测控电子技术第五章--微弱信号检测

1、第第5 5章章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路为什么要分析放大器噪声为什么要分析放大器噪声? ? 微弱信号需要放大到可以识别幅度。微弱信号需要放大到可以识别幅度。 电子器件本身是噪声源。电子器件本身是噪声源。 放大器有电子噪声和固有噪声放大器有电子噪声和固有噪声电子噪声定义电子噪声定义1 1、广义、广义 污染和干扰有用信号的不期望的信号。污染和干扰有用信号的不期望的信号。 包括：外部干扰、电路内部噪声可是确定的也可是随机。包括：外部干扰、电路内部噪声可是确定的也可是随机。2 2、狭义、狭义 电荷载体的随机运动导致的电压、电流的随机波动。电荷载体的随机运动导致的电压、电流的随机波动。微弱信号：

2、指被噪声淹没的信号，微弱是相对噪声而言的。微弱信号：指被噪声淹没的信号，微弱是相对噪声而言的。任务：提高信噪比，即专门抑制噪声。任务：提高信噪比，即专门抑制噪声。电子学电子学信息论信息论计算机计算机物理学物理学微弱信号的检测微弱信号的检测喇叭噪声的表现：喇叭噪声的表现：稳定的咝咝声或沙沙声：稳定的咝咝声或沙沙声：放大器元器件产生的固有噪声。放大器元器件产生的固有噪声。轻微轻微 且稳定，不随音量调节变化。且稳定，不随音量调节变化。措施：只有改变放大器的电路设计措施：只有改变放大器的电路设计 。嗡声（嗡声（“交流声交流声”） ： 器材工艺设计不合理。器材工艺设计不合理。连接线缆的屏蔽能力。连接线缆

3、的屏蔽能力。供电电压过低导致内部电路不正常等供电电压过低导致内部电路不正常等噼啪声（放电声）噼啪声（放电声）器材内部积累灰尘过多。器材内部积累灰尘过多。元器件超过使用寿命失效。元器件超过使用寿命失效。立即修理检查立即修理检查流水声：流水声： 高频自激的现象。高频自激的现象。电路设计不良造成电路设计不良造成啸叫声、汽船声：啸叫声、汽船声：高频、低频自激。高频、低频自激。关闭系统电源关闭系统电源检查连接检查连接偶尔的滋滋声：偶尔的滋滋声：交流供电线路的串扰。交流供电线路的串扰。供电质量差供电质量差当入射光强度较大时：当入射光强度较大时：降低入射光功率、增大放大率时：降低入射光功率、增大放大率时：再

4、降低入射光功率时：再降低入射光功率时：正弦波幅度越来越小，杂乱无章的变化愈来愈大。正弦波幅度越来越小，杂乱无章的变化愈来愈大。最后噪声完全埋没了信号，失去探测弱光信号的能力。最后噪声完全埋没了信号，失去探测弱光信号的能力。例：光电检测例：光电检测电子系统内部固有噪声特点：电子系统内部固有噪声特点：1 1、电路元器件产生：内部噪声。、电路元器件产生：内部噪声。2 2、电荷载体随机运动结果：与输入信号无关，瞬间幅度不可测，要统计和概率计算。、电荷载体随机运动结果：与输入信号无关，瞬间幅度不可测，要统计和概率计算。3 3、热噪声、散弹噪声、热噪声、散弹噪声、1/f1/f噪声、爆裂噪声。噪声、爆裂噪声

5、。4 4、噪声是连续的，基本上固定不变，频谱分布广。、噪声是连续的，基本上固定不变，频谱分布广。5 5、需要改进元器件的材料和生产工艺。、需要改进元器件的材料和生产工艺。6 6、决定系统分辨率和最小可检测信号幅度决定系统分辨率和最小可检测信号幅度。5.1 低噪声放大器 检测微弱信号的专门放大器。设计低噪声放大器工作：抑制固有噪声和外部噪声，提高信噪比。特征高信噪比高分辨力关键： 抑制噪声噪声电子系统外部的干扰噪声所有器件本身的固有噪声关键： 抑制固有噪声限制了放大器的分辨力、制约放大器信噪比目的：从噪声背景中提取出有效微弱信号并进行有效放大。5.1.1 5.1.1 电子系统内部固有噪声源电子系

6、统内部固有噪声源1. 1. 电阻的热噪声电阻的热噪声现象：任何电阻或导体，即使没有连接到信号源或电源，其两端会出现微弱的电压波动。现象：任何电阻或导体，即使没有连接到信号源或电源，其两端会出现微弱的电压波动。起因：电阻中自由电子随机热运动，导致电阻两端电荷的瞬时堆积，形成噪声电压。起因：电阻中自由电子随机热运动，导致电阻两端电荷的瞬时堆积，形成噪声电压。热噪声是约翰逊（热噪声是约翰逊（J.B.JohnsonJ.B.Johnson ，贝尔实验室）贝尔实验室）于于19281928年发现年发现, ,又称为又称为JohnsonJohnson噪声噪声。基于量子理论得出的热噪声电压的功率谱密度函数基于量子

7、理论得出的热噪声电压的功率谱密度函数: 当当 fkT/h，St(f)会逐渐减小。会逐渐减小。在室温下在室温下(T=300K)，当，当f0.1kT/h1012Hz时，展开，取前两项：时，展开，取前两项：式中：式中：h=6.62x10-34Js普朗克常数普朗克常数 f : 频率频率 R : 电阻值电阻值 k=1.38x10-23 J/K波尔兹曼常数波尔兹曼常数 T : 绝对温度。绝对温度。热噪声热噪声-公式公式和和f没有关系，和什么相关？没有关系，和什么相关？工作频率比工作频率比10101212HzHz低得多低得多，广泛使用。广泛使用。当当T T和和 R R 一定时，一定时，S St t(f)(f

8、) 为常数为常数。在工作频率范围内在工作频率范围内, ,可认为热噪声是白噪声。可认为热噪声是白噪声。在很高频率及很低温度时，在很高频率及很低温度时，S St t(f)(f)变化。变化。5.1.1 5.1.1 电子系统内部固有噪声源电子系统内部固有噪声源R的热噪声等效功率：的热噪声等效功率：（用其均方值表示）（用其均方值表示）温度为温度为27 (300 )时，时，R的单位：的单位：k 包含电阻的电路都存在热噪声。5.1.1 5.1.1 电子系统内部固有噪声源电子系统内部固有噪声源例：当温度为17 时，带宽为100kHz的放大电路中，10k 的电阻两端为4uV。 对于检测微伏级或纳伏级微弱信号的系

9、统，电阻热噪声不容忽视的。说明：在微弱信号检测系统中,应使R和B尽量小。 使放大电路前置级工作于极低的温度。热噪声电压的大小取决于热力学温度。 温度比室温低几十摄氏度没有多大效果。5.1.1 5.1.1 电子系统内部固有噪声源电子系统内部固有噪声源1 1、等效电压源、等效电压源2 2、等效电流源、等效电流源等效电路分析等效电路分析利用两端网络的戴维南模型利用两端网络的戴维南模型利用诺顿定理利用诺顿定理实际电阻实际电阻热噪声电压源热噪声电压源理想电阻理想电阻R R串联串联实际电阻实际电阻热噪声电流源热噪声电流源ItIt理想电阻理想电阻R R并联并联电流功率谱密度函数电流功率谱密度函数电流有效值电

10、流有效值噪声电路噪声电路等效电路图5.11 两个电阻相串联的热噪声电压源等效电路互不相干 ，=0l 无源元件的任意连接所产生的热噪声等于等效网络阻抗的实部电阻所产生的热噪声。无源元件的任意连接所产生的热噪声等于等效网络阻抗的实部电阻所产生的热噪声。说明：说明：1、热噪声源相加，然后求均方值，两个信号不相关、热噪声源相加，然后求均方值，两个信号不相关2、功率加和，得到等效功率，再得到电压有效值、功率加和，得到等效功率，再得到电压有效值3、有效电压不能简单加和，否则能量增加，应该是利用统计平均等到。、有效电压不能简单加和，否则能量增加，应该是利用统计平均等到。4、等效电路的电阻加和。、等效电路的电

11、阻加和。例5.1.2 试证明温度相同的两个电阻R1和R2相并联所产生的等效热噪声电压有效值为 (a噪声电路 (b)等效电路 图5.12 两个电阻并联的热噪声电压源等效电路Et1和Et2：表示R1和R2热噪声电压有效值证明:等效电路的电阻并联等效电路的电阻并联2. 2. 阻容并联电路的热噪声阻容并联电路的热噪声电阻两端引线间分布电容电阻两端引线间分布电容限制带宽在电阻两端电容限制带宽在电阻两端电容图5.1.3 阻容并联电路的热噪声输出噪声的功率谱密度函数：输出噪声的功率谱密度函数：输出噪声功率：有效值：输出功率及有效值与电阻的阻值无关，取决于并联在电阻两端的电容C及绝对温度T.电阻热噪声输出电压

12、电阻热噪声输出电压的频带宽度是有限的。的频带宽度是有限的。电流有效值：电流有效值：对于一定带宽对于一定带宽B,B, PNPN结的散弹噪声电流的功率：结的散弹噪声电流的功率：平方根谱密度：（单位平方根谱密度：（单位带宽方根的散弹噪声有效值）带宽方根的散弹噪声有效值）带宽大，电流有效值大。带宽大，电流有效值大。第第5 5章章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路5.1 低噪声放大器噪声电子系统外部的干扰噪声所有器件本身的固有噪声限制了放大器的分辨力、信噪比5.1.1 5.1.1 电子系统内部固有噪声源电子系统内部固有噪声源1. 1. 电阻的热噪声电阻的热噪声工作频率工作频率 10101212HzHz。

13、R和B尽量小l 无源元件的任意连接所产生的热噪声等于等效网络阻抗的实部电阻所产生的热噪声。无源元件的任意连接所产生的热噪声等于等效网络阻抗的实部电阻所产生的热噪声。2. 2. 阻容并联电路的热噪声阻容并联电路的热噪声3.PN3.PN结的散弹噪声结的散弹噪声(shot noisc)(shot noisc)平方根谱密度：平方根谱密度：由两导体接触点电导的随机涨落引起的。又称为低频噪声。由两导体接触点电导的随机涨落引起的。又称为低频噪声。约翰逊，约翰逊，19251925年，在电子管板极电流中发现，之后在半导体器件中也发现了。年，在电子管板极电流中发现，之后在半导体器件中也发现了。4. 1/f 4.

14、1/f 噪声（噪声（ 接触噪声、闪烁接触噪声、闪烁(aicker)(aicker)噪声）噪声）1/f/f噪声的特性：功率谱密度函数功率谱密度函数在f1和f2之间的频段中，1/f噪声的功率：Pf取决于频率上下限之比 。（热噪声和散弹噪声功率正比于带宽）。 在低频段，f越低，1/f噪声的幅度很大。 认为当频率低到一定程度时, 1/f噪声的幅度趋向于常数。 限定B的低频边界频率大于0.OO1Hz。 当频率高于某一数值时，与热噪声和散弹噪声相比，1/f噪声忽略。电阻的1/f噪声（过剩噪声）： 在碳电阻中，电流流过许多碳粒之间的接触点 1/f噪声很严重。 碳电阻碳电阻金属膜电阻金属膜电阻金属丝线绕电阻金

15、属丝线绕电阻功率谱密度函数：在f1和f2范围内，过剩噪声的功率：表现：表现：PN结电流的突然变化，结电流的突然变化，20世纪世纪70年代发现年代发现.原因：半导体材料有杂质原因：半导体材料有杂质(通常是金属杂质通常是金属杂质)。杂质能随机发射或捕获载流子。杂质能随机发射或捕获载流子。图5.1.4 爆裂噪声波形在两种电流值之间切换。在两种电流值之间切换。取决制作工艺和材料中的杂质。取决制作工艺和材料中的杂质。背景吵声背景吵声宽度不同宽度不同幅度基本相同幅度基本相同随机电流脉冲。随机电流脉冲。几率：每秒几百个到几分钟一个。几率：每秒几百个到几分钟一个。理论分析证明，爆裂噪声元的功率谱密度函数为理论

16、分析证明，爆裂噪声元的功率谱密度函数为 爆裂噪声是电流型噪声，在高阻电路中影响更大。 改善工艺，提高纯度，减少杂质，改善爆裂噪声。 对器件的挑选能够避免爆裂噪声。f0f0：转折频率：转折频率当当ff0f1。 噪声系数随放大器的偏置电流、工作频率、温度及信号源内阻而变化。 须说明工作条件。 噪声系数只适用于线性电路。 非线性电路内部即使没有噪声源，其输出端的信噪比与输入端也不同，信号输入信号输入后续电路要求信噪比足够大后续电路要求信噪比足够大放大放大放大器可检测的最小信号：例5.1.3 设放大器的输入噪声只有信号源电阻Rs=1k 的热噪声，温度为17 ，放 大器等效噪声带宽为B=1kHz，噪声系

17、数F=2，要求SNRo=10， 试求系统可检测的最小信号Et。解: T=17 +273 =290K, 放大器的输入噪声功率=源电阻的热噪声功率 放大器可检测的最小信号为3)噪声因数(noise figure) 噪声系数F用dB表示,称为噪声因数NF。 NF表征在信号源噪声之上由放大器增加的噪声功率。 利用NF的对数特性，把噪声系数F的相乘运算化解为相加运算。 NF越大,说明放大器的噪声性能越差。 低噪声放大器的NF小， 理想放大器NF为零。低噪声设计的目的是使放大器的NF尽量小。以三级为例子以三级为例子输出总噪声：输出总噪声：放大器无噪声放大器无噪声2 . 级联放大器的噪声系数级联放大器的噪声

18、系数功率功率功率功率功率功率1) 1) 级级联放大器噪声系数级级联放大器噪声系数F F级联放大器噪声系数级联放大器噪声系数同理同理,M,M级级联放大器总的噪声系数级级联放大器总的噪声系数F:F:说明：说明： 前级前级噪声系数对总噪声系数的影响大。噪声系数对总噪声系数的影响大。 如果如果K1K1足够大，则总的足够大，则总的F F主要取决于主要取决于FlFl。2)2)噪声测度噪声测度( (n noise measureoise measure）F F：噪声系数噪声系数：功率增益功率增益按照噪声测度从小到大的顺序排列各级放大器，能获得最小的总噪声系数。按照噪声测度从小到大的顺序排列各级放大器，能获得

19、最小的总噪声系数。定义定义确保第一级的噪声系数足够小。确保第一级的噪声系数足够小。前置放大器的器件选择和电路设计重要前置放大器的器件选择和电路设计重要。例5.1.4 将三个放大器串联起来放大微小信号，它们的功率增益和噪声系数见表， 如何连接三个放大器才能使总的噪声系数最小?选择总噪声系数小的：选择总噪声系数小的： 第二级选第二级选B,B,第三级选第三级选C C： 第二级选第二级选C,C,第三级选第三级选B B：噪声测度：噪声测度： MA=0,67, MB=1.07 ,MC=3.03MA=0,67, MB=1.07 ,MC=3.03按按A A、B B、C C的顺序排列放大器可以得到最小的噪声系数

20、的顺序排列放大器可以得到最小的噪声系数. .A A、B B、C C的的排列排列3.放大器的噪声模型罗斯等提出图5.16 二端口网络噪声模型网络内部所有噪声源在输入端的等效。功率谱密度： En和和In : 中心频率为中心频率为 f 的窄带宽的窄带宽f内的内的等效输入噪声电压等效输入噪声电压有效值和电流有效值有效值和电流有效值; En2和和In2 : 等效输入噪声电压和电流的功率。等效输入噪声电压和电流的功率。f f 要足够小。要足够小。当带宽当带宽 f f 为为1Hz1Hz时，时， En En2 2和和I In n2 2分别表示电压源和电流源的功率谱密度。分别表示电压源和电流源的功率谱密度。在在

21、宽带宽带情况下，用带宽情况下，用带宽B B代替上面公式中的代替上面公式中的f f。构成无噪声二端口网络噪声源的噪声源的平方根谱密度平方根谱密度：在数据手册中，给出一定工作条件在数据手册中，给出一定工作条件( (如如f f）下的下的e en n和和i in n的平方根谱密度的平方根谱密度e eN N和和i iN N数值数值. . 注意:等效噪声模型是将网络输出端的噪声等效到其输入端。等效噪声模型是将网络输出端的噪声等效到其输入端。 e en n和和i in n在网络输入端是测量不出来的，也不能用来计算输入电路的实际噪声。在网络输入端是测量不出来的，也不能用来计算输入电路的实际噪声。 等效：先测量

22、电路输出端的噪声，再折算到输入端得到等效：先测量电路输出端的噪声，再折算到输入端得到e en n和和i in n的统计特性。的统计特性。等效等效的原因的原因: : 放大器内部有很多噪声源，到输出端的传输通道各不相同放大器内部有很多噪声源，到输出端的传输通道各不相同, , 对于多数实对于多数实际电路，很难计算出噪声源的噪声性能及对输出噪声的各自贡献。际电路，很难计算出噪声源的噪声性能及对输出噪声的各自贡献。 4.放大器的噪声特性1) 等效输入噪声与信号源内阻的关系前置放大器等效噪声电路被测信号电压被测信号电压传感器输出内阻传感器输出内阻电阻的热噪声电压源电阻的热噪声电压源等效噪声电压等效噪声电压

23、等效噪声电流等效噪声电流设et 、 en和in互不相关,噪声电流源转换为噪声电压源in R s输入电路的总噪声功率：有效值的平方：将电阻的热噪声公式代入式： 对于对于普通放大器普通放大器， En和和In数值较大数值较大, 当当Rs较小时，输入总噪声由较小时，输入总噪声由En主导；主导； 当当Rs较大时，输入总噪声由较大时，输入总噪声由In Rs主导。主导。 对于对于低噪声放大器低噪声放大器，En和和In Rs数值较小，数值较小， 在在Rs的中等数值范围，输入总噪声的主导成分是的中等数值范围，输入总噪声的主导成分是Rs的热噪声的热噪声Et； 在在Rs很大时，输入总噪声由很大时，输入总噪声由In

24、Rs主导。主导。淹没了信号源电阻的热噪声。淹没了信号源电阻的热噪声。2)最佳源电阻及噪声匹配噪声系数F： 放大器对输入端的各种噪声的增益相同。式中式中: Pno：放大器总的输出噪声功率：放大器总的输出噪声功率; Pni：信号源电阻的热噪声功率：信号源电阻的热噪声功率; Kp ：放大器的功率放大倍数：放大器的功率放大倍数。表明：当表明：当RsRs趋于零或趋于无穷大时，趋于零或趋于无穷大时，F F趋于无穷大。趋于无穷大。 当当RsRs很小时，热噪声很小时，热噪声EtEt小，放大器等效输入噪声电压小，放大器等效输入噪声电压EnEn使使F F大为增加大为增加; ; 当当RsRs很大时很大时, , 会使

25、会使F F大为增加大为增加; ; 当当RsRs为为最佳源电阻最佳源电阻RsoRso时，噪声系数时，噪声系数F F才能达到其最小值才能达到其最小值FinFin，称为，称为噪声匹配噪声匹配。噪声匹配：噪声匹配：噪声系数最小值：噪声系数最小值： B B：等效噪声带宽等效噪声带宽噪声系数噪声系数:宽带情况：宽带情况：最佳源电阻：最佳源电阻：噪声源的噪声源的平方根谱密度平方根谱密度：5.5.运算运算放大器的噪声特性放大器的噪声特性1)1)运放的等效输入噪声模型运放的等效输入噪声模型运放内部的噪声运放内部的噪声PNPN结的散弹噪声结的散弹噪声电阻的热噪声电阻的热噪声内部连接接触产生的内部连接接触产生的1/

26、f1/f噪声噪声固有噪声固有噪声失调电压失调电压失调电流失调电流其漂移其漂移直流分量和极低频率分量直流分量和极低频率分量与输入信号无关与输入信号无关重点讨论重点讨论5.5.运算放大器的噪声特性运算放大器的噪声特性1)1)运放的等效输入噪声模型运放的等效输入噪声模型输入输入端的等效噪声端的等效噪声电压源电压源e en n和噪声电流源和噪声电流源i in n。如果运放输入端连接的外部信号源内阻为零，只考虑如果运放输入端连接的外部信号源内阻为零，只考虑e en n；否则还须考虑；否则还须考虑i in n的影响。的影响。图518 运算放大器的噪声模型模型中有两个电流噪声源模型中有两个电流噪声源，在运放

27、每个输入，在运放每个输入端产生噪声电压。端产生噪声电压。e en n热噪声热噪声e et t散弹噪声散弹噪声i ishsh1/f1/f噪声噪声e en n和和i in n是随机噪声，是随机噪声，非非确定性信号；确定性信号；e en n和和i in n幅度和功率取决于系统频带宽度，在低频段还取决于工作频率的高低。幅度和功率取决于系统频带宽度，在低频段还取决于工作频率的高低。功率谱密度函数：功率谱密度函数：(a)电压源的功率谱密度分布(b)电流源的功率谱密度分布图5.19 运放等效输入噪声源的功率谱密度分布白噪声1/f噪声热噪声et散弹噪声ish功率谱密度分布曲线为两部分拐点频率拐点频率2)运算放

28、大器的噪声性能计算等效噪声电压源和电流源的功率(即均方值):En：等效噪声电压源有效值In：等效噪声电流源的有效值(RMS值)。由功率谱密度函数分布曲线,可得fAfB ：工作频段 注意: 峰-峰值=有效值 x 概率密度函数的峰值系数6.6 l 运放的等效输入电压和电流噪声功率取决于3个因素：（1）平坦段白噪声的功率谱密度函数e2N、i2N；（2）1/f噪声与白噪声相交的拐点频率；（3）工作频带的高、低频率。高斯分布的随机噪声电路输出端总的噪声功率谱密度：电路输出端总的噪声功率谱密度：在等效噪声带宽在等效噪声带宽BeBe的输出总噪声的功率的输出总噪声的功率: : 公式成立的条件:各个噪声源产生的

29、噪声互不相关。 如果相关性不强 ，则近似成立。在综合工程中，不能对各个噪声源单独作用时的输出电压瞬时值进行叠加，只能对在综合工程中，不能对各个噪声源单独作用时的输出电压瞬时值进行叠加，只能对各单独输出的统计量各单独输出的统计量( (如功率谱、功率等如功率谱、功率等) )进行叠加。进行叠加。多噪声源的情况：多噪声源的情况：解：解： 画噪声等效电路：电阻的热噪声和运算放大器的输入端等效噪声源。画噪声等效电路：电阻的热噪声和运算放大器的输入端等效噪声源。b噪声等效电路5,1,10(a)差动放大电路 代入公式：代入公式：B为频带宽度l 普通运算放大器的内部噪声是很严重的。即使是低噪声运算放大器，其噪声

30、系数也很难达到专门设计的分立元件低噪声放大器的指标。l 当被测信号比较微弱时，一般都在运算放大器的前面附加分立元件前置放大器。5.1.3 低噪声放大器设计 前置放大器是微弱信号检测仪器引入噪声的主要部件之一. 系统的噪声系数和分辨力主要取决于前置放大器的噪声系数。前置放大器的设计内容最佳源电阻：最小噪声系数：低噪声前置放大器有源器件选择的依据 选择低噪声半导体器件；选择低噪声半导体器件； 确定电路级数和电路组态；确定电路级数和电路组态； 确定低噪声工作点，进行噪声匹配等工作。确定低噪声工作点，进行噪声匹配等工作。(2) (2) 根据根据RsRs的大小，选用合适器件，使的大小，选用合适器件，使

31、Rso RsoRsRs，达到噪声匹配，达到噪声匹配， 使使F F最小，最小，F=FminF=Fmin。当源电阻很小时，使用变压器耦合当源电阻很小时，使用变压器耦合, , 达到噪声匹配。达到噪声匹配。在高频情况下在高频情况下, , 利用共基极组态的低输入阻抗特点使放大电路达到噪声利用共基极组态的低输入阻抗特点使放大电路达到噪声匹配匹配. .输入电阻很小，则输入电容的充放电时间常数很短输入电阻很小，则输入电容的充放电时间常数很短。 选用合适的低噪声运放可使电路设计和调试简化。选用合适的低噪声运放可使电路设计和调试简化。 在集成运放噪声特性不能满足要求的情况下，可在集成运放前加一级或两级分立元在集成

32、运放噪声特性不能满足要求的情况下，可在集成运放前加一级或两级分立元件放大器，以提高整机的噪声特性。件放大器，以提高整机的噪声特性。2.2.噪声匹配噪声匹配通过改变放大器输入级的工作点调整放大器的通过改变放大器输入级的工作点调整放大器的RsoRso，达到，达到噪声匹配，以噪声匹配，以减小噪声系数。减小噪声系数。影响噪声匹配的因素：影响噪声匹配的因素： 当传感器当传感器源电阻很低源电阻很低时时，如热电偶，通过选择器件、改变工作点等，如热电偶，通过选择器件、改变工作点等方法难实现噪声匹配方法难实现噪声匹配; ; 当传感器源电阻很大时当传感器源电阻很大时, ,给噪声匹配带来不便。给噪声匹配带来不便。

33、单靠调整工作点不一定能使电路的噪声性能达到最佳单靠调整工作点不一定能使电路的噪声性能达到最佳; ;1)附加电阻对噪声系数的影响设放大器的噪声系数为F 最佳源电阻为Rso, 信号源内阻为Rs,。当RsRso时， 串联电阻Rs1， 使(a)原噪声电路(b)增加串联电阻后的噪声电路图5,1.12 增加串联电阻导致噪声特性变化实现噪声匹配了吗？增加两个额外的噪声源：增加两个额外的噪声源： F大于原来的噪声系数F。 增加的Rs1越大,噪声系数增加得越多。为达到噪声匹配，给信号源串联或并联电阻，结果会使放大器的噪声性能更恶化。2)利用变压器实现噪声匹配如果Rs不等于放大器的Rso，实现噪声匹配最好的方法是

34、改变信号源呈现在放大器输入端的阻抗。阻抗变换：变压器的噪声系数为变压器的噪声系数为1 1选择合适的圈数比n,以实现噪声匹配：例5.1.6 如果信号源输出电阻Rs=10 ，工作频率产1kHz，选用的前置放大器为0P07， 试求匹配变压器的圈数比和能达到的信噪改善比SNIR。解: OP07在产1kHz时的等效输入噪声平方根谱密度：放大器的最佳输入电阻：匹配变压器圈数比：当不使用变压器时：当使用变压器时，放大器的最小噪声系数：功率信噪比改善：电压信噪比改善：利用匹配变压器使得放大器输出信噪比有了大幅度提高。（1）实际变压器的噪声系数总是大于1。 变压器的线圈和铁芯有损耗电阻，产生热噪声，并对信号有衰

35、减，使信噪比和整 体噪声系数变坏。 只要等效到变压器初级的损耗电阻比信号源电阻足够小，可以利用变压器进信号源电阻足够小，可以利用变压器进 行噪行噪 声匹配声匹配。（2）被测信号必须是频率较高的交流信号。 对于直流、慢变和超低频信号不能用变压器进行噪声匹配变压器进行噪声匹配，须另选放大器或改变 放大器工作状态的方法来改善噪声系数。 当频率太高时，变压器的分布电容和分布电感会带来不利影响。（3）噪声匹配变压器的制作技术复杂，要求良好的铁芯材料，完善的电磁屏蔽措施。在实际应用中使用变压器进行噪声匹配受到的限制：3.反馈电路对噪声特性的影响 反馈电路对于有用信号、信号源噪声和放大器等效输入噪声的增益改

36、变同样的量值。 反馈支路的电阻会产生热噪声，而且输入噪声电流经反馈电阻会产生噪声电压，使放大器的噪声系数变坏。 如果反馈元件造成的不利影响很小，与信号源产生的热噪声相比可以忽略，那么可以利用反馈改变输入阻抗，实现噪声匹配。在低噪声电路设计中， 考虑通过噪声匹配来使系统的噪声系数尽量小， 考虑通过功率(阻抗)匹配来使传输的功率最大， 解决电缆终端反射的问题。 考虑利用负反馈改变放大器输入阻抗，减小放大器输入阻抗时，采用电压并联负反馈电路，反之采用电压串联负反馈电路。(a噪声电路图5.1.14 电压并联负反馈放(b)等效电路例：电压并联负反馈放大器。运放：高增益、高输入阻抗和低噪声设系统带宽为B，各噪声源互不相关，输入噪声源综合在一起的总输出噪声功率(均方差)：代入上式式中:B电路的等效噪声带宽。等效输入总噪声功率: :对比对比得得选