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放大电路及其噪声

从光电检测器出来的电信号是很微弱的，必须要得到放大。尽管放大器的增益可以

做得足够大，但在弱信号被放大的同时，噪声也被放大了，当接收信号太弱时，必定会被噪

声所掩没。为了改善光接收机的噪声特性，在放大过程中必须要尽可能地少引入噪声。为此，

采用前置放大和主放大这种两级放大的方式。

放大器内部的噪声主要来源于器件内部的电阻和有源器件。所以，放大器的噪声与

电阻结构和所用的有源器件有关。不管前置放大器的具体结构如何，从低噪声角度出发，第

一级采用共射极(或共源极)则是公认的。有源器件有晶体三极管(Bi-junctionTransistor，BJT)

或场效应管(FieldEffectTransistor，FET)两类。

放大器的输出噪声主要由前置级所决定，这是因为对于一个多级放大器，在输入信

号被各级放大的同时，放大器输入端的噪声也以同样的倍数被放大。尽管放大器各级中任何

电阻或晶体管部会引人附加噪声，但只要放大器第一级的增益很大，以后各级引入的噪声就

可以忽略。因此，我们只分析前置放大器的噪声，在分析中把所有的噪声源都等效到输入端。

对放大器的噪声进行控制和优化，关键在于前置放大器。

放大器输入端的噪声源

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放大器的噪声包括电阻的热噪声及有源器件（双极晶体管和场效应管）的散粒噪声。

无论是热噪声还是散粒噪声，都是由无限多个统计独立的不规则电子的运动所产生，

它们的总和服从概率论中的“中心极限定理”的条件，因而统计特性是服从正态分布的。放大

器噪声的概率密度函数可以表示为高斯函数

此概率密度函数由统计平均值m和均方差唯一确定。对随机噪声，当m=0时，上式

可写成：

均值为零的高斯噪声的方差实际就代表噪声电压（或噪声电

流）的平方的平均值，也是1电阻上的噪声功率。对于概率密度为高斯函数的各个随机噪

声源，它们之和的概率密度仍是高斯函数，而且总噪声的方差等于各个噪声源的方差之和。

在计算放大器的噪声时，先分别分析各个噪声源的方差，并且认为这些噪声源都是

具有均匀、连续功率谱密度的白噪声，通过各个噪声源的功率谱密度求出放大器输出的总噪

声。

1、输入端的等效电路及噪声源

光接收机的等效电路图中检测器等效为电流源ib(t),i表示它的散粒噪声，C

是它的结电容。R和C分别是偏置电阻和偏置电路的杂散电容，Ra和Ca分别是放大器的

输入电阻和输入电容。

带有热噪声的电阻可以有两种等效方式：一种是等效为一个无噪声的电阻和一个噪声

电流源并联（图（b）中就是这样等效的），在这种等效下，并联电流噪声源的功率谱密度

为

式中：J/K，是玻耳兹曼常数；K是绝对温度。上式表示，电阻的热噪声随温

度的升高而加大。

另一种等效方式是：把带有噪声的电阻等效为一个理想的电阻和一个噪声电压

源串联，电压噪声源的双边功率谱密度为

放大器的有源器件（双极晶体管或场效应管）也会引进噪声。将第一级有源器件的各

种噪声源都等效到输入端（具体内容下面分析），大体可分为两种情况，一种等效为输入端

并联的电流噪声

源，另一种为输入端串联的电压噪声源。

2、放大器的输出噪声电压的计算

式中：；；是放大器、均衡滤波器的传递函数，它表示输入电流与输出电压之间的

传递关系，实为转移阻抗。因此，在上式的计算中，输入端的串联电压噪声源首先要乘以输

入导纳的绝对值的平方，转换成电流源，然后再乘以功率增益因子。从式可以看出：①

偏置电阻越大，电阻的热噪声越小；②输人电阻越大、输入电容越小，串联电压噪声源对总

噪声的影响越小。

场效应管和双极晶体管的噪声源

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1、场效应管的噪声源

场效应管是电压控制器件，它的最大特点是输入阻抗很高，栅