第二部分放大器的噪聲源和噪聲特性

1、 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 放大器的噪聲源和噪聲特性1.0 引言引言1.1 放大器的噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù)1.2 放大器的噪聲性能分析放大器的噪聲性能分析1.3 分立元器件噪聲分析分立元器件噪聲分析1.4 運(yùn)算放大器的噪聲特性運(yùn)算放大器的噪聲特性1.5 放大器噪聲系數(shù)測量放大器噪聲系數(shù)測量1.6 低噪聲放大器設(shè)計(jì)低噪聲放大器設(shè)計(jì) 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.0 引言電子噪聲的兩種定義電子噪聲的兩種定義: : 一是由于電荷載體的隨機(jī)一是由于電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動所導(dǎo)致的電壓或電流的隨機(jī)波動運(yùn)動所導(dǎo)致的電壓或電流的隨機(jī)波動, ,另一種是另一種是污染或干擾有用信號的不期望的信號污染或干擾有用信號的不

2、期望的信號。 (2) 第二種噪聲定義的范圍更廣，它既包括電路內(nèi)第二種噪聲定義的范圍更廣，它既包括電路內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲，也包括來自電路外部的干擾。疊部產(chǎn)生的噪聲，也包括來自電路外部的干擾。疊加在有用信號上的外部干擾噪聲可能是隨機(jī)的，加在有用信號上的外部干擾噪聲可能是隨機(jī)的，也可能是確定性的。也可能是確定性的。(3) 由組成檢測電路的元件產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲稱為固有由組成檢測電路的元件產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲稱為固有噪聲，它是由電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動所引起的。噪聲，它是由電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動所引起的。 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.0 引言爆裂噪聲爆裂噪聲 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.0 引言電子系統(tǒng)內(nèi)部幾乎所有的器件

3、本身往往就是噪聲電子系統(tǒng)內(nèi)部幾乎所有的器件本身往往就是噪聲源源, ,在放大微弱信號的同時在放大微弱信號的同時, ,這些噪聲源產(chǎn)生的噪這些噪聲源產(chǎn)生的噪聲同樣會被放大聲同樣會被放大. .即使電子系統(tǒng)外部的所有干擾即使電子系統(tǒng)外部的所有干擾噪聲都被有效地抑制掉噪聲都被有效地抑制掉, ,放大器也會輸出一定幅放大器也會輸出一定幅度的噪聲度的噪聲. .(5) 在各種測試系統(tǒng)中在各種測試系統(tǒng)中, ,固有噪聲的大小決定了系統(tǒng)固有噪聲的大小決定了系統(tǒng)的分辨率和可檢測的最小信號幅度的分辨率和可檢測的最小信號幅度. .(6) 電子系統(tǒng)內(nèi)部的固有噪聲具有隨機(jī)的性質(zhì)電子系統(tǒng)內(nèi)部的固有噪聲具有隨機(jī)的性質(zhì),其瞬其瞬時幅度

4、不可預(yù)測時幅度不可預(yù)測,只能用概率和統(tǒng)計(jì)的方法來表只能用概率和統(tǒng)計(jì)的方法來表述其大小和特征述其大小和特征. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.0 引言(7) 微弱信號檢測的目的是從噪聲中恢復(fù)被測信號微弱信號檢測的目的是從噪聲中恢復(fù)被測信號.為了把微弱信號放大到可以感知的水平為了把微弱信號放大到可以感知的水平,必須使必須使用放大電路用放大電路.放大器在放大有用信號的同時也放放大器在放大有用信號的同時也放大了噪聲大了噪聲,不僅如此不僅如此,實(shí)際放大器本身還要產(chǎn)生額實(shí)際放大器本身還要產(chǎn)生額外的噪聲外的噪聲,不合理的電路結(jié)構(gòu)還可能引入外界干不合理的電路結(jié)構(gòu)還可能引入外界干擾噪聲擾噪聲,使得被測信號中的噪聲

5、進(jìn)一步增加使得被測信號中的噪聲進(jìn)一步增加.結(jié)論：結(jié)論：分析與設(shè)計(jì)低噪聲放大電路對于檢測微弱信分析與設(shè)計(jì)低噪聲放大電路對于檢測微弱信 號是至關(guān)重要的號是至關(guān)重要的! 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源熱噪聲熱噪聲 任何電阻或?qū)w任何電阻或?qū)w,即使沒有連接到任何信號源或即使沒有連接到任何信號源或電源電源,也沒有任何電流流過該電阻也沒有任何電流流過該電阻,其兩端也會呈現(xiàn)其兩端也會呈現(xiàn)噪聲電壓起伏噪聲電壓起伏,這就是電阻的熱噪聲這就是電阻的熱噪聲.它起源于電阻它起源于電阻中電子的隨機(jī)熱運(yùn)動中電子的隨機(jī)熱運(yùn)動,導(dǎo)致電阻兩端電荷的瞬時堆導(dǎo)致電阻兩端電荷的瞬時堆積積,形成噪聲電壓形成噪聲電壓

6、. 1928年年, Johnson首先發(fā)現(xiàn)熱噪聲首先發(fā)現(xiàn)熱噪聲. Nyquist用用數(shù)學(xué)方式描述了熱噪聲的統(tǒng)計(jì)特性數(shù)學(xué)方式描述了熱噪聲的統(tǒng)計(jì)特性. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源熱噪聲熱噪聲 熱噪聲的功率譜密度函數(shù)和等效功率分別為熱噪聲的功率譜密度函數(shù)和等效功率分別為: :2t2tttt( )4(V /Hz)( )d4d4(V )4(V)BBSfkTRPSffkTR fkTRBEPkTRB 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源熱噪聲熱噪聲 由量子理論得到的更精確的熱噪聲功率譜密度函由量子理論得到的更精確的熱噪聲功率譜密度函數(shù)表達(dá)式為數(shù)表達(dá)式為: :t4( )exp

7、(/() 1hfRSfhfkT 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源熱噪聲熱噪聲 （1）等效電壓源：電壓恒定，和電流無關(guān)）等效電壓源：電壓恒定，和電流無關(guān)（2）等效電流源：電流恒定，和電壓無關(guān)）等效電流源：電流恒定，和電壓無關(guān))(理想電阻RkTBRt4E )(理想電阻RRkTBt/4E 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源熱噪聲熱噪聲 21RR )(4E21RRkTBt電阻串聯(lián)電阻串聯(lián)噪聲電路21eeettt 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源熱噪聲熱噪聲 21RR )(4E21RRkTBt21eeettt)ee()E(e2212tttE)ee2ee()E

8、(e2122212tttttE)ee2()e ()e ()E(e2122212tttttEEE)e ()e ()E(e22212tttEE0 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源熱噪聲熱噪聲 12E4()tkTB RR（1）熱噪聲相加，然后求均方值，兩個信號不相關(guān)。）熱噪聲相加，然后求均方值，兩個信號不相關(guān)。（2）功率加和，得到）功率加和，得到等效功率等效功率，再得到電壓有效值。，再得到電壓有效值。（3）有效電壓不能簡單加和，應(yīng)該是利用統(tǒng)計(jì)平均）有效電壓不能簡單加和，應(yīng)該是利用統(tǒng)計(jì)平均等到。等到。（4）等效電路的電阻加和。）等效電路的電阻加和。21RR )(4E21RRkTBt 低

9、噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源熱噪聲熱噪聲 12122211ettteRRReRRR 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源熱噪聲熱噪聲 1212E4()tRRkTBRR（1）功率加和，得到等效功率，再求有效電壓）功率加和，得到等效功率，再求有效電壓（2）對每一路噪聲電壓進(jìn)行分壓）對每一路噪聲電壓進(jìn)行分壓（3）等效電路的電阻并聯(lián)）等效電路的電阻并聯(lián))/(2121RRRR21214ERRRRkTBt 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源熱噪聲熱噪聲 無源元件的任意連接所產(chǎn)生的熱噪聲等于無源元件的任意連接所產(chǎn)生的熱噪聲等于等效網(wǎng)等效網(wǎng)絡(luò)阻抗的實(shí)部電阻絡(luò)阻抗的實(shí)

10、部電阻所產(chǎn)生的熱噪聲。所產(chǎn)生的熱噪聲。 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源熱噪聲熱噪聲 并聯(lián)電容后，無論什么阻值，只要電容一定，溫度并聯(lián)電容后，無論什么阻值，只要電容一定，溫度一定，噪聲有效值一定，但是功率譜分布變化。一定，噪聲有效值一定，但是功率譜分布變化。 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 21eq21212221212212122222221211()1j/ /()1jj()()j1()1()R RCZRRCRRCR R RR CRR RCRR CRRCRRCneq4Re()4.69nVVkTBZ 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 EQ600R2152noEQ49

11、.94 10VEkTBRno0.1VEno63VkTEC 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源2. PNPN結(jié)的散彈噪聲結(jié)的散彈噪聲 在半導(dǎo)體器件中在半導(dǎo)體器件中,越過越過PN結(jié)的載流子的隨機(jī)擴(kuò)散結(jié)的載流子的隨機(jī)擴(kuò)散以及空穴電子對的隨機(jī)產(chǎn)生與復(fù)合導(dǎo)致散彈噪聲以及空穴電子對的隨機(jī)產(chǎn)生與復(fù)合導(dǎo)致散彈噪聲.凡是具有凡是具有PN結(jié)的器件均存在這種散彈噪聲結(jié)的器件均存在這種散彈噪聲.散彈散彈噪聲電流是一種白噪聲噪聲電流是一種白噪聲,其功率譜密度函數(shù)為其功率譜密度函數(shù)為: 2shdcshshdcshshdc( )2(A /Hz)( )d22BSfqIPSffqI BIPqI B 低噪聲放大電路

12、設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源2. PNPN結(jié)的散彈噪聲結(jié)的散彈噪聲 為了減小散彈噪聲的不利影響為了減小散彈噪聲的不利影響,流過流過PN結(jié)的平均結(jié)的平均直流電流應(yīng)該越小越好直流電流應(yīng)該越小越好. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源3. 1/1/f噪聲噪聲 1/f噪聲是由兩種導(dǎo)體的接觸點(diǎn)電導(dǎo)的隨機(jī)漲落引噪聲是由兩種導(dǎo)體的接觸點(diǎn)電導(dǎo)的隨機(jī)漲落引起的起的,凡是有導(dǎo)體接觸不理想的地方都存在凡是有導(dǎo)體接觸不理想的地方都存在1/f噪聲噪聲.因?yàn)槠涔β首V密度正比于因?yàn)槠涔β首V密度正比于1/f,頻率越低頻率越低1/f噪聲越嚴(yán)噪聲越嚴(yán)重重,所以所以1/f噪聲又稱為低頻噪聲噪聲又稱為低頻噪聲.

13、212dc2dc21( )( )dln(/)fffffffK ISffPSffK Iff 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源3. 1/1/f噪聲噪聲 在碳電阻中在碳電阻中,電流必須流過許多碳粒之間的接觸電流必須流過許多碳粒之間的接觸點(diǎn)點(diǎn),所以它的所以它的1/f噪聲很嚴(yán)重噪聲很嚴(yán)重.金屬膜電阻的金屬膜電阻的1/f噪聲噪聲要輕微得多要輕微得多,最好是金屬絲線繞電阻最好是金屬絲線繞電阻. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源4. 爆裂噪聲爆裂噪聲 是一種流過半導(dǎo)體是一種流過半導(dǎo)體PN結(jié)電流的突然變化結(jié)電流的突然變化.原因是原因是半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)(通常是金

14、屬雜質(zhì)通常是金屬雜質(zhì)),這些雜質(zhì)這些雜質(zhì)能隨機(jī)發(fā)射或捕獲載流子能隨機(jī)發(fā)射或捕獲載流子.爆裂噪聲爆裂噪聲 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源4. 爆裂噪聲爆裂噪聲 (1) 爆裂噪聲通常是由一系列寬度不同爆裂噪聲通常是由一系列寬度不同,而幅度基本而幅度基本相同的隨機(jī)電流脈沖組成相同的隨機(jī)電流脈沖組成,脈沖的寬度可在幾微秒脈沖的寬度可在幾微秒到到0.1s 量級之間變化量級之間變化,脈沖的幅度約為脈沖的幅度約為0.01uA-0.001uA量級量級. (2) 因?yàn)槊}沖的幅度只是因?yàn)槊}沖的幅度只是PN結(jié)雜質(zhì)特性的函數(shù)結(jié)雜質(zhì)特性的函數(shù),對對于某個特定的半導(dǎo)體器件樣品于

15、某個特定的半導(dǎo)體器件樣品,爆裂噪聲的幅度是爆裂噪聲的幅度是固定的固定的,所以通常的爆裂噪聲電流只在兩種電流值所以通常的爆裂噪聲電流只在兩種電流值之間切換之間切換. (3) 取決于半導(dǎo)體制作工藝和材料中雜質(zhì)的情況取決于半導(dǎo)體制作工藝和材料中雜質(zhì)的情況,爆裂噪聲脈沖出現(xiàn)的頻率可在每秒幾百個到幾分爆裂噪聲脈沖出現(xiàn)的頻率可在每秒幾百個到幾分鐘一個之間變化鐘一個之間變化. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 電子系統(tǒng)內(nèi)部固有噪聲源4. 爆裂噪聲爆裂噪聲 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.1 放大器的噪聲系數(shù)(1) 任何電路都有很多噪聲源在同時作用任何電路都有很多噪聲源在同時作用. 熱噪聲熱噪聲, 散彈噪聲散彈噪聲,

16、1/f噪聲噪聲, 爆裂噪聲爆裂噪聲 (2) 從設(shè)計(jì)和調(diào)試的角度出發(fā)從設(shè)計(jì)和調(diào)試的角度出發(fā),人們關(guān)心的是整體電人們關(guān)心的是整體電路的噪聲特性路的噪聲特性,而不是各個獨(dú)立的噪聲源的噪聲而不是各個獨(dú)立的噪聲源的噪聲特性特性.這就需要定義一些整體電路的噪聲特性指這就需要定義一些整體電路的噪聲特性指標(biāo)標(biāo),以便以便衡量電路噪聲特性的優(yōu)劣衡量電路噪聲特性的優(yōu)劣,進(jìn)行不同電路進(jìn)行不同電路的性能對比的性能對比,并利用這些性能指標(biāo)對電路進(jìn)行改并利用這些性能指標(biāo)對電路進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化進(jìn)和優(yōu)化. (3) 噪聲系數(shù)和噪聲因數(shù)噪聲系數(shù)和噪聲因數(shù)就是這樣的指標(biāo)就是這樣的指標(biāo). 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.1.1 噪聲系數(shù)和

17、噪聲因數(shù) 1. 1. 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)(noise factor)(noise factor) 當(dāng)衡量一個有源器件的噪聲特性時當(dāng)衡量一個有源器件的噪聲特性時,人們更為關(guān)人們更為關(guān)注信號被放大和傳遞過程中信噪比的變化情況注信號被放大和傳遞過程中信噪比的變化情況,為此引入為此引入噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)F這一重要指標(biāo)這一重要指標(biāo),以衡量有源器以衡量有源器件的噪聲特性的優(yōu)劣件的噪聲特性的優(yōu)劣. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.1.1 噪聲系數(shù)和噪聲因數(shù)一、噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)(noise factor)(noise factor) 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.1.1 噪聲系數(shù)和噪聲因數(shù)一、噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)(no

18、ise factor)(noise factor) 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.1.1 噪聲系數(shù)和噪聲因數(shù) 1. 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)(noise factor)(noise factor) 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)F表征二端口網(wǎng)絡(luò)對信噪比影響的情況表征二端口網(wǎng)絡(luò)對信噪比影響的情況.對于一個無噪聲的理想放大器對于一個無噪聲的理想放大器,F=1;而對于具有而對于具有內(nèi)部噪聲源的實(shí)際放大器內(nèi)部噪聲源的實(shí)際放大器,F1. F越大越大,說明放大說明放大器內(nèi)部噪聲越嚴(yán)重器內(nèi)部噪聲越嚴(yán)重. (2) 噪聲系數(shù)隨放大器的噪聲系數(shù)隨放大器的偏置電流偏置電流,工作頻率工作頻率,溫度及溫度及信號源內(nèi)阻信號源內(nèi)阻而變化而變化,

19、在談及一個放大器的噪聲系在談及一個放大器的噪聲系數(shù)是多少時數(shù)是多少時,必須說明上述工作條件必須說明上述工作條件. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.1.1 噪聲系數(shù)和噪聲因數(shù)二、 噪聲因數(shù)噪聲因數(shù)(noise figure)(noise figure) FNFlg10利用噪聲因數(shù)利用噪聲因數(shù)NF的對數(shù)特性的對數(shù)特性,可以把噪聲系數(shù)可以把噪聲系數(shù)F的相乘運(yùn)算化解為相加運(yùn)算的相乘運(yùn)算化解為相加運(yùn)算.低噪聲放大器的噪聲因數(shù)小低噪聲放大器的噪聲因數(shù)小.對于自身不產(chǎn)生任對于自身不產(chǎn)生任何噪聲的理想放大器何噪聲的理想放大器,其噪聲因數(shù)為零其噪聲因數(shù)為零.噪聲因數(shù)越大噪聲因數(shù)越大,說明放大器的噪聲性能越差說明放

20、大器的噪聲性能越差.低噪聲設(shè)計(jì)的目的是使放大器的低噪聲設(shè)計(jì)的目的是使放大器的NF值盡量地小值盡量地小. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.1.1 噪聲系數(shù)和噪聲因數(shù)三、可檢測的最小信號可檢測的最小信號 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.1.2 級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù) M級級聯(lián)放大器總的噪聲系數(shù)級級聯(lián)放大器總的噪聲系數(shù)F的弗里斯公式的弗里斯公式: 121213121111MMKKKFKKFKFFF 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.1.2 級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù) 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.2 放大器的噪聲性能分析 任何一個放大器內(nèi)部都有許多噪聲源任何一個放大器內(nèi)部都有許多噪聲源(包括電阻包括電阻,晶體管等晶

21、體管等),為了使問題簡化為了使問題簡化,在放大器的噪聲分析在放大器的噪聲分析,噪聲指標(biāo)計(jì)算及低噪聲電子設(shè)計(jì)中噪聲指標(biāo)計(jì)算及低噪聲電子設(shè)計(jì)中,一般都是把一般都是把所有內(nèi)部噪聲源都折合到放大器的輸入端所有內(nèi)部噪聲源都折合到放大器的輸入端,用輸用輸入端的等效噪聲源來表示入端的等效噪聲源來表示. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 幾個基本概念 (1) en表示等效輸入噪聲電壓表示等效輸入噪聲電壓, (2) in表示等效輸入噪聲電流表示等效輸入噪聲電流. (3) En表示中心頻率為表示中心頻率為f的窄帶寬的窄帶寬f內(nèi)的等效輸入噪內(nèi)的等效輸入噪聲電壓有效值聲電壓有效值, (4) In表示同樣帶寬表示同樣帶寬f內(nèi)的

22、等效輸入噪聲電流有效內(nèi)的等效輸入噪聲電流有效值值, (5) E2n和和I2n分別為等效輸入噪聲電壓和電流的功率分別為等效輸入噪聲電壓和電流的功率. (6) Snv(f)為等效輸入噪聲電壓的功率譜密度為等效輸入噪聲電壓的功率譜密度 (7) Sni(f)為等效輸入噪聲電流的功率譜密度為等效輸入噪聲電流的功率譜密度 (8) eN為等效輸入噪聲電壓的平方根譜密度為等效輸入噪聲電壓的平方根譜密度 (9) iN為等效輸入噪聲電流的平方根譜密度為等效輸入噪聲電流的平方根譜密度 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 幾個基本概念22nvn22ninNnvnNnin( )=/(V /Hz)( )=/(A /Hz)=( )=

23、/ (V/ Hz)=( )= / (A/ Hz)SfEfSfIfeSfEfiSfIf 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.2.1 放大器的等效輸入噪聲 等效噪聲輸入電路的總噪聲功率等效噪聲輸入電路的總噪聲功率: : 22222nitnn222nn4sssEEEI RkTRfEI R 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.2.1 放大器的等效輸入噪聲22222nitnn222nn4sssEEEI RkTRfEI R 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.2.2 最佳源電阻及噪聲匹配2222222nonnnnni2nit222NN414414ssspssssPkTRfEI REI REFP KEkTRfkTRfei R

24、FkTR 只有當(dāng)只有當(dāng)Rs為最佳源電阻為最佳源電阻Rso時時, 噪聲系數(shù)才能達(dá)到其噪聲系數(shù)才能達(dá)到其最小值最小值,這種情況稱為噪聲匹配這種情況稱為噪聲匹配. NnnNN Nnnmin1122soeERIie iE IFkTBkT 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.2.2 最佳源電阻及噪聲匹配 由最佳源電阻不一定能得到最大的功率增益由最佳源電阻不一定能得到最大的功率增益,Rso是是能給出最大信噪比的源電阻數(shù)值能給出最大信噪比的源電阻數(shù)值.選擇最佳源電選擇最佳源電阻的目的不是要達(dá)到功率匹配阻的目的不是要達(dá)到功率匹配,而是要達(dá)到噪聲而是要達(dá)到噪聲匹配匹配. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.2.3 噪聲因數(shù)

25、等值圖(NF圖) 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.2.4 等效噪聲溫度222222nanitnnsEEEEI R2222nannsess44EEI RTkRfkRf222nnsesss114EI RTFkT RfT e0(1)TFT 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.2.4 等效噪聲溫度e0(1)TFT 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 510103.162F 2162ni45.06 10V / HzsEFkTR0e(1)2.162*290K=626.98K=354 CTFT 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 2snos4R REkTfRR22ss()RARRs22nosssni22ss4()4()R RkTfER

26、RRR REkTfRARRRss2ssni2ts()4()14RR RkTfRRRERFEkTRfRR 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析 電阻、電感、電容器、二極管、晶體管、場效應(yīng)管電阻、電感、電容器、二極管、晶體管、場效應(yīng)管 一、電阻的噪聲一、電阻的噪聲 電阻的噪聲有兩種：熱噪聲和過剩噪聲。電阻的噪聲有兩種：熱噪聲和過剩噪聲。 1. 1. 熱噪聲熱噪聲4tEkTR f 2. 過剩噪聲過剩噪聲 過剩噪聲是電流通過不連續(xù)介質(zhì)時產(chǎn)生的，與制過剩噪聲是電流通過不連續(xù)介質(zhì)時產(chǎn)生的，與制作電阻的材料及工藝有關(guān)。作電阻的材料及工藝有關(guān)。222( )DCexKIREff 低噪聲放大電路設(shè)

27、計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析 電阻、電感、電容器、二極管、晶體管、場效應(yīng)管電阻、電感、電容器、二極管、晶體管、場效應(yīng)管 一、電阻的噪聲一、電阻的噪聲 2. 過剩噪聲過剩噪聲 過剩噪聲也可用噪聲指數(shù)過剩噪聲也可用噪聲指數(shù)NI來表示。來表示。NI的定義是：的定義是：電阻兩端每電阻兩端每1V直流壓降在十倍頻內(nèi)產(chǎn)生的過剩噪直流壓降在十倍頻內(nèi)產(chǎn)生的過剩噪聲均方根電壓值（聲均方根電壓值（V），并以對數(shù)表示：），并以對數(shù)表示：DC20lg(/)(dB)exNIEV 考慮過剩噪聲后，電阻的噪聲功率譜為：考慮過剩噪聲后，電阻的噪聲功率譜為：22DC( )4KIRS fkTRf 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用

28、1.3 分立元器件噪聲分析 電阻、電感、電容器、二極管、晶體管、場效應(yīng)管電阻、電感、電容器、二極管、晶體管、場效應(yīng)管 一、電阻的噪聲一、電阻的噪聲22DC( )4KIRS fkTRf 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析 電阻、電容器、電感、二極管、晶體管、場效應(yīng)管電阻、電容器、電感、二極管、晶體管、場效應(yīng)管 二、電容器的噪聲二、電容器的噪聲 （1）理想電容器不產(chǎn)生噪聲，只有當(dāng)電容器絕緣）理想電容器不產(chǎn)生噪聲，只有當(dāng)電容器絕緣電阻下降，產(chǎn)生漏電流時才有噪聲產(chǎn)生。電阻下降，產(chǎn)生漏電流時才有噪聲產(chǎn)生。 （2）電路阻抗的實(shí)數(shù)部分產(chǎn)生熱噪聲。）電路阻抗的實(shí)數(shù)部分產(chǎn)生熱噪聲。 低噪聲放大

29、電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析 電阻、電容器、電感、二極管、晶體管、場效應(yīng)管電阻、電容器、電感、二極管、晶體管、場效應(yīng)管 二、電容器的噪聲二、電容器的噪聲222211VssAR C222222222nonitnn2Vs(1)AssEEER CEI R22222notnn2222221()()11sssREEEIR CR C 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析 電阻、電容器、電感、二極管、晶體管、場效應(yīng)管電阻、電容器、電感、二極管、晶體管、場效應(yīng)管 三、電感的噪聲三、電感的噪聲 （1）理想電感不產(chǎn)生噪聲，但實(shí)際使用的電感線）理想電感不產(chǎn)生噪聲，但實(shí)際使用的電感線圈有

30、電阻。圈有電阻。 （2）電路阻抗的實(shí)數(shù)部分產(chǎn)生熱噪聲。）電路阻抗的實(shí)數(shù)部分產(chǎn)生熱噪聲。 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析 電阻、電容器、電感、二極管、晶體管、場效應(yīng)管電阻、電容器、電感、二極管、晶體管、場效應(yīng)管 三、電感的噪聲三、電感的噪聲2222222notnn22222222221(1)(1)sssRLEEEILCR CLCR C2222221(1)VssALCR C2222222222222nonitnn2Vs(1)()AssEEELCR CEIRL 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析 電阻、電容器、電感、二極管、晶體管、場效應(yīng)管電阻、電容器、電感、

31、二極管、晶體管、場效應(yīng)管 四、半導(dǎo)體二極管的噪聲模型四、半導(dǎo)體二極管的噪聲模型0121020exp(/) 1exp(/)IIqV kTIIIIIIqV kT 1. 1. 散彈噪聲散彈噪聲21022022212022exp(/)21exp(/)shiqIfiqIfqV kTiiiqIfqV kT 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析 電阻、電容器、電感、二極管、晶體管、場效應(yīng)管電阻、電容器、電感、二極管、晶體管、場效應(yīng)管 四、半導(dǎo)體二極管的噪聲模型四、半導(dǎo)體二極管的噪聲模型2. 2. 1/f噪聲噪聲Ff( )K ISff3. 3. 正向偏置二極管噪聲模型正向偏置二極管噪聲模型ek

32、TrqI 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析五、雙極型晶體管的噪聲模型五、雙極型晶體管的噪聲模型 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析五、雙極型晶體管的噪聲模型五、雙極型晶體管的噪聲模型 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析五、雙極型晶體管的噪聲模型五、雙極型晶體管的噪聲模型 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析五、雙極型晶體管的噪聲模型五、雙極型晶體管的噪聲模型 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析五、雙極型晶體管的噪聲模型五、雙極型晶體管的噪聲模型 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3

33、分立元器件噪聲分析五、雙極型晶體管的噪聲模型五、雙極型晶體管的噪聲模型 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析五、雙極型晶體管的噪聲模型五、雙極型晶體管的噪聲模型2DCmDCmminmDCDC2/12/1/sobbbbRrggFr g 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析五、雙極型晶體管的噪聲模型五、雙極型晶體管的噪聲模型2DCmDCmminmDCDC2/12/1/sobbbbRrggFr g 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析五、雙極型晶體管的噪聲模型五、雙極型晶體管的噪聲模型 3. 3. 雙極型晶體管的噪聲因數(shù)頻率分布雙極型晶體管的噪聲因數(shù)頻

34、率分布 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析五、雙極型晶體管的噪聲模型五、雙極型晶體管的噪聲模型 3. 3. 雙極型晶體管的噪聲因數(shù)頻率分布雙極型晶體管的噪聲因數(shù)頻率分布 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析六、場效應(yīng)管的噪聲特性六、場效應(yīng)管的噪聲特性 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析六、場效應(yīng)管的噪聲特性六、場效應(yīng)管的噪聲特性 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析六、場效應(yīng)管的噪聲特性六、場效應(yīng)管的噪聲特性 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析六、場效應(yīng)管的噪聲特性六、場效應(yīng)管的噪聲特性 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與

35、應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析六、場效應(yīng)管的噪聲特性六、場效應(yīng)管的噪聲特性 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析六、場效應(yīng)管的噪聲特性六、場效應(yīng)管的噪聲特性 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析六、場效應(yīng)管的噪聲特性六、場效應(yīng)管的噪聲特性 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析六、場效應(yīng)管的噪聲特性 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析六、場效應(yīng)管的噪聲特性六、場效應(yīng)管的噪聲特性 （1）與雙極性晶體管相比，場效應(yīng)管的等效輸入電流噪聲要?。┡c雙極性晶體管相比，場效應(yīng)管的等效輸入電流噪聲要小很多，而其等效輸入電壓噪聲與雙極性晶體管相當(dāng)

36、或略高，使很多，而其等效輸入電壓噪聲與雙極性晶體管相當(dāng)或略高，使得場效應(yīng)管的源電阻較大。得場效應(yīng)管的源電阻較大。 （2）場效應(yīng)管的低頻）場效應(yīng)管的低頻1/f噪聲只出現(xiàn)在等效輸入電壓噪聲中，噪聲只出現(xiàn)在等效輸入電壓噪聲中，而不出現(xiàn)在等效輸入電流噪聲中。而不出現(xiàn)在等效輸入電流噪聲中。 （3）結(jié)型場效應(yīng)管的白噪聲要低于雙極性晶體管，低頻段的）結(jié)型場效應(yīng)管的白噪聲要低于雙極性晶體管，低頻段的噪聲更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雙極性晶體管。噪聲更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雙極性晶體管。 （4）場效應(yīng)管的噪聲特性要優(yōu)于雙極性晶體管場效應(yīng)管的噪聲特性要優(yōu)于雙極性晶體管，尤其是等效，尤其是等效輸入噪聲電流比雙極性晶體管低得多。而且，場效應(yīng)管的

37、最佳輸入噪聲電流比雙極性晶體管低得多。而且，場效應(yīng)管的最佳源電阻比所有雙極性晶體管大得多，適合源電阻較大的傳感器。源電阻比所有雙極性晶體管大得多，適合源電阻較大的傳感器。 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.3 分立元器件噪聲分析六、場效應(yīng)管的噪聲特性六、場效應(yīng)管的噪聲特性 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.4 運(yùn)算放大器的噪聲特性運(yùn)算放大器內(nèi)部的固有噪聲運(yùn)算放大器內(nèi)部的固有噪聲: (1) 運(yùn)算放大器內(nèi)部包含大量晶體管運(yùn)算放大器內(nèi)部包含大量晶體管,因此就有因此就有大量大量PN結(jié)結(jié),它們都是它們都是散彈噪聲源散彈噪聲源;(2) 運(yùn)算放大器內(nèi)部還包含一定數(shù)量的電阻運(yùn)算放大器內(nèi)部還包含一定數(shù)量的電阻,它它們都

38、會產(chǎn)生們都會產(chǎn)生熱噪聲熱噪聲;(3) 運(yùn)算放大器的引腳及內(nèi)部連接總會涉及不同運(yùn)算放大器的引腳及內(nèi)部連接總會涉及不同金屬的接觸金屬的接觸,因此因此1/f噪聲噪聲必然存在必然存在. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.4 運(yùn)算放大器的噪聲特性 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.4 運(yùn)算放大器的噪聲特性 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 等效輸入噪聲源的功率譜密度分布 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 等效輸入噪聲源的功率譜密度分布 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 等效輸入噪聲源的功率譜密度分布 (1) 當(dāng)頻率低到一定程度時當(dāng)頻率低到一定程度時,1/f噪聲的幅度趨向于常噪聲的幅度趨向于常數(shù)數(shù),而不是趨向于無窮大而不是趨向于無窮大.

39、 (2) 運(yùn)算放大器的等效輸入電壓噪聲功率和等效輸運(yùn)算放大器的等效輸入電壓噪聲功率和等效輸入電流噪聲功率都取決于入電流噪聲功率都取決于三個因素三個因素:一個是平坦段一個是平坦段白噪聲的功率譜密度函數(shù)白噪聲的功率譜密度函數(shù),另一個是另一個是1/f噪聲與白噪噪聲與白噪聲相交的拐點(diǎn)頻率聲相交的拐點(diǎn)頻率,再一個就是工作頻帶的高、低再一個就是工作頻帶的高、低頻率頻率. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 幾種常用運(yùn)算放大器的噪聲指標(biāo) 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 噪聲計(jì)算舉例例例1: 下圖所示差動放大電路的等效噪聲帶寬為下圖所示差動放大電路的等效噪聲帶寬為0.01-100Hz(反饋電容未示出反饋電容未示出,運(yùn)放型號為

40、運(yùn)放型號為uA741.在輸入端對地短路情況下在輸入端對地短路情況下,試計(jì)算輸出端噪聲的試計(jì)算輸出端噪聲的有效值有效值Vno. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 自歸零放大器 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 自歸零放大器 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.5 放大器噪聲系數(shù)測量 測量放大器的噪聲系數(shù)需要做兩個測量測量放大器的噪聲系數(shù)需要做兩個測量:一個是在放大器輸入端對地短路情況下一個是在放大器輸入端對地短路情況下,測量測量放大器本身噪聲在其輸出端呈現(xiàn)的噪聲功率放大器本身噪聲在其輸出端呈現(xiàn)的噪聲功率;另一個是測量放大器對校準(zhǔn)了的信號源的

41、響另一個是測量放大器對校準(zhǔn)了的信號源的響應(yīng)應(yīng). 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.5 放大器噪聲系數(shù)測量 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.6 低噪聲放大器設(shè)計(jì) (1) 對于微弱信號檢測儀器或設(shè)備對于微弱信號檢測儀器或設(shè)備,前置放大前置放大器是引入噪聲的主要部件之一器是引入噪聲的主要部件之一,整個檢測系統(tǒng)整個檢測系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要取決于前置放大器的噪聲系的噪聲系數(shù)主要取決于前置放大器的噪聲系數(shù)數(shù). (2) 設(shè)計(jì)低噪聲前置放大器的內(nèi)容包括選擇低設(shè)計(jì)低噪聲前置放大器的內(nèi)容包括選擇低噪聲半導(dǎo)體器件噪聲半導(dǎo)體器件,確定電路級數(shù)和電路組成確定電路級數(shù)和電路組成,確確定低噪聲工作點(diǎn)定低噪聲工作點(diǎn),進(jìn)行噪聲匹配等工

42、作進(jìn)行噪聲匹配等工作. (3) 在實(shí)現(xiàn)噪聲指標(biāo)的基礎(chǔ)上在實(shí)現(xiàn)噪聲指標(biāo)的基礎(chǔ)上,還要根據(jù)放大還要根據(jù)放大器要求的總增益器要求的總增益,頻率響應(yīng)頻率響應(yīng),輸入輸出阻抗輸入輸出阻抗,動態(tài)動態(tài)范圍范圍,穩(wěn)定性等指標(biāo)穩(wěn)定性等指標(biāo),確定電路的級數(shù)確定電路的級數(shù),組態(tài)組態(tài),反反饋和頻率補(bǔ)償方法等饋和頻率補(bǔ)償方法等. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.6.1 有源器件的選擇 (1) 低噪聲放大器應(yīng)盡可能選用低噪聲放大器應(yīng)盡可能選用eN，iN小的器件，小的器件，這樣才能使這樣才能使Fmin較小。此外還必須考慮到較小。此外還必須考慮到eN，iN以及噪聲系數(shù)都是頻率的函數(shù)，各種低噪聲以及噪聲系數(shù)都是頻率的函數(shù)，各種低噪

43、聲器件只是在一定的頻率范圍內(nèi)才能達(dá)到其最器件只是在一定的頻率范圍內(nèi)才能達(dá)到其最小噪聲系數(shù)。小噪聲系數(shù)。NNN Nmin/12soReie iFkT 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.6.1 有源器件的選擇 (2) 雙極型晶體管的雙極型晶體管的eN較小，故其較小，故其Rso較小，比較小，比較適合源電阻較小的情況；而場效應(yīng)管的較適合源電阻較小的情況；而場效應(yīng)管的iN較較小，故其小，故其Rso較大，比較適合源電阻較大的情較大，比較適合源電阻較大的情況。況。 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.6.1 有源器件的選擇 (3) 有源器件的最佳源電阻有源器件的最佳源電阻Rso是頻率的函數(shù)是頻率的函數(shù). 低噪聲放大電

44、路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.6.1 有源器件的選擇 (4) 集成運(yùn)算放大器的噪聲特性劣于分立元件集成運(yùn)算放大器的噪聲特性劣于分立元件.經(jīng)過選擇的集成電路經(jīng)過選擇的集成電路,其噪聲電平通常為晶體其噪聲電平通常為晶體管電路的管電路的2-5倍倍.選擇合適的集成運(yùn)算放大器選擇合適的集成運(yùn)算放大器,則可以使電路設(shè)計(jì)和調(diào)試工作大大簡化則可以使電路設(shè)計(jì)和調(diào)試工作大大簡化. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.6.2 直流工作點(diǎn)的選擇 直流工作點(diǎn)的選擇直流工作點(diǎn)的選擇對噪聲特性有著直接影響，任對噪聲特性有著直接影響，任何一個固定的源電阻就有一個最佳集電極電流。何一個固定的源電阻就有一個最佳集電極電流。2DCmDCmDCDCD

45、CDC2/(2)0.026sobbbbeeeEERrggrrrkTrqII 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.6.3 噪聲匹配 1. 附加電阻對噪聲系數(shù)的影響附加電阻對噪聲系數(shù)的影響 2. 調(diào)整工作點(diǎn)進(jìn)行噪聲匹配的局限性調(diào)整工作點(diǎn)進(jìn)行噪聲匹配的局限性 3. 利用變壓器實(shí)現(xiàn)噪聲匹配利用變壓器實(shí)現(xiàn)噪聲匹配 4. 有源器件并聯(lián)法有源器件并聯(lián)法 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 1.6.3 噪聲匹配 1. 1. 附加電阻對噪聲系數(shù)的影響附加電阻對噪聲系數(shù)的影響 附加的電阻對有用信號和信號源內(nèi)阻熱附加的電阻對有用信號和信號源內(nèi)阻熱噪聲的衰減量相同噪聲的衰減量相同,但是它還衰減了有用信號但是它還衰減了有用信號和放大器

46、噪聲之比和放大器噪聲之比,此外附加電阻還要產(chǎn)生熱此外附加電阻還要產(chǎn)生熱噪聲噪聲.總之總之,采用附加電阻的方法只會使噪聲系采用附加電阻的方法只會使噪聲系數(shù)增大數(shù)增大. 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 附加串聯(lián)電阻附加串聯(lián)電阻nenisRtese無噪聲放大器串聯(lián)電阻nenisRtese無噪聲放大器t1et2e1sR熱噪聲 in電壓降222nns 14sEI RFkTRf soss1RRR 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 附加串聯(lián)電阻nenisRtese無噪聲放大器t1et2e1sR熱噪聲 in電壓降soss1RRR22222nns1ns122221ns11ns14 144R/R/ 44sssssssEIRkTRfIRFkTRfkTRfIFFRRIkTRfkTRf 理解：引入的電阻必然帶來新的噪聲源，將引入的電阻認(rèn)理解：引入的電阻必然帶來新的噪聲源，將引入的電阻認(rèn)為是放大器的一部分，那么惡化了放大器原來的噪聲情況為是放大器