4.2 噪聲和低噪聲器件

1、4.2 噪聲和低噪聲器件1主要內(nèi)容噪聲的一般性質(zhì)噪聲的描述噪聲的測量功率譜密度信號提取系統(tǒng)中的主要噪聲類型1/f噪聲熱噪聲散粒噪聲24.2.1 噪聲的特性隨機(jī)性統(tǒng)計(jì)學(xué)描述概率密度函數(shù)平穩(wěn)隨機(jī)過程正態(tài)分布32. 信號提取過程中的噪聲類型主要類型：1/f噪聲熱噪聲散粒噪聲要求掌握：產(chǎn)生的機(jī)理噪聲的性質(zhì)4（1）1/f噪聲由于功率譜是頻率的函數(shù)：一般1，故稱為1/f噪聲K為f1Hz時(shí)的頻譜密度，由具體器件決定的常數(shù)5（1）1/f噪聲產(chǎn)生的原因：材料之間不完全接觸，形成起伏的導(dǎo)電率如兩個(gè)導(dǎo)體連接的地方，開關(guān)、繼電器、晶體管、二極管的不良接觸，以及電流流過合成碳質(zhì)電阻的不連續(xù)介質(zhì)有源器件在制作工藝過程中，

2、材料表面特性及半導(dǎo)體器件中結(jié)點(diǎn)的缺陷等由于生物醫(yī)學(xué)信號的頻帶范圍大都處于低頻或超低頻段，1/f噪聲是生物信號提取中主要障礙6（1）1/f噪聲 由f1f2帶寬內(nèi)噪聲的平均功率得到相應(yīng)此頻段內(nèi)噪聲的電壓均方值：例：已知1/f噪聲過程在1Hz上的譜密度為510-10V2/Hz，求100到200Hz 范圍內(nèi)噪聲電壓均方值7（2）熱噪聲產(chǎn)生的原因：熱噪聲是在電阻一類導(dǎo)體中，自由電子的布朗運(yùn)動引起的噪聲 電子運(yùn)動的途徑，由于和其他粒子碰撞，是隨機(jī)的和曲折的，即呈現(xiàn)布朗運(yùn)動。所有電子運(yùn)動的總結(jié)果形成通過導(dǎo)體的電流。電流的方向是隨機(jī)的，因而平均值為零。 但是在每一瞬間，它們并不為零，則在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生壓降，形

3、成噪聲電壓。又稱為約翰遜噪聲或乃奎斯特噪聲存在于：電阻電容介質(zhì)的損耗電感的渦流損耗有源器件如晶體管的基區(qū)電阻等危害是測量系統(tǒng)分辨力的最終限制。8（2）熱噪聲影響熱噪聲的因素：減小測量時(shí)產(chǎn)生熱噪聲器件的溫度提取信號的電阻應(yīng)盡量小，避免額外的串聯(lián)電阻盡量減小系統(tǒng)的頻帶屬于白噪聲波爾茲曼常數(shù)1.3810-23J/K絕對溫度頻帶寬度數(shù)學(xué)表示： 電壓均方值： 譜密度：9（3）散粒噪聲產(chǎn)生的原因：半導(dǎo)體器件中，載流子產(chǎn)生與消失的隨機(jī)性，使得流動的載流子數(shù)目發(fā)生波動，引起瞬時(shí)電流的變化，稱為散粒噪聲存在于：二極管和三極管等半導(dǎo)體器件中，簡單的導(dǎo)體中，不存在此類噪聲數(shù)學(xué)表達(dá)式：電子電荷器件的平均直流測量系統(tǒng)的

4、頻帶寬度譜密度：2qIDC，屬于白噪聲103. 描述放大器噪聲性能參數(shù)研究放大器的噪聲有利于分析放大器的性能指標(biāo)判斷放大器可能放大多弱的信號。放大器的等效電路：放大器本身所產(chǎn)生的噪聲電阻為零的電壓源電阻無窮大的電流源信號源等效噪聲主要為電阻的熱噪聲113.描述放大器噪聲性能參數(shù)放大器輸出端噪聲計(jì)算：輸入噪聲源 輸出噪聲大小放大器產(chǎn)生的噪聲信號源產(chǎn)生的噪聲假設(shè)Un，In互不相關(guān)，C0，則各噪聲電壓的平方值相加，得到輸出電壓：123.描述放大器噪聲性能參數(shù)輸入端等效電壓：1Rs利用上式分析的優(yōu)點(diǎn)：利用等效噪聲源Uni分析所有的噪聲，適用于任何有源器件的噪聲分析易于測量：Rs0，只存在Un；若Rs很

5、大時(shí)，確定In。13（2）噪聲放大系數(shù)噪聲放大系數(shù)的定義：噪聲放大器數(shù)的意義：比較放大器的噪聲性能，信號經(jīng)過了放大器，信噪比是否變化如果F1則放大器本身不引入噪聲分貝表示：14例題1某晶體管已知NF6dB，求輸出信噪比相對于輸入信噪比減少多少？即輸出信噪比為輸入信噪比的1/415例2某放大器噪聲系數(shù)為6dB，其通頻帶為10kHz，要求輸出信噪比為 ,則此放大器的輸入信號功率是多少？解:輸入信號的信噪比：信號源的噪聲主要為熱噪聲16噪聲系數(shù)討論1. 噪聲系數(shù)求取可由Un，In表示（C0）由上式可知，當(dāng)放大器固定，則Un和In不變，噪聲系數(shù)F為Rs的函數(shù)，17噪聲系數(shù)討論2. 噪聲系數(shù)最小值則，R

6、s為：此時(shí)，Rs稱為最佳源電阻，可獲得最小噪聲系數(shù)：18噪聲系數(shù)討論3.輸出信噪比（理想狀態(tài)越大越好，信號為信號源的均方電壓，噪聲為總的輸出噪聲）：顯然：當(dāng)Rs0時(shí)，信噪比最大，所以最小的噪聲系數(shù)并不一定有最大的輸出信噪比。噪聲系數(shù)的價(jià)值是用于比較放大器的噪聲，它并不適于作為放大器低噪聲設(shè)計(jì)的依據(jù)。19（3）多級放大器的噪聲多級放大器的耦合其中：Ap1，Ap2為第一、二級的功率增益F1，F(xiàn)2為第一、二級的噪聲系數(shù)Pn1，Pn2為第一、二級的內(nèi)部噪聲功率Pns為信號源內(nèi)阻的噪聲功率噪聲系數(shù)的定義：20（3）多級放大器的噪聲第一級放大噪聲功率：由此可得到第一級放大器的噪聲輸出功率：同理，相對于熱源

7、噪聲的噪聲系數(shù)定義（不牽涉第一級放大器噪聲的影響），則第二級放大器的噪聲功率Pn2為：兩級放大后總的輸出功率Pno為由三部分組成：信號源內(nèi)阻熱噪聲經(jīng)過兩級放大后Ap1Ap2Pns第一級放大器噪聲經(jīng)過第二級放大后的輸出Ap2Pn1第二級放大器本身的噪聲Pn221（3）多級放大器的噪聲總的輸出噪聲總的噪聲系數(shù)：224 .器件的噪聲（1） 電阻噪聲主要為熱噪聲等效電路234 .器件的噪聲（2）電容器的噪聲主要噪聲為介質(zhì)損耗，即電容器的漏電。相當(dāng)于理想電容并聯(lián)一個(gè)電阻Rp， Rp構(gòu)成電容器阻抗的實(shí)數(shù)分量，成為電容器的熱噪聲源。由介質(zhì)損耗角表示：可見漏電小的Rp大，值小，旁路噪聲能力強(qiáng)。244 .器件的

8、噪聲（3）耦合變壓器噪聲 在外磁場作用下，變壓器的磁性材料磁化的不連續(xù)性，呈現(xiàn)出磁起伏噪聲，并且把外界的噪聲引入到電路里來。254 .器件的噪聲（4）場效應(yīng)管噪聲主要有：溝道熱噪聲柵極散粒噪聲1/f噪聲264 .器件的噪聲（5）雙極晶體管噪聲基區(qū)擴(kuò)散電阻的熱噪聲基極電流IB和集電極電流Ic引起的散粒噪聲基極電流IB流經(jīng)基極發(fā)射極耗盡區(qū)時(shí)，產(chǎn)生的1/f噪聲274 .器件的噪聲（6）運(yùn)算放大器噪聲集成元件大的噪聲為各分立元件的綜合運(yùn)算放大器的輸入級是確定噪聲性能的關(guān)鍵采用差動輸入，噪聲電壓為單一晶體管的 倍。285.低噪聲放大器設(shè)計(jì)（1）噪聲性能指標(biāo)但為了統(tǒng)一，用輸入端對地短路時(shí)放大器的噪聲Uin作為放大器的性能指標(biāo)。表示了放大器可以放大的最小信號值。 以下為各生理信號測量用放大器在相應(yīng)帶寬下的噪聲指標(biāo)：體表心電圖 10V (0250Hz)體表希氏束電圖 0.5 V (80300Hz)頭皮電機(jī)腦電圖 1 V (0100Hz)針電極肌電圖 1 V (010KH