噪声和低噪声器件课件

主要内容噪声的一般性质噪声的描述噪声的测量功率谱密度信号提取系统中的主要噪声类型1/f噪声热噪声散粒噪声主要内容噪声的一般性质14.2.1噪声的特性随机性统计学描述概率密度函数平稳随机过程正态分布4.2.1噪声的特性随机性22.信号提取过程中的噪声类型主要类型：1/f噪声热噪声散粒噪声要求掌握：产生的机理噪声的性质2.信号提取过程中的噪声类型主要类型：3（1）1/f噪声由于功率谱是频率的函数：一般α＝1，故称为1/f噪声K为f＝1Hz时的频谱密度，由具体器件决定的常数（1）1/f噪声由于功率谱是频率的函数：4（1）1/f噪声产生的原因：材料之间不完全接触，形成起伏的导电率如两个导体连接的地方，开关、继电器、晶体管、二极管的不良接触，以及电流流过合成碳质电阻的不连续介质有源器件在制作工艺过程中，材料表面特性及半导体器件中结点的缺陷等由于生物医学信号的频带范围大都处于低频或超低频段，1/f噪声是生物信号提取中主要障碍（1）1/f噪声产生的原因：材料之间不完全接触，形成起伏的导5（1）1/f噪声

由f1～f2带宽内噪声的平均功率得到相应此频段内噪声的电压均方值：例：已知1/f噪声过程在1Hz上的谱密度为5×10-10V2/Hz，求100到200Hz范围内噪声电压均方值（1）1/f噪声由f1～f2带宽内噪声的平均功率6（2）热噪声产生的原因：热噪声是在电阻一类导体中，自由电子的布朗运动引起的噪声电子运动的途径，由于和其他粒子碰撞，是随机的和曲折的，即呈现布朗运动。所有电子运动的总结果形成通过导体的电流。电流的方向是随机的，因而平均值为零。但是在每一瞬间，它们并不为零，则在导体的两端产生压降，形成噪声电压。又称为约翰逊噪声或乃奎斯特噪声存在于：电阻电容介质的损耗电感的涡流损耗有源器件如晶体管的基区电阻等危害是测量系统分辨力的最终限制。（2）热噪声产生的原因：7（2）热噪声影响热噪声的因素：减小测量时产生热噪声器件的温度提取信号的电阻应尽量小，避免额外的串联电阻尽量减小系统的频带属于白噪声波尔兹曼常数1.38×10-23J/K绝对温度频带宽度数学表示：电压均方值：谱密度：（2）热噪声影响热噪声的因素：减小测量时产生热噪声器件的温度8（3）散粒噪声产生的原因：半导体器件中，载流子产生与消失的随机性，使得流动的载流子数目发生波动，引起瞬时电流的变化，称为散粒噪声存在于：二极管和三极管等半导体器件中，简单的导体中，不存在此类噪声数学表达式：电子电荷器件的平均直流测量系统的频带宽度谱密度：2qIDC，属于白噪声（3）散粒噪声产生的原因：电子电荷器件的平均直流测量系统的频93.描述放大器噪声性能参数研究放大器的噪声有利于分析放大器的性能指标判断放大器可能放大多弱的信号。放大器的等效电路：电阻为零的电压源电阻无穷大的电流源信号源等效噪声主要为电阻的热噪声3.描述放大器噪声性能参数研究放大器的噪声电阻为零的电压源103.描述放大器噪声性能参数放大器输出端噪声计算：输入噪声源输出噪声大小放大器产生的噪声信号源产生的噪声假设Un，In互不相关，C＝0，则各噪声电压的平方值相加，得到输出电压：3.描述放大器噪声性能参数放大器输出端噪声计算：放大器产生的113.描述放大器噪声性能参数输入端等效电压：＝1＝Rs利用上式分析的优点： 利用等效噪声源Uni分析所有的噪声，适用于任何有源器件的噪声分析 易于测量：Rs＝0，只存在Un；若Rs很大时，确定In。3.描述放大器噪声性能参数输入端等效电压：＝1＝Rs利用上式12（2）噪声放大系数噪声放大系数的定义：噪声放大器数的意义：比较放大器的噪声性能，信号经过了放大器，信噪比是否变化如果F＝1则放大器本身不引入噪声分贝表示：（2）噪声放大系数噪声放大系数的定义：分贝表示：13例题1某晶体管已知NF>6dB，求输出信噪比相对于输入信噪比减少多少？即输出信噪比为输入信噪比的1/4例题1某晶体管已知NF>6dB，求输出信噪比相对于输入信噪比14例2某放大器噪声系数为6dB，其通频带为10kHz，要求输出信噪比为,则此放大器的输入信号功率是多少？解:输入信号的信噪比：信号源的噪声主要为热噪声例2某放大器噪声系数为6dB，其通频带为10kHz，要求输出15噪声系数讨论1.噪声系数求取可由Un，In表示（C＝0）由上式可知，当放大器固定，则Un和In不变，噪声系数F为Rs的函数，噪声系数讨论1.噪声系数求取由上式可知，当放大器固定，则U16噪声系数讨论2.噪声系数最小值则，Rs为：此时，Rs称为最佳源电阻，可获得最小噪声系数：噪声系数讨论2.噪声系数最小值则，Rs为：此时，Rs称为最17噪声系数讨论3.输出信噪比（理想状态越大越好，信号为信号源的均方电压，噪声为总的输出噪声）：显然：当Rs＝0时，信噪比最大，所以最小的噪声系数并不一定有最大的输出信噪比。噪声系数的价值是用于比较放大器的噪声，它并不适于作为放大器低噪声设计的依据。噪声系数讨论3.输出信噪比（理想状态越大越好，信号为信号源的18（3）多级放大器的噪声多级放大器的耦合其中：Ap1，Ap2为第一、二级的功率增益F1，F2为第一、二级的噪声系数Pn1，Pn2为第一、二级的内部噪声功率Pns为信号源内阻的噪声功率噪声系数的定义：（3）多级放大器的噪声多级放大器的耦合其中：19（3）多级放大器的噪声第一级放大噪声功率：由此可得到第一级放大器的噪声输出功率：同理，相对于热源噪声的噪声系数定义（不牵涉第一级放大器噪声的影响），则第二级放大器的噪声功率Pn2为：两级放大后总的输出功率Pno为由三部分组成： 信号源内阻热噪声经过两级放大后Ap1×Ap2×Pns

第一级放大器噪声经过第二级放大后的输出Ap2×Pn1

第二级放大器本身的噪声Pn2（3）多级放大器的噪声第一级放大噪声功率：由此可得到第一级放20（3）多级放大器的噪声总的输出噪声总的噪声系数：（3）多级放大器的噪声总的输出噪声总的噪声系数：214.器件的噪声（1）电阻噪声主要为热噪声等效电路4.器件的噪声（1）电阻噪声224.器件的噪声（2）电容器的噪声主要噪声为介质损耗，即电容器的漏电。相当于理想电容并联一个电阻Rp，Rp构成电容器阻抗的实数分量，成为电容器的热噪声源。由介质损耗角表示：可见漏电小的Rp大，δ值小，旁路噪声能力强。4.器件的噪声（2）电容器的噪声234.器件的噪声（3）耦合变压器噪声在外磁场作用下，变压器的磁性材料磁化的不连续性，呈现出磁起伏噪声，并且把外界的噪声引入到电路里来。4.器件的噪声（3）耦合变压器噪声244.器件的噪声（4）场效应管噪声主要有：沟道热噪声栅极散粒噪声1/f噪声4.器件的噪声（4）场效应管噪声254.器件的噪声（5）双极晶体管噪声基区扩散电阻的热噪声基极电流IB和集电极电流Ic引起的散粒噪声基极电流IB流经基极－发射极耗尽区时，产生的1/f噪声4.器件的噪声（5）双极晶体管噪声264.器件的噪声（6）运算放大器噪声集成元件大的噪声为各分立元件的综合运算放大器的输入级是确定噪声性能的关键采用差动输入，噪声电压为单一晶体管的倍。4.器件的噪声（6）运算放大器噪声275.低噪声放大器设计（1）噪声性能指标

但为了统一，用输入端对地短路时放大器的噪声Uin作为放大器的性能指标。 表示了放大器可以放大的最小信号值。以下为各生理信号测量用放大器在相应带宽下的噪声指标：体表心电图<10μV(0~250Hz)体表希氏束电图<0.5μV(80~300Hz)头皮电机脑电图<1μV(0~100Hz)针电极肌电图<1μV(0~10KHz)脑诱发电位<0.7μV(0~10KHz)眼电生理信号<0.5μV(0~1KHz)5.低噪声放大器设计（1）噪声性能指标28（2）噪声匹配总的等效输入噪声Uin，对信号源内阻的依赖关系：在Rso附近总噪声略大于源内阻噪声，是理想的低噪声设计方案，调整Rs或Un/In在Rso附近，称之为噪声匹配（2）噪声匹配总的等效输入噪声Uin，对信号源内阻的依赖关系29主要内容噪声的一般性质噪声的描述噪声的测量功率谱密度信号提取系统中的主要噪声类型1/f噪声热噪声散粒噪声主要内容噪声的一般性质304.2.1噪声的特性随机性统计学描述概率密度函数平稳随机过程正态分布4.2.1噪声的特性随机性312.信号提取过程中的噪声类型主要类型：1/f噪声热噪声散粒噪声要求掌握：产生的机理噪声的性质2.信号提取过程中的噪声类型主要类型：32（1）1/f噪声由于功率谱是频率的函数：一般α＝1，故称为1/f噪声K为f＝1Hz时的频谱密度，由具体器件决定的常数（1）1/f噪声由于功率谱是频率的函数：33（1）1/f噪声产生的原因：材料之间不完全接触，形成起伏的导电率如两个导体连接的地方，开关、继电器、晶体管、二极管的不良接触，以及电流流过合成碳质电阻的不连续介质有源器件在制作工艺过程中，材料表面特性及半导体器件中结点的缺陷等由于生物医学信号的频带范围大都处于低频或超低频段，1/f噪声是生物信号提取中主要障碍（1）1/f噪声产生的原因：材料之间不完全接触，形成起伏的导34（1）1/f噪声

由f1～f2带宽内噪声的平均功率得到相应此频段内噪声的电压均方值：例：已知1/f噪声过程在1Hz上的谱密度为5×10-10V2/Hz，求100到200Hz范围内噪声电压均方值（1）1/f噪声由f1～f2带宽内噪声的平均功率35（2）热噪声产生的原因：热噪声是在电阻一类导体中，自由电子的布朗运动引起的噪声电子运动的途径，由于和其他粒子碰撞，是随机的和曲折的，即呈现布朗运动。所有电子运动的总结果形成通过导体的电流。电流的方向是随机的，因而平均值为零。但是在每一瞬间，它们并不为零，则在导体的两端产生压降，形成噪声电压。又称为约翰逊噪声或乃奎斯特噪声存在于：电阻电容介质的损耗电感的涡流损耗有源器件如晶体管的基区电阻等危害是测量系统分辨力的最终限制。（2）热噪声产生的原因：36（2）热噪声影响热噪声的因素：减小测量时产生热噪声器件的温度提取信号的电阻应尽量小，避免额外的串联电阻尽量减小系统的频带属于白噪声波尔兹曼常数1.38×10-23J/K绝对温度频带宽度数学表示：电压均方值：谱密度：（2）热噪声影响热噪声的因素：减小测量时产生热噪声器件的温度37（3）散粒噪声产生的原因：半导体器件中，载流子产生与消失的随机性，使得流动的载流子数目发生波动，引起瞬时电流的变化，称为散粒噪声存在于：二极管和三极管等半导体器件中，简单的导体中，不存在此类噪声数学表达式：电子电荷器件的平均直流测量系统的频带宽度谱密度：2qIDC，属于白噪声（3）散粒噪声产生的原因：电子电荷器件的平均直流测量系统的频383.描述放大器噪声性能参数研究放大器的噪声有利于分析放大器的性能指标判断放大器可能放大多弱的信号。放大器的等效电路：电阻为零的电压源电阻无穷大的电流源信号源等效噪声主要为电阻的热噪声3.描述放大器噪声性能参数研究放大器的噪声电阻为零的电压源393.描述放大器噪声性能参数放大器输出端噪声计算：输入噪声源输出噪声大小放大器产生的噪声信号源产生的噪声假设Un，In互不相关，C＝0，则各噪声电压的平方值相加，得到输出电压：3.描述放大器噪声性能参数放大器输出端噪声计算：放大器产生的403.描述放大器噪声性能参数输入端等效电压：＝1＝Rs利用上式分析的优点： 利用等效噪声源Uni分析所有的噪声，适用于任何有源器件的噪声分析 易于测量：Rs＝0，只存在Un；若Rs很大时，确定In。3.描述放大器噪声性能参数输入端等效电压：＝1＝Rs利用上式41（2）噪声放大系数噪声放大系数的定义：噪声放大器数的意义：比较放大器的噪声性能，信号经过了放大器，信噪比是否变化如果F＝1则放大器本身不引入噪声分贝表示：（2）噪声放大系数噪声放大系数的定义：分贝表示：42例题1某晶体管已知NF>6dB，求输出信噪比相对于输入信噪比减少多少？即输出信噪比为输入信噪比的1/4例题1某晶体管已知NF>6dB，求输出信噪比相对于输入信噪比43例2某放大器噪声系数为6dB，其通频带为10kHz，要求输出信噪比为,则此放大器的输入信号功率是多少？解:输入信号的信噪比：信号源的噪声主要为热噪声例2某放大器噪声系数为6dB，其通频带为10kHz，要求输出44噪声系数讨论1.噪声系数求取可由Un，In表示（C＝0）由上式可知，当放大器固定，则Un和In不变，噪声系数F为Rs的函数，噪声系数讨论1.噪声系数求取由上式可知，当放大器固定，则U45噪声系数讨论2.噪声系数最小值则，Rs为：此时，Rs称为最佳源电阻，可获得最小噪声系数：噪声系数讨论2.噪声系数最小值则，Rs为：此时，Rs称为最46噪声系数讨论3.输出信噪比（理想状态越大越好，信号为信号源的均方电压，噪声为总的输出噪声）：显然：当Rs＝0时，信噪比最大，所以最小的噪声系数并不一定有最大的输出信噪比。噪声系数的价值是用于比较放大器的噪声，它并不适于作为放大器低噪声设计的依据。噪声系数讨论3.输出信噪比（理想状态越大越好，信号为信号源的47（3）多级放大器的噪声多级放大器的耦合其中：Ap1，Ap2为第一、二级的功率增益F1，F2为第一、二级的噪声系数Pn1，Pn2为第一、二级的内部噪声功率Pns为信号源内阻的噪声功率噪声系数的定义：（3）多级放大器的噪声多级放大器的耦合其中：48（3）多级放大器的噪声第一级放大噪声功率：由此可得到第一级放大器的噪声输出功率：同理，相对于热源噪声的噪声系数定义（不牵涉第一级放大器噪声的影响），则第二级放大器的噪声功率Pn2为：两级放大后总的输出功率Pno为由三部分组成： 信号源内阻热噪声经过两级放大后Ap1×Ap2×Pns

第一级放大器噪声经过第二级放大后的输出Ap2×Pn1

第二级放大器本身的噪声Pn2（3）多级放大器的噪声第一级放大噪声功率：由此可得到第一级放49（3）多级放大器的噪声总的输出噪声总的噪声系数：（3）多级放大器的噪声总的输出噪声总的噪声系数：504.器件的噪声（1）电阻噪声主要为热噪声等效电路4.器件的噪声（1）电阻噪声514.器件的噪声（2）电容器的噪声主要噪声为介质损耗，即电容器的漏电。相当于理想电容并联一个电阻Rp，Rp构成电容器阻抗的实数分量，成为电容器的热噪声源。由介质损耗角表示：可见漏电小的Rp大，δ值小，旁路噪声能力强。4.器件的噪声（2）电容器的噪声524.器件的噪声（3）耦合变压器噪声在外磁场作用下，变压器的磁性材料磁化的不连续性，呈现出磁起伏噪声，并且把外界的噪声引入到电路里来。4.器件的噪声（3）耦合变压器噪声534.器件的噪声（4）场效应管噪声主要有：沟道热噪声栅极散粒噪声1/f噪声4.器件的噪声（4