噪声和低噪声器件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4.2,噪声和低噪声器件,主要内容,噪声的一般性质,噪声的描述,噪声的测量,功率谱密度,信号提取系统中的主要噪声类型,1/f,噪声,热噪声,散粒噪声,4.2.1,噪声的特性,随机性,统计学描述,概率密度函数,平稳随机过程,正态分布,2.,信号提取过程中的噪声类型,主要类型：,1/f,噪声,热噪声,散粒噪声,要求掌握：,产生的机理,噪声的性质,（,1,）,1/f,噪声,由于功率谱是频率的函数：,一般,1,，,故称为,1/f,噪声,K,为,f,1Hz,时的频谱密度，由具体器件决定的常数,（,1,）,1/f,噪声产生的原因：材料之间不完全接触，形成起伏的导电率,如两个导体连接的地方，开关、继电器、晶体管、二极管的不良接触，,以及电流流过合成碳质电阻的不连续介质,有源器件在制作工艺过程中，材料表面特性及半导体器件中结点的缺陷等,由于生物医学信号的频带范围大都处于低频或超低频段，,1/f,噪声是生物信号提取中主要障碍,（,2,）热噪声,影响热噪声的因素：,减小测量时产生热噪声器件的温度,提取信号的电阻应尽量小，避免额外的串联电阻,尽量减小系统的频带,属于白噪声,波尔兹曼常数,1.3810,-23,J/K,绝对温度,频带宽度,数学表示：,电压均方值：,谱密度：,（,3,）散粒噪声,产生的原因：,半导体器件中，载流子产生与消失的随机性，使得流动的载流子数目发生波动，引起,瞬时电流,的变化，称为散粒噪声,存在于：,二极管和三极管等半导体器件中，,简单的导体中，不存在此类噪声,数学表达式：,电子电荷,器件的平均直流,测量系统的频带宽度,谱密度：,2qI,DC,，属于白噪声,3.,描述,放大器,噪声性能参数,研究放大器的噪声,有利于分析放大器的性能指标,判断放大器可能放大多弱的信号。,放大器的等效电路：,放大器本身所产生的噪声,电阻为零的电压源,电阻无穷大的电流源,信号源等效噪声,主要为电阻的热噪声,3.,描述,放大器,噪声性能参数,放大器,输出,端噪声计算：,输入噪声源 输出噪声大小,放大器产生的噪声,信号源产生的噪声,假设,U,n,，,I,n,互不相关，,C,0,，则各噪声电压的平方值相加，得到,输出,电压：,3.,描述,放大器,噪声性能参数,输入端,等效电压：,1,R,s,利用上式分析的优点：,利用等效噪声源,Uni,分析所有的噪声，适用于任何有源器件的噪声分析,易于测量：,R,s,0,，只存在,U,n,；若,R,s,很大时，确定,I,n,。,（,2,）噪声放大系数,噪声放大系数的定义：,噪声放大器数的意义：,比较,放大器,的噪声性能，信号经过了放大器，信噪比是否变化,如果,F,1,则放大器本身不引入噪声,分贝表示：,例题,1,某晶体管已知,NF6dB,，求输出信噪比相对于输入信噪比减少多少？,即输出信噪比为输入信噪比的,1/4,例,2,某放大器噪声系数为,6dB,，其通频带为,10kHz,，要求输出信噪比为,则此放大器的输入信号功率是多少？,解,:,输入信号的信噪比：,信号源的噪声主要为热噪声,噪声系数讨论,1.,噪声系数求取,可由,U,n,，,I,n,表示（,C,0,）,由上式可知，当放大器固定，则,U,n,和,I,n,不变，噪声系数,F,为,R,s,的函数，,噪声系数讨论,2.,噪声系数最小值,则，,R,s,为：,此时，,R,s,称为,最佳源电阻，可获得最小噪声系数：,噪声系数讨论,3.,输出信噪比,（理想状态,越大越好,，信号为信号源的均方电压，噪声为总的输出噪声）,：,显然：当,Rs,0,时，信噪比最大，,所以最小的噪声系数并不一定有最大的输出信噪比,。,噪声系数的价值是用于比较放大器的噪声，它并不适于作为放大器低噪声设计的依据。,（,3,）多级放大器的噪声,多级放大器的耦合,其中：,A,p1,，,A,p2,为第一、二级的功率增益,F,1,，,F,2,为第一、二级的噪声系数,P,n1,，,P,n2,为第一、二级的内部噪声功率,P,ns,为信号源内阻的噪声功率,噪声系数的定义,：,（,3,）多级放大器的噪声,第一级放大噪声功率：,由此可得到第一级放大器的噪声输出功率：,同理，相对于热源噪声的噪声系数定义,（不牵涉第一级放大器噪声的影响），,则第二级放大器的噪声功率,P,n,2,为：,两级放大后总的输出功率,P,no,为由三部分组成：,信号源内阻热噪声经过两级放大后,A,p,1,A,p2,P,ns,第一级放大器噪声经过第二级放大后的输出,A,p2,P,n1,第二级放大器本身的噪声,P,n2,（,3,）多级放大器的噪声,总的输出噪声,总的噪声系数：,4.,器件的噪声,（,1,）电阻噪声,主要为热噪声,等效电路,4.,器件的噪声,（,2,）电容器的噪声,主要噪声为介质损耗，即电容器的漏电。相当于理想电容并联一个电阻,R,p,，,R,p,构成电容器阻抗的实数分量，成为电容器的热噪声源。,由介质损耗角表示：,可见漏电小的,Rp,大，,值小，旁路噪声能力强。,4.,器件的噪声,（,3,）耦合变压器噪声,在外磁场作用下，变压器的磁性材料磁化的不连续性，呈现出磁起伏噪声，并且把外界的噪声引入到电路里来。,4.,器件的噪声,（,4,）场效应管噪声,主要有：,沟道热噪声,栅极散粒噪声,1/f,噪声,4.,器件的噪声,（,5,）双极晶体管噪声,基区扩散电阻的热噪声,基极电流,I,B,和集电极电流,I,c,引起的散粒噪声,基极电流,I,B,流经基极发射极耗尽区时，产生的,1/f,噪声,4.,器件的噪声,（,6,）运算放大器噪声,集成元件大的噪声为各分立元件的综合,运算放大器的输入级是确定噪声性能的关键,采用差动输入，噪声电压为单一晶体管的 倍。,5.低噪声放大器设计,（,1,）噪声性能指标,但为了统一，用输入端对地短路时放大器的噪声,U,in,作为,放大器的性能指标,。,表示了放大器可以放大的最小信号值。,以下为各生理信号测量用放大器在相应带宽下的噪声指标：,体表心电图,10,V (0250Hz),体表希氏束电图,0.5,V (80300Hz),头皮电机脑电图,1,V (0100Hz),针电极肌电图,1,V (010KHz),脑诱发电位,0.7,V (010KHz),眼电生理信号,0.5,V (01KHz),（,2,）噪声匹配,总的等效输入噪声,Uin,，对信号源内阻的依赖关系：,在,R,so,附近总噪声略大于源内阻噪声，是理想的,低噪声设计方案,，,调整,Rs,或,U,n,/I,n,在,R,so,附近，,称之为噪声匹配,