第二章 信号测量基本条件-5

1、生物医学电子学生物医学电子学生物医学电子学第二章第二章 信号测量的基本条件信号测量的基本条件 Biomedical Electronics第一节第一节 人体测量的电磁干扰人体测量的电磁干扰第二节第二节 测试系统的噪声测试系统的噪声 第三节第三节 低噪声放大器设计低噪声放大器设计 1生物医学电子学 生物医学信号测试系统中，各种器件生物医学信号测试系统中，各种器件( (如电极、二极管、如电极、二极管、晶体管、运放及电阻等晶体管、运放及电阻等) )都会产生噪声。都会产生噪声。 它们对于信号噪声比或测量精度的影响与它们在系统它们对于信号噪声比或测量精度的影响与它们在系统中的位置中的位置( (或功能或功

2、能) )有关系。有关系。 一般前置级的有源器件和无源器件的噪声与提取的信一般前置级的有源器件和无源器件的噪声与提取的信号一同放大，获得最大的放大倍数，相对而言，比信号传号一同放大，获得最大的放大倍数，相对而言，比信号传输过程中器件的噪声造成的危害严重。输过程中器件的噪声造成的危害严重。在放大器前置级设在放大器前置级设计中，器件的选择应格外予以注意计中，器件的选择应格外予以注意。2.2.4 2.2.4 器件的噪声器件的噪声 2生物医学电子学(一)电阻的噪声 电阻中都存在热噪声。电路中的电阻元件电阻中都存在热噪声。电路中的电阻元件R R，可等效成，可等效成一个一个无噪声电阻无噪声电阻R R和一个噪

3、声电压源和一个噪声电压源 相串联，相串联，或或无噪声电阻无噪声电阻R R和噪声电流源和噪声电流源 相并联。相并联。2.2.4 2.2.4 器件的噪声器件的噪声 fKTRUn4RfKTRIn/43生物医学电子学 等效方法等效方法很方便地简化任何复杂电阻网络的噪声。各个电阻很方便地简化任何复杂电阻网络的噪声。各个电阻的噪声源是互不相关的，所以的噪声源是互不相关的，所以电阻网络的总噪声电压均方根值电阻网络的总噪声电压均方根值应等于各个电阻的噪声电压均方根值之和。应等于各个电阻的噪声电压均方根值之和。串联电阻网络用噪声电压源等效电路比较方便；串联电阻网络用噪声电压源等效电路比较方便；并联电阻网络用噪声

4、电流源等放电路比较方便。并联电阻网络用噪声电流源等放电路比较方便。4生物医学电子学1 1、在温度相同的情况下，串联电阻、在温度相同的情况下，串联电阻(R(R1 1、R R2 2、R Rn n) )网络的总网络的总噪声电压等于电阻值为噪声电压等于电阻值为 的电阻所产生的噪声电压，的电阻所产生的噪声电压，如图所示如图所示 。 2 2、温度相同的电阻并联时，其噪声电压等于总并联电阻产、温度相同的电阻并联时，其噪声电压等于总并联电阻产生的噪声电压，如图所示。生的噪声电压，如图所示。结论：结论：niiRR15生物医学电子学3 3、有的电阻除热噪声外还存在、有的电阻除热噪声外还存在较大的较大的1 1f f

5、 噪声噪声，其均方根噪声电压随频率下降而增加，其均方根噪声电压随频率下降而增加，1 1f f 噪声在噪声在电流流过电流流过不连续导体不连续导体时表现明显。时表现明显。合成碳质电阻合成碳质电阻是碳粒同粘合剂的混合物压制而成，是碳粒同粘合剂的混合物压制而成，由于导电率的不均匀而产生电流脉冲，形成由于导电率的不均匀而产生电流脉冲，形成1 1f f 噪噪声。声。合成碳质电阻器合成碳质电阻器1 1f f 噪声最大，噪声最大，金属膜、线绕电阻金属膜、线绕电阻1 1f f 噪声较小。噪声较小。 6生物医学电子学 电容器实际存在介质损耗，即电容器的漏电，电容器实际存在介质损耗，即电容器的漏电，相当于理想电容器

6、两端并联一个电阻相当于理想电容器两端并联一个电阻R Rp p，所以构成，所以构成电容器阻抗的实部分量，成为电容器阻抗的实部分量，成为电容器的热噪声源电容器的热噪声源。 电容器在工作时还存在电容器在工作时还存在1 1f f 噪声，远比热噪声噪声，远比热噪声的影响大的影响大，在生物电信号提取的低频放大器中，电，在生物电信号提取的低频放大器中，电容器的阻抗不能有效地旁路电容器本身的噪声。容器的阻抗不能有效地旁路电容器本身的噪声。 作为耦合电容，低频电路中的大容量电容，其作为耦合电容，低频电路中的大容量电容，其噪声的危害是比较突出的。噪声的危害是比较突出的。(二)电容器的噪声7生物医学电子学漏电小的电

7、容器漏电小的电容器R Rp p很大，很大， 值小，旁路噪声的能力强。值小，旁路噪声的能力强。一般电容器一般电容器的的 为为1010-2-2-10-10-3-3数量级；数量级；云母和瓷片电容器云母和瓷片电容器的的 可达可达1010-14-14数量级；数量级；铝电解电容器铝电解电容器漏电大，受温度影响大，准确度低；漏电大，受温度影响大，准确度低；钽电解电容钽电解电容性能稳定，寿命长，准确度高，生物电信性能稳定，寿命长，准确度高，生物电信号提取电路的大容量电容应选择钽电解电容。号提取电路的大容量电容应选择钽电解电容。pcRarctg1电容器的质量通常用损耗角电容器的质量通常用损耗角 表示表示8生物医

8、学电子学 用作输入耦合、隔离、阻抗匹配的变压器，其噪声性能至关重要。在外磁场作用下，变压器的磁性材料磁化的不连续性，呈现出磁起伏噪声，并且变压器可能把外界干扰耦合到电路里来。所以，除了提高变压器本身的工艺质量外，外加良好的磁屏蔽是很重要的。 (三) 耦合变压器的噪声效应 91U2U1u2uLZ生物医学电子学 场效应管的噪声来源基本有三种场效应管的噪声来源基本有三种 1 1沟道热噪声沟道热噪声 由场效应管沟道中多数载流子的随机热运动由场效应管沟道中多数载流子的随机热运动所导致，与沟道电阻有关。用与沟道并联的噪声所导致，与沟道电阻有关。用与沟道并联的噪声电流源表示为电流源表示为(四)场效应管的噪声

9、fgKTImns)32(42式中式中g gm m为场效应管的跨导，系数为场效应管的跨导，系数2/32/3为一近似值。跨导越大，使沟道中多为一近似值。跨导越大，使沟道中多数载流子数目愈多，噪声电流变大，此式在饱和区和非饱和区都适用。数载流子数目愈多，噪声电流变大，此式在饱和区和非饱和区都适用。 沟道热噪声等效为噪声电压源，有沟道热噪声等效为噪声电压源，有fgKTUmns)132(4210生物医学电子学 由栅极泄漏电流或耗尽层电子、空穴的运动等各种因由栅极泄漏电流或耗尽层电子、空穴的运动等各种因素所造成。等效为散粒噪声电流源为素所造成。等效为散粒噪声电流源为2. 2. 栅极散粒噪声栅极散粒噪声由由

10、沟道热噪声沟道热噪声和栅极散粒噪声计算公式可见，它们都具和栅极散粒噪声计算公式可见，它们都具有常数谱密度特点，都有常数谱密度特点，都属于白噪声属于白噪声。 式中式中q q为电子电荷，为电子电荷，I IG G为栅极漏电流。为栅极漏电流。fqIIGng 2211生物医学电子学 低频段低频段( (如如100Hz100Hz以下以下) )，场效应管的，场效应管的1 1f f 噪声将成为主噪声将成为主要危害。由空间电荷层内电荷的产生与复合造成沟道电流要危害。由空间电荷层内电荷的产生与复合造成沟道电流的波动而产生噪声，其谱密度遵守的波动而产生噪声，其谱密度遵守1 1f f 规律规律3 31 1f f 噪声噪

11、声ffKInf12 式中式中K K1 1为实验常数（为实验常数（1010-15-1510-10-1212） 在场效应管的栅极存在栅极散粒噪声；沟道存在沟道热噪在场效应管的栅极存在栅极散粒噪声；沟道存在沟道热噪声和声和1 1f f 噪声。因为沟道热噪声和噪声。因为沟道热噪声和1 1f f 噪声直接调制了沟道噪声直接调制了沟道电流的变化，故可认为它们发生在漏极。电流的变化，故可认为它们发生在漏极。12生物医学电子学将三种噪声源分别在栅极和漏极上标出，并认为它们是将三种噪声源分别在栅极和漏极上标出，并认为它们是互不相关的，则得到场效应管的噪声等效电路。互不相关的，则得到场效应管的噪声等效电路。图中图

12、中I Insns为信号源电阻噪声，为信号源电阻噪声，I Intnt为沟道热噪声，为沟道热噪声，I Infnf为为1/f 1/f 噪声，噪声，I Ingng为栅极散粒噪声为栅极散粒噪声13生物医学电子学应用等效电路，可求出场效应晶体管的应用等效电路，可求出场效应晶体管的U Un n、I In n参数。参数。场效应管低频噪声等效电路场效应管低频噪声等效电路输出端噪声电压输出端噪声电压U Unono 22222222222)()()()()(dsnfntngnsdsmdsnfntdsgsmnoRIIIIRRgRIIRUgUgssgssgssRRRRRRR/其中14生物医学电子学电压增益电压增益gss

13、dsgsmsRRRRguuA0输入等效噪声电压均方值输入等效噪声电压均方值 222222222222222)()()(gsmgssnfntngsnsgsmgssnfntngnssnoniRgRRIIIRURgRRIIIIRAUU15生物医学电子学fqIRgffKfgKTRgIIIIgffKfgKTgIIUGgsmmgsmnfntngnmmmnfntn2)/()32(4()/()(/ )32(4(/ )(2122222212222场效应晶体管的噪声源中，沟道热噪声和场效应晶体管的噪声源中，沟道热噪声和1 1f f 噪声是主噪声是主要的，忽略栅极散粒噪声，并用要的，忽略栅极散粒噪声，并用Rs =

14、0Rs = 0和和Rs0Rs0的方法，的方法，得到得到UnUn和和InIn参数参数 结论：1 1、UnUn噪声由沟道热噪声和噪声由沟道热噪声和1 1f f 噪声组成。噪声组成。2 2、InIn噪声还有栅极散粒噪声，但对于噪声还有栅极散粒噪声，但对于MOSFETMOSFET可忽略。可忽略。3 3、增大跨导，可减小、增大跨导，可减小UnUn、InIn。4 4、MOSFETMOSFET的低频噪声比的低频噪声比JFETJFET大。大。 16生物医学电子学212212)/(gsmnmnRgffKIfgfKU在低频时，仅考虑在低频时，仅考虑1/f 噪声噪声低频最佳源电阻等于低频最佳源电阻等于R Rsoso

15、=R=Rgsgs时，有最小的噪声系数时，有最小的噪声系数 gsmnnRKTfgKfKTIUF21min2121 结型场效应管具有比晶体管小的噪声系数，结型场效应管具有比晶体管小的噪声系数，g gmm、R Rgsgs越越大大U Un n、I In n越小，噪声系数越小。越小，噪声系数越小。 中频时（可以参照中频时（可以参照p53p53），在最佳源电阻），在最佳源电阻R Rsoso附近，噪附近，噪声系数也低于晶体管。声系数也低于晶体管。17生物医学电子学双极晶体管的噪声源双极晶体管的噪声源(1)(1)基区扩散电阻基区扩散电阻r rbbbb的热噪声的热噪声 (2)(2)基极电流基极电流I IB B和

16、集电极电流和集电极电流I IC C起伏产生散粒噪声起伏产生散粒噪声 (3)(3)基极电流基极电流I IB B流经基极流经基极- -发射极耗尽区，产生发射极耗尽区，产生1 1f f 噪声噪声 (五)双极晶体管的噪声fKTrUbbnb42fqIIfqIICncBnb2222fIqffIKIrBLrBnf212式中式中r r在在1212之间，通常取之间，通常取1 1；实验常数；实验常数K K1 1在在1.21.21010-5-52.22.21010-12-12之间，可以用之间，可以用2qf2qfL L代替，代替，q q为电子电荷，为电子电荷， f fL L为为1/f1/f噪声转折频率，噪声转折频率，

17、在在3.7KHz7MHz3.7KHz7MHz之间，当之间，当f f f fL L时时1/f1/f噪声可不考虑。噪声可不考虑。18生物医学电子学晶体管的噪声等效电路晶体管的噪声等效电路输出端总噪声电压输出端总噪声电压)(22222ebmnccenoUgIrU22222222)()(/)(ebbbsebnbnsebbbsnfnbebZrRZUUZrRIIUebebebCjrZ1/其中19生物医学电子学折合到输入端，求出总等效输入噪声电压折合到输入端，求出总等效输入噪声电压ebbbscemebsoZrRrgZUUA等效输入噪声电压与晶体管参数、温度、工作点电流、频率、等效输入噪声电压与晶体管参数、温

18、度、工作点电流、频率、源电阻有关。源电阻有关。 2222222222)()(nbnsbbsnfnbmebebbbsncnoniUUrRIIgZZrRIAUU在低频时，对在低频时，对1/f 1/f 噪声进行修正，以噪声进行修正，以r rb b代替代替r rbbbb，化简为，化简为mebbsBebbbscbbsBbbsnigrrRfIKZrRfqIrRfqIrRfKTU02120222)()(2)(2)(4其中20生物医学电子学利用近似方法求晶体管的噪声参数利用近似方法求晶体管的噪声参数当当Rs = 0Rs = 0时，时，2120222)(224bBebbbcbbBbbnrfIKZrfqIfrqI

19、frKTU将将U U2 2ni ni除以除以R R2 2S S，令，令R RS S 00fIKfqIfqIIBcBn1202/22低频（低频（f ff fL L）时，）时，1 1f f 噪声起主要作用，忽略其他分量，则噪声起主要作用，忽略其他分量，则 fIqfIrfIqfUBLnbBLn2222221生物医学电子学最佳源电阻最佳源电阻21bbbnnsorrIUR最小噪声系数最小噪声系数0min121ffgrffKTIUFmbLnn选择较小的基极电阻、较低的静态工作状态、较大的选择较小的基极电阻、较低的静态工作状态、较大的 0 0可减小噪声系数。可减小噪声系数。这一结论对中频段也适用，中频时的参数、这一结论对中频段也适用，中频时的参数、最佳源电阻、最佳源电阻、最小噪声系数参见最小噪声系数参见p56。22生物医学电子学 集成器件的噪声是组成它的各元件噪声的综合，通常以集成器件的噪声是组成它的各元件噪声的综合，通常以其输入端噪声参数其输入端噪声参数UnUn、InIn表示。运算放大器的输入级是确表示。运算放大器的输入级是确定其噪声性能的关键，大多数运放器件的输入级采用定其噪声性能的关键，大多数运放器件的输入级采用差动输差动输入入，用两个，用两个( (或四个或四个) )输入晶体管，等效输入噪声电压就约为输入晶体管，等效输入噪声电压就约为单一晶体管