1、低噪聲放大電路設計與應用1.0 引言1.1 放大器的噪聲系數1.2 放大器的噪聲性能分析1.3 運算放大器的噪聲特性1.4 放大器噪聲系數測量1.5 低噪聲放大器設計低噪聲放大電路設計與應用1.0 引言1.0 引言電子噪聲的兩種定義: 一是由于電荷載體的隨機運動所導致的電壓或電流的隨機波動,另一種是污染或干擾有用信號的不期望的信號. 第二種噪聲定義的范圍更廣,它既包括電路內部產生的噪聲,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的,也可能是確定性的. 由組成檢測電路的元件產生的內部噪聲稱為固有噪聲,它是由電荷載體的隨機運動所引起的.1.0 引言電子噪聲的兩種定義: 一是

2、由于電荷載體的隨機運1.0 引言電子系統內部幾乎所有的器件本身往往就是噪聲源,在放大微弱信號的同時,這些噪聲源產生的噪聲同樣會被放大.即使電子系統外部的所有干擾噪聲都被有效地抑制掉,放大器也會輸出一定幅度的噪聲. 在各種測試系統中,固有噪聲的大小決定了系統的分辨率和可檢測的最小信號幅度. 電子系統內部的固有噪聲具有隨機的性質,其瞬時幅度不可預測,只能用概率和統計的方法來表述其大小和特征.1.0 引言電子系統內部幾乎所有的器件本身往往就是噪聲源,1.0 引言(7) 微弱信號檢測的目的是從噪聲中恢復被測信號.為了把微弱信號放大到可以感知的水平,必須使用放大電路.放大器在放大有用信號的同時也放大了噪

3、聲,不僅如此,實際放大器本身還要產生額外的噪聲,不合理的電路結構還可能引入外界干擾噪聲,使得被測信號中的噪聲進一步增加.(8) 因此,分析與設計低噪聲放大電路對于檢測微弱信號是至關重要的.1.0 引言(7) 微弱信號檢測的目的是從噪聲中恢復被測信電子系統內部固有噪聲源熱噪聲 任何電阻或導體,即使沒有連接到任何信號源或電源,也沒有任何電流流過該電阻,其兩端也回呈現噪聲電壓起伏,這就是電阻的熱噪聲.它起源于電阻中電子的隨機熱運動,導致電阻兩端電荷的瞬時堆積,形成噪聲電壓.熱噪聲的功率譜密度函數和等效功率分別為:電子系統內部固有噪聲源熱噪聲電子系統內部固有噪聲源熱噪聲 電子系統內部固有噪聲源熱噪聲電

4、子系統內部固有噪聲源2. PN結的散彈噪聲 在半導體器件中,越過PN結的載流子的隨機擴散以及空穴電子對的隨機產生與復合導致散彈噪聲.凡是具有PN結的器件均存在這種散彈噪聲.散彈噪聲電流是一種白噪聲,其功率譜密度函數為: 電子系統內部固有噪聲源2. PN結的散彈噪聲電子系統內部固有噪聲源2. PN結的散彈噪聲 為了減小散彈噪聲的不利影響,流過PN結的平均直流電流應該越小越好. 電子系統內部固有噪聲源2. PN結的散彈噪聲電子系統內部固有噪聲源3. 1/f噪聲 1/f噪聲是由兩種導體的接觸點電導的隨機漲落引起的,凡是有導體接觸不理想的地方都存在1/f噪聲.因為其功率譜密度正比于1/f,頻率越低1/

5、f噪聲越嚴重,所以1/f噪聲又稱為低頻噪聲. 電子系統內部固有噪聲源3. 1/f噪聲電子系統內部固有噪聲源3. 1/f噪聲 在碳電阻中,電流必須流過許多碳粒之間的接觸點,所以它的1/f噪聲很嚴重.金屬膜電阻的1/f噪聲要輕微得多,最好是金屬絲線繞電阻.電子系統內部固有噪聲源3. 1/f噪聲電子系統內部固有噪聲源4. 爆裂噪聲 是一種流過半導體PN結電流的突然變化.原因是半導體材料中的雜質(通常是金屬雜質),這些雜質能隨機發射或捕獲載流子.電子系統內部固有噪聲源4. 爆裂噪聲電子系統內部固有噪聲源4. 爆裂噪聲 (1) 爆裂噪聲通常是由一系列寬度不同,而幅度基本相同的隨機電流脈沖組成,脈沖的寬度

6、可在幾微秒到0.1s 量級之間變化,脈沖的幅度約為0.01uA-0.001uA量級. (2) 因為脈沖的幅度只是PN結雜質特性的函數,對于某個特定的半導體器件樣品,爆裂噪聲的幅度是固定的,所以通常的爆裂噪聲電流只在兩種電流值之間切換. (3) 取決于半導體制作工藝和材料中雜質的情況,爆裂噪聲脈沖出現的頻率可在每秒幾百個到幾分鐘一個之間變化. 電子系統內部固有噪聲源4. 爆裂噪聲1.1 放大器的噪聲系數 (1) 任何電路都有很多噪聲源在同時作用. 熱噪聲, 散彈噪聲, 1/f噪聲, 爆裂噪聲 (2) 從設計和調試的角度出發,人們關心的是整體電路的噪聲特性,而不是各個獨立的噪聲源的噪聲特性.這就需

7、要定義一些整體電路的噪聲特性指標,以便衡量電路噪聲特性的優劣,進行不同電路的性能對比,并利用這些性能指標對電路進行改進和優化. (3) 噪聲系數和噪聲因數就是這樣的指標.1.1 放大器的噪聲系數 (1) 任何電路都有很多噪聲源1.1.1 噪聲系數和噪聲因數 1. 噪聲系數(noise factor) 當衡量一個有源器件的噪聲特性時,人們更為關注信號被放大和傳遞過程中信噪比的變化情況,為此引入噪聲系數F這一重要指標,以衡量有源器件的噪聲特性的優劣.1.1.1 噪聲系數和噪聲因數 1. 噪聲系數(noi1.1.1 噪聲系數和噪聲因數 1. 噪聲系數(noise factor) 噪聲系數F表征二端口

8、網絡對信噪比影響的情況.對于一個無噪聲的理想放大器,F=1;而對于具有內部噪聲源的實際放大器,F1.F越大,說明放大器內部噪聲越嚴重. 噪聲系數隨放大器的偏置電流,工作頻率,溫度及信號源內阻而變化,在談及一個放大器的噪聲系數是多少時,必須說明上述工作條件.1.1.1 噪聲系數和噪聲因數 1. 噪聲系數(noi1.1.1 噪聲系數和噪聲因數 2. 噪聲因數(noise figure) 利用噪聲因數NF的對數特性,可以把噪聲系數F的相乘運算化解為相加運算. 低噪聲放大器的噪聲因數小,對于自身不產生任何噪聲的理想放大器,其噪聲因數為零. 噪聲因數越大,說明放大器的噪聲性能越差. 低噪聲設計的目的是使

9、放大器的NF值盡量地小.1.1.1 噪聲系數和噪聲因數 2. 噪聲因數(noi1.1.1 噪聲系數和噪聲因數 3. 可檢測的最小信號 1.1.1 噪聲系數和噪聲因數 3. 可檢測的最小信號1.1.2 級聯放大器的噪聲系數 M級級聯放大器總的噪聲系數F的弗里斯公式: 1.1.2 級聯放大器的噪聲系數 M級級聯放大器總的噪聲系1.2 放大器的噪聲性能分析 任何一個放大器內部都有許多噪聲源(包括電阻,晶體管等),為了使問題簡化,在放大器的噪聲分析,噪聲指標計算及低噪聲電子設計中,一般都是把所有內部噪聲源都折合到放大器的輸入端,用輸入端的等效噪聲源來表示.1.2 放大器的噪聲性能分析 任幾個基本概念

10、(1) en表示等效輸入噪聲電壓, (2) in表示等效輸入噪聲電流. (3) En表示中心頻率為f的窄帶寬f內的等效輸入噪聲電壓有效值, (4) In表示同樣帶寬f內的等效輸入噪聲電流有效值, (5) E2n和I2n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 (7) Sni(f)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 (9) iN為等效輸入噪聲電壓的平方根譜密度幾個基本概念 (1) en表示等效輸入噪聲電壓,幾個基本概念幾個基本概念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: 1.2.1

11、放大器的等效輸入噪聲 等效噪聲輸入電路的總噪聲1.2.1 放大器的等效輸入噪聲1.2.1 放大器的等效輸入噪聲1.2.1 最佳源電阻及噪聲匹配 只有當Rs為最佳源電阻Rso時, 噪聲系數才能達到其最小值,這種情況稱為噪聲匹配. 1.2.1 最佳源電阻及噪聲匹配 1.2.1 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,Rso是能給出最大信噪比的源電阻數值.選擇最佳源電阻的目的不是要達到功率匹配,而是要達到噪聲匹配.1.2.1 最佳源電阻及噪聲匹配 由最1.2.2 噪聲因數等值圖(NF圖)1.2.2 噪聲因數等值圖(NF圖)1.3 運算放大器的噪聲特性 運算放大器內部的固有噪聲:

12、 (1) 運算放大器內部包含大量晶體管,因此就有大量PN結,它們都是散彈噪聲源; (2) 運算放大器內部還包含一定數量的電阻,它們都會產生熱噪聲; (3) 運算放大器的引腳及內部連接總會涉及不同金屬的接觸,因此1/f噪聲必然存在. 1.3 運算放大器的噪聲特性 運算放大器內部的固等效輸入噪聲源的功率譜密度分布等效輸入噪聲源的功率譜密度分布等效輸入噪聲源的功率譜密度分布 (1) 當頻率低到一定程度時,1/f噪聲的幅度趨向于常數,而不是趨向于無窮大. (2) 運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三個因素:一個是平坦段白噪聲的功率譜密度函數函數,另一個是1/f噪聲與白噪聲相

13、交的拐點頻率,再一個就是工作頻帶的高,低頻率.等效輸入噪聲源的功率譜密度分布 (1) 當頻率低到幾種常用運算放大器的噪聲指標幾種常用運算放大器的噪聲指標噪聲計算舉例例1: 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,運放型號為uA741.在輸入端對地短路情況下,試計算輸出端噪聲的有效值Vno.噪聲計算舉例例1: 下圖所示差動放大電路的等效噪聲帶寬為1.4 放大器噪聲系數測量 測量放大器的噪聲系數需要做兩個測量:一個是在放大器輸入端對地短路情況下,測量放大器本身噪聲在其輸出端呈現的噪聲功率;另一個是測量放大器對校準了的信號源的響應.1.4 放大器噪聲系數測量 測量放

14、1.5 低噪聲放大器設計 (1) 對于微弱信號檢測儀器或設備,前置放大器是引入噪聲的主要部件之一,整個檢測系統的噪聲系數主要取決于前置放大器的噪聲系數. (2) 設計低噪聲前置放大器的內容包括選擇低噪聲半導體器件,確定電路級數和電路組成,確定低噪聲工作點,進行噪聲匹配等工作. (3) 在實現噪聲指標的基礎上,還要根據放大器要求的總增益,頻率響應,輸入輸出阻抗,動態范圍,穩定性等指標,確定電路的級數,組態,反饋和頻率補償方法等.1.5 低噪聲放大器設計 (1) 對于微弱信號檢1.5.1 有源器件的選擇 (1) 低噪聲放大器應盡可能選用eN,iN小的器件,這樣才能使Fmin較小.此外還必須考慮到e

15、N,iN以及噪聲系數都是頻率的函數,各種低噪聲器件只是在一定的頻率范圍內才能達到其最小噪聲系數. 1.5.1 有源器件的選擇 (1) 低噪聲放大器1.5.1 有源器件的選擇 (2) 一般來說,雙極型晶體管的eN較小,故其Rso較小,比較適合源電阻較小的情況;而場效應管的iN較小,故其Rso較大,比較適合源電阻較大的情況. 1.5.1 有源器件的選擇 (2) 一般來說,雙1.5.1 有源器件的選擇 (3) 有源器件的最佳源電阻Rso是頻率的函數. 1.5.1 有源器件的選擇 (3) 有源器件的最1.5.1 有源器件的選擇 (4) 集成運算放大器的噪聲特性劣于分立元件.經過選擇的集成電路,其噪聲電

16、平通常為晶體管電路的2-5倍.選擇合適的集成運算放大器,則可以使電路設計和調試工作大大簡化. 1.5.1 有源器件的選擇 (4) 集成運算放大1.5.2 噪聲匹配 1. 附加電阻對噪聲系數的影響 2. 調整工作點進行噪聲匹配的局限性 3. 利用變壓器實現噪聲匹配 4. 有源器件并聯法1.5.2 噪聲匹配 1. 附加電阻對噪聲系數的1.5.2 噪聲匹配 1. 附加電阻對噪聲系數的影響 試圖給信號源增加串聯或并聯電阻以使 Rs=Rso,這樣的噪聲匹配并不能改善系統的噪聲系數.附加的電阻對有用信號和信號源內阻熱噪聲的衰減量相同,但是它還衰減了有用信號和放大器噪聲之比,此外附加電阻還要產生熱噪聲.總之

17、,采用附加電阻的方法只會使噪聲系數增大. 1.5.2 噪聲匹配 1. 附加電阻對噪聲系數的1.5.2 噪聲匹配 1. 附加電阻對噪聲系數的影響 (1) 附加串聯電阻 1.5.2 噪聲匹配 1. 附加電阻對噪聲系數的1.5.2 噪聲匹配 1. 附加電阻對噪聲系數的影響 (2) 附加并聯電阻 1.5.2 噪聲匹配 1. 附加電阻對噪聲系數的1.5.2 噪聲匹配 2. 調整工作點進行噪聲匹配的局限性 1.5.2 噪聲匹配 2. 調整工作點進行噪聲匹1.5.2 噪聲匹配 3. 利用變壓器實現噪聲匹配 1.5.2 噪聲匹配 3. 利用變壓器實現噪聲匹1.5.2 噪聲匹配 3. 利用變壓器實現噪聲匹配 例2: 如果信號源輸出阻抗Rs=10歐姆,工作頻率f=1kHz,選用的前置放大器為OP07,試求匹配變壓器的圈數比和能夠達到的信噪改善比. 1.5.2 噪聲匹配 3. 利用變壓器實現噪聲匹1.5.2 噪聲匹配 4. 有源器件并聯法1.5.2 噪聲匹配 4. 有源器件并聯法1.5.2 噪聲匹配 4. 有源器件并聯法1.5.2 噪聲匹配 4. 有源器件并聯法1.5.3 反饋電路對噪聲特性的影響 1. 電壓并聯負反饋放