微弱信号检测课件2(高晋占---清华大学出版)

第二章放大器的噪声源和噪声特性噪声源内部固有噪声外部干扰噪声电场干扰噪声磁场干扰噪声电磁辐射噪声地电位差噪声公共阻抗耦合噪声热噪声散弹噪声1/f噪声爆烈噪声本章内容•2.1电子系统内部固有噪声源•2．2放大器的噪声系数•2．3放大器噪声性能分析•2．4BJT的噪声特性•2.5场效应管（FET）的噪声特性•2．6运算放大器的噪声特性•2．7低噪声放大器设计2.1电子系统内部固有噪声源2.1.1电阻的热噪声124kTRfStfStHzV2;1038.123KJk1.起因：电阻中电子的随机热运动，又称为Johnson噪声。2．功率谱密度函数式中：-热噪声的功率谱密度函数，k-玻尔兹曼（Boltzman）常数,T-电阻的绝对温度，K；3．幅度分布：零均值高斯分布。BBttkTRBkTRdfdffSP2V44VkTRBPEtt4VkTRBEt410102901038.144214523k10求4．热噪声的等效功率式中：B—系统的等效噪声带宽（Hz）；5．热噪声电压有效值(rms值)例：温度为17°C，在带宽为100kHz的放大电路中，的电阻两端所呈现的开路热噪声电压有效值。tP6．电阻等效电路例：试证明温度相同的两个电阻和相串联所产生的等效热噪声有效值214RRkTBEt串1R2R212221212221221222ttttttttttteeEeEeEeeeeEeeEE串21212221222122121444,02RRkTBkTBRkTBREEeEeEEeeEeettttttttt串得互不相关，和214RRkTBEt串21RRR21ttee和解：叠加后的功率为两边开方得等效输出电阻为fRCjfefefHtt2110220214fCRTRfSfHfSttCkTdffCRkTRdffSteEPttt0200200214CkTEto7．阻容并联电路的热噪声热噪声电压有效值dcshqIfS2BqIdfqIPdcBdcsh22shPqdcI2.1.2散弹噪声1．起因：P-N结载流子的随机发射与随机扩散；空穴电子对的随机产生与组合。2．功率谱密度函数式中：电子电荷；流过PN结的平均直流电流。3．散弹噪声电流的功率qIdcBIsh2shIdcIshI4．散弹噪声电流的有效值（均方根值）为上式表明，单位带宽方根的只是的函数。5．的幅度分布：高斯分布2.1.31/f噪声HzAfIKfSdc22ffdcIfK1．起因：两种导体接触点电导的随机涨落，因此又称接触噪声。fNIafSdcH2f，令NaKHfHaN。33109~101Ha2．早期的1/f噪声模型功率谱密度函数式中：流过样品的直流电流平均值,A；取决于接触面材料类型和几何形状的系数。3．迁移率涨落模型式中：样品中的载流子总数；无量纲的Hooge系数,上式就退化为早期模型。4．幅度分布：高斯分布2.1.4爆烈噪声（BurstNoise）1．起因：半导体材料中的杂质（通常是金属杂质）随机发射或俘获载流子。2．爆烈噪声脉冲的宽度：1ms~0.1s量级。3．脉冲的幅度：约为4．出现的几率：每秒几百个到几分钟一个。量级。AA001.0~01.0201ffIKfSbBB5．功率谱密度式中：直流电流；取决于半导体材料中杂质情况的常数；转折频率，当功率谱密度曲线趋于平坦6．特点：电流型噪声，在高阻电路中影响更大。通过改善半导体制作工艺，减少杂质数量，爆烈噪声可得以改善。bIBK0f时，0ff2．2放大器的噪声系数2ni2sinisiPPVVSNRi输入噪声功率输入信号功率2no2sonoso0VVPPSNR输出噪声功率输出信号功率nosonisi0PPPPSNRSNRFi2.2.1噪声系数(NoiseFactor)和噪声因数(NoiseFigure)1．输入端信噪比2．输出端信噪比3．放大器的噪声系数F（1）表示信噪比恶化程度niPnonisisononosonisiPKPPPPPPPPPFsisoPPKPnoPniPPKgFNF110dB（2）输出端噪声总功率和输入端噪声功率在输出端的比值式中：放大器的功率增益；输出噪声总功率；放大器无噪声时的输出噪声功率。4．噪声因数NF（NoiseFigure）：5．噪声系数特点：随放大器的偏置电流、工作频率、温度及信号源内阻而变化。ni0sinisisonoPSNRPPPPPFni0siPSNRFPni0siiPSNRFPEV566.040iSNRFBkTREs6．放大器可检测的最小信号例：放大器的输入噪声只有源电阻的热噪声，温度为17°C，放大器等效噪声带宽为噪声系数F=2，要求试求系统可检测的最小信号。k1sR，kHz1B,100SNRiE解：2.2.2级联放大器的噪声系数121213121111MMKKKFKKFKFFF1K1F弗里斯公式[Friis]:注意：各级噪声系数对总噪声系数的影响是不同的，越是前级影响越大。如果足够大，系统总的噪声系数F主要取决于第一级的噪声系数。718.111BACABAKKFKFFF900.111CABACAKKFKFFFdB10AKdB12BKdB20CK倍。倍，倍，100849.1510CBAKKK6.1AF0.2BF0.4CF放大器功率增益ABC1F噪声系数例：用三个放大器串级联接来放大微小信号，其功率增益和噪声系数如下表：如何联接才能使总的噪声系数最小？解：三个放大器中F最小的放大器A应该用作第一级。两种联接排列：(a)A、B、C或(b)A、C、B增益换算为倍数：（a）A、B、C排列（b）A、C、B排列2.3放大器噪声性能分析HzAHzV22nni22nnvfIfSfEfS2.3.1放大器的噪声模型HzAHzVnniNnnvNfIfSifEfSe1.功率谱密度2.平方根谱密度2.3.2放大器噪声性能分析222222224snnssnntniRIEfKTRRIEVE？和nnIE1．放大器的等效输入噪声输入电路的总噪声功率：思考：如何测量确定放大器的等效输入噪声功率与信号源内阻的关系222222224snnssnntniRIEfKTRRIEVEsRfKTRRIEfKTRRIEfKTRPEKPPFssnnssnnsninipnino41442222222ssNNKTRRieF41222sosRRF得最佳源电阻令,0NNnnsoieIERsR2．放大器的噪声系数与最佳源电阻上式表明，当信号源电阻趋向于零或趋向于无穷大时，噪声系数F都会趋向于无穷大。代入，得将nnsoIERkTieFfkTIEFNNnn2121minminminFminFRFso和、3．噪声系数最小值放大器中的所有晶体管的噪声特性都会随工作频率的不同而变化，所以放大器的都是频率的函数。，约为k500sRkHz104．噪声因数等值图（NF图）最佳工作点：最佳源电阻最佳工作频率约为2．4BJT的噪声特性，bbbkTrfS4BibqIfS2bbber产生的热噪声电压基极电阻,1b2iIB的散弹噪声基极电流2.4.1双极型晶体管的噪声特性1．双极型晶体管的内部噪声源cC3iI的散弹噪声集电极电流CC2qIfSf14if噪声fIKfIqffSBBFLf2转折频率工作频率；的常数；接近于和流过基极的直流电流；Lb1ffI式中：2．双极型晶体管的噪声等效电路（1）等效电路的化简等效为一个输入电压源和一个输入电流源2121bBF224frIKgqIkTremCbbN21BFBN2ffIKqIiBN212CN224qIigqIkTrembbf1当频率足够高时,忽略噪声CICI（2）等效输入电压噪声随变化曲线（3）等效输入电流噪声随变化曲线变化曲线随最小噪声系数Cmin4IF（5）最佳源电阻随变化曲线soRCIcbC2.4.2BJT的噪声因数频率分布频率分布曲线：1）低频段：噪声使得频率越低，噪声功率谱密度越大；2）高频段：的反馈作用加强，下降，分配噪声加强；3）中频段：白噪声（热噪声和散弹噪声）。f1变化的典型曲线和随和的中频段CNNBJTIfie2.5场效应管（FET）的噪声特性dmtKkTgfS4，在场效应管的线性区场效应管的跨导；1ddmKKg67.0dK在饱和区ti1．场效应管的内部噪声源（1）沟道的热噪声：起因于电阻性导电沟道中载流子的热运动功率谱密度式中：fIKfSDFfGgqIfS2GIqfSgf13if噪声gi的常数。取决于制作材料和工艺；漏极电流；FKI2~1D（2）栅极的散弹噪声：在JFET中有PN结存在，产生散弹噪声功率谱密度式中：电子电荷，C；流过栅源之间PN结的反向电流；很小，一般可以忽略。功率谱密度式中：（4）栅极感应噪声:ngi14KkTgfSisnggsCgmTMOSFET，截止频率对214TmngKkTgS1KisgtgsiC,通过电容的高频分量耦合到栅极输入电路功率谱密度式中:和栅源电压、漏源电压有关的系数；共源极输入电导2．场效应管的噪声等效电路4种噪声源中,起主要作用的是沟道热噪声电流和栅极感应噪声。tingi等效为一个输入电压源和一个输入电流源21122212F424mgsGNmDmdNgKCkTqIifgIKgkTKe变化曲线：随工作频率和fieNN3．结型场效应管的噪声因数频率分布BJTtingiBJT1噪声fgsRgsC（1）沟道热噪声电流（2）栅极感应噪声（3）。前置放大器一般都选择高跨导、高输入电阻、栅源电容小的结型场效应管。2．6运算放大器的噪声特性nniene1．运放的内部噪声源晶体管PN结的散弹噪声；电阻的热噪声；不同金属接触的1/f噪声。2．运放的噪声模型表示等效输入噪声电压，表示等效输入噪声电流。ni上图常用;有的IC厂家使用两个电压源和两个电流源，也有一些IC厂家使用一个电压源和一个电流源。的功率谱密度分布和nnie.3很类似。噪声的功率谱密度分布与和BJTfSfSie4．运算放大器的噪声性能计算BABAffinffendffSIdffSE22ABceABNffceNNnfffffedfffeeEBAln2222ABciABNffciNNNfffffidfffiiIBAln2222,,022AnnIEf时，则当HzfA01.0等效噪声源的归一化功率：使用时注意：公式无效。所以一般取。几种常用运算放大器的噪声指标：型号202000.552000PM15612500.01100OP-0710100.150OP-27/3732.70.4140OPA10181000.002―HA90971000.22000LT1012142.50.006120NE5534A41000.4200MAX4102.4901.2220HznVNeHzfceHzpANiHzcif741AHz2000HzpA55.0HznV20ciNfieN，，例：图示差动放大电路的带宽为0.01~100Hz