第二部分 放大器的噪声源和噪声特性

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1、 低噪声放大电路设计与应用 放大器的噪声源和噪声特性1.0 引言引言1.1 放大器的噪声系数放大器的噪声系数1.2 放大器的噪声性能分析放大器的噪声性能分析1.3 分立元器件噪声分析分立元器件噪声分析1.4 运算放大器的噪声特性运算放大器的噪声特性1.5 放大器噪声系数测量放大器噪声系数测量1.6 低噪声放大器设计低噪声放大器设计 低噪声放大电路设计与应用 1.0 引言 电子噪声的两种定义电子噪声的两种定义: : 一是由于电荷载体的随机一是由于电荷载体的随机运动所导致的电压或电流的随机波动运动所导致的电压或电流的随机波动, ,另一种是另一种是污染或干扰有用信号的不期望的信号污染或干扰有用信号的

2、不期望的信号。 (2) 第二种噪声定义的范围更广，它既包括电路内第二种噪声定义的范围更广，它既包括电路内部产生的噪声，也包括来自电路外部的干扰。叠部产生的噪声，也包括来自电路外部的干扰。叠加在有用信号上的外部干扰噪声可能是随机的，加在有用信号上的外部干扰噪声可能是随机的，也可能是确定性的。也可能是确定性的。(3) 由组成检测电路的元件产生的内部噪声称为固有由组成检测电路的元件产生的内部噪声称为固有噪声，它是由电荷载体的随机运动所引起的。噪声，它是由电荷载体的随机运动所引起的。 低噪声放大电路设计与应用 1.0 引言爆裂噪声爆裂噪声 低噪声放大电路设计与应用 1.0 引言 电子系统内部几乎所有的

3、器件本身往往就是噪声电子系统内部几乎所有的器件本身往往就是噪声源源, ,在放大微弱信号的同时在放大微弱信号的同时, ,这些噪声源产生的噪这些噪声源产生的噪声同样会被放大声同样会被放大. .即使电子系统外部的所有干扰即使电子系统外部的所有干扰噪声都被有效地抑制掉噪声都被有效地抑制掉, ,放大器也会输出一定幅放大器也会输出一定幅度的噪声度的噪声. .(5) 在各种测试系统中在各种测试系统中, ,固有噪声的大小决定了系统固有噪声的大小决定了系统的分辨率和可检测的最小信号幅度的分辨率和可检测的最小信号幅度. .(6) 电子系统内部的固有噪声具有随机的性质电子系统内部的固有噪声具有随机的性质,其瞬其瞬时

4、幅度不可预测时幅度不可预测,只能用概率和统计的方法来表只能用概率和统计的方法来表述其大小和特征述其大小和特征. 低噪声放大电路设计与应用 1.0 引言(7) 微弱信号检测的目的是从噪声中恢复被测信号微弱信号检测的目的是从噪声中恢复被测信号.为了把微弱信号放大到可以感知的水平为了把微弱信号放大到可以感知的水平,必须使必须使用放大电路用放大电路.放大器在放大有用信号的同时也放放大器在放大有用信号的同时也放大了噪声大了噪声,不仅如此不仅如此,实际放大器本身还要产生额实际放大器本身还要产生额外的噪声外的噪声,不合理的电路结构还可能引入外界干不合理的电路结构还可能引入外界干扰噪声扰噪声,使得被测信号中的

5、噪声进一步增加使得被测信号中的噪声进一步增加.结论：结论：分析与设计低噪声放大电路对于检测微弱信分析与设计低噪声放大电路对于检测微弱信 号是至关重要的号是至关重要的! 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源热噪声热噪声 任何电阻或导体任何电阻或导体,即使没有连接到任何信号源或即使没有连接到任何信号源或电源电源,也没有任何电流流过该电阻也没有任何电流流过该电阻,其两端也会呈现其两端也会呈现噪声电压起伏噪声电压起伏,这就是电阻的热噪声这就是电阻的热噪声.它起源于电阻它起源于电阻中电子的随机热运动中电子的随机热运动,导致电阻两端电荷的瞬时堆导致电阻两端电荷的瞬时堆积积,形成噪声电压形成噪声

6、电压. 1928年年, Johnson首先发现热噪声首先发现热噪声. Nyquist用用数学方式描述了热噪声的统计特性数学方式描述了热噪声的统计特性. 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源热噪声热噪声 热噪声的功率谱密度函数和等效功率分别为热噪声的功率谱密度函数和等效功率分别为: :2t2tttt( )4(V /Hz)( )d4d4(V )4(V)BBSfkTRPSffkTR fkTRBEPkTRB 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源热噪声热噪声 由量子理论得到的更精确的热噪声功率谱密度函由量子理论得到的更精确的热噪声功率谱密度函数表达式为数表达式为: :t4( )e

7、xp(/() 1hfRSfhfkT 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源热噪声热噪声 （1）等效电压源：电压恒定，和电流无关）等效电压源：电压恒定，和电流无关（2）等效电流源：电流恒定，和电压无关）等效电流源：电流恒定，和电压无关)(理想电阻RkTBRt4E )(理想电阻RRkTBt/4E 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源热噪声热噪声 21RR )(4E21RRkTBt电阻串联电阻串联噪声电路21eeettt 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源热噪声热噪声 21RR )(4E21RRkTBt21eeettt)ee()E(e2212tttE)ee2ee(

8、)E(e2122212tttttE)ee2()e ()e ()E(e2122212tttttEEE)e ()e ()E(e22212tttEE0 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源热噪声热噪声 12E4()tkTB RR（1）热噪声相加，然后求均方值，两个信号不相关。）热噪声相加，然后求均方值，两个信号不相关。（2）功率加和，得到）功率加和，得到等效功率等效功率，再得到电压有效值。，再得到电压有效值。（3）有效电压不能简单加和，应该是利用统计平均）有效电压不能简单加和，应该是利用统计平均等到。等到。（4）等效电路的电阻加和。）等效电路的电阻加和。21RR )(4E21RRkTBt

9、 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源热噪声热噪声 12122211ettteRRReRRR 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源热噪声热噪声 1212E4()tRRkTBRR（1）功率加和，得到等效功率，再求有效电压）功率加和，得到等效功率，再求有效电压（2）对每一路噪声电压进行分压）对每一路噪声电压进行分压（3）等效电路的电阻并联）等效电路的电阻并联)/(2121RRRR21214ERRRRkTBt 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源热噪声热噪声 无源元件的任意连接所产生的热噪声等于无源元件的任意连接所产生的热噪声等于等效网等效网络阻抗的实部电阻络阻抗

10、的实部电阻所产生的热噪声。所产生的热噪声。 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源热噪声热噪声 并联电容后，无论什么阻值，只要电容一定，温度并联电容后，无论什么阻值，只要电容一定，温度一定，噪声有效值一定，但是功率谱分布变化。一定，噪声有效值一定，但是功率谱分布变化。 低噪声放大电路设计与应用 低噪声放大电路设计与应用 21eq21212221212212122222221211()1j/ /()1jj()()j1()1()R RCZRRCRRCR R RR CRR RCRR CRRCRRCneq4Re()4.69nVVkTBZ 低噪声放大电路设计与应用 EQ600R2152noEQ

11、49.94 10VEkTBRno0.1VEno63VkTEC 低噪声放大电路设计与应用 电子系统内部固有噪声源2. PNPN结的散弹噪声结的散弹噪声 在半导体器件中在半导体器件中,越过越过PN结的载流子的随机扩散结的载流子的随机扩散以及空穴电子对的随机产生与复合导致散弹噪声以及空穴电子对的随机产生与复合导致散弹噪声.凡是具有凡是具有PN结的器件均存在这种散弹噪声结的器件均存在这种散弹噪声.散弹散弹噪声电流是一种白噪声噪声电流是一种白噪声,其功率谱密度函数为其功率谱密度函数为: 2shdcshshdcshshdc( )2(A /Hz)( )d22BSfqIPSffqI BIPqI B 低噪声放大