放大电路及其噪声

1、放大电路及其噪声从光电检测器出来的电信号是很微弱的，必须要得到放大。尽管放大器的增益可以 做得足够大，但在弱信号被放大的同时，噪声也被放大了，当接收信号太弱时，必定会被噪声所掩没。为了改善光接收机的噪声特性，在放大过程中必须要尽可能地少引入噪声。为此，采用前置放大和主放大这种两级放大的方式。放大器内部的噪声主要来源于器件内部的电阻和有源器件。所以，放大器的噪声与 电阻结构和所用的有源器件有关。不管前置放大器的具体结构如何，从低噪声角度出发，第一级采用共射极（或共源极）则是公认的。有源器件有晶体三极管（Bi-junction Transistor , BJT） 或场效应管（Field Effec

2、t Transistor ， FET）两类。放大器的输出噪声主要由前置级所决定，这是因为对于一个多级放大器，在输入信号被各级放大的同时， 放大器输入端的噪声也以同样的倍数被放大。尽管放大器各级中任何电阻或晶体管部会引人附加噪声，但只要放大器第一级的增益很大，以后各级引入的噪声就可以忽略。因此，我们只分析前置放大器的噪声，在分析中把所有的噪声源都等效到输入端。 对放大器的噪声进行控制和优化，关键在于前置放大器。J放大器输入端的噪声源*放大器的噪声包括电阻的热噪声及有源器件（双极晶体管和场效应管）的散粒噪声。无论是热噪声还是散粒噪声，都是由无限多个统计独立的不规则电子的运动所产生， 它们的总和服从

3、概率论中的中心极限定理”的条件，因而统计特性是服从正态分布的。放大器噪声的概率密度函数可以表示为高斯函数此概率密度函数由统计平均值m和均方差唯一确定。对随机噪声，当m=0时，上式 可写成:均值为零的高斯噪声的方差实际就代表噪声电压（或噪声电 流）的平方的平均值，也是 1电阻上的噪声功率。对于概率密度为高斯函数的各个随机噪 声源，它们之和的概率密度仍是高斯函数，而且总噪声的方差等于各个噪声源的方差之和。在计算放大器的噪声时，先分别分析各个噪声源的方差，并且认为这些噪声源都是 具有均匀、连续功率谱密度的白噪声， 通过各个噪声源的功率谱密度求出放大器输出的总噪1、输入端的等效电路及噪声源光接收机的等

4、效电路图中检测器等效为电流源 ib （t）, i表示它的散粒噪声，C是它的结电容。R和C分别是偏置电阻和偏置电路的杂散电容，Ra和Ca分别是放大器的输入电阻和输入电容。带有热噪声的电阻可以有两种等效方式：一种是等效为一个无噪声的电阻和一个噪声 电流源并联（图（b）中就是这样等效的），在这种等效下，并联电流噪声源的功率谱密度 为式中：J/K，是玻耳兹曼常数；K是绝对温度。上式表示，电阻的热噪声随温 度的升高而加大。另一种等效方式是：把带有噪声的电阻等效为一个理想的电阻和一个噪声电压 源串联，电压噪声源的双边功率谱密度为放大器的有源器件（双极晶体管或场效应管）也会引进噪声。将第一级有源器件的各 种

5、噪声源都等效到输入端（具体内容下面分析），大体可分为两种情况，一种等效为输入端并联的电流噪声源，另一种为输入端串联的电压噪声源。2、放大器的输出噪声电压的计算式中：；是放大器、均衡滤波器的传递函数，它表示输入电流与输出电压之间的传递关系，实为转移阻抗。因此，在上式的计算中，输入端的串联电压噪声源首先要乘以输入导纳的绝对值的平方，转换成电流源，然后再乘以功率增益因子。从式可以看出：偏置电阻越大，电阻的热噪声越小； 输人电阻越大、输入电容越小，串联电压噪声源对总噪声的影响越小。场效应管和双极晶体管的噪声源*1、场效应管的噪声源场效应管是电压控制器件，它的最大特点是输入阻抗很高，栅漏电流很小，噪声也

6、 较小，适合作高阻前置放大器。（1 ）散粒噪声散粒噪声是由于栅极电流的随机起伏所形成。（2）沟道热噪声场效应管的沟道电导在输出回路（漏极回路）里产生一个噪声电流。2、双极晶体管的噪声源放大器的噪声包括电阻的热噪声及有源器件（双极晶体管和场效应管）的散粒噪声。双极晶体管主要的噪声源有：（1 ）散粒噪声散粒噪声是由于注入到基区里的载流子的随机涨落所引起，从而使基极电流存在着 随机起伏：在输入端，它作为并联电流噪声源，功率谱密度为式中是晶体管的基极工作电流。（2）基区电阻的热噪声晶体管的基区一般较薄，掺杂也低，因此基区的体电阻不能忽略。基区电阻的热噪 声在输入端作为串联电压噪声源，谱密度为（3 ）分

7、配噪声分配噪声是由于基区中载流子的复合速率的起伏所引起。发射极电流注入基区以后， 一部分载流子越过基区被集电极吸收后形成集电极电流，还有一部分载流子在基区复合成基极电流。复合是存在随机涨落的， 结果造成和的分配比例发土变化。分配噪声存在于集电极电流回路里，其功率谱密度为将集电极回路里的噪声源等效到输入端，可等效为一个串联电压噪声源，功率谱密度为式中，为晶体管的跨导，对双极晶体管，有下列关系存在（4）l/f 噪声1/f噪声只在低频段（500 2000 Hz ）比较显著，随着频率 f的升高而减小，在光 纤通信系统中可以忽略。由各个噪声源的功率谱密度可以求出双极晶体管放大器输出端的总噪声功率为式中：

8、，是晶体管放大器的输入电阻；，是放大器的输入电容。前置放大器的设计*输入端偏置电阻越大、放大器的输入电阻越高，输出端噪声就越小。然而，输入电 阻的加大，势必使输入端 RC 时间常数加大，使放大器的高频特性变差。因此，根据系统的 要求适当地选择前置放大器的形式， 使之能兼顾噪声和频带两个方面的要求是很重要的。 光 接收机的噪声主要取决于前端的噪声性能。 因此，对于前置放大器就要求有较低的噪声和较 宽的带宽， 才能获得较高的信噪比。 前置放大器一般可分为三种： 即低阻抗前置放大器、高 阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器。1.低阻抗前置放大器低阻抗前置放大器是指放大器输入阻抗相对较低。其特点是电路简单，接收机不需 要或只需很少的均衡就能获得很宽的带宽， 前置级的动态范围也较大。 但由于放大器的输入 阻抗较低，造成电路的噪声较大。2.高阻抗前置放大器高阻抗前置放大器是指放大器的输入阻抗很高，其特点是电路的噪声很小。但是， 放大器的带宽较窄， 在高速系统应用时对均衡电路提出了很高的要求， 限制了放大器在高速 系统的应用。跨阻抗前置放大器为了克服高阻抗和低阻抗前