噪聲電子學(xué)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1噪聲電子學(xué)噪聲電子學(xué)第1頁/共53頁第2頁/共53頁微弱信號基本概念第3頁/共53頁信號與噪聲基本概念信號與噪聲基本概念干擾干擾可以減小或消除的外部擾動可以減小或消除的外部擾動噪聲噪聲由于材料或器件的物理原因所產(chǎn)生的擾動由于材料或器件的物理原因所產(chǎn)生的擾動干擾是指非被測信號或非測量系統(tǒng)所引起的噪聲，干擾是指非被測信號或非測量系統(tǒng)所引起的噪聲，是來自于外界的影響而產(chǎn)生的非信號測量值。是來自于外界的影響而產(chǎn)生的非信號測量值。外界擾動：宇宙射線、宇宙電磁干擾、開關(guān)的電火外界擾動：宇宙射線、宇宙電磁干擾、開關(guān)的電火花、強廣播、強電視信號等。花、強廣播、強電視信號等。最通常的干擾：市電干擾和附件

2、強電外部器件最通常的干擾：市電干擾和附件強電外部器件第4頁/共53頁通常干擾時有規(guī)律的，可通過屏蔽、濾波、時間錯通常干擾時有規(guī)律的，可通過屏蔽、濾波、時間錯開、配置穩(wěn)壓電源等手段加以排除或削弱。開、配置穩(wěn)壓電源等手段加以排除或削弱。干擾源類型：干擾源類型：1. 與被測量有相同類型的外界干擾源與被測量有相同類型的外界干擾源2. 與傳感器轉(zhuǎn)換后的信號有相同類型的外界干與傳感器轉(zhuǎn)換后的信號有相同類型的外界干擾源擾源信號與噪聲基本概念信號與噪聲基本概念第5頁/共53頁噪聲噪聲來自于被測對象、傳感器、整個測控系統(tǒng)來自于被測對象、傳感器、整個測控系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲，由大量短尖脈沖組成，其幅度與相內(nèi)部的噪聲，由

3、大量短尖脈沖組成，其幅度與相位都是隨機的，脈沖的形狀也多種多樣。位都是隨機的，脈沖的形狀也多種多樣。系統(tǒng)可檢測的最小電平取決于噪聲系統(tǒng)可檢測的最小電平取決于噪聲。（測量下限）。（測量下限）信號與噪聲基本概念信號與噪聲基本概念第6頁/共53頁噪聲的度量噪聲的概率密度函數(shù)噪聲的概率密度函數(shù)第7頁/共53頁噪聲的度量第8頁/共53頁噪聲的度量第9頁/共53頁噪聲的度量第10頁/共53頁噪聲的度量第11頁/共53頁*均方根就是噪聲的有效值均方根就是噪聲的有效值噪聲的度量第12頁/共53頁噪聲的度量第13頁/共53頁噪聲的度量第14頁/共53頁單位？（噪聲特征常用根PDS表示）噪聲的度量第15頁/共53

4、頁噪聲的度量2)2(fjHSSxy第16頁/共53頁幾種常見的電子噪聲I. 電阻中的熱噪聲電阻中的熱噪聲第17頁/共53頁幾種常見的電子噪聲第18頁/共53頁幾種常見的電子噪聲第19頁/共53頁幾種常見的電子噪聲第20頁/共53頁幾種常見的電子噪聲第21頁/共53頁II. 散粒噪聲散粒噪聲幾種常見的電子噪聲第22頁/共53頁幾種常見的電子噪聲第23頁/共53頁III.低頻噪聲（閃爍噪聲、低頻噪聲（閃爍噪聲、1/f噪聲噪聲)幾種常見的電子噪聲第24頁/共53頁幾種常見的電子噪聲第25頁/共53頁IV. 爆裂噪聲（爆裂噪聲（Burst noise）幾種常見的電子噪聲第26頁/共53頁幾種常見的電子

5、噪聲第27頁/共53頁放大器輸出端的總的噪聲用等效到輸入端的放大器輸出端的總的噪聲用等效到輸入端的ena、ina第28頁/共53頁1?；靖拍睿?。基本概念：（1）信噪比）信噪比SNR（2）信噪比改善比（）信噪比改善比（SNIR）nSPPSNRlg10nSVVSNRlg20()oIoISNRSNIRSNRSNIR dBSNRSNR第29頁/共53頁深入分析：噪聲系深入分析：噪聲系數(shù)數(shù)=/nonipsinosiniinipsipsinooFPP KP PPPSNRP K PK PPSNR輸出總噪聲功率放大器無噪聲時的輸出噪聲功率FNFlog10噪聲因數(shù)噪聲因數(shù)第30頁/共53頁深入分析：可檢測的最

6、小信號深入分析：可檢測的最小信號oo=/*nononosinipnissinissionisioniisioniPPPPFP KP PPP PPSNR PPFSNR PEPFSNR P則：第31頁/共53頁例：設(shè)放大器的輸入噪聲只有信號源電阻例：設(shè)放大器的輸入噪聲只有信號源電阻Rs=1k的熱的熱噪聲，溫度噪聲，溫度17，放大器等效帶寬，放大器等效帶寬B=1kHz，噪聲，噪聲系數(shù)系數(shù)F=2，要求，要求SNRo=10試求系統(tǒng)可檢測的最小信號試求系統(tǒng)可檢測的最小信號Ei（0.566uV）第32頁/共53頁2. 級聯(lián)系統(tǒng)級聯(lián)系統(tǒng)因為每個放大器，都具有因為每個放大器，都具有 ，因而可忽略，因而可忽略in

7、a項項32111211F=F +FFKK K重點：設(shè)計低噪聲信號處理系統(tǒng)，第重點：設(shè)計低噪聲信號處理系統(tǒng)，第1級應(yīng)采用低噪聲放大器，級應(yīng)采用低噪聲放大器，且增益大于且增益大于5222nasnaeRi第33頁/共53頁2. 級聯(lián)系統(tǒng)級聯(lián)系統(tǒng)因為每個放大器，都具有因為每個放大器，都具有 ，因而可忽略，因而可忽略ina項項2)3(2)2(2)1(2vvvsoKKKvSBKeBKKeBKKKekTRNvnavvnavvvnaso2)3(232)3(2)2(222)3(2)2(2)1(21)4()4(/)4(/SNR2122)3(2)2(232)1(22212nassvvnavnanassekTRBvK

8、KeKeekTRBv222nasnaeRi第34頁/共53頁例：將例：將3個放大器串聯(lián)起來放大微弱信號，功率增益和個放大器串聯(lián)起來放大微弱信號，功率增益和噪聲系數(shù)如下表，如何連接三個放大器才能使總噪噪聲系數(shù)如下表，如何連接三個放大器才能使總噪聲系數(shù)最小聲系數(shù)最小放大器放大器功率增益（功率增益（dB)噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)(F)A101.6B122.0C204.0A-B-C : F=1.718A-C-B: F=1.9第35頁/共53頁2。有噪聲放大器的最小噪聲模型。有噪聲放大器的最小噪聲模型假設(shè)：假設(shè)：ena、ina為白色、高斯分布，均方輸入信號為白色、高斯分布，均方輸入信號均方輸出信號均方輸出信號有

9、噪聲放大器模型的噪聲因數(shù)：有噪聲放大器模型的噪聲因數(shù)：2sivS 22svovKSBkTRNsi4BKRieBkTRdfjfHRieBkTRNVsnanassnanaso222202222)4(2()4(ssnanakTRRieF41222第36頁/共53頁第37頁/共53頁運算放大器的輸出噪聲分析運算放大器的輸出噪聲分析第38頁/共53頁最佳源電阻最佳源電阻ssnanakTRRieF41222naosnaeRi最佳源電阻匹配方法最佳源電阻匹配方法min14na nae iFkT第39頁/共53頁1.有源器件的選擇：有源器件的選擇：BJT、JFET、MOSFET naosnaeRimin14n

10、a nae iFkT2. 噪聲匹配：變壓器匹配技術(shù)噪聲匹配：變壓器匹配技術(shù)3. 負(fù)反饋對噪聲特性的影響負(fù)反饋對噪聲特性的影響第40頁/共53頁預(yù)測由于噪聲的限值系統(tǒng)可分辨的被測量極限，即：多大的輸預(yù)測由于噪聲的限值系統(tǒng)可分辨的被測量極限，即：多大的輸入被測信號電平可以產(chǎn)生一個給定的系統(tǒng)輸出入被測信號電平可以產(chǎn)生一個給定的系統(tǒng)輸出SNR1. 反相運算放大器的最小可分辨交流輸入電壓的計算反相運算放大器的最小可分辨交流輸入電壓的計算2122RRvSFso輸入信號：峰值輸入信號：峰值Vs，頻率，頻率fs輸出信號電壓（輸出信號電壓（MS V）為：）為：總的均方輸出噪聲（總的均方輸出噪聲（MS V）為）為

11、BRReBkTRBRRkTRNFnaFFo212211144)f（第41頁/共53頁輸出輸出SNRoHz對于一個典型的系統(tǒng)參數(shù)：對于一個典型的系統(tǒng)參數(shù)：RF=105、 R1=103、 fT=12MHz、T=300K， ena=10nV RMS/ ,要得到要得到SNRo=1，計算得到，計算得到Vs峰值為峰值為6.65uV放大器等效噪聲帶寬放大器等效噪聲帶寬第42頁/共53頁2. 有白色和有白色和1/f噪聲的最小可分辨直流電流的計算噪聲的最小可分辨直流電流的計算fbfefenana)()(202設(shè)設(shè)ena含有含有1/f噪聲，其它均為白噪聲噪聲，其它均為白噪聲總的均方輸出噪聲（總的均方輸出噪聲（MS V）為）為放大器輸出噪聲的放大器輸出噪聲的PDS為為第43頁/共53頁例：求例：求SNR=4時的時的Is用靜電計用靜電計AD549運放，參數(shù)為：運放，參數(shù)為：T=300k，B=2Hz， RF=1010、 Gs=10-7S, ena=35nV RMS/ , ina=0.2fARMS/ ,b=1.36*10-17 MS V可求出最小的直流電流可求出最小的直流電流Is=0.1153uA，系統(tǒng)輸出端的直，系統(tǒng)輸出端的直流電壓為流電壓為1.153mVzHzH第44頁/共53頁3. 求反相放大器的最大輸出信噪比求反相放大器的最