《噪声和低噪声器》PPT课件

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1、4.2 4.2 噪声和低噪声器件噪声和低噪声器件主要内容主要内容 噪声的一般性质噪声的一般性质 噪声的描述噪声的描述 噪声的测量噪声的测量 功率谱密度功率谱密度 信号提取系统中的主要噪声类型信号提取系统中的主要噪声类型 1/f噪声噪声 热噪声热噪声 散粒噪声散粒噪声4.2.1 噪声的特性噪声的特性 随机性随机性 统计学描述统计学描述 概率密度函数概率密度函数 平稳随机过程平稳随机过程 正态分布正态分布2.信号提取过程中的噪声类型信号提取过程中的噪声类型 主要类型：主要类型：1/f噪声噪声 热噪声热噪声 散粒噪声散粒噪声 要求掌握：要求掌握：产生的机理产生的机理 噪声的性质噪声的性质（1）1/f

2、噪声噪声 由于功率谱是频率的函数：由于功率谱是频率的函数：一般一般1，故称为故称为1/f噪声噪声 K为为f1Hz时的频谱密度，由具体器件决定时的频谱密度，由具体器件决定的常数的常数()KS ff （1）1/f噪声噪声 产生的原因：材料之间不完全接触，形产生的原因：材料之间不完全接触，形成起伏的导电率成起伏的导电率 如两个导体连接的地方，开关、继电器、晶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，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，材料表面特性有源器件在制作工艺过程中，材料表面特性及半导体器

3、件中结点的缺陷等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由于生物医学信号的频带范围大都处于低频或超低频段，低频或超低频段，1/f噪声是生物信号提噪声是生物信号提取中主要障碍取中主要障碍（1）1/f噪声噪声 由由f1f2带宽内噪声的平均功率得到相应此频段内噪带宽内噪声的平均功率得到相应此频段内噪声的电压均方值：声的电压均方值：2211221()lnffffffKUS f dfdfKff例：已知1/f噪声过程在1Hz上的谱密度为510-10V2/Hz，求100到200Hz 范围内噪声电压均方值2fU 21021102ln5 10ln23.45 101.86fffUKfVUV

4、均方根值为：（2）热噪声）热噪声产生的原因：产生的原因：热噪声是在热噪声是在电阻一类导体电阻一类导体中，自由电子的布朗运动引起的噪声中，自由电子的布朗运动引起的噪声 电子运动的途径，由于和其他粒子碰撞，是随机的和曲折的，即呈电子运动的途径，由于和其他粒子碰撞，是随机的和曲折的，即呈现布朗运动。所有电子运动的总结果形成通过导体的电流。电流的现布朗运动。所有电子运动的总结果形成通过导体的电流。电流的方向是随机的，因而平均值为零。方向是随机的，因而平均值为零。但是在每一瞬间，它们并不为零，则在导体的两端产生压降，形成但是在每一瞬间，它们并不为零，则在导体的两端产生压降，形成噪声电压。噪声电压。又称为

5、约翰逊噪声或乃奎斯特噪声又称为约翰逊噪声或乃奎斯特噪声存在于：存在于：电阻电阻 电容介质的损耗电容介质的损耗 电感的涡流损耗电感的涡流损耗 有源器件如晶体管的基区电阻等有源器件如晶体管的基区电阻等危害危害 是测量系统分辨力的最终限制。是测量系统分辨力的最终限制。（2）热噪声）热噪声 影响热噪声的因素：影响热噪声的因素：24tUkfTR 减小测量时产生热噪声器件的温度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尽量减小系统的频带24tkfUTR ()4S fkTR 属于白噪声属于白噪声波尔兹曼常数1.3810

6、-23J/K绝对温度频带宽度数学表示：数学表示：电压均方值：电压均方值：谱密度：谱密度：（3）散粒噪声）散粒噪声 产生的原因：产生的原因：半导体器件半导体器件中，载流子产生与消失的随机性，使得中，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，引起流动的载流子数目发生波动，引起瞬时电流瞬时电流的变化，的变化，称为散粒噪声称为散粒噪声 存在于：存在于：二极管和三极管等半导体器件中，二极管和三极管等半导体器件中，简单的导体中，不存在此类噪声简单的导体中，不存在此类噪声 数学表达式：数学表达式：22DCIqIf电子电荷器件的平均直流测量系统的频带宽度谱密度：谱密度：2qIDC，属于白，属于白

7、噪声噪声3.描述描述放大器放大器噪声性能参数噪声性能参数 研究放大器的噪声研究放大器的噪声 有利于分析放大器的性能指标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。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.描述描述放大器放大器噪声性能参数噪声性能参数 放大器放大器输出输出端噪声计算：端噪声计算：输入噪声源输入噪声源 输出噪声大小输出噪声大小123nsnonnonnoUUUUIU231(/)nonsinoiinonssinsiZUIZUUARRZARZZUUA 放大器产

8、生的噪声信号源产生的噪声假设假设Un，In互不相关，互不相关，C0，则各噪声电压的平方值相加，则各噪声电压的平方值相加，得到得到输出输出电压：电压：222212322222()nonononoisinsnnsisiUUUUZR ZUUIRZRZ 3.描述描述放大器放大器噪声性能参数噪声性能参数 输入端输入端等效电压：等效电压：222n in oionnUUUUAA 222212322222()nonononoisinsnnsisiUUUUZR ZUUIRZRZ 1Rs22222nonsnnsUUUI R 22222ninsnnsUUUI R 利用上式分析的优点：利用上式分析的优点：利用等效噪声

9、源利用等效噪声源Uni分析所有的噪声，适用于任何有源分析所有的噪声，适用于任何有源器件的噪声分析器件的噪声分析易于测量：易于测量：Rs0，只存在，只存在Un；若；若Rs很大时，确定很大时，确定In。（2）噪声放大系数）噪声放大系数 噪声放大系数的定义：噪声放大系数的定义：噪声放大器数的意义：噪声放大器数的意义：比较比较放大器放大器的噪声性能，信号经过了放大器，的噪声性能，信号经过了放大器，信噪比是否变化信噪比是否变化 如果如果F1则放大器本身不引入噪声则放大器本身不引入噪声F 总噪声功率源电输出输出阻产生的噪声功率F 总的等效噪声功率源电阻产生的输入输入噪声功率iiooSNFSN 输入信噪比输

10、出信噪比分贝表示：10lgNFF 例题例题1 某晶体管已知某晶体管已知NF6dB，求输出信噪比相，求输出信噪比相对于输入信噪比减少多少？对于输入信噪比减少多少？即输出信噪比为输入信噪比的即输出信噪比为输入信噪比的1/410lg64iiooNFFdBSNFSN 例例2 某放大器噪声系数为某放大器噪声系数为6dB，其通频带为，其通频带为10kHz，要求输出信噪比为，要求输出信噪比为 ,则此则此放大器的输入信号功率是多少？放大器的输入信号功率是多少？解解:10ooSN 10lg64NFFdBF 输入信号的信噪比：输入信号的信噪比：410iiiiooSSNNFSN4 10 40iiSN 信号源的噪声主

11、要为信号源的噪声主要为热噪声热噪声244sNisskTRfUNkT fRR 1140 40.6 10iSkT fmW 噪声系数讨论噪声系数讨论 1.噪声系数求取噪声系数求取 可由可由Un，In表示（表示（C0）22222224ninsnnnnssnssUUUIUkTRfRFUU 22144nnsUIFkTRfkT f由上式可知，当放大器固定，则由上式可知，当放大器固定，则Un和和In不变，噪声系数不变，噪声系数F为为Rs的函数，的函数，噪声系数讨论噪声系数讨论 2.噪声系数最小值噪声系数最小值224014nnssssUIkTRfkT fFRFRR 则，Rs为：nsonURI min12nnU

12、IFkT f 此时，Rs称为最佳源电阻，可获得最小噪声系数：噪声系数讨论噪声系数讨论 3.输出信噪比输出信噪比（理想状态（理想状态越大越好越大越好，信号为信号源的均方，信号为信号源的均方电压，噪声为总的输出噪声）电压，噪声为总的输出噪声）：22222osonsnnsSUNUUI R 显然：当显然：当Rs0时，信噪比最大，时，信噪比最大，所以最小的噪声系数并不一定所以最小的噪声系数并不一定有最大的输出信噪比有最大的输出信噪比。噪声系数的价值是用于比较放噪声系数的价值是用于比较放大器的噪声，它并不适于作为大器的噪声，它并不适于作为放大器低噪声设计的依据。放大器低噪声设计的依据。（3）多级放大器的噪

13、声）多级放大器的噪声 多级放大器的耦合多级放大器的耦合其中：其中：Ap1，Ap2为第一、二级的功率增益为第一、二级的功率增益F1，F2为第一、二级的噪声系数为第一、二级的噪声系数Pn1，Pn2为第一、二级的内部噪声功率为第一、二级的内部噪声功率Pns为信号源内阻的噪声功率为信号源内阻的噪声功率噪声系数的定义噪声系数的定义：11opnsiiiooonspnnpnsinopsSNP APPSNFSNNAAPSPNPA （3）多级放大器的噪声）多级放大器的噪声 第一级放大噪声功率：第一级放大噪声功率：1111npnsPFA P由此可得到第一级放大器的噪声输出功率：111(1)npnsPFA P同理，

14、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Pn2为：222(1)npnsPFA P两级放大后总的输出功率两级放大后总的输出功率Pno为由三部分组成：为由三部分组成：信号源内阻热噪声经过两级放大后信号源内阻热噪声经过两级放大后Ap1Ap2Pns第一级放大器噪声经过第二级放大后的输出第一级放大器噪声经过第二级放大后的输出Ap2Pn1第二级放大器本身的噪声第二级放大器本身的噪声Pn212112nonsppnpnPP A AP AP （3）多级放大器的噪声）多级放大器的噪声 总的输出噪声总的输出噪声 1211212122(1)(1)nonsppnpnnspp

15、nspnspPP A AP APP A AFP AFP A 总的噪声系数：总的噪声系数：2111nopnspPFFFA PA 4.器件的噪声器件的噪声（1）电阻噪声电阻噪声 主要为热噪声主要为热噪声 等效电路等效电路24nUkTR f4.器件的噪声器件的噪声（2）电容器的噪声）电容器的噪声 主要噪声为介质损耗，即电容器的漏电。相当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于理想电容并联一个电阻Rp，Rp构成电容器构成电容器阻抗的实数分量，成为电容器的热噪声源。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：由介质损耗角表示：可见漏电小的可见漏电小的Rp大，大，值小，

16、旁路噪声值小，旁路噪声能力强。能力强。1arctanpCR 4.器件的噪声器件的噪声（3）耦合变压器噪声）耦合变压器噪声 在外磁场作用下，变压器的磁性材料在外磁场作用下，变压器的磁性材料磁化的不连续性，呈现出磁起伏噪声，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。并且把外界的噪声引入到电路里来。4.器件的噪声器件的噪声（4）场效应管噪声）场效应管噪声 主要有：主要有：沟道热噪声沟道热噪声 栅极散粒噪声栅极散粒噪声 1/f噪声噪声4.器件的噪声器件的噪声（5）双极晶体管噪声）双极晶体管噪声 基区扩散电阻的热噪声基区扩散电阻的热噪声 基极电流基极电流IB和集电极电流和集电极电

17、流Ic引起的散粒噪声引起的散粒噪声 基极电流基极电流IB流经基极发射极耗尽区时，产流经基极发射极耗尽区时，产生的生的1/f噪声噪声4.器件的噪声器件的噪声（6）运算放大器噪声）运算放大器噪声 集成元件大的噪声为各分立元件的综合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采用差动输入，噪声电压为单一晶体管的 倍。倍。2111nopnspPFFFA PA 25.低噪声放大器设计低噪声放大器设计（1）噪声性能指标）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但为了统一，用输入端对地短路

18、时放大器的噪声Uin作为作为放大器的性能指标放大器的性能指标。表示了放大器可以放大的最小信号值。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：噪声指标：体表心电图体表心电图 1010V (0250Hz)V (0250Hz)体表希氏束电图体表希氏束电图 0.5 0.5 V (80300Hz)V (80300Hz)头皮电机脑电图头皮电机脑电图 1 1 V (0100Hz)V (0100Hz)针电极肌电图针电极肌电图 1 1 V (010KHz)V (010KHz)脑诱发电位脑诱发电位 0.7 0.7 V (010KHz)V (010KHz)眼电生理信号眼电生理信号 0.5 0.5 V (01KHz)V (01KHz)（2）噪声匹配）噪声匹配总的等效输入噪声Uin，对信号源内阻的依赖关系：22222ninsnnsUUUI R 在Rso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Un/In在Rso附近，称之为噪声匹配