4.2 噪声和低噪声器件.pptVIP

4.2 噪声和低噪声器件 主要内容 噪声的一般性质 噪声的描述 噪声的测量 功率谱密度 信号提取系统中的主要噪声类型 1/f噪声 热噪声 散粒噪声 4.2.1 噪声的特性 随机性 统计学描述 概率密度函数 平稳随机过程 正态分布 2. 信号提取过程中的噪声类型 主要类型： 1/f噪声 热噪声 散粒噪声 要求掌握： 产生的机理 噪声的性质 （1）1/f噪声 由于功率谱是频率的函数： 一般α＝1，故称为1/f噪声 K为f＝1Hz时的频谱密度，由具体器件决定的常数 （1）1/f噪声 产生的原因：材料之间不完全接触，形成起伏的导电率 如两个导体连接的地方，开关、继电器、晶体管、二极管的不良接触， 以及电流流过合成碳质电阻的不连续介质 有源器件在制作工艺过程中，材料表面特性及半导体器件中结点的缺陷等 由于生物医学信号的频带范围大都处于低频或超低频段，1/f噪声是生物信号提取中主要障碍 （1）1/f噪声 由f1～f2带宽内噪声的平均功率得到相应此频段内噪声的电压均方值： 例：已知1/f噪声过程在1Hz上的谱密度为5×10-10V2/Hz，求100到200Hz 范围内噪声电压均方值 （2）热噪声 产生的原因： 热噪声是在电阻一类导体中，自由电子的布朗运动引起的噪声 电子运动的途径，由于和其他粒子碰撞，是随机的和曲折的，即呈现布朗运动。所有电子运动的总结果形成通过导体的电流。电流的方向是随机的，因而平均值为零。 但是在每一瞬间，它们并不为零，则在导体的两端产生压降，形成噪声电压。 又称为约翰逊噪声或乃奎斯特噪声 存在于： 电阻 电容介质的损耗 电感的涡流损耗 有源器件如晶体管的基区电阻等 危害 是测量系统分辨力的最终限制。 （2）热噪声 影响热噪声的因素： 减小测量时产生热噪声器件的温度 提取信号的电阻应尽量小，避免额外的串联电阻 尽量减小系统的频带 属于白噪声 波尔兹曼常数1.38×10-23J/K 绝对温度 频带宽度 数学表示： 电压均方值： 谱密度： （3）散粒噪声 产生的原因： 半导体器件中，载流子产生与消失的随机性，使得流动的载流子数目发生波动，引起瞬时电流的变化，称为散粒噪声 存在于： 二极管和三极管等半导体器件中， 简单的导体中，不存在此类噪声 数学表达式： 电子电荷 器件的平均直流 测量系统的频带宽度 谱密度：2qIDC，属于白噪声 3. 描述放大器噪声性能参数 研究放大器的噪声 有利于分析放大器的性能指标 判断放大器可能放大多弱的信号。 放大器的等效电路： 放大器本身所产生的噪声 电阻为零的电压源 电阻无穷大的电流源 信号源等效噪声 主要为电阻的热噪声 3.描述放大器噪声性能参数 放大器输出端噪声计算： 输入噪声源 输出噪声大小 放大器产生的噪声 信号源产生的噪声 假设Un，In互不相关，C＝0，则各噪声电压的平方值相加，得到输出电压： 3.描述放大器噪声性能参数 输入端等效电压： ＝1 ＝Rs 利用上式分析的优点： 利用等效噪声源Uni分析所有的噪声，适用于任何有源器件的噪声分析 易于测量：Rs＝0，只存在Un；若Rs很大时，确定In。 （2）噪声放大系数 噪声放大系数的定义： 噪声放大器数的意义： 比较放大器的噪声性能，信号经过了放大器，信噪比是否变化 如果F＝1则放大器本身不引入噪声 分贝表示： 例题1 某晶体管已知NF6dB，求输出信噪比相对于输入信噪比减少多少？ 即输出信噪比为输入信噪比的1/4 例2 某放大器噪声系数为6dB，其通频带为10kHz，要求输出信噪比为 ,则此放大器的输入信号功率是多少？ 解: 输入信号的信噪比： 信号源的噪声主要为热噪声 噪声系数讨论 1. 噪声系数求取 可由Un，In表示（C＝0） 由上式可知，当放大器固定，则Un和In不变，噪声系数F为Rs的函数， 噪声系数讨论 2. 噪声系数最小值 则，Rs为： 此时，Rs称为最佳源电阻，可获得最小噪声系数： 噪声系数讨论 3.输出信噪比（理想状态越大越好，信号为信号源的均方电压，噪声为总的输出噪声）： 显然：当Rs＝0时，信噪比最大， 所以最小的噪声系数并不一定有最大的输出信噪比。 噪声系数的价值是用于比较放大器的噪声，它并不适于作为放大器低噪声设计的依据。 （3）多级放大器的噪声 多级放大器的耦合 其中： Ap1，Ap2为第一、二级的功率增益 F1，F2为第一、二级的噪声系数 Pn1，Pn2为第一、二级的内部噪声功率 Pns为信号源内阻的噪声功率 噪声系数的定义： （3）多级放大器的噪声 第一级放大噪声功率： 由此可得到第一级放大器的噪声输出功率： 同理，相对于热源噪声的噪声系数定义（不牵涉