光电信号处理光电信号处理第二章第二章 低噪声前置放大器低噪声前置放大器（2）2.6 多级放大器的噪声系数多级放大器的噪声系数NF1,2,n 单级放大器噪声系数单级放大器噪声系数单级放大器噪声系数单级放大器噪声系数NFNF Pni为输入端噪声功率，即源的噪声功率为输入端噪声功率，即源的噪声功率Pn为放大器内部噪声在输出端的体现为放大器内部噪声在输出端的体现Pno为输出端总的噪声功率为输出端总的噪声功率Ap为放大器的功率增益为放大器的功率增益根据噪声系数根据噪声系数NF的定义，有：的定义，有：研究多级放大器的噪声系数 ：lPni为第一级输入端的输入噪声功率，也是整个系统的输入噪声功率。lPn1、Pn2、Pn3分别为各级所产生的噪声功率，在各级输出端的体现。lAp1、Ap2、Ap3分别为各级的功率增益。Pni 多级放大器的噪声系数AP1Pn1NF1AP2Pn2NF2AP3Pn3NF3Pn0NF1, 2, 3由 得：每个放大器单独和源噪声Pni相连接时，得到：l三级放大器级联成为一个放大系统， 此系统的噪声系数:lPn为三级级联放大器内部噪声功率在输出端的体现: 即： lAp为三级放大器的总的功率增益： 所以：对于n级级联放大器，可以得出其噪声系数为： 这就是多级放大器的噪声系数理论的Friis公式 这个公式可以看出：l多级放大器噪声系数的大小，主要取决于第一级放大器的噪声系数；l为了使多级放大器的噪声系数减小 应尽量减小第一级的噪声系数， 提高第一级的功率放大倍数Ap1， 设计低噪声前放的又一个重要原则设计低噪声前放的又一个重要原则。 例：将三个放大器例：将三个放大器A、B、C串联来放大微弱串联来放大微弱信号，其功率增益和噪声系数如下表：信号，其功率增益和噪声系数如下表：放大器放大器功率增益功率增益噪声系数噪声系数A101.5B152.5C1004如何连接三个放大器使得噪声系数最小？如何连接三个放大器使得噪声系数最小？根据弗里斯公式，第一级应选NF最小的放大器，因此，放大器A应作为第一级。两种排列方式：A、B、C 和 A、C、B分别计算：排列方式：A、B、C时： 排列方式：A、 C 、 B时： 最关键的是第一级最关键的是第一级从光电探测器获取信号，除了要有必要的偏置电路外，还必须有耦合网络才能将探测器输出的信号送到后续的低噪声前放进行放大。 下面介绍耦合网络的类型，以及耦合网络的低噪声设计的原则。 2.7 耦合网络的低噪声设计原则耦合网络的低噪声设计原则 光 电探测器偏置电路前 置放大器耦合网络如图：lZs表示探测器和偏置电路形成的等效阻抗，lVs表示由探测器得到的信号电压，l光电探测器及其偏置电路就可以看出一个内阻为Zs、电动势为Vs的信号源。 ZsVs探测器及其偏置电探测器及其偏置电路的等效电路路的等效电路信号源与前置放大器耦合的方式，有下列五种形式。 p表示并联，s表示串联（1）并联型： （5 5）串并串型：）串并串型： 设 从降低噪声提高输出端信噪比的角度来考虑，理论分析和实验均证明，为了尽量减少耦合网络带来的噪声，必须满足下列条件： （1）对于耦合网络中的串联阻抗元件（2）对于耦合网络中的并联阻抗元件 En、In为前置放大器的EnIn模型中En、In参量。 （3）为了减小电阻元件的过剩噪声（1/ 噪声），必须尽量减小流过电阻的电流，或降低电阻两端的直流压降。每一个元件都是一个噪声源，对系统的输出噪声都有贡献， 因此，为了减小输出端的噪声，提高信噪比，应尽量采用简单的耦合方式， 在可能的情况下，应采用直接耦合方式，从而消除耦合网络所带来的噪声。在迫不得已要采用耦合网络时，注意遵循上述原则。 2.8 低噪声前置放大器的选用低噪声前置放大器的选用 在光电系统中，探测器后面的是耦合网络和前置放大器； 为了将探测器输出的微弱信号放大，必须合理地设计或选用低噪声前置放大器，以保证放大器的输入端和输出端有足够大的信噪比。 首先介绍低噪声前置放大器的选用方法 。 1根据根据Eni和和Vsi来选用来选用低噪声前置放大器低噪声前置放大器 噪声系数NF是用来描述放大器（或一个器件）噪声性能的参数，l如果一个放大器是理想的无噪声的放大器，那么，它的噪声系数NF=1，而NF=10 lg NF=0（dB），l一个实际的质量好的低噪声前置放大器其NF值可以做到，甚至更低。 生产厂商在出售低噪声前置放大器时，都附有相关的技术资料，包括提供各种测试条件下的NF值。根据NF值来计算低噪声前放的等效输入噪声Eni， 采用分贝表示的噪声系数： 此式表明：如果已知前放的NF值、信号源的源电阻Rs及带宽f，则放大器的等效输入噪声Eni即可求出。 若已知放大器等效输入噪声Eni的大小，将Eni和放大器输入端的信号Vs进行比较，就可判定这个放大器是否符合要求； 一般是根据系统（一般是根据系统（Vs/Eni）的比值的要求来选）的比值的要求来选定放大器的定放大器的NF值。值。注意：NF值和Eni的大小都是和源电阻及带宽f 密切相关的。 其中带宽f是由系统的需要所确定的，并且是由系统中的某一部件，例如带通滤波器或者前放本身所决定的。 Rs放大器1 NF=20dB放大器2 NF=3dBRs=100f =100HZ130nV18nVRs=100f =1HZ13nV1.8nV例：有两个标号分别为1号、2号的前置放大器， 它们的有关数据经计算列于下表（室温下）： Eni如果被测信号大小为Vsi=1V， f =100Hz，Rs=100， 且系统要求：l如果选用1号放大器则： 不合要求；l如果选用2号放大器，则： 符合要求。 故在信号源内阻Rs=100，系统带宽f =100Hz，且要求Vsi/Eni10的条件下，应该选择2号放大器。 若其它条件不变，采取压缩带宽的措施， 使 f =1Hz， 计算可以知道，1号放大器也可以适用。 故压缩带宽对克服噪声是非常有利的， 但是压缩带宽在某些情况下可能损失信息量， 所以压缩带宽有时要付出一定的代价。2NF图的应用图的应用NF的表达式如下：的表达式如下： 选选定定不不同同的的R Rs s和和f ，由由实实验验可可以以测测出出E Enini，就可以得到一系列的就可以得到一系列的N NF F值。值。 采用噪声发生器法，或正弦波法，采用噪声发生器法，或正弦波法， 测出不同测出不同R Rs s和和 f 0 0条件下的一系列条件下的一系列N NF F值。值。在在坐坐标标系系中中，以以 f 0 0为为横横坐坐标标，R Rs s为为纵纵坐坐标标，且且均均以以对对数数为为标标度度。将将所所以以N NF F值值相相等等的的点点连连接接起起来来，就就得得到一幅到一幅N NF F等值图，称为放大器的噪声因子图或等值图，称为放大器的噪声因子图或N NF F图。图。不不同同的的放放大大器器有有不不同同的的N NF F图图，放放大大器器一一经经制制成成，N NF F图图的结果就是唯一的，的结果就是唯一的，生生产产厂厂家家一一般般都都向向用用户户提提供供低低噪噪声声前前置置放放大大器器的的N NF F图图，它充分反映了该放大器的噪声特性。它充分反映了该放大器的噪声特性。 如图是美国如图是美国如图是美国如图是美国PARCPARCPARCPARC公司公司公司公司113113113113型低噪声前放的等值图：型低噪声前放的等值图：型低噪声前放的等值图：型低噪声前放的等值图：利用利用NF图，我们可以做到如下几点：图，我们可以做到如下几点：（1）从从NF图中，可以选择图中，可以选择NF最小的最小的Rs和和f0的范围。的范围。如如113型型低低噪噪声声前前放放NF等等值值线线f0的的范范围围在在几几个个Hz到到几几KHz，而，而Rs的范围从几百的范围从几百K到十兆到十兆（10M）（2）在实际的微弱信号检测中，不同的检测对象可根在实际的微弱信号检测中，不同的检测对象可根据据NF图选择最适用的前放。图选择最适用的前放。 由于测量和放大的对象不同，源电阻由于测量和放大的对象不同，源电阻Rs的差异是很大的。的差异是很大的。 例如，光电信增管（例如，光电信增管（PMT）为高阻）为高阻Rs，热电偶的，热电偶的Rs却很低。却很低。同样，工作频率的选择也不一致。同样，工作频率的选择也不一致。 如声学或生物医学的使用常在低频范围，而某些电检测又常如声学或生物医学的使用常在低频范围，而某些电检测又常常避开常避开1/f 噪声，需选择中频区，噪声，需选择中频区，NF图为我们正确选择前放提图为我们正确选择前放提供了依据。供了依据。（3）利利用用NF图图还还可可以以计计算算出出最最小小可可检检测测信信号号MDS的的大大小小，MDS的的定定义义为为折折合合到到放放大大器器输输入端的入端的Eni。由公式：由公式：可可以以由由等等值值图图中中最最小小的的NF值值即即能能计计算算出出低低噪噪声声前前放放在在一一定条件下的最小的定条件下的最小的Eni，这就是，这就是MDS。在科研和开发中，选购低噪声前放时，应注意在科研和开发中，选购低噪声前放时，应注意利用利用NF图及有关技术参数。图及有关技术参数。 其它参数还有如输入、输出阻抗、增益、带宽、其它参数还有如输入、输出阻抗、增益、带宽、NF最最小点，增益稳定度等。小点，增益稳定度等。2.9 噪声参数的测量噪声参数的测量 1.噪声参数测量的必要性噪声参数测量的必要性有些器件来说，手册中可能并未给出详尽的噪声性能参数，有些器件来说，手册中可能并未给出详尽的噪声性能参数，即即使使给给出出了了，也也只只是是这这类类器器件件的的典典型型性性能能，而而器器件件应应用用可可能能与手册上给出的数据相差很多。与手册上给出的数据相差很多。对于要求较高的情况，应该对所用器件进行噪声测量。对于要求较高的情况，应该对所用器件进行噪声测量。在设计与制作了一个低噪声前放或买了一个低噪声前放，它在设计与制作了一个低噪声前放或买了一个低噪声前放，它的真正噪声性能如何，也必须通过测量才能证实。的真正噪声性能如何，也必须通过测量才能证实。 噪声测量是低噪声设计中必不可少的环节。噪声测量是低噪声设计中必不可少的环节。2.测量哪些参数测量哪些参数l描述放大器噪声的有关参数如输出噪声功描述放大器噪声的有关参数如输出噪声功率，等效输入噪声电压率，等效输入噪声电压Eni，噪声电压，噪声电压En、噪声电流噪声电流In、噪声系数、噪声系数NF(NF(NF ) )都是能够直接都是能够直接测量或间接测量的量。测量或间接测量的量。l即即 、 、En、In、 NF( NF(NF ) )都是可以直接都是可以直接或间接测量的噪声参数。或间接测量的噪声参数。3.噪声测量的特点噪声测量的特点l噪声测量与其它电量的测量方法最主要的不同之处是噪声测量与其它电量的测量方法最主要的不同之处是其电压太小，噪声电压往往只有其电压太小，噪声电压往往只有V或或nV数量级。数量级。 不能直接把一个高灵敏的电压表放在放大器输入端去不能直接把一个高灵敏的电压表放在放大器输入端去测量，测量， 一方面是因为噪声值太小，一方面是因为噪声值太小， 另一方面还因为噪声实际上分布在放大器的各个部分，另一方面还因为噪声实际上分布在放大器的各个部分，将其等效到输入端只是理论分析处理的结果。将其等效到输入端只是理论分析处理的结果。l因此噪声的测量都是在输出端测量。测出的总噪声是因此噪声的测量都是在输出端测量。测出的总噪声是系统内部各个噪声作用的综合结果。系统内部各个噪声作用的综合结果。4.等效输入噪声等效输入噪声Eni的测量的测量由由噪声参数的测量，都可归结到噪声参数的测量，都可归结到的测量。的测量。对对的测量，有两种方法：的测量，有两种方法：（1）正弦波法）正弦波法 根据等效输入噪声的意义，等效输入噪声就是将整个电路的噪根据等效输入噪声的意义，等效输入噪声就是将整个电路的噪声折算到信号源处的结果。声折算到信号源处的结果。 正弦波法的原理如图所示。正弦波法的原理如图所示。EniVsiZsiAviV0En0用正弦波法测用正弦波法测Eni可分为三步：可分为三步：A在输出端测量总输出噪声在输出端测量总输出噪声EnoB测量并计算从信号源到输出端的传输函数测量并计算从信号源到输出端的传输函数Avs（Kv），），C计算等效输入噪声计算等效输入噪声从以上三步可以看出：从以上三步可以看出：关键是第一步关键是第一步A，第二步，第二步B可用电子技术中的方法，可用电子技术中的方法，现在对现在对A、B分别进行详细说明。分别进行详细说明。仪表要求：仪表要求：测测量量总总的的输输出出噪噪声声Eno是是在在去去掉掉信信号号发发生生器器和和保保留留源源阻阻抗抗Zs的的情形下进行，然后在输出端用均方根值电压表测得情形下进行，然后在输出端用均方根值电压表测得Eno。测量噪声的电压表的要求：测量噪声的电压表的要求：一是要正确地响应电压的有效值。一是要正确地响应电压的有效值。 普通电压表是响应均值的，由于噪声均值为零，故无法响应。二是要有足够的带宽。二是要有足够的带宽。 有的仪表能正确地响应有效值，但由于带宽窄，将使噪声电有的仪表能正确地响应有效值，但由于带宽窄，将使噪声电压读数减小。一般要求仪表的带宽大于噪声带宽的压读数减小。一般要求仪表的带宽大于噪声带宽的10倍。倍。 即使是这样，噪声功率增益曲线的尾部也往往被仪表带宽所即使是这样，噪声功率增益曲线的尾部也往往被仪表带宽所限而不能通过，使得读数下降。限而不能通过，使得读数下降。 例如：仪表的带宽等于噪声带宽的例如：仪表的带宽等于噪声带宽的10倍时，则由带宽引起的倍时，则由带宽引起的测量误差为测量误差为-4.4%，即真实值为，即真实值为1时，仪表测量值为；时，仪表测量值为； 仪表带宽是噪声带宽的仪表带宽是噪声带宽的20倍时，误差为倍时，误差为-2.1%。测量从信号源到输出端的传输函数测量从信号源到输出端的传输函数Avs：l用用一一个个正正弦弦波波信信号号发发生生器器Us与与源源阻阻抗抗Zs串串联联，然然后后测测量量输输出出信号信号Vo。l注注意意的的是是输输入入信信号号电电压压Vs的的电电平平应应比比噪噪声声电电平平高高，同同时时在在测测量量时时要要保保证证放放大大器器不不会会处处于于饱饱和和状状态态。可可以以使使输输入入信信号号加加倍倍或或者者减减半半，如如果果输输出出信信号号也也加加倍倍或或者者减减半半，那那么么说说明明放放大大器器是未饱和的，也可以和理论计算相验证。是未饱和的，也可以和理论计算相验证。l等效输入噪声等效输入噪声Eni等于总输出噪声等于总输出噪声En0除以系统的传输函数除以系统的传输函数Avs即即：实际的测量框图：实际的测量框图：正弦信号发生器：正弦信号发生器：用来测量系统输出对源的放大倍数用来测量系统输出对源的放大倍数A Avsvs（即（即K Kv v）的信号）的信号源，输出正弦信号幅值应稳定。源，输出正弦信号幅值应稳定。交流电压表交流电压表 V V ： 用来测量信号发生器输出电压的大小，要求精度高，用来测量信号发生器输出电压的大小，要求精度高，频带宽，频带宽，低阻抗衰减器：低阻抗衰减器：有三个用途：有三个用途：l衰减信号发生器输出的信号提供给待测电路使其有衰减信号发生器输出的信号提供给待测电路使其有一个正常的动态范围。一个正常的动态范围。l提供一个低的输出阻抗，要求比提供一个低的输出阻抗，要求比R Rs s小很多，小很多，l能够与待测电路放在一起进行屏蔽，从而减小源端能够与待测电路放在一起进行屏蔽，从而减小源端的外界干扰。的外界干扰。模拟源电阻模拟源电阻Rs：其其大大小小应应等等于于待待测测电电路路在在实实际际应应用用时时所所接接探探测测器器的的内内阻的大小。阻的大小。模拟输出电阻模拟输出电阻R0：其其大大小小应应等等于于待待测测电电路路输输出出电电阻阻的的大大小小，它它的的用用途途是是测测出出低低噪噪声放大器及选频电路的噪声。声放大器及选频电路的噪声。低噪声前置放大器低噪声前置放大器：由由于于待待测测电电路路的的噪噪声声很很微微弱弱，一一般般为为nVV量量级级。因因此此用用普普通通仪仪表表测测量量有有困困难难，必必须须后后接接低低噪噪声声放放大大器器使使微微弱弱信信号号放放大大到到能能被后面的仪表所检测，故要求其噪声越低越好。被后面的仪表所检测，故要求其噪声越低越好。选选频频电电路路：是是一一个个带带宽宽比比被被测测电电路路及及低低噪噪声声放放大大器器都都窄窄的的带带通通滤波器，其带宽滤波器，其带宽f即为整个系统的带宽。即为整个系统的带宽。均方根指示计：均方根指示计：必必须须选选用用均均方方根根电电压压表表。这这种种电电压压表表的的工工作作原原理理和和普普通通的的整整流流式电压表的工作原理是不同的。式电压表的工作原理是不同的。其它噪声参数的间接获得。其它噪声参数的间接获得。l等效输入噪声的表达式，前面已经推出：等效输入噪声的表达式，前面已经推出：l分别测出放大器输出端的及放大器的分别测出放大器输出端的及放大器的K Kv v，即，即可算出可算出E Enini。 在在Rs=0的情况下，的情况下，在在Rs较大和已知，且较大和已知，且E En n2 2 已经求出的情况下已经求出的情况下: :即可求出即可求出:在测得在测得Eni2的情况下，即得到噪声系数的情况下，即得到噪声系数NF：在噪声测量中，关键是在噪声测量中，关键是Eni的测量，的测量，而而Eni的测量是通过的测量是通过Eno2和和Kv的测量得到的。的测量得到的。（2）噪声发生器法）噪声发生器法属于比较测量法，属于比较测量法，比较的基准是噪声发生器，因此测量的比较的基准是噪声发生器，因此测量的准确度决定于噪声发生器的精度和读数准确度决定于噪声发生器的精度和读数误差。误差。此外，还要求噪声发生器在测量带宽上此外，还要求噪声发生器在测量带宽上应具有均匀的噪声谱密度。应具有均匀的噪声谱密度。噪声生发器法的原理图。噪声生发器法的原理图。Eni为放大器的等效输入噪声，为放大器的等效输入噪声，Eng为噪声电压表发生器，为噪声电压表发生器，Rs为源电阻。为源电阻。被测放大器EnoRsEniEng为了测量为了测量Eni，在输出端进行两次噪声测量：，在输出端进行两次噪声测量：噪声发生器未接入时的总输出噪声噪声发生器未接入时的总输出噪声Eno1： Avs是系统的传输函数是系统的传输函数噪声发生器接入时的总输出噪声噪声发生器接入时的总输出噪声Eno2 ：由上两式可得由上两式可得 ：l实际上只要改变实际上只要改变Eng，使第二次接入，使第二次接入Eng后后的的En02和未接入和未接入Eng时的时的En01满足满足l上式表明，使输出噪声功率增大一倍所需的上式表明，使输出噪声功率增大一倍所需的噪声发生器电压就是放大器的等效输入噪声。噪声发生器电压就是放大器的等效输入噪声。故噪声发生器法又叫功率增倍法。故噪声发生器法又叫功率增倍法。（3）两种方法比较）两种方法比较l正弦波法与噪声发生器法各有所长。正弦波法与噪声发生器法各有所长。正弦波法的特点是所用设备一般实验室都具备，正弦波法的特点是所用设备一般实验室都具备，适合于低频和中频情形使用，缺点是测量和计适合于低频和中频情形使用，缺点是测量和计算次数较多。算次数较多。l噪声发生器的特点是操作简便易行，速度快。噪声发生器的特点是操作简便易行，速度快。故在宽带系统中或要求频繁测量时能充分发挥故在宽带系统中或要求频繁测量时能充分发挥其优势，适用的范围是高频和射频，其优势，适用的范围是高频和射频，但要求噪声发生器较精确定标。在测量带宽内但要求噪声发生器较精确定标。在测量带宽内要求为白噪声，因为存在要求为白噪声，因为存在1/f 噪声，在低频时噪声，在低频时难以满足。难以满足。2.10 元器件噪声分析元器件噪声分析 设计、研制低噪声前置放大器： 必须深入研究电子线路中各种元器件的噪声特性，以及它们相互配置后的共同结果。从而得出一些低噪声前置放大器设计的原则或规律。下面分析各种元器件的噪声特性。1晶体管的噪声分析晶体管的噪声分析2场效应管的噪声分析场效应管的噪声分析3集成放大电路的噪声分析集成放大电路的噪声分析4二极管的噪声二极管的噪声 5 5 电阻的噪声电阻的噪声6电容器的噪声电容器的噪声 7 7 电感电感的噪声的噪声 8 8 变压器的噪声变压器的噪声1晶体管的噪声分析（结论）晶体管的噪声分析（结论）噪声系数噪声系数晶体三极管的噪声系数晶体三极管的噪声系数低频：在低频时很大，低频：在低频时很大，中频：在中频时最小且与频率无关，中频：在中频时最小且与频率无关，高频：从中频段高端开始，噪声系数随频率升高频：从中频段高端开始，噪声系数随频率升高而逐渐增大，在高频时噪声系数可以高而逐渐增大，在高频时噪声系数可以达到比较大的值。达到比较大的值。1晶体管的噪声分析（结论）晶体管的噪声分析（结论）最佳源电阻最佳源电阻晶体三极管的最佳源电阻：晶体三极管的最佳源电阻：低频：比较低的（约低频：比较低的（约100左右）左右）中频：中频时要大一些（约几百中频：中频时要大一些（约几百），），高频：比较低的（约高频：比较低的（约100左右）左右）总的来说，如果不借助其它噪声匹配的方法，总的来说，如果不借助其它噪声匹配的方法， 晶体三极管只能用在阻抗不高的低噪声放大器上。晶体三极管只能用在阻抗不高的低噪声放大器上。1晶体管的噪声分析（结论）晶体管的噪声分析（结论） En-In的相关性的相关性低频：晶体三极管的低频：晶体三极管的En-In在很低频率时在很低频率时fL/103） 为完全相关，随频率升高相关性减弱；为完全相关，随频率升高相关性减弱；中频：在中频段成为弱相关，中频：在中频段成为弱相关，高频：从中频段高端开始相关性随频率变化逐渐高频：从中频段高端开始相关性随频率变化逐渐加强，在频率很高时成为完全相关。加强，在频率很高时成为完全相关。2场效应管的噪声分析场效应管的噪声分析由由于于场场效效应应管管构构造造上上的的特特点点，是是电电压压控控制制器器件件，因因此噪声低，此噪声低，场效应管的噪声系数场效应管的噪声系数NF值可低至值可低至0.51dB，而好的双极型三极管其噪声系数而好的双极型三极管其噪声系数NF值在之间。值在之间。在低噪声电子设计中，应优先考虑选用场效应管。在低噪声电子设计中，应优先考虑选用场效应管。但是场效应管不适合于高频运用，但是场效应管不适合于高频运用，场效应和晶体管的噪声比较场效应和晶体管的噪声比较: 场效应管的低频噪声系数比晶体三极管的低频噪场效应管的低频噪声系数比晶体三极管的低频噪声系数要小得多，中频时也要小一些，声系数要小得多，中频时也要小一些， 在高频段（在高频段（108Hz）部分两者的噪声系数有些相）部分两者的噪声系数有些相近。近。从最佳源电阻来说，场效应管比晶体三极从最佳源电阻来说，场效应管比晶体三极管要高得多，管要高得多， 场效应管是一种优良的低噪声器件，在低噪声电路中已被场效应管是一种优良的低噪声器件，在低噪声电路中已被广泛采用，集成电路的输入级，已广泛采用场效应管广泛采用，集成电路的输入级，已广泛采用场效应管3集成放大电路的噪声分析集成放大电路的噪声分析一一块块集集成成放放大大电电路路，至至少少含含有有几几十十个个电电路路元元件件，包包括括有有源源器器件件（晶晶体体管管和和场场效效应应管管）及及无无源源器器件件（电电阻阻和和电电容容）它它们们实实际际上上构构成成了了一一个个电电子子系系统统。又又称称之之为为片片上系统（上系统（SOC，systemonchip）。）。集集成成电电路路中中每每一一个个电电子子元元件件，都都是是一一个个噪噪声声源源，对对输输出端的噪声都有贡献。出端的噪声都有贡献。根根据据FriisFriis公公式式，集集成成放放大大电电路路的的噪噪声声主主要取决于第一级的噪声。要取决于第一级的噪声。 一般地，通用集成放大电路，第一级通常采用一般地，通用集成放大电路，第一级通常采用差动式放大电路，这是用来克服温漂的措施，差动式放大电路，这是用来克服温漂的措施，不适于低噪声前放使用。不适于低噪声前放使用。从理论上说必须采用单管工作方式，并且其负从理论上说必须采用单管工作方式，并且其负载或偏置电路必须采用电阻而不宜用有源器件载或偏置电路必须采用电阻而不宜用有源器件代替，否则会增加第一级的噪声代替，否则会增加第一级的噪声. . 但是有些低噪声集成运放，为了兼顾温漂指标，但是有些低噪声集成运放，为了兼顾温漂指标，亦采用差动式输入级，此时一般用场效应管作亦采用差动式输入级，此时一般用场效应管作为差动式输入级，因为场效应管的噪声系数在为差动式输入级，因为场效应管的噪声系数在中、低频区比晶体三极管的小得多中、低频区比晶体三极管的小得多. .例例如如：美美国国Maxim公公司司生生产产的的低低温温漂漂、低低噪噪声声运运算算放放大器大器MAX6325，温度系数达到温度系数达到1ppm/（ppm，代表百万之一。即，代表百万之一。即partspermillion）噪声最低可达噪声最低可达VP-P（0.1Hz10Hz），），最大噪声也只有最大噪声也只有VRMS值（即均方根值）值（即均方根值）AD743为场效应管输入，宽带光电二极管前置放大器为场效应管输入，宽带光电二极管前置放大器在在10KHz处，电压噪声为处，电压噪声为 美国德州公司美国德州公司TI公司低电压、低电流、低噪声运放公司低电压、低电流、低噪声运放TLC2272/4En为为 比较比较MAX6325和和AD743：将将VP-P换成换成rms值则为：值则为：除以带宽：除以带宽：l可见可见AD743比比MAX6325好，但工作频率不一样。好，但工作频率不一样。l美国美国ADI公司产公司产AD797AN精密放大器其在精密放大器其在1KHz处噪声谱密度为：处噪声谱密度为： 。4二极管的噪声二极管的噪声 根据二极管的工作状态，可分为根据二极管的工作状态，可分为正偏、反偏与零偏等三种情况。正偏、反偏与零偏等三种情况。 主要噪声是直流电流流过主要噪声是直流电流流过P-N结结时的散粒噪声。时的散粒噪声。5 5 电阻的噪声电阻的噪声电阻的噪声有两种：热噪声和过剩噪声。电阻的噪声有两种：热噪声和过剩噪声。热噪声已讨论过，与电阻值有关热噪声已讨论过，与电阻值有关 过剩噪声是电流通过不连续的介质时产生的，与制过剩噪声是电流通过不连续的介质时产生的，与制作电阻的材料及工艺有关。作电阻的材料及工艺有关。一般说来，合成炭质电阻过剩噪声最大，炭膜电阻次之一般说来，合成炭质电阻过剩噪声最大，炭膜电阻次之，金属膜电阻更次之，最小是线绕电阻。，金属膜电阻更次之，最小是线绕电阻。 在低噪声电路设计中，宜选用过剩噪声小的电阻，如在低噪声电路设计中，宜选用过剩噪声小的电阻，如线绕电阻或金属膜电阻，这时可不考虑过剩噪声。线绕电阻或金属膜电阻，这时可不考虑过剩噪声。 考虑了过剩噪声后，低频时以考虑了过剩噪声后，低频时以1/f1/f噪声为主，高频时噪声为主，高频时则以热噪声为主。则以热噪声为主。 6电容器的噪声电容器的噪声 理想电容器是不产生噪声的，只有当电容器绝缘理想电容器是不产生噪声的，只有当电容器绝缘电阻下降，产生了漏电流时才会有噪声发生。电阻下降，产生了漏电流时才会有噪声发生。 这种实际电容器常用一个理想电容器与一个漏电阻这种实际电容器常用一个理想电容器与一个漏电阻并联（或串联）的等效电路来代替。电路阻抗的实并联（或串联）的等效电路来代替。电路阻抗的实数部分产生热噪声。数部分产生热噪声。 噪声模型用一个噪声电流发生器与电容器并联，噪声模型用一个噪声电流发生器与电容器并联， 由于噪声高频部分被电容器旁路，故主要表现出低由于噪声高频部分被电容器旁路，故主要表现出低频噪声。频噪声。7 7 电感电感的噪声的噪声 理想电感是不产生噪声的，理想电感是不产生噪声的， 实际使用的电感线圈有电阻，所以可以用实际使用的电感线圈有电阻，所以可以用一个理想电感与电阻一个理想电感与电阻R R串联的等效电路代替。串联的等效电路代替。阻抗的实数部分将产生热噪声。阻抗的实数部分将产生热噪声。 8 8 变压器的噪声变压器的噪声如如果果探探测测器器内内阻阻很很低低，与与一一般般放放大大器器的的最最佳佳源源阻阻抗抗范范围围不不能能匹匹配配，不不能能得得到到最最小小的的噪噪声声系系数数NF，就就要要利利用用变变压压器器作作阻阻抗抗变变换换，以以期期得得到到良良好好的的噪噪声声匹配。如热电偶等。匹配。如热电偶等。 通过电磁耦合由外界引入变压器的干扰，可以采通过电磁耦合由外界引入变压器的干扰，可以采用静电屏蔽或磁屏蔽的方法来消除或降低其影响。用静电屏蔽或磁屏蔽的方法来消除或降低其影响。 但变压器本身产生了一些新的噪声，以下作简要但变压器本身产生了一些新的噪声，以下作简要的分析。的分析。变变压压器器原原、副副绕绕组组的的电电阻阻，铁铁芯芯的的磁磁滞滞和和涡涡流流损损耗耗均均能能产产生生热热噪噪声声和和过过剩剩噪噪声声，而而且且涡涡流流损损耗耗还随频率上升而增加。还随频率上升而增加。原原方方绕绕组组电电感感量量影影响响通通频频带带的的低低端端，使使得得低低频频端的等效输入噪声增加。端的等效输入噪声增加。交交变变磁磁场场或或机机械械震震动动会会使使得得铁铁芯芯振振颤颤或或铁铁芯芯与与绕绕组组间间发发生生相相对对位位移移，这这些些都都能能使使绕绕组组中中感感生生额额外电动势，这是一种噪声，称为振颤效应。外电动势，这是一种噪声，称为振颤效应。为为了了减减小小这这种种影影响响，在在制制作作变变压压器器时时，要要适适当当压压紧铁芯和加上紧固件，并进行真空浸漆。紧铁芯和加上紧固件，并进行真空浸漆。此此外外，还还应应对对铁铁芯芯及及其其紧紧固固件件进进行行退退磁磁处处理理。使使用用变变压压器器时时，不不使使绕绕组组中中电电流流含含有有直直流流成成分分。就就连连测测量量绕绕组组电电阻阻也也应应避避免免用用直直流流方方法法。变变压压器器应固定在防震架上。应固定在防震架上。绕绕组组的的分分布布电电容容和和接接线线的的杂杂散散电电容容影影响响通通频频带带的高频端。的高频端。为了共模抑制的需要，要求中心抽头对两端接为了共模抑制的需要，要求中心抽头对两端接头间的旁通电容相等。头间的旁通电容相等。 关于变压器的噪声及绕组等的有关知识，也是关于变压器的噪声及绕组等的有关知识，也是非常丰富的，这里只是列举了很少、很浅的一点，非常丰富的，这里只是列举了很少、很浅的一点，以引起设计者的重视。以引起设计者的重视。2.11 低噪声放大器的设计原则与方法低噪声放大器的设计原则与方法低噪声放大器有如下一些指标： 噪声要求、 增益带宽、 输入阻抗、 输出阻抗 稳定性等， 除噪声要求一项外， 其它指标已在电子技术课程中学习过。1设计低噪声放大器的途径和方法设计低噪声放大器的途径和方法设计方法可有如下两种：设计方法可有如下两种：（1）普通设计法）普通设计法 先按普通放大器那样进行设计，先按普通放大器那样进行设计， 即只考虑增益、带宽、输入、输出阻抗等指标，即只考虑增益、带宽、输入、输出阻抗等指标， 然后在设计过程中校核噪声是否符合指标。然后在设计过程中校核噪声是否符合指标。 若不符合，修改某些参数重新计算，直到符合噪声指若不符合，修改某些参数重新计算，直到符合噪声指标，同时也满足其它指标为止。标，同时也满足其它指标为止。 这种方法只适用于对噪声要求不高的场合。这种方法只适用于对噪声要求不高的场合。（2）以噪声为主的设计法）以噪声为主的设计法首首先先考考虑虑的的是是噪噪声声特特性性并并满满足足其其要要求求，其其次次才才是是增增益益，带带宽宽和阻抗。和阻抗。满足了噪声指标不一定能满足增益、带宽和阻抗的要求，满足了噪声指标不一定能满足增益、带宽和阻抗的要求， 为了获得足够的增益，一般采用多级放大器，但级数多了又会为了获得足够的增益，一般采用多级放大器，但级数多了又会使得通带变窄，可以用负反馈或用组合电路来加宽通频带，不使得通带变窄，可以用负反馈或用组合电路来加宽通频带，不仅如此，负反馈还可以稳定电路增益、改变输入输出阻抗以及仅如此，负反馈还可以稳定电路增益、改变输入输出阻抗以及减少失真。减少失真。注意：引入负反馈后，又引入了新的噪声源，只可能使放大器的注意：引入负反馈后，又引入了新的噪声源，只可能使放大器的噪声性能变坏，如果按一定的原则引负反馈，则可使新引入的噪声性能变坏，如果按一定的原则引负反馈，则可使新引入的噪声减到最小，以至可以忽略不计。噪声减到最小，以至可以忽略不计。 经过了上述改造后，再回头检验一下噪声。这样反复计算综合经过了上述改造后，再回头检验一下噪声。这样反复计算综合考虑后，得到满意结果。考虑后，得到满意结果。2按噪声要求设计的步骤及原则按噪声要求设计的步骤及原则（1）首先，根据噪声要求设计输入级。）首先，根据噪声要求设计输入级。根据前面的分析，系统的噪声性能，主要取决于第一级。根据前面的分析，系统的噪声性能，主要取决于第一级。第一级又称输入级，应根据系统要求包括输入信噪比，第一级又称输入级，应根据系统要求包括输入信噪比，NF源阻抗特性及频率范围等指标来确定输入级的电路形式，源阻抗特性及频率范围等指标来确定输入级的电路形式，确定直流工作点，进行噪声匹配的估算。确定直流工作点，进行噪声匹配的估算。 一般地，当源阻抗是低阻抗时，可以采用共基共发电路，一般地，当源阻抗是低阻抗时，可以采用共基共发电路，当源是高阻抗时，可采用共发一共集电路当源是高阻抗时，可采用共发一共集电路如果源电阻相当高时，则应使用负反馈电路，如果源电阻相当高时，则应使用负反馈电路，或者用场效应管来作为输入级。或者用场效应管来作为输入级。（2）晶晶体体管管输输入入级级，可可以以通通过过调调整整集集电电极极电电流流来来获获得得噪噪声匹配（当然只能在一定范围内）声匹配（当然只能在一定范围内）（3）第一级功率增益要大）第一级功率增益要大根据这个要求，第一级尽量选用共发射级电路。根据这个要求，第一级尽量选用共发射级电路。（4）根根据据其其它它指指标标，如如总总增增益益、频频率率响响应应、动动态态范范围围等等技术指标综合考虑后级的设计。技术指标综合考虑后级的设计。（5）集电极电流对噪声等参数的影响如下表：）集电极电流对噪声等参数的影响如下表：小大 小 IcEnIn（Rs）ptRi大小大小小大大3噪声匹配的方法噪声匹配的方法 低噪声前放的设计，关键是第一级即输入级的设计，低噪声前放的设计，关键是第一级即输入级的设计，设计时要考虑的噪声指标：设计时要考虑的噪声指标： 噪声系数噪声系数NF，为了获得最小的噪声系数，必须使得：，为了获得最小的噪声系数，必须使得： 探测器虽有一定的选择余地，一旦选定后，探测器虽有一定的选择余地，一旦选定后，Rs也就确定也就确定了，这时，只有选择前放，使其了，这时，只有选择前放，使其 注意兼顾其它指标。注意兼顾其它指标。噪声匹配的方法就是研究有哪些种方法可以调节噪声匹配的方法就是研究有哪些种方法可以调节 使其可以趋近使其可以趋近Rs，现归纳如下：，现归纳如下：（1 1）调整晶体三极管工作点）调整晶体三极管工作点I IB B（I IC C）的方法）的方法 （2 2）输入变压器耦合法）输入变压器耦合法 （3 3）输入放大器的并联法）输入放大器的并联法 这种方法在理论上具有一定意义，（在集成电路时代）这种方法在理论上具有一定意义，（在集成电路时代）实现起来也不是很困难，因此有一定的使用前景。实现起来也不是很困难，因此有一定的使用前景。（4 4）利用场效应管法）利用场效应管法 当源电阻当源电阻R Rs s比较大时，利用普通晶体三极管来达到噪声比较大时，利用普通晶体三极管来达到噪声匹配已不可能，匹配已不可能， 由于场效应管具有相当高的（由于场效应管具有相当高的（R Rs s）optopt，故应选用场效应，故应选用场效应管来作为输入级。管来作为输入级。 4 元件的挑选元件的挑选 为了满足噪声指标，必须选用合适的有源器件与无源器件，在线路上作相应配合使用例如：采用无噪声偏置电路， 使用合理的负反馈， 选用恰当的组态配合， 确定适当的级联数等。 （1）有源器件的选用）有源器件的选用 选用有源器件主要从源电阻和频率范围来考虑选用有源器件主要从源电阻和频率范围来考虑 下图作为选择的指南。下图作为选择的指南。 源源电电阻阻小小于于100时时，为为了了和和放放大大器器的的Ropt匹匹配配，可可以以采采用变压器耦合或者用几路相同的放大器并联。用变压器耦合或者用几路相同的放大器并联。 源源电电阻阻很很大大或或者者源源电电阻阻的的工工作作范范围围很很大大时时，可可以以选选用用场场效应管。效应管。 各种典型探测器的内阻和响应时间各种典型探测器的内阻和响应时间各种典型探测器的内阻和响应时间各种典型探测器的内阻和响应时间 探测器探测器内阻（内阻（）响应时间（响应时间（s）低低阻阻热电偶1101021蒸发型热电偶50200103102金属测辐射热计110102101PIN型锗二极管50107HgCdTe（PV 77K）2.550108HgCdTe（PC 77K）2050108107中中阻阻锗测辐射热计（2.1K）1044104碳测辐射热计（2.1K）105106102PbS（PC 常温）10510751055104PbSe（PC 常温）1061072106InSb（PV 77K）103105106高高阻阻Ge:Au（PC 77K）105107106热释电探测器10831094105（2）电阻的选用）电阻的选用l用过剩噪声较小的金属膜电阻或线绕电阻。用过剩噪声较小的金属膜电阻或线绕电阻。l与与信信号号源源并并联联的的电电阻阻，其其阻阻值值应应当当尽尽可可能能的的大大，以以减减小小其其噪噪声贡献。声贡献。l因电感没有热噪声，有时用它来代替上述并联电阻。因电感没有热噪声，有时用它来代替上述并联电阻。l纯纯电电感感或或纯纯电电容容虽虽然然自自身身不不产产生生噪噪声声，但但在在电电路路中中由由于于它它们们的存在却能改变噪声，的存在却能改变噪声，例如与源并联的电容会使等效输入噪声增大。例如与源并联的电容会使等效输入噪声增大。l要考虑电阻工作的频率范围，线绕电阻与薄膜电阻在制作上要考虑电阻工作的频率范围，线绕电阻与薄膜电阻在制作上是螺旋式的，较之合成炭质电阻有较大的电感（特制的无感是螺旋式的，较之合成炭质电阻有较大的电感（特制的无感电阻除外），通过这电感的磁耦合，易使外部噪声窜入低噪电阻除外），通过这电感的磁耦合，易使外部噪声窜入低噪声电阻。声电阻。l电阻还存在着分布电容，随着频率的不同，电阻呈现电阻还存在着分布电容，随着频率的不同，电阻呈现的阻抗也不一样，特别用于高频（的阻抗也不一样，特别用于高频（500KHz以上）时更以上）时更为显著，这将会影响电路的工作性能。为显著，这将会影响电路的工作性能。 Cambell Cambell和和ChipmanChipman发现电阻的噪声还和额定功率有关发现电阻的噪声还和额定功率有关同类型同阻值的两个电阻，当消耗的功率相等时，其同类型同阻值的两个电阻，当消耗的功率相等时，其中额定功率较大的电阻的噪声通常要小些。中额定功率较大的电阻的噪声通常要小些。解释：用热噪声理论解释：用热噪声理论 同类型相同阻值的两个电阻，当它们消耗的功率相等同类型相同阻值的两个电阻，当它们消耗的功率相等时，产生的热量相同，由于额定功率大的电阻散热条时，产生的热量相同，由于额定功率大的电阻散热条件好一些它的温度必然低于额定功率较小的电阻，相件好一些它的温度必然低于额定功率较小的电阻，相应的热噪声就小一些。应的热噪声就小一些。 （3）电容的选用）电容的选用l电容器按其介质性质可以分为许多种，不同类型的电容器其电容器按其介质性质可以分为许多种，不同类型的电容器其用途也不同，不能做到通用。用途也不同，不能做到通用。l实际的电容器不仅有电容而且有电感和电阻，下图是其等效实际的电容器不仅有电容而且有电感和电阻，下图是其等效电路。电路。l其中，电感其中，电感L是由于引线和电容器的结构原因造成的，是由于引线和电容器的结构原因造成的，R2是是由于电介质的漏电形成，绝缘越好，此值越大。由于电介质的漏电形成，绝缘越好，此值越大。R1表示电介表示电介质极化损失的电阻，极化损失越小，此值越低。质极化损失的电阻，极化损失越小，此值越低。LR1CR2实际电容器的参数和工作频率有很大关系。实际电容器的参数和工作频率有很大关系。 下图是各类电容器大致适用的频率范围，下图是各类电容器大致适用的频率范围，（4 4）电感的选用）电感的选用l实际电感线圈的等效电路如图所示。实际电感线圈的等效电路如图所示。R为绕制线圈的导线电阻，为绕制线圈的导线电阻，C为线圈匝间以及层间的分布电容为线圈匝间以及层间的分布电容l选用电感线圈可从以下三方面考虑：选用电感线圈可从以下三方面考虑： 通过选择线圈导线的粗细、控制通电流的大小，可以改变通过选择线圈导线的粗细、控制通电流的大小，可以改变 R的热噪声与过剩噪声；的热噪声与过剩噪声； 电感线圈电感线圈L与与C均能改变电路的噪声均能改变电路的噪声 电感有空芯与磁芯两种，磁芯电感又可分为开环（磁芯不电感有空芯与磁芯两种，磁芯电感又可分为开环（磁芯不闭合）与闭环（磁芯闭合）两种。电感易受外磁场的影响，闭合）与闭环（磁芯闭合）两种。电感易受外磁场的影响，受影响最大的是空芯电感，开环磁芯电感次之，而闭环磁芯受影响最大的是空芯电感，开环磁芯电感次之，而闭环磁芯电感受影响最小。电感受影响最小。（5）同轴电缆的选取）同轴电缆的选取 在许多实际问题中，信号源与低噪声前放之在许多实际问题中，信号源与低噪声前放之间较远，因而需要采用同轴电缆来连接，这时间较远，因而需要采用同轴电缆来连接，这时必须注意降低电缆的噪声。必须注意降低电缆的噪声。电缆的噪声电缆的噪声有两种：有两种：一种系来自外界电磁场产生的干扰，一种系来自外界电磁场产生的干扰， 这种干扰要注意将电缆的屏蔽层一端良好接地，此时屏蔽层这种干扰要注意将电缆的屏蔽层一端良好接地，此时屏蔽层只作屏蔽使用，本身不作地线，有时，屏蔽层兼作地线使用只作屏蔽使用，本身不作地线，有时，屏蔽层兼作地线使用（尽量不这样使用），则要两端均良好接地。（尽量不这样使用），则要两端均良好接地。另一种噪声系来自外界机械应力的作用使导体与绝缘体之间发另一种噪声系来自外界机械应力的作用使导体与绝缘体之间发生磨擦分离，产生噪声电荷，生磨擦分离，产生噪声电荷， 对于这种噪声的消除可选用高质量的低噪声电缆，对于这种噪声的消除可选用高质量的低噪声电缆， 当频率在当频率在30MHz以下选用加有石墨层的低噪声电缆，以下选用加有石墨层的低噪声电缆， 当频率在当频率在30MHz以上时选用加有润滑膜的低噪声电缆。以上时选用加有润滑膜的低噪声电缆。5放大器的无噪声偏置电路放大器的无噪声偏置电路对于场效应管，也有类似的无噪声偏置电路。对于场效应管，也有类似的无噪声偏置电路。对于无噪声偏置电路的元件的选取，要兼顾一般电路要求，对于无噪声偏置电路的元件的选取，要兼顾一般电路要求，有时两者是一致的，有时两者是相矛盾的，有时两者是一致的，有时两者是相矛盾的，相矛盾时，可以依据矛盾的主要方面作适当的折中处理。相矛盾时，可以依据矛盾的主要方面作适当的折中处理。RDCB6晶体三极管的组态与放大器的噪声晶体三极管的组态与放大器的噪声三极管共有三种接法：即共射、共基、共集三种。三极管共有三种接法：即共射、共基、共集三种。理论分析和实验均证明，晶体管的噪声与接法关系不理论分析和实验均证明，晶体管的噪声与接法关系不大，这给低噪声电路设计带来了很大的灵活性。大，这给低噪声电路设计带来了很大的灵活性。由于共射极组态提供的功率增益最大，这样后级放大由于共射极组态提供的功率增益最大，这样后级放大器的噪声对系统的噪声影响最小，而且器的噪声对系统的噪声影响最小，而且Ropt可以在可以在较宽范围内调节，较宽范围内调节，故一般用得最多的是共射极组态。故一般用得最多的是共射极组态。7负反馈与放大器的噪声负反馈与放大器的噪声l在在电电路路设设计计中中，经经常常运运用用各各种种负负反反馈馈来来改改善善放放大大器器的的性性能能，例例如如增增加加稳稳定定性性、稳稳定定工工作作点点、稳稳定定放放大大倍倍数数、扩扩展展频频带带，提提高高或或降降低低输输入入输输出阻抗，以及减小非性线失真等等。出阻抗，以及减小非性线失真等等。l在在放放大大器器中中引引入入了了负负反反馈馈以以后后，由由于于增增加加了了反反馈馈网网络络，也也就就增增加加了了新新的的噪噪声声源源，使使总总的的输输出出噪声增加。使整个系统的噪声系数变坏噪声增加。使整个系统的噪声系数变坏.l但但在在设设计计合合理理的的系系统统中中，能能使使变变坏坏的的程程度度减减到到最小，以致可以忽略不计最小，以致可以忽略不计。对于常用的电压串联负反馈，对于常用的电压串联负反馈，即同相放大器即同相放大器反馈网络的两个电阻反馈网络的两个电阻Rf、Re，如果使得如果使得则则由由负负反反馈馈引引起起的的系系统统的的噪噪声声系系数数变变坏坏的的程程度可以忽略不计。度可以忽略不计。电压放大倍数：电压放大倍数：Av=1+Rf/Re对于电压并联负反馈，即对于电压并联负反馈，即反相放大器：反相放大器： 只要满足只要满足: : 则负反馈网络对噪声则负反馈网络对噪声 的影响可以忽略的影响可以忽略.放大倍数：放大倍数：Av=Rf/R8低噪声前放对电源的要求低噪声前放对电源的要求 任何放大器都必须采用直流电源供电，低噪声任何放大器都必须采用直流电源供电，低噪声前放也不例外。前放也不例外。 由于低噪声前放的性能指标要求高，因此，对由于低噪声前放的性能指标要求高，因此，对直流供电源的要求也高，直流供电源的要求也高，主要是要求直流稳压电源的稳定度高和纹波小。主要是要求直流稳压电源的稳定度高和纹波小。l由于一般的开关电源稳定度和纹波远远达不到要求，故由于一般的开关电源稳定度和纹波远远达不到要求，故一般不能采用，或者只能作为初级稳压级。一般不能采用，或者只能作为初级稳压级。l一般的线性电流（如三端稳压集成块）其稳定度只能达一般的线性电流（如三端稳压集成块）其稳定度只能达到到10-210-3，其纹波电压为数量级，其纹波电压为数量级，l低噪声前放要求其供电直流稳压电源稳定度高达低噪声前放要求其供电直流稳压电源稳定度高达10-510-6，要求纹波电压小于，要求纹波电压小于V， 故一般的线性电流也达不到要求，必须采用高精故一般的线性电流也达不到要求，必须采用高精度线性直流稳压电源。度线性直流稳压电源。l如果采用三端稳压块加多级如果采用三端稳压块加多级RC滤波，在要求不滤波，在要求不高的场合，也能满足要求。高的场合，也能满足要求。l为了避免从电源引入共模干扰，电源变压器都必为了避免从电源引入共模干扰，电源变压器都必须采用屏蔽层。须采用屏蔽层。9 低噪声运算放大器的选用低噪声运算放大器的选用 由于集成电路制造技术的不断提高，低噪声、低温漂的运放也越来越多， 因此，在低噪声前放的设计中，可直接选用性能优良的低噪声运算放大器，这可以省去许多的时间。 利用低噪声运放的利用低噪声运放的NF-Rs曲线选择运放。曲线选择运放。l对于低噪声运放，生产厂家一般会在其产品手册中提供一定测试条件对于低噪声运放，生产厂家一般会在其产品手册中提供一定测试条件下的下的NF-Rs曲线，如下便是两例。曲线，如下便是两例。l从从NF-Rs曲线上可以清楚地看到，在所运用的频率范围下，曲线上可以清楚地看到，在所运用的频率范围下，源电阻源电阻Rs和和NF的关系，的关系，l当源电阻为当源电阻为50K，频率为，频率为1KHz时，时，OP-07的的NF约为约为3dB，LMC662为为8dB，两者比较，两者比较，OP07的噪声性能好。的噪声性能好。OP07LMC662NFRs利用利用En、In计算计算Eni许多生产厂家，只提供了噪声的谱密度函数许多生产厂家，只提供了噪声的谱密度函数、单位分别是：单位分别是：和和此时，可根据源电阻此时，可根据源电阻Rs的情况，的情况， 选用选用 和和 均小的运放。均小的运放。l 在在Rs大的情况下，大的情况下， 起着比较大的作用。起着比较大的作用。l根据实际计算来确定根据实际计算来确定Eni从而和从而和Vs比较。比较。l再根据再根据Psi/Pni（或（或Vsi/Eni）的要求来决定运放是否符）的要求来决定运放是否符合要求合要求例例1：OP07和和LMC662在在1KHz时的噪声如下：时的噪声如下：OP07Hz-1/2120fAHz-1/2LMC66222nVHz-1/20.113fAHz-1/2当当Rs=50K，且工作，且工作1KHz条件下应选哪一种运放条件下应选哪一种运放? ? 对OP07 （在T=290K，1Hz带宽下）: 对OP07来说分别计算如下：对LWC662（在T=290K，1Hz带宽下）: 故选用OP07. 例例2：一光电导型一光电导型PbS探测器，在室温下工作，探测器，在室温下工作，内阻范围为：内阻范围为：100K200K，信号的频率范围为：信号的频率范围为：01KHz（即（即f =1KHz，f0=500Hz）输入信号输入信号Vsi50V500V，试设计一低噪声前置放大器，试设计一低噪声前置放大器，要求：要求：Avs20，等效输入噪声，等效输入噪声Eni10V保证：保证：1）首先要考虑对）首先要考虑对PbS探测器的偏置电路探测器的偏置电路 电源电压要综合考虑，即偏置电路的电压和放大器电源电压要综合考虑，即偏置电路的电压和放大器的电源电压尽量一致，以减少电源种类。的电源电压尽量一致，以减少电源种类。RtRL PbS的偏置电路的偏置电路2）根据实际的源电阻来选择有源器件）根据实际的源电阻来选择有源器件（注：源电阻应包括偏置电路在内）（注：源电阻应包括偏置电路在内）由于由于PbS的室温下的电阻值为的室温下的电阻值为100K200K，假定采用匹配偏置：假定采用匹配偏置：lRs=Rt/RL 由双极晶体管的适用范围是从几百由双极晶体管的适用范围是从几百到到1兆欧，兆欧， 故可以选用双极型晶体管，故可以选用双极型晶体管， 也可以选用集成运放和结型场效应管，也可以选用集成运放和结型场效应管， 最终要查手册选型号，购买。最终要查手册选型号，购买。选择选择OP07作为有源器件，因为：作为有源器件，因为：OP07在源电阻为在源电阻为50K时，时，NF为为3dB，实际源电实际源电阻可能在阻可能在50K100K之间。之间。如果源电阻为如果源电阻为100K时，时，OP-07的的NF可达可达1dB，比其它低噪声运放（经过比较）要低，比其它低噪声运放（经过比较）要低，且且OP-07易于购买，价格适中。易于购买，价格适中。根据前面的计算，等效输入噪声密度：根据前面的计算，等效输入噪声密度： 对于对于1000Hz带宽，带宽，等效输入噪声：等效输入噪声： 满足要求。满足要求。l有源器件选择原则除了噪声要求之外，还有源器件选择原则除了噪声要求之外，还有其它多种因素，如性能价格比，有其它多种因素，如性能价格比，l这是一个多因素的选择问题，这是一个多因素的选择问题，l答案不止一个，也可选择其他集成电路。答案不止一个，也可选择其他集成电路。 同相比例放大电路，同相比例放大电路，属于电压串联负反馈属于电压串联负反馈放大倍数放大倍数:3）选择电路形式，进行参数选择设计）选择电路形式，进行参数选择设计 Rf2Rf1Vso+-Vo 同相比例放大-+R1RfRP 反相比例放大反相比例放大电路，反相比例放大电路，属于电压并联负反馈属于电压并联负反馈l对于电压串联负反馈，即同相比例放大器；对于电压串联负反馈，即同相比例放大器； 为了使反馈网络所产生的噪声很小，必须满足：为了使反馈网络所产生的噪声很小，必须满足：得得由由若取若取根据不等式条件：根据不等式条件： 则则 A Av v=30=30取：取：若取：若取：则：则：具体电路具体电路：-15VRtRL+15V10+-OP07Rf21KRf129K PbS低噪声前置放大器低噪声前置放大器如果选择反相比例放大器，则必须满足低噪声条件：如果选择反相比例放大器，则必须满足低噪声条件：l这样，这样，Rf至少取至少取1Ml高阻值电阻，热噪声很大，也容易引入外界干扰，故不宜高阻值电阻，热噪声很大，也容易引入外界干扰，故不宜选用这种电路形式。选用这种电路形式。l模拟电路中，反相比例放大器在某些方面优于同相比例放模拟电路中，反相比例放大器在某些方面优于同相比例放大器，即反相比例放大不会引入共模干扰，大器，即反相比例放大不会引入共模干扰，l而在低噪声设计中，我们这里看到了同相比例放大器优于而在低噪声设计中，我们这里看到了同相比例放大器优于反相比例放大器的地方。反相比例放大器的地方。即：即：请看下一节