微弱信号检测2.6-3.2
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1、w 第二章 放大器的噪声源和噪声特性w 2.6 低噪声放大器设计w 2.7 噪声特性测量w 第三章 干扰噪声及其抑制w 3.1 环境干扰噪声w 3.2 干扰耦合途径w 对于微弱信号检测仪器或设备，前置放大器是引入噪声的主要部件之一，整个检测系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系数。整个仪器可以检测的最小信号也主要取决于前置放大器的噪声。w 低噪声前置放大器的设计内容包括选择低噪声半导体器件，确定电路组态，确定低噪声工作点，进行噪声匹配等工作。w 另外还要根据放大器要求的总增益、频率响应、输入输出阻抗、动态范围、稳定性等指标，确定整体电路的级数、组态、反馈和频率补偿方法。w 只有在放大器的最
2、佳源电阻等于信号源输出电阻的情况下，才能使电路的噪声系数最小 放大器的最佳源电阻为Rso=e N/ i N , 由此得到的最小噪声系数为 Fmin=1+e N i N /2kT 低噪声放大器应尽可能选用e N i N 小的器件，此外e N i N 以及噪声 系数F都是频率的函数，各种低噪声器件只是在一定的频率范围内才能达到其最小噪声。 根据信号源电阻Rs的大小，可以选用合适类型的放大器件，以使其最佳源电阻Rso约等于Rs，以便在直接耦合方式下达到噪声匹配，使电路的噪声系数达到最小值。1从源电阻考虑，各种有源器件适用的源电阻范围2从工作频率考虑，有源器件的最佳源电阻Rso是频率的函数3. 放大器
3、输出的功率信噪比SNRp=ES2/Eni2, 2222m4nisnnsEkTR BEI R1、偏置电路低噪声设计 在源电路中增加电抗或任何额外电阻都可能增加系统的噪声系数，这给输入级偏置电路的设置带来了问题解决方法，以双极型晶体管为例 共发射极电路偏置 通过信号源进行偏置 射频电路偏置2.直流工作点的选择sECEesoRIIIrR40026. 0000fkTRRIRRFFssnss42121fkTRRReRRFFsssnss222242,1sossRRR使,2sossRRR使附加串连电阻噪声系数增大为：附加并联电阻噪声系数增大为：某晶体管在f =100kHz时的噪声因数等值图kTiefkTIE
4、FNNnn2121minNNsosieRRn2ssoRRn 得：minF利用变压器变换阻抗，则可达到最小噪声系数希望：等效电路：利用变压器变换阻抗的缺点和限制：变压器线圈和铁芯的损耗电阻会产生热噪声被测信号必须是频率较高的交流信号外来的电磁干扰会引入附加噪声制作复杂，材料要求高，需要电磁屏蔽措施2222NNNNMiiMeeMRMieMiMeieRsoNNNNNNso122minmin2121FkTiekTieFNNNN若M个有源器件并联，则多个运放并联减少最佳源电阻w 放大器中采用合适的反馈措施，可以有效地改善放大器的新能w 附加反馈支路不会改变放大器内部固有噪声源的任何指标，只会影响放大器的
5、外部表现。w 改变了放大器的增益、对于有用信号、信号源噪声和放大器等效输入噪声的增益都改变了同样的量值w 反馈支路的电阻分量会产生热噪声，并在反馈电阻两端产生噪声电压w 如能使反馈元件造成的不利影响很小，使该影响与信号源产生的热噪声可以忽略，那么可以利用反馈改变输入阻抗，以实现噪声匹配。并考虑通过功率匹配使传输的功率最大。w 只要反馈电路给信号源电路增加的阻抗与源电阻相比可以忽略，并且并联反馈中的反馈阻抗足够大，那么放大器的噪声特性基本保持不变。ffofffsf1eeeRReKeeeRieiRReKeeestttotnionnnon，输出噪声电压为为单独作用时，放大倍数电压为单独作用时，输出噪
6、声电压为单独作用时，输出噪声电压为单独作用时，输出噪声1电压并联负反馈放大器2fo222f222fo2222noEEKRIEKEEEEEtnntoiono总f222222no2ni44RkTBRBkTRRIEKEEsssnn总总BkTRRIEEssaa42222ni总222f22224saassnnRIERkTBRRIEna, 0EERs可得：令SfRRK 由等效电路得对比两式可得2s2a2af22224RIERkTBRRIEssnn2222224asafnsnIRERkTBIRE得两边除以,2sRf224RkTBIIna代入上式得将式naEE 反馈支路的引入对放大器等效输入电压噪声无影响，只
7、是使得等效输入电流噪声增加了一项取决于反馈电 阻 的热噪声fR222na4pnPnaRIkTBREEII2f1f2f1fRRRRRp2222ni4psnnpspssRRIERRkTBERRR总增加到相当于信号源电阻由w 1、信号源输出阻抗为复数2222222nns()1144sssnsnsssZRjXEIZEIRXFkTRfkTRf可通过在信号源和放大器之间连接一个电抗-jXs 可以抵消Xs的不利影响，当Xs是感抗时，要连接一个电容，当Xs是容抗是容抗时，要连接一个电感。w 2、放大器的en与in相关w 晶体管的极间电容和引线的分布电容会导致各噪声源之间的互相耦合，导致en与in 之间产生相关
8、性，设其相关系数为，其实部和虚部分别为1和 22222nn2222nn222N2222N12422144214()2214nisnsnsninsnsssNsN NssNssN NsN NssEkTRfEIRE I REEIRE I RFkTR BkTRfeiRe i RFkTReiRXe i Re i XFkTR 对F求导，并令其等于0，可以求出最佳源电阻和源电抗，以及噪声系数的最小值。N2N2222N212N2N221min22mine(1)2141.( 1)121111RsoNsN NssN NsssossoeXieiRe i RFkTReRsoie iFkTFFRRRXX 22minem
9、in1111R/12sssossosososoNNN NF FRRRXXXXXReie iFkT 只有当信号源阻抗满足Rs=Rso, 以及Xs=Xso时，放大器才能达到最佳的噪声性能。为了满足Xs=Xso ，可以在信号源与放大器之间串联电抗X0 ,为了满足Rs=Rso ，不能采用信号源或并联电阻的方法，只能采用选择器件，调整工作点，增设匹配变压器等方式。当工作频率不是很高时，放大器的噪声相关系数可以忽略，Xso=0w 2.7.1噪声功率和有效值测量1、测量误差 测量精度决定了测量过程的复杂程度和测量设备的费用，应控制在适当的水平。22n(1)(1)npeEE22pee2、利用示波器观测噪声 在
10、测量精度要求不高的场合，但可以粗略地判断噪声来源3、噪声声音分析 对于音频噪声，可以将噪声放大并用喇叭发声，通过听取喇叭发出的噪声声音，可以分析噪声的种类。4、利用仪表测量噪声幅度放大器：足够的增益，且本身的噪声要足够小检波器：将交流噪声转换为直流信号平均器：滤除检波器输出信号的交流波动直流表：读数 201 ( /)nnnSS ff f22(0)( )()1 ( /)cGG fH jfff( )( ) ( )onnSfSf G f 22000( )01(/)2nnnnnnSESf dfdff Sff20011()()()(0)(0)MonnESf dfSf G f dfGG 222001.0,
11、/1 ( /) 1 ( /)2 1 1/nMnncnncSEdfSfffffff2221111/MnncnEEEff放大器和测量装置的带宽要远远大于噪声的带宽w 测量在某个频率点处的功率谱密度，要在很窄的频带宽度内进行，但测量所需要的时间反比于测量电路的带宽，因为，要尽量使用较宽的频带宽度1、测量误差分析 取决于噪声的谱密度在测量滤波器的带宽范围内的变化情况。2mm0( )( )nESf Gf df测量噪声在频点fo的谱密度：Gm(f) ：测量电路的功率增益响应fo：测量电路的中心频率Sn(f)：被测噪声的功率谱密度测得的噪声功率为：w 1.Gm(f)的带宽足够窄w 2.Sn(f)在Gm(f)
