第二章信号测量的基本条件-4预案.ppt

生物医学电子学 生物医学电子学 第二章 信号测量的基本条件 第一节 人体测量的电磁干扰 第二节 测试系统的噪声 第三节 低噪声放大器设计 Biomedical Electronics * 生物医学电子学 对测量系统的噪声性能的要求，主要集中在信号提取放大部分。 组成放大器的每个电器元件都是一个可能的噪声电压源或噪声电流源，它们对放大器的噪声性能所造成的影响是很复杂的，通常借助于等效的噪声参数来描述放大器的噪声。 (一)Un、In参数 放大器内部的所有噪声源，用位于输入端的噪声发生器等效，放大器(或任何二端网络)便可视为无噪声的。 2.2.3 描述放大器噪声性能的参数 * 生物医学电子学 如图，放大器内所有噪声源的噪声用与输入端串联的阻抗为零的噪声电压发生器Un和与输入端并联的阻抗为无穷大的噪声电流发生器In，以及二者的相关系数C来表示。Uns为信号 提取放大的信号的质量，用信号功率与噪声功率的比值——信噪比（SNR）来描述。信噪比表示噪声对测量精度的影响。在一定的输出信噪比的要求下，输出噪声折合到输入端，可以判断放大器可能放大多弱的信号。为此，通常把放大器的噪声等效到输入端。 源内阻Rs的热噪声电压均方根值，A为放大器电压增益。 * 生物医学电子学 设放大器输出端噪声为Uno，是由Uns、Un、和In造成的。 它们各对Uno的贡献： * 生物医学电子学 假设Uns、Un、和In不相关，C＝0，各噪声源的噪声电压的均方值相加，得到输出噪声电压的均方值 放大器对信号Us的电压增益A’为 * 生物医学电子学 * 等效噪声定义 放大器内部的所有噪声源（包括外围电路），用与放大器输入端串联的阻抗为零的噪声电压源Un和与放大器输入端并联的阻抗为无穷大的噪声电流源In以及二者的相关系数C来等效，而放大器（或任何二端网络）本身便可视为无噪声的。 生物医学电子学 放大器等效输入噪声为三个噪声电压发生器的均方值之和，可用位于Us处的一个噪声源来等效系统的所有噪声源。此方程式适用于任何有源器件的系统，是分析噪声问题的重要公式。 采用Un、In参数描述放大器噪声的另一个优点是容易实现Un、In参数值的测量。 1、 Un参数 由上式可见，当Rs＝0时，等效输入噪声只有Un，因此在Rs＝0的条件下测量总输出噪声，得到的AUn，总输出噪声除以放大器电压增益即得到Un参数。 放大器的等效输入噪声为 * 生物医学电子学 2、 In分量 如果Rs值很大，由于源热噪声贡献正比于源电阻的平方根（U2ns=4KTRs△f ），而InRs项正比于源电阻的一次方，所以在源电阻足够大时，InRs将占优势。因此为了确定In，在设置大的源电阻条件下测量总输出噪声，除以输入端串联该源电阻时测得的电压增益，得到Uni，它近似为InRs，再除以Rs得到In。 Uni表示某一特定频段的等效输入噪声，Un、In随工作频率而变化，总Uni应在被考虑的频段上进行积分。 场效应管和运算放大器的噪声一般用Un、In参数的形式给出，某些双极型晶体管的噪声特性也用Un、In参数取代噪声系数而给予描述。 * 生物医学电子学 噪声系数的概念是在上世纪四十年代计算真空管内噪声的方法上发展起来的，尽管它有一定局限性，但为了比较放大器的噪声性能，仍然经常使用。 1、噪声系数F的定义 （二）噪声系数 上式分子、分母同除以放大器的功率增益（Ap=So/Si） * 生物医学电子学 噪声系数还可以用信噪比表示 Si/Ni、So/No表示输入、输出信噪比，Ni 为源电阻的热噪声功率，So/ Si=Ap表示放大器的功率增益。 用分贝表示，噪声系数的对数形式NF为 噪声系数是放大器引起的信号质量(信噪比)恶化程度的量度。理想状态，放大器在源热噪声的基础上不再增加噪声，即放大器本身无噪声，这时F＝1或NF＝0。实际上总是 NF＞0dB，低噪声设计的目的是使NF值尽可能小。 NF＝10lgF * 生物医学电子学 例1 某晶体管巳知NF＞6dB，求输出信噪比将比输入信噪比减少多少？ 解 即输出信噪比为小于输入信噪比的1／4。 例题 * 生物医学电子学 例2 某放大器噪声系数为6dB，最大输入噪声电压U2N　=100（μV）2，若要求输出信噪比Ｓo/Ｎo=10， 则此放大器的输入信号电压最小是多少? 解 由NF＝6dB 得 F = 4 输入信噪比为 Si/Ni = 4×10＝40 输入噪声电压 Ni = U2N　=100（μV）2 所以输入信号电压 Si = 100 ×40 =