放大器必将逐步取代分立元件的传感器前置放大器。,