[工学]chap2-3噪声系数与Un、In关系.ppt

第二节：测试系统的噪声 噪声:测试系统内部由器件、材料、部件的物理因素产生的自然扰动（电压或电流） 噪声的一些基本特性： 噪声是电路内固有的，不能用接地或屏蔽等方式消除 内部噪声成为测量精度的限制性因素 各种生物电放大器输入端短路噪声限制了放大器能够检测的最小生物电信号 一、噪声的一般性质 噪声电压或噪声电流是随机的，噪声的随机过程不可能用一个确定的时间函数来描述，不能准确地预测未来某时刻的噪声电压的幅度或波形。但是它服从于一定的统计规律，能通过表示噪声过程的概率密度P（u)而得知噪声电压落在某一范围内的概率。 随机噪声为一平稳随机过程，概率密度与时间t无关，在生物医学电子学中，最常遇到的噪声源一热噪声和散粒噪声，其噪声电压u(t)（或噪声电流）的概率密度服高斯（正态）分布。 噪声大小是用噪声电压（电流）的均方根值表示，而噪声波形并不是正弦波，是由大量尖脉冲组成，噪声电压均方根值是峰值的0.798倍。 噪声服从一定的统计规律，无法用频谱描述，而用功率谱表示它的频域特性。噪声电压（或噪声电流）的均方值是它在一欧姆电阻上产生的平均功率。此功率是各频率分量功率之和 S（f)为功率谱密度，它表示单位频带内噪声功率随频率的变化。噪声功率谱密度曲线所覆盖的面积在数值上等于噪声的总功率。 如果在很宽的频率范围内，噪声具有恒定的功率谱密度，即S(f)为一常数，那么这种噪声称为白噪声，如图中a段所示。如果噪声的功率谱密度不是常数，则称之为有色噪声，图中b段为低频（1/f)噪声，它的谱密度随频率减小而上升，称之为粉红色噪声、图中c段的噪声谱密度随频率升高而增加，称之为蓝噪声。 噪声的基本特性可以用统计平均量来描述，均方值表示噪声的强度，概率密度表示噪声在幅度域里的分布密度，功率谱密度表示噪声在频域里的特性。 两种噪声作用于系统时，设噪声电压均方值分别为U12和U22,总噪声均方电压U2 为 二、生物医学测量系统中的主要噪声类型 (一）1/f噪声（低频噪声）(Low Frequency Noise) 定义及特性：1／f噪声功率谱密度服从1／f?规律，f为频率，?是取值范围为0.8-1.3的常数，通常取?＝1。这种噪声，其噪声电压随频率的降低而增加。 由f1--f2带宽内噪声的平均功率得到相应此频段内噪声电压均方值为 产生机理： 凡两种材料之间不完全接触，形成起伏的导电率便产生1/f噪声。它发生在两个导体连接的地方，如开关、继电器或晶体管、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等。各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中的缺陷等，是1/f 噪声的主要成因。 特点： 集成运算放大器件，由于设计上的限制，1/f噪声常常远高于分立元件。不仅晶体管、运放器件和电阻中存在1/f噪声，而且在热敏电阻、光源中也有。 减小低频噪声措施 1、在噪声性能要求高的放大器中尽量使用分立元件 2、尽量使用金属膜电阻而不使用碳膜、水泥等有不连续介质的电阻 (二)热噪声(Heat Noise) 热噪声是由导体中载流子的随机热运动引起的。任何处于绝对零度以上的导体中，电子都在作随机热运动。 电阻R中的热噪声电压均方值Ut2为 其中k为波尔兹曼常数：1.38×10-23J／K；T为绝对温度（K）；?f为测量系统的频带宽度(Hz）。 热噪声的谱密度S(f)为 S(f)=4kTR 可见热噪声的谱密度与工作频率f无关，属于白噪声。 热噪声特性： 热噪声电压均方值与绝对温度T成正比，温度越高，导体内自由电子的热运动越激烈，噪声电压就越高，温度降低，可以消弱热噪声。热噪声电压还与工作频带成正比，与电阻阻值成正比。 减小热噪声的措施 1、在微弱信号检测的低噪声电子设备中，常利用超低温技术来减小噪声。 2、在保证信号不失真传递的条件下，应尽量减小系统的频带。 3、提取信号的传感器电阻应尽可能小，避免增加额外的串联电阻。 （三）散粒噪声（Shot Noise） 在半导体器件中，载流子产生与消失的随机性，使得流动着的载流子数目发生波动，时多时少，由此而引起电流瞬时涨落称为散粒噪声。散粒噪声电流的均方值为 其中q为电子电荷,q=1.59×10-19C；IDC为器件的平均直流电流（A）；?f为测量系统的频带宽度。 散粒噪声特性： 散粒噪声属于白噪声，其谱密度为2qIDC。散粒噪声与流过半导体PN结位垒的电流有关，所以三极管、二极管中，都存在散粒噪声的电流噪声机构。在简单的导体中没有位垒，因此没有散粒噪声。 第三节：描述放大器噪声性能的参数 解决如何定量评价一个放大器 噪声性能的