第二章信号测量的基本条件-5讲解.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 Biomedical Electronics 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 * 生物医学电子学 生物医学信号测试系统中，各种器件(如电极、二极管、晶体管、运放及电阻等)都会产生噪声。 它们对于信号噪声比或测量精度的影响与它们在系统中的位置(或功能)有关系。 一般前置级的有源器件和无源器件的噪声与提取的信号一同放大，获得最大的放大倍数，相对而言，比信号传输过程中器件的噪声造成的危害严重。在放大器前置级设计中，器件的选择应格外予以注意。 2.2.4 器件的噪声 * 生物医学电子学 (一)电阻的噪声 电阻中都存在热噪声。电路中的电阻元件R，可等效成一个无噪声电阻R和一个噪声电压源 相串联，或无噪声电阻R和噪声电流源 相并联。 2.2.4 器件的噪声 * 生物医学电子学 等效方法很方便地简化任何复杂电阻网络的噪声。各个电阻的噪声源是互不相关的，所以电阻网络的总噪声电压均方根值应等于各个电阻的噪声电压均方根值之和。 串联电阻网络用噪声电压源等效电路比较方便； 并联电阻网络用噪声电流源等放电路比较方便。 * 生物医学电子学 1、在温度相同的情况下，串联电阻(R1、R2、…Rn)网络的总噪声电压等于电阻值为 的电阻所产生的噪声电压，如图所示 。 2、温度相同的电阻并联时，其噪声电压等于总并联电阻产生的噪声电压，如图所示。 结论： * 生物医学电子学 3、有的电阻除热噪声外还存在较大的1／f 噪声，其均方根噪声电压随频率下降而增加，1／f 噪声在电流流过不连续导体时表现明显。 合成碳质电阻是碳粒同粘合剂的混合物压制而成，由于导电率的不均匀而产生电流脉冲，形成1／f 噪声。 合成碳质电阻器1／f 噪声最大，金属膜、线绕电阻1／f 噪声较小。 * 生物医学电子学 电容器实际存在介质损耗，即电容器的漏电，相当于理想电容器两端并联一个电阻Rp，所以构成电容器阻抗的实部分量，成为电容器的热噪声源。 电容器在工作时还存在1／f 噪声，远比热噪声的影响大，在生物电信号提取的低频放大器中，电容器的阻抗不能有效地旁路电容器本身的噪声。 作为耦合电容，低频电路中的大容量电容，其噪声的危害是比较突出的。 (二)电容器的噪声 * 生物医学电子学 漏电小的电容器Rp很大，δ值小，旁路噪声的能力强。一般电容器的δ为10-2-10-3数量级； 云母和瓷片电容器的δ可达10-14数量级； 铝电解电容器漏电大，受温度影响大，准确度低； 钽电解电容性能稳定，寿命长，准确度高，生物电信号提取电路的大容量电容应选择钽电解电容。 电容器的质量通常用损耗角δ表示 * 生物医学电子学 用作输入耦合、隔离、阻抗匹配的变压器，其噪声性能至关重要。在外磁场作用下，变压器的磁性材料磁化的不连续性，呈现出磁起伏噪声，并且变压器可能把外界干扰耦合到电路里来。所以，除了提高变压器本身的工艺质量外，外加良好的磁屏蔽是很重要的。 (三) 耦合变压器的噪声效应 * 生物医学电子学 场效应管的噪声来源基本有三种 1．沟道热噪声 由场效应管沟道中多数载流子的随机热运动所导致，与沟道电阻有关。用与沟道并联的噪声电流源表示为 (四)场效应管的噪声 式中gm为场效应管的跨导，系数2/3为一近似值。跨导越大，使沟道中多数载流子数目愈多，噪声电流变大，此式在饱和区和非饱和区都适用。 沟道热噪声等效为噪声电压源，有 * 生物医学电子学 由栅极泄漏电流或耗尽层电子、空穴的运动等各种因素所造成。等效为散粒噪声电流源为 2. 栅极散粒噪声 由沟道热噪声和栅极散粒噪声计算公式可见，它们都具 有常数谱密度特点，都属于白噪声。 式中q为电子电荷，IG为栅极漏电流。 * 生物医学电子学 低频段(如100Hz以下)，场效应管的1／f 噪声将成为主要危害。由空间电荷层内电荷的产生与复合造成沟道电流的波动而产生噪声，其谱密度遵守1／f 规律 3．1／f 噪声 式中K1为实验常数（10-15~10-12） 在场效应管的栅极存在栅极散粒噪声；沟道存在沟道热噪声和1／f 噪声。因为沟道热噪声和1／f 噪声直接调制了沟道电流的变化，故可认为它们发生在漏极。 * 生物医学电子学 将三种噪声源分别在栅极和漏极上标出，并认为它们是互不相关的，则得到场效应管的噪声等效电路。 图中Ins为信号源电阻噪声，I