微弱信号检测2.6-3.2

1、w 第二章 放大器的噪声源和噪声特性w 2.6 低噪声放大器设计w 2.7 噪声特性测量w 第三章 干扰噪声及其抑制w 3.1 环境干扰噪声w 3.2 干扰耦合途径w 对于微弱信号检测仪器或设备，前置放大器是引入噪声的主要部件之一，整个检测系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系数。整个仪器可以检测的最小信号也主要取决于前置放大器的噪声。w 低噪声前置放大器的设计内容包括选择低噪声半导体器件，确定电路组态，确定低噪声工作点，进行噪声匹配等工作。w 另外还要根据放大器要求的总增益、频率响应、输入输出阻抗、动态范围、稳定性等指标，确定整体电路的级数、组态、反馈和频率补偿方法。w 只有在放大器的最

2、佳源电阻等于信号源输出电阻的情况下，才能使电路的噪声系数最小 放大器的最佳源电阻为Rso=e N/ i N , 由此得到的最小噪声系数为 Fmin=1+e N i N /2kT 低噪声放大器应尽可能选用e N i N 小的器件，此外e N i N 以及噪声 系数F都是频率的函数，各种低噪声器件只是在一定的频率范围内才能达到其最小噪声。 根据信号源电阻Rs的大小，可以选用合适类型的放大器件，以使其最佳源电阻Rso约等于Rs，以便在直接耦合方式下达到噪声匹配，使电路的噪声系数达到最小值。1从源电阻考虑，各种有源器件适用的源电阻范围2从工作频率考虑，有源器件的最佳源电阻Rso是频率的函数3. 放大器

3、输出的功率信噪比SNRp=ES2/Eni2, 2222m4nisnnsEkTR BEI R1、偏置电路低噪声设计 在源电路中增加电抗或任何额外电阻都可能增加系统的噪声系数，这给输入级偏置电路的设置带来了问题解决方法，以双极型晶体管为例 共发射极电路偏置 通过信号源进行偏置 射频电路偏置2.直流工作点的选择sECEesoRIIIrR40026. 0000fkTRRIRRFFssnss42121fkTRRReRRFFsssnss222242,1sossRRR使,2sossRRR使附加串连电阻噪声系数增大为：附加并联电阻噪声系数增大为：某晶体管在f =100kHz时的噪声因数等值图kTiefkTIE

4、FNNnn2121minNNsosieRRn2ssoRRn 得：minF利用变压器变换阻抗，则可达到最小噪声系数希望：等效电路：利用变压器变换阻抗的缺点和限制：变压器线圈和铁芯的损耗电阻会产生热噪声被测信号必须是频率较高的交流信号外来的电磁干扰会引入附加噪声制作复杂，材料要求高，需要电磁屏蔽措施2222NNNNMiiMeeMRMieMiMeieRsoNNNNNNso122minmin2121FkTiekTieFNNNN若M个有源器件并联，则多个运放并联减少最佳源电阻w 放大器中采用合适的反馈措施，可以有效地改善放大器的新能w 附加反馈支路不会改变放大器内部固有噪声源的任何指标，只会影响放大器的

5、外部表现。w 改变了放大器的增益、对于有用信号、信号源噪声和放大器等效输入噪声的增益都改变了同样的量值w 反馈支路的电阻分量会产生热噪声，并在反馈电阻两端产生噪声电压w 如能使反馈元件造成的不利影响很小，使该影响与信号源产生的热噪声可以忽略，那么可以利用反馈改变输入阻抗，以实现噪声匹配。并考虑通过功率匹配使传输的功率最大。w 只要反馈电路给信号源电路增加的阻抗与源电阻相比可以忽略，并且并联反馈中的反馈阻抗足够大，那么放大器的噪声特性基本保持不变。ffofffsf1eeeRReKeeeRieiRReKeeestttotnionnnon，输出噪声电压为为单独作用时，放大倍数电压为单独作用时，输出噪

6、声电压为单独作用时，输出噪声电压为单独作用时，输出噪声1电压并联负反馈放大器2fo222f222fo2222noEEKRIEKEEEEEtnntoiono总f222222no2ni44RkTBRBkTRRIEKEEsssnn总总BkTRRIEEssaa42222ni总222f22224saassnnRIERkTBRRIEna, 0EERs可得：令SfRRK 由等效电路得对比两式可得2s2a2af22224RIERkTBRRIEssnn2222224asafnsnIRERkTBIRE得两边除以,2sRf224RkTBIIna代入上式得将式naEE 反馈支路的引入对放大器等效输入电压噪声无影响，只

7、是使得等效输入电流噪声增加了一项取决于反馈电 阻 的热噪声fR222na4pnPnaRIkTBREEII2f1f2f1fRRRRRp2222ni4psnnpspssRRIERRkTBERRR总增加到相当于信号源电阻由w 1、信号源输出阻抗为复数2222222nns()1144sssnsnsssZRjXEIZEIRXFkTRfkTRf可通过在信号源和放大器之间连接一个电抗-jXs 可以抵消Xs的不利影响，当Xs是感抗时，要连接一个电容，当Xs是容抗是容抗时，要连接一个电感。w 2、放大器的en与in相关w 晶体管的极间电容和引线的分布电容会导致各噪声源之间的互相耦合，导致en与in 之间产生相关

8、性，设其相关系数为，其实部和虚部分别为1和 22222nn2222nn222N2222N12422144214()2214nisnsnsninsnsssNsN NssNssN NsN NssEkTRfEIRE I REEIRE I RFkTR BkTRfeiRe i RFkTReiRXe i Re i XFkTR 对F求导，并令其等于0，可以求出最佳源电阻和源电抗，以及噪声系数的最小值。N2N2222N212N2N221min22mine(1)2141.( 1)121111RsoNsN NssN NsssossoeXieiRe i RFkTReRsoie iFkTFFRRRXX 22minem

9、in1111R/12sssossosososoNNN NF FRRRXXXXXReie iFkT 只有当信号源阻抗满足Rs=Rso, 以及Xs=Xso时，放大器才能达到最佳的噪声性能。为了满足Xs=Xso ，可以在信号源与放大器之间串联电抗X0 ,为了满足Rs=Rso ，不能采用信号源或并联电阻的方法，只能采用选择器件，调整工作点，增设匹配变压器等方式。当工作频率不是很高时，放大器的噪声相关系数可以忽略，Xso=0w 2.7.1噪声功率和有效值测量1、测量误差 测量精度决定了测量过程的复杂程度和测量设备的费用，应控制在适当的水平。22n(1)(1)npeEE22pee2、利用示波器观测噪声 在

10、测量精度要求不高的场合，但可以粗略地判断噪声来源3、噪声声音分析 对于音频噪声，可以将噪声放大并用喇叭发声，通过听取喇叭发出的噪声声音，可以分析噪声的种类。4、利用仪表测量噪声幅度放大器：足够的增益，且本身的噪声要足够小检波器：将交流噪声转换为直流信号平均器：滤除检波器输出信号的交流波动直流表：读数 201 ( /)nnnSS ff f22(0)( )()1 ( /)cGG fH jfff( )( ) ( )onnSfSf G f 22000( )01(/)2nnnnnnSESf dfdff Sff20011()()()(0)(0)MonnESf dfSf G f dfGG 222001.0,

11、/1 ( /) 1 ( /)2 1 1/nMnncnncSEdfSfffffff2221111/MnncnEEEff放大器和测量装置的带宽要远远大于噪声的带宽w 测量在某个频率点处的功率谱密度，要在很窄的频带宽度内进行，但测量所需要的时间反比于测量电路的带宽，因为，要尽量使用较宽的频带宽度1、测量误差分析 取决于噪声的谱密度在测量滤波器的带宽范围内的变化情况。2mm0( )( )nESf Gf df测量噪声在频点fo的谱密度：Gm(f) ：测量电路的功率增益响应fo：测量电路的中心频率Sn(f)：被测噪声的功率谱密度测得的噪声功率为：w 1.Gm(f)的带宽足够窄w 2.Sn(f)在Gm(f)

12、的频带宽度内有微小变化2m0m000()( )()nnPmESfGf dfSf G Bm001()mPBGf dfG2m00()nPmESfGBGPO：测量电路在频率f0处的功率增益Bm：测量电路的等效噪声带宽2000001( )( )( )()( )()2nnnnS fS fS fffSfff2m0m000()( )()nnPmESfGf dfSf G BGm(f)对称于f0Sn(f)在f0 处线性变化w 3. Sn(f)在Gm(f)的频带宽度内有微小变化，且Sn(f)在f0 处有明显弯曲。 对于1/f噪声：22m00001()()2nPmnPmmESfGBSfGB22m0m00( )()/

13、( )mGfffdfGf df对于矩形的Gm(f)22/12mmBSn(f0)=Kf/foSn(f0)=2Kf/f03Kf是取决于电流和接触面性质的系数w 在感兴趣的频率范围内获取完整的功率谱密度函数，不但可以显示随机噪声的频谱，还可以显示出周期干扰在频谱上的突出线w 噪声系数是四端网络的一种品质因数，反映了四端网络对信噪比减低的程度，也就反映了网络自身所产生的噪声的严重程度。w 取决于信号源输出电阻的热噪声和系统本身产生的噪声w 计算放大器的噪声系数需要做两个测量： 在放大器输入端对地短路情况下，测量放大器本身噪声在其输出端呈现的噪声功率 测量放大器对校准了的信号源的响应（正弦波信号源或宽带

14、噪声发生器）220()nopniEKf E2222m4nisnnsEkTR BEI R222soonoEEE220( )/psosKfEE222220.()nosninopsoEEEEKfE2222222mmm1.444/1nisnossssosonoEE EEFkTRBkTRB EkTRBEE两种简化方法22sonoEE2m4ssEFkTR B222m.4snosoEEFkTR BE2m04()nospEFkTR B Kf2msEPB2snEPB221.4/1sonoPFkTREE22/24onosPEEFkTR时，2222.4noonosoEPEEFkTRE时，w 最佳源电阻和最小噪声系数

15、 作图法w 等效输入噪声电压和等效输入噪声电流 w 等效噪声温度测 其中，Y是热态输出功率与冷态输出功率之比w 电阻过剩声测量u干扰噪声： 由某个外部干扰源产生噪声，并经过一定的途径将噪声耦合到信号检测电路中（电磁场耦合，机械振动等）。u对检测结果影响的大小与检测电路的布局和结构密切相关，取决于干扰源和耦合途径的特性。u随机性+确定性u削弱方式： 降低噪声的功率 削弱耦合途径的耦合强度 通过改变检测电路的布局和结构改善干扰噪声的敏感性u干扰噪声源：电磁兼容性；机械性：受温度波动影响u常见的噪声源 电力线噪声 电器设备噪声 射频噪声 地电位差噪声 雷电 天体噪声 机械起源的噪声 其他噪声源u尖峰

16、脉冲l 产生原因：电网中大功率开关的通断，电机、变压器和其他大功率设别的启停以及电焊机等原因l 特点：幅度54000 V， s量级，频繁，220V工频电网的主要干扰源l 危害：检测波形的畸变、信号处理计算机的程序跑飞和死机u工频电磁场：由工频电力线供电的现场，高电压或高电流情况下，会在检测电路的导体和信号回路中感应出50HZ的干扰噪声u电网电压波动：电压波动15 %, 常出现在电源稳压电路性能不高的检测电路中。u放电干扰l 辉光放电：产生超高频电磁波，其强度取决于放电电流（荧光灯和霓虹灯）。l 弧光放电：产生高频电磁波辐射，造成局部电网的电压波动和尖峰脉冲干扰（电焊）。l 火花放电：电气设备通

17、断的瞬间，触点间的断续电流。频率范围宽，辐射能量大。l 电晕放电：高压电线绝缘失效时产生 间歇脉冲电流。变压器可大幅度滤除高频分量（低通滤波作用）。u特点： 广播电视、雷达, 频率范围很广，100 kHzGHZ, 调制或随机, V级。u频率范围高于检测信号的频率范围，利用滤波器可以有效抑制射频噪声的不利影响。w 检测系统的不同部件采用不同的接地点，这些接地点会存在或大或小的地电位差。w 噪声频率范围很可能与信号频率范围相重叠，滤波难以解决，应采用合适的接地技术或隔离技术。u一次电流达 106A，上升时间 1s ，u云地面感应电场110kV/m，电位差高达几千伏。u发射频率50100 MHz 。

18、w 宇宙射线和太阳黑子w 频率很高（GHz 量级），影响不大u摩擦电效应：电荷转移 解决方法：减小电缆两端连接导体的电阻；电缆绑紧扎固以减小或消除电缆的弯曲；采用特殊的低噪声电缆；所有连接线尽量短，并固定在不振动的结构上，远离温度变化较大的电流，以防热胀冷缩。u导体在磁场中的运动（法拉第定律）u压电效应 解决方法：通过防振动安装来减少检测电路的振动，或通过选择压电效应较小的绝缘材料u颤噪效应机械原因导致两个导体的相互位置发生变化，从而导致电容的变化 解决方法：避免关键电路元件发生机械振动；降低携带微弱信号的电缆的稳态电压u电化学噪声 成因：电化学物质的污染与湿气混合形成电解液，并与接触的电路中

19、的不同金属构成电化学电池 解决方法：彻底清洁电路板，并用防潮涂料处理覆盖电路板u温度变化引起的噪声 成因：温差电动势 解决方法：避免形成不同金属的接点；敏感部位采用低温度系数的电阻；采用对称平衡的差动输入放大器电路；把敏感电路装配在高导热率、大热容量的散热器上。u触点噪声：机械振动或温度变化使不良触点的接触电阻发生变化，并形成噪声电压。w 在任何频段，都找不到不存在干扰噪声的间隙u抑制噪声的三种方法： 消除或削弱干扰源 设法使检测电路对干扰噪声不敏感 使噪声传输通道的耦合作用最小化u辐射场耦合是最普遍的耦合方式，设其辐射场波长为， 距离小于/2，分别考虑电场耦合和磁场耦合，其中电场耦合通过导线

20、之间的分布电容来计算，磁场耦合通过导线之间的互感来计算 距离大于/2，主导的耦合方式是辐射电磁场u其他耦合方式：传导耦合和公共阻抗耦合u传导耦合 经导线传导引入干扰噪声，也包括电感、电容和变压器引入干扰噪声。 耦合途径：噪声源和检测电路之间的电气连接 解决途径：使信号线尽量远离噪声源；在信号线和电源线进入检测系统时，采取有效的去耦合滤波措施。u公共阻抗耦合：发生在两个电路 的电流有共同通路的情况中。当 其中的任何一个电路的电流产生 波动时，都会在公共导线的阻抗 上产生波动电压，形成对其他电 路的干扰。 合适的接地措施可以有效地克服公共阻抗耦合噪声。 u电源耦合l 来源 直流电源上会不同程度地叠

21、加来自电源电路中的整流器、电压调节器以及其它元件的固有噪声 直流电源的输出阻抗以及连接导线的阻抗不为零，使电路的工作电流变化也导致电源电压的波动 工频电网上连接着的高频设备会使电源线上叠加一些高频噪声 工频电源线还是各种射频干扰的接收天线，接收各种无线广播和无线通信的射频信号u电源耦合l 解决方法 选用低噪声、低输出阻抗的电源。 增设电源滤波电容和放大器偏置电路滤波电容 在交流输入侧并联压敏电阻可以有效抑制尖峰干扰和电网出现的浪涌电压。为尖峰干扰提供了低阻通路。 添加交流噪声滤波器。 对于高频干扰，可采用 电源变压器绕组屏蔽 的方法。1. 并行导线间分布电容：pFcosh1dDKLC例如：5c

22、m长相距1mm的直径1mm平行导线，pFC2pF2ln3dDKLCdD 时，当。度，较短的一根导线的长；，；导线直径，；导线间的中心距离，mmmmpF1085. 8Kmmmm3LdD式中：。距离，导线中心与平面间的；导线的直径和长度，、mmmmhLd。则pF2C例如：5cm长、直径1mm的导线与平面相距1mm，式中：pF4ln18dhLC CfRjCfRjuViii212ufCRjVfCRiii2, 12上式可简化为若。则交流电压，的为设mVVHzfukRpFCii4 . 1V22050,10,2mV40A4V2iiiRVdtduCisdtdu，则：若w 放大器的输入电阻越高，噪声频率越高，放

23、大器对电场耦合噪声越敏感。22ivi2ivi2()()/()1221()()2iuiuiujfR CSfSfVuSfjfR CfR CSfSfjfR C当时 ，w 信号线远离电源线w 敏感信号线使用屏蔽电缆，并将屏蔽层接地，能够有效抑制电场干扰噪声ririB701022。距离，空气的导磁率；式中：mr0cos2rmsrmsfABV2电磁感应耦合设平均磁场 的有效值为 ， 的方向与感应平面法线之间的夹角为 ，则ABrmsBAB1. 电流的磁场，推导过程见书128页dtdiMv12HdLLHdLLM12ln2 . 012ln20导线间距。平行长度；dLHMmmdcmL072. 0,2,10则例：3经互感耦合非铁磁平行导线