微弱信号检测课件 第2章 放大器的噪声源和噪声特性.pdf

微弱信号检测第2章 放大器的噪声源和噪声特性1内部固有噪声噪声源I外部干扰噪声L热噪声散弹噪声1噪声一爆烈噪声传导耦合噪声 电场干扰噪声磁场干扰噪声电磁辐射噪声l地电位差噪声22.1电子系统内部的I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St(f)=4kTR(V/Hz)(2-1)式中：左一玻尔兹曼常数；Tf 对温度，K；3.归一化功率Pf=1(/)=1 4kTRdf=4kTRB(V2)4.电压有效值4=怩=、4kTRB(V)35.特点：零均值高斯分布白噪声。6.常温下热噪声电压相差不大设电阻在摄氏温度般时的热噪声电压有效值为/c17。(2时的热噪声电压有效值为*/4Z:7?B(273+Tj_ 1 .17Ew 45(273+17)V 290将上式右端展开为塞级数，只取级数的前两项，得E 1+0.0017(Tc-17)七17例如，当心=50时，ETC 1.056 E1747.电阻等效电路R4=QkTB/RRQ)Et=yl4kTRB1o两个电阻相串联:II%产恤b6R=RX+R2Q 反串Z4AT3(&+a)6两个电阻相并联:1O金R?Eti=4kTBR1 Q CD%=屈而瓦R=3a+尺2并=14kTB&昼 t并V 为+%Q58.阻容并联电路的热噪声H=%)1G(f)l+j2WRC5t0(7)=IW)|2 5t(7)=4kTR1+(2K/C7?)2%=E4尸。S/)d片二黑甲2苛=”Et=4kT7c2.1.2 PN结的散弹噪声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%(7)=2唳(A2/Hz)式中：L电子电荷；4c一流过PN结的平均直流电流3.归一化功率Psh%=12qIDCdf=2qIDCB(块)4.有效值(均方根值)Zsh=/DCB(A)5.特点：高斯分布白噪声。72.1.3 噪声1.噪声的特性起因：导体接触点电导的随机涨落，又称接触噪声。功率谱密度函数：f(/)=(V2/HZ)式中：4取决于接触面性质和直流电流的系数。fi 5f2 10 15/Hz 0 0.5 1 1.5 lg/4=j；Sf(/w=r 与吟幅度分布：高斯分布。12.电阻的1噪声(过剩噪声)Sf(/)=八=(V2/Hz)4=SfCngWln?(V2)力 Jl十倍频程内的过剩噪声功率与有效值Pm=K*c E10-2.30 K 喂(V2)%=廊=%c JKxlnlO 1.52VDC 4K(V)噪声指数N/(noise index)F NIN/=201g 生(dB)0.43x101092.1.4 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.爆烈噪声脉冲的宽度:几piss量级。3.脉冲的幅度：约为0.019O.OOlpiA量级。4.出现的几率：每秒几百个到几分钟一个。%八M N|档 一爆烈噪声/散弹噪声和热噪声，105.功率谱密度SB(7)=KRDC1+(7)2式中：IDC一直流电流；膈一取决于半导体材料中杂质情况的常数；益一转折频率，当时，与(/)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。112.2放大器的噪声指标和噪声特性2.2.1噪声系数和噪声因数1.噪声系数方输入端和输出端的信噪比放大器 rLSNR=输入信号功率B=Kt1输入噪声功率匕 KSNR 输出信号功率雷 0输出噪声功率心匕:（1）方表示信噪比恶化程度 F=客与SNR。匕/么|（2 另一种理解-输出总噪声功率LJ 11 u一放大器无噪声时的输出噪声功率Kp4122.放大器可检测的最小信号P Pp_no_ _si_一(%/%)%SNE。4Psi=FxSNRoxPni&=7瓦=FxSN&xP.i U 例：如图电路，4=lkO,温度为17笛，等效噪声带宽5=lkHz,噪声系数b=2,要求SN&=10,试求可检测的最小信号用。解：E.=N 4kTR.B F SNR.r Iu rn I0.566|LiV 乂 放大器。公M _J3.噪声因数AT7(Noise Figure)：AF=10 x lg F(dB)132.2.2级联放大器的噪声系数放大器2放大器31.弗里斯公式放大器1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，总的噪声系数F主要取 决于第一级的噪声系数K。14例2.4：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：放大器功率增益噪声系数Aa=10dB%=16BKR=12dBISg=2oCK=20dBFr=4.0如何联接才能使总的噪声系数最小？解：放大器A的方最小，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：5=10倍，勺=15849倍，5=100倍。a A、B、C排列 F=FA+-=1.718KA b A、C、B排歹 j F=FA+=1.900KA KAKC2.噪声测度(noise measure)F-l M=-1-1/KK为放大器的功率增益对于两个放大器A1和A2,如果M1VM2，则有1-1/K.1-1/K.-L 乙尸+鸟-1 尸+11 1(5 十&/A1排列在前的总噪声系数A2排列在前的总噪声系数把M较小的放大器排在前级，则总噪声系数较小。162.2.3放大器的噪声模型实际二端口网络无噪声 二端口网络1.功率谱密度5nv(/)=n W(V2/HZ)(7)=/；/a(A2/Hz)2.平方根谱密度展=En/历(V/Hz)，邓山=In/TV(A/A/HZ)2.2.4放大器的噪声特性1.放大器的等效输入噪声输入电路的总噪声功率：E：=E；+E：+1：*=4噩$+E：+1：*-N-v-,-v-纥王导凡主导 49主导182.最佳源电阻及噪声匹配F治成 _ 4HKA/+E；+/；H：_i+&+/；PE Pni 4kTRsf 4kTRsAf尸=+,N+&凡 4kTR,上式表明，当4=o或4=8时,方都会趋向于无穷大。令施/改0,得最佳源电阻段。R 一 4 一%bb，(2)基极电流人的散弹噪声=2 编(3)集电极电流小的散弹噪声4sc(f)=2qlc(4)噪声%(/)=坐=赞C发射N、发射区 IE222.3.2 BJT的等效输入噪声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23在/c03mA、olOO条件下2q【B T/7 4 mT1/21/2当频率足够高时，忽略噪声244.最小噪声系数居口加随几变化曲线00卅 oooo oooo 5 1512.3.3 BJT的噪声因数频率分布NF i噪声频率分布曲线：胡）-3dB/倍频程）分配噪声N./6dB/倍频程）;白噪声-1-1-。于I fl f1 低频段：1噪声使得频率越低，噪声功率谱密度越大；2 高频段：G，c的反馈作用加强，。下降，分配噪声加强；3 中频段：白噪声（热噪声和散弹噪声）。27中频段BJT的N和，N随/和/c变化的典型曲线/Hz282.4场效应管（FET 的噪声特性2.4.1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%=4左Tgm/式中：gm场效应管的跨导；%在场效应管的线性区4 X L在饱和区4%0.67 o292.1 噪声if功率谱密度 Sf(/)=O式中：/口一漏极电流；7=12；一取决于制作材料和工艺的常数。3.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 Sg(/)=2qIG式中：q电子电荷，C；心一流过栅源之间PN结的反向电流；Sg(f)很小，一般可以忽略。304.栅极感应噪声心：通过电容Qs，的高频分量耦合到栅极输入电路。功率谱密度：3ng=4kTGis&式中：和栅源电压、漏源电压有关的系数；”一共源极输入电导。2 c凡1+小鼠当，2 凡 112VI 时，Gs=Cg%m将金代人得Sng3)=4kT2聂K gm对 MOSFET,截止频率%=gJC 0兀=4左看/312.4.2场效应管的噪声等效电路与噪声特性4种噪声源中，起主要作用的是沟道热噪声电流乙和栅极感应噪声心o等效为一个输入电压源4 和一个输入电流源,4kTKa-+，N=N和书随工作频率/变化曲线：gmglr2“G+4k0 a，储-gm33结型场效应管的噪声因数的频率分布栅极感应噪声(6dB/倍频程)(1)沟道热噪声电流4VBJT；(2)栅极感应噪声心；(3)噪声vvBJT。微弱信号前置放大器一般都选择高跨导、高输入电阻凡,、栅源电容Qs小的结型场效应管。a342.5运算放大器的噪声特性2.5.1运算放大器的等效输入噪声模型1.运放的内部噪声源晶体管PN结的散弹噪声，不同金属接触的噪声。2.运放的e/in噪声模型 练表示等效输入噪声电压，表示等效输入噪声电流。上图常用；电阻的热噪声,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。352.5.2运算放大器的噪声性能计算等效噪声电压的归一化功率：E：=/b Se f df A以暇 4+平）B-a+几In佚）36等效噪声电流的归一化功率:/；=scJ JA牛）L小人山令使用时注意：当人=0时，则纥2 T 00,42f 8,公式无 效。所以一般取 2 0.01Hz。37例：图示差动放大电路的带宽为0.01100Hz,运放为|LIA741。在输入端对地短路情况下，计算其输出端噪声的有效值匕。38解：运算放大器(1A741的噪声指标为：.=2011V八阮 IN=0.55 pA/Hz,几=200 Hz,fci=2000Hz得：琢=L/BZA+几皿夕)J A=(20nV)2 100-0.01+200 x ln(-)En=20nVx A/100+200 In 104-0.88|nV(rms)/；=44/A+几 ln(g)JA=(0.55pA)2100-0.01+2000 x ln(-)4=0.55pA x 100+2000 In 104 V5PA(rms)39当外1单独起作用时,电路增益为一&/g;当为2单独起作用时，电路增益为1；当,单独起作用时,当为p单独起作用时,电路增益为1+&/6;电路增益为1+&/&；40负端.在输出端产生的噪声电压为/n&;正端在输出端产生的噪声电压为44（1+4/&），在&=&、尺2=&条件下，此项噪声电压可简化为4a。z 2 z、2 z、2匕：=ER x2+&+曷 1+2+石；1+旦+2 Zn7?2 2n。（与氏a 八 RJ n RJ n 27嗑纥（1+R1)=177(iV412.6低噪声放大器设计2.6.1有源器件的选择1.从源电阻考虑集成运算放大器变压器耦合-Aa MOS场效应管结型场效后管双极型晶体管A-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1_10 100 Ik 10k 100k IM 10M 100M 1G 10G 100G 源电阻RJQ3 f 100k2.从工作频率考虑lk 1k10010-1-1-1-1-1-，10 100 Ik 10k 100k IM f/Hz42三类有源器件的典型纥i随源电阻凡变化曲线E14kTRN+E：+I；R；432.6.2偏置电路与直流工作点选择1.偏置电路低噪声设计(1)共发射极电路偏置设计普通电路低噪声设计44(2)通过信号源进行偏置信号源浮地 信号源接地45(3)射频电路偏置 利用射频扼流圈2.流工作点选择2师EC利用调谐电路462.6.3噪声匹配1.附加电阻对噪声系数的影响时，附加串连电阻段1使4=&。，941 en噪声系数增大为：r-a-r-LrF,=F+nsl 4()Rs 4kTRs于 LR/Rs。时，附加并联电阻使4=4。噪声系数增大为：尸尸+4_+-(2+4/1)Rt&4ms2Af 40472.利用变压器实现噪声匹配利用变压器变换阻抗，则可达到最小噪声系数方miF=1+min 2kTAf1|6NZN 2kT48例：信号源输出电阻凡=10。，f=1kHzo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SNIR o解：f=lkHz时，OP07的eN=10nV/Vi,iN=0.1pA/VH。尺。=曳=l0kQ尸=1+鱼区笈。625 4kTRn=屋=100 Rs丸 1+=12.5 mm 知SNIRp=50P 12.5493.调整工作点进行阻抗匹配的局限性某晶体管在/=100kHz时的噪声因数等值图504.有源器件并联实现阻抗匹配五min=+1 Rs。若M个有源器件并联，则 e=e/MW-+-%N2kT2kT=41m51多个运放并联减少最佳源电阻522.16.4反馈电路对噪声特性的影响.电压并联负反馈放大器输出噪声电压为eno=en RJRs53in单独作用时，/单独作用时,输出噪声电压为eo=-inR,输出噪声电压为分。=一/与/4f单独和田口吐 R放大倍数为一1，输出噪声电压为Of。=一/琮总=琮+琮+EE=K2E：片4+琮CK=Rf/Rs)琮广琮总/K?=E；+/；昭 MkTRB MkTBR：/R,由等效电路得E；E+I；R；+4kTRsB对比两式可得以+/；尺+4仃5尺/4=琮+/讨令4=0,可得：Ea=En55E；+I；R；MkTBR：/Rf=E；+I；R；两边除以A?，得Rs+/；+4 左 73/0将式纥=纥代入上式得I：=I：+AkTB IR反馈支路的引入对放大器等效输入噪声电压无影响，但是使得等效输入噪声电流增加了反馈电阻弓的热噪声。562.电压串联负反馈放大器纥一纥+（40）P h+%2相当于信号源电阻由4增加到冬+凡田总=4kTB(Rs+4)+或+/；(+%)2-572.7噪声特性测量1噪声功率和有效值测量测量误差2.7.1.纥的相对误差为西线2的相对误差为外,则有 纥2(1+4)=田口(1+a)用可得：4=2。+久2；若也较小，贝IJ42.利用示波器观测噪声+3%3，20 40 60 80 1OO 120 140 1603.噪声声音分析将噪声放大并用喇叭发声，通过听取喇叭发出的噪声 声音，可以分析噪声的种类。例如，高斯分布的噪声表现为平滑的沙沙声；单独的噪声脉冲表现为“咔哒”声；而电刷电机发射的频繁脉冲表现为刺耳的呜呜声。4.利用仪表测量噪声幅度595.宽带噪声功率测量1oG/G O（放大器功率增益）Sn f/Sn 0（被测噪声功率谱密度）一 Sn（/）/Sn（O）（输出噪声的功率谱密度）A功率测量值的相对误差为:11+7n为输入噪声的一3 dB截止频率/为放大器的一3 dB截止频率o当力器=1时，相对误差为一50%；当励n=10时，相对误差为一91%；当儿=100时，相对误差为一1%。所以，测量装置的带宽要远远大于被测噪声的带宽。602.7.2噪声功率谱密度测量1.测量误差分析设测量系统的等效噪声带宽为bm，则测量结果的相对误差为=以 S；(/o)m 24 sn(fo)对于噪声：在频率益处其功率谱密度为斗伉)=4/内，则有S；(/)=2Kf/下 琮m 12k61在测量通带内的的曲率对测量结果误差的影响S(/o)0Sn(f)Gm(f)/GpQ a 用在测量通带内线性,（加工在测量通带内上凸,测出的Sn（/偏小；测出的黑没有偏差;c Sn（/在测量通带内下凹,测出的Sn（/偏大。2.频谱分析频率扫描式频谱分析仪基本结构632.7.3噪声系数测量1,正弦波信号源方法被测BK 4&器-一上一噪声功率计开关K打向A,测出放大器的输出噪声功率 鸾。；然后将开关K打向B,测出放大器的输出噪声功率 成;单独由正弦信号产生的输出功率为E-：。E：=E=KpE2 1p=_AkTR B E2/E2-1 s m o noF?二倍功率法：使E；=2E：。,得：F=-642.宽带噪声发生器方法被测开关K打向A,测出放大器的输出噪声功率鸾。；开关K打向B,测出放大器的输出噪声功率琢。E；=E：-E；或=琮/勺。户/pi 1尸，=工或P，=J F=-厂与一Bm Bn 4kTRs对于二倍功率法，Aki R.653.y系数法被测开关K打向A,功率计测得冷态功率；开关K打向B,功率计测得热态功率月点；两者之比即为V系数：Y=ELIE；设冷态等效噪声温度为T,热态等效噪声温度为心，则口 1 Th-T 卜-.-il Y-1 TT-T T _ 290超噪比ENK ENR=101g=10 lg J。NF=ENR10 lg(F-l)(dB)(dB)662.7.4其他噪声特性的测量和计算电阻过剩噪声测量开关打开测出尸1，开关闭合测出尸2,则过剩噪声功率为PEPi十倍频程内的过剩噪声功率/%=lnlOx耳Kpln（力/力）67