微弱信号检测：噪声与低噪声设计

1、上海理工大学上海理工大学微弱信号检测微弱信号检测Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 微弱信号检测概述微弱信号检测概述微弱信号不仅指信号的幅度小，主要指被噪声微弱信号不仅指信号的幅度小，主要指被噪声淹没的信号。淹没的信号。“微弱微弱”是相对于噪声而言的。是相对于噪声而言的。环境噪声很大时（军工路）。环境噪声很大时（军工路）。”静得连一根针掉下来都能听到静得连一根针掉下来都能听到”分贝计算公式分贝计算公式10*lg(P/Pref)，其中，其中Pref=20mPa，P为声功率为声功率例：两个例：两

2、个60分贝的声音合成。分贝的声音合成。60=10*lg(P/Pref)，所以，所以P=20000两个两个60分贝的声音合成，分贝的声音合成，P=2*20000=40000，所以总的分贝是：所以总的分贝是：10*lg(40000*1000/20）=63dB 研究抑制噪声和提高信噪比。研究抑制噪声和提高信噪比。常规的方法：滤波；调制解调常规的方法：滤波；调制解调Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 1 11 1 噪声的基本概念噪声的基本概念 一一. . 干扰与噪声的定义：干扰与噪声的定义：扰乱有用

3、信号的任何不期望的内扰乱有用信号的任何不期望的内部产生的扰动称为部产生的扰动称为内部内部噪声或噪音，外部产生的扰动称干扰。噪声或噪音，外部产生的扰动称干扰。但无论内部噪声还是外部干扰，这里统称噪声。但无论内部噪声还是外部干扰，这里统称噪声。 二二. . 噪声的统计规律（意义）噪声的统计规律（意义）Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 1. 1. 符合统计规律的正态分布符合统计规律的正态分布 概率密度概率密度: : 均方值均方值: :均方根值均方根值: :平均值平均值: :a: 数学期望，在这里

4、是噪声电压的平均值，等于数学期望，在这里是噪声电压的平均值，等于0。01lim0dtxTxTT)(1lim022xDdtxTxTT)(2xDxYang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 2. 噪声测量噪声测量交流电测量交流电测量 i = I m sin t 整流后测平均值：整流后测平均值：而有效值：而有效值：I效效/ I平平 1.11 I效效1.11 I平平因而修正刻度，即将测得的因而修正刻度，即将测得的I I平平 再乘以再乘以1.111.11后，最后得到后，最后得到I I效效。 由于噪声不是正弦波

5、，而是短尖脉冲，故测量方法相同，但不是由于噪声不是正弦波，而是短尖脉冲，故测量方法相同，但不是乘上乘上1.111.11修正刻度，而是通过经验得到修正值是修正刻度，而是通过经验得到修正值是1.131.13。现有的噪声表。现有的噪声表都是将噪声整流后测平均值，再用都是将噪声整流后测平均值，再用1.131.13修正得到噪声的有效值。修正得到噪声的有效值。 mTIdtiTI210平mTIdtiTI21102效11. 1221mmIIII平效Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 三三 随机噪声的功率谱密

6、度及相关函数随机噪声的功率谱密度及相关函数1 1自相关函数自相关函数 dttxtxTRTTT)()(21lim)(Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 2)(RYang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST ：角频率，：角频率，f ：频率，：频率， P（，）处带宽处带宽之间噪声的平均功率。之间噪声的平均功率。,lim)(0PSfffPfSf,lim)(0Yang Hui, School of Optic

7、al-electrical and Computer Engineering, USST 已知已知S( ()或或S( (f), 就可求得噪声得平均功率（均方值）：就可求得噪声得平均功率（均方值）： 特点：特点：1）频带增加，）频带增加，PN 上升，欲使上升，欲使PN下降，减少通频带下降，减少通频带减少噪减少噪声带宽；声带宽；2）S（）所覆盖的面积，在数值上等于噪声的总功率。）所覆盖的面积，在数值上等于噪声的总功率。 3）S （）是）是的实偶函数。的实偶函数。2121)(1)(112122ffNdffSffdSxPYang Hui, School of Optical-electrical an

8、d Computer Engineering, USST 4 4功率谱密度与自相关函数的关系功率谱密度与自相关函数的关系（维纳（维纳- -辛钦定量）辛钦定量）deRSj)()(deSRj)(21)(Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 自相关函数和功率谱密度的形状都与随机噪声变化的速度有关自相关函数和功率谱密度的形状都与随机噪声变化的速度有关Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 例例1-1 随

9、机噪声随机噪声x(t)的自相关函数的自相关函数)exp()(2xR求其功率谱密度函数和功率求其功率谱密度函数和功率Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 22222)exp()(deSjx 222222arctan1221dtxEPx2)0(xxRPYang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 五五. . 噪声源的相关性噪声源的相关性 22212121limuudttutuTCTTTYang Hui,

10、School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 六、信噪比（六、信噪比（SNR）及信噪改善比（）及信噪改善比（SNIR） Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 2几种典型噪声的几种典型噪声的 S（）:Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST BBBBNRsin2)(0Yang Hui, School of Optical-el

11、ectrical and Computer Engineering, USST kTRfSt4)(1-2 电阻的热噪声电阻的热噪声功率谱密度函数：功率谱密度函数：在室温下（在室温下（17），），4kT1.610-20等效功率：等效功率：kTRBPEtt4开路热噪声电压有效值：开路热噪声电压有效值：kTRBPt4适用范围：频率不是很高适用范围：频率不是很高（1012Hz）。）。开路热噪声电流有效值：开路热噪声电流有效值：RkTBIt/4Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST Yang Hui, S

12、chool of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 2122212122212212222ttttttttttteEeEeEeeeeEeeEE串et1和和et2互不相关互不相关 222122212tttttEEeEeEE串Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST Yang Hui, School

13、 of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 三三. PN结的散弹噪声结的散弹噪声Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST dcshqIfS2)(BqIPIdcshsh2dcshshIBIi101066. 5/BdcdcshBqIdfqIP22电流有效值：电流有效值：平方根谱密度：平方根谱密度：给定电流的频带宽度：给定电流的频带宽度：Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer

14、Engineering, USST BqIPdcsh2Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 四四. 爆裂噪声爆裂噪声流过半导体流过半导体PN结电流的突然变化，原因是半导体材结电流的突然变化，原因是半导体材料中的杂质。料中的杂质。Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 五五. . 结论结论 Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer En

15、gineering, USST 1-3 1-3 有源器件的噪声有源器件的噪声 oiSNRSNRF pninoKPPF sisopPPK nosonisisisoninoPPPPPPPPF/信噪改信噪改善比善比nanipnoPPKPnipnaPKPF1系统或系统或放大器放大器Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 噪声系数噪声系数F的用途：可检测的最小信号的用途：可检测的最小信号输出最小信噪比输出最小信噪比SNR0=Pso/Pno达到一定的指标。达到一定的指标。niosisisoninoPSNRP

16、PPPPFniosiPSNRFPniosiiPSNRFPE例：放大器的输入噪声只有信号源电阻例：放大器的输入噪声只有信号源电阻Rs=1K欧的热噪声，温欧的热噪声，温度为度为17，放大器等效噪声带宽，放大器等效噪声带宽B=1KHz，噪声系数，噪声系数F=2，要求，要求SNR0=10，试求系统可检测的最小信号，试求系统可检测的最小信号Ei。VSNRFBkTREosi566. 04最小信号最小信号Ei，F，B，Rs有关。有关。Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 如如何何得得到到E En n和和I

17、In n 放大器的噪声模型放大器的噪声模型Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 222222snntsnntniRieeRieee222222224snnssnntniRIEfkTRRIEEE放大器的等效输入噪声与信号源内阻的关系放大器的等效输入噪声与信号源内阻的关系Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 222222224snnssnntniRIEfkTRRIEEE高噪声放大器高噪声放大器低噪

18、声放大器低噪声放大器Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 最佳源电阻与噪声匹配最佳源电阻与噪声匹配fkTRRIEfkTRRIEfkTRPKPKPPFsSnnsSnnsnipnopnino4144222222 , 0sRF0sRFnnsoIER/fkTieFNN21minssososRRRRFF211minYang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 不同放大器的不同放大器的NF随随Rs/Rso变化的曲

19、线变化的曲线噪声因子噪声因子NFNFFNFlg10NF=0,NF=0,即即F=1F=1，为理想无噪声放大器。，为理想无噪声放大器。NFNF越大，放大器性能越差越大，放大器性能越差Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 考

20、虑考虑3 3级放大器，总得输出噪声功率级放大器，总得输出噪声功率P Po o为：为：323132321PPKPKKPKKKPioioipoPKKKPPKPF321iiiPKKKPPKKPPKPF3213212111iPKPF1111iPKPF2221iPKPF333121312111KKFKFFFPNiPN1PN2PN3PNoKP1KP2KP3级联放大器的噪声系数级联放大器的噪声系数Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 结论：结论：1第一第一 级放大器噪声对系统影响最大，重点要级放大器噪声对系

21、统影响最大，重点要减少前置放大器的噪声系数；减少前置放大器的噪声系数；2. 放大倍数分配原则先大后小；放大倍数分配原则先大后小；3以上公式和结论适合于线性电路中。以上公式和结论适合于线性电路中。 121213121111MMKKKFKKFKFFF弗里斯公式：弗里斯公式：Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 运算放大器的噪声特性运算放大器的噪声特性大量晶体管（大量晶体管（PN结产生散弹噪声），一定数量的电阻（热结产生散弹噪声），一定数量的电阻（热噪声），引脚（噪声），引脚（1/f噪声）噪声）Ya

22、ng Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 返回返回幻灯片幻灯片 48Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 低噪声前置放大器的设计低噪声前置放大器的设计放大器的主要指标有：放大器的主要指标有：增益，带宽增益，带宽，输入、输出阻抗，稳，输入、输出阻抗，稳定性，经济性和噪声特性。定性，经济性和噪声特性。1. 1. 放大器的设计指标放大器的设计指标 （1 1）根据输入和输出电平，决定放大器的总增益。然后，按一

23、般单级）根据输入和输出电平，决定放大器的总增益。然后，按一般单级放大器增益，确定分级效。据各级放大器特点，作增益分配。放大器增益，确定分级效。据各级放大器特点，作增益分配。（5 5）噪声水平以测量精度或最低可检测水平决定。）噪声水平以测量精度或最低可检测水平决定。 （6 6）经济指标，当然是在满足技术指标前提下，越低越好。）经济指标，当然是在满足技术指标前提下，越低越好。 （2 2） 应据要求，确定放大器的工作频率范围。应据要求，确定放大器的工作频率范围。（3 3）输出阻抗要很小于常用负载，以确保负载对放大器影购较小。输）输出阻抗要很小于常用负载，以确保负载对放大器影购较小。输入阻抗要很大于信

24、号源内阻，尽量减低对信号源的影响。入阻抗要很大于信号源内阻，尽量减低对信号源的影响。 （4）稳定性是放大器酌一个重要指标。对晶体管放大器，稳定系数用）稳定性是放大器酌一个重要指标。对晶体管放大器，稳定系数用SIcIc0来描述。一般要求在来描述。一般要求在515之间。之间。Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 2.2.低噪声前置放大器的设计低噪声前置放大器的设计 （2）从从F Fminmin出发选择最佳的源电阻出发选择最佳的源电阻R Rsoso. . A A 首先考虑噪声、稳定性，以确保放大信号

25、时，引入噪声小首先考虑噪声、稳定性，以确保放大信号时，引入噪声小和漂移小。和漂移小。B B 满足增益、带宽要求。若能采用阻抗匹配，输入、输出阻满足增益、带宽要求。若能采用阻抗匹配，输入、输出阻抗可放在第二位考虑。抗可放在第二位考虑。C C 经济指标。经济指标。(1)(1)低噪声放大器应该尽可能选用低噪声放大器应该尽可能选用 小的器件小的器件, ,这样才能使最小这样才能使最小噪声系数噪声系数F Fminmin较小。另外，由于较小。另外，由于 都是频率都是频率f f的函数，因此各种的函数，因此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系数；低噪声器件只是在一定的频率范围内才能达到其最小

26、噪声系数；Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 222222snntsnntniRieeRieee222222224snnssnntniRIEfkTRRIEEE放大器的等效输入噪声与信号源内阻的关系放大器的等效输入噪声与信号源内阻的关系Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 最佳源电阻与噪声匹配最佳源电阻与噪声匹配fkTRRIEfkTRRIEfkTREEPEKPPFsSnnsSnnstninin

27、ipnino4144222222222 , 0sRF0sRFnnsoIER/fkTieFNN21minssososRRRRFF211min阻抗匹配阻抗匹配Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 器件的选择器件的选择 MOSMOS场效应管场效应管根据信号源大小选用合适类型的器件，使器件的最佳源电阻根据信号源大小选用合适类型的器件，使器件的最佳源电阻等于负载电阻，实现噪声匹配下的最小噪声系数。等于负载电阻，实现噪声匹配下的最小噪声系数。Yang Hui, School of Optical-elec

28、trical and Computer Engineering, USST 半导体三极管半导体三极管Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 集成运算放大器集成运算放大器Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 结型场效应管结型场效应管Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 金属氧化物金属氧化物(MOS

29、)场效应管场效应管Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 阻抗匹配网络阻抗匹配网络NNsosieRRn2ssoRRn/Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 例：信号源输出电阻例：信号源输出电阻Rs=10欧，工作频率欧，工作频率f=1KHz。前置。前置放大器放大器OP07。求匹配变压器的圈数比和信噪改善比。求匹配变压器的圈数比和信噪改善比SNIR的提高倍数的提高倍数K。( )OP07在在f=1KH

30、z时，等效输入噪声平方根谱密度为时，等效输入噪声平方根谱密度为HzpAiHznVeNN/1 . 0,/10KieRNNso100100ssoRRn62541222ssNNkTRRieF5 .1221minkTieFNNHzVKT/106 . 1422050minFFSNIRSNIRKo变Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 实际变压器的误差：实际变压器的误差：线圈圈数有限，磁蕊磁导率不会无限大，因此其电感为有线圈圈数有限，磁蕊磁导率不会无限大，因此其电感为有限值；限值；有漏磁，因此耦合系数不到

31、有漏磁，因此耦合系数不到1 1；变压器匹配的限制：变压器匹配的限制：必须是频率较高的交流信号。必须是频率较高的交流信号。变压器匹配的限制变压器匹配的限制Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 有源器件并联法有源器件并联法MRRsoso/MVVNN/2222NNMIIYang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 1 15 5 抑止干扰和噪声的外部方法抑止干扰和噪声的外部方法Yang Hui, School

32、 of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 环境干扰噪声环境干扰噪声1. 1. 电力线噪声：电力线噪声：尖峰脉冲，工频干扰尖峰脉冲，工频干扰50Hz50Hz，电网波动，电网波动2.2.电气设备噪声：电气设备噪声：辉光放电，火花放电（插座）辉光放电，火花放电（插座）3. 3. 射频噪声射频噪声手机，广播、电视手机，广播、电视4. 4. 地电位差噪声地电位差噪声电路板电路板5. 5. 雷电雷电6. 6. 天体噪声天体噪声 201220127. 7. 机械起源的噪声：机械起源的噪声：摩擦电效应，导体中磁场中的运摩擦电效应，导体中磁场中的

33、运动，压电效应，颤噪效应动，压电效应，颤噪效应8. 8. 其他噪声：其他噪声：电化学噪声，温度变化引起的噪声（铜电化学噪声，温度变化引起的噪声（铜- -镉镉/ /锡合金接点热电势锡合金接点热电势0.3uV/0.3uV/，铜，铜- -铅铅/ /锡锡1-3 1-3 uV/uV/ ），触头噪声），触头噪声1-5 1-5 抑止干扰和噪声的外部方法抑止干扰和噪声的外部方法Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 电子系统受到外部电磁干扰电子系统受到外部电磁干扰电力线电力线雷电雷电电台电台电视台电视台交流供电

34、电路交流供电电路电动机电动机移动移动通信通信设备设备天体电磁辐射天体电磁辐射Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 干扰噪声的频谱分布干扰噪声的频谱分布Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 屏蔽：屏蔽：对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。 静电屏

35、蔽静电屏蔽+Q+Q+Q+Q+Q+QA AA AA AB BB B用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，如果将金属屏蔽体接地，则外侧的正电荷将等量的正电荷，如果将金属屏蔽体接地，则外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。屏蔽在金属屏蔽体内。Yang Hui, School of Optical-electrical a

36、nd Computer Engineering, USST 屏蔽屏蔽对于电场和平面波，反射损耗很大对于电场和平面波，反射损耗很大, , 对于低频磁场，反射对于低频磁场，反射损耗一般较小；损耗一般较小；磁场比电场更难于屏蔽；对于电场、平面波和高频磁场要磁场比电场更难于屏蔽；对于电场、平面波和高频磁场要用良导体材料进行屏蔽；对于低频磁场要用磁性材料进行用良导体材料进行屏蔽；对于低频磁场要用磁性材料进行屏蔽；屏蔽；3. 3. 厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约9dB9dB的吸收损耗；的吸收损耗；Yang Hui, School of Optical-electrical

37、 and Computer Engineering, USST 集肤深度：集肤深度： 导体中电流密度减小到导体截面表层电流密度的导体中电流密度减小到导体截面表层电流密度的1/e(1/e(自然底数自然底数e=2.71828183e=2.71828183）处的深度。）处的深度。Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 屏蔽屏蔽对于电场和平面波，反射损耗很大对于电场和平面波，反射损耗很大, , 对于低频磁场，反射对于低频磁场，反射损耗一般较小；损耗一般较小；磁场比电场更难于屏蔽；对于电场、平面波和高频磁

38、场要磁场比电场更难于屏蔽；对于电场、平面波和高频磁场要用良导体材料进行屏蔽；对于低频磁场要用磁性材料进行用良导体材料进行屏蔽；对于低频磁场要用磁性材料进行屏蔽；屏蔽；3. 3. 厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约9dB9dB的吸收损耗；的吸收损耗；4. 4. 实际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接缝情况，实际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接缝情况，而不取决于屏蔽材料本身的屏蔽效果；而不取决于屏蔽材料本身的屏蔽效果； 漏磁场的量取决漏磁场的量取决于屏蔽层上开孔的最大尺寸，而不取决于开孔的面积；于屏蔽层上开孔的最大尺寸，而不取决于开孔的面积； 大量的小孔比同样面

39、积的一个大孔漏磁要少。大量的小孔比同样面积的一个大孔漏磁要少。Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大，而以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。 Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST 电路接地电路接地1. 单点串联接地单