第二章 信号测量的基本条件-4

生物医学电子学生物医学电子学第二章信号测量的基本条件第一节人体测量的电磁干扰

第二节测试系统的噪声

第三节低噪声放大器设计BiomedicalElectronics1生物医学电子学

对测量系统的噪声性能的要求，主要集中在信号提取放大部分。组成放大器的每个电器元件都是一个可能的噪声电压源或噪声电流源，它们对放大器的噪声性能所造成的影响是很复杂的，通常借助于等效的噪声参数来描述放大器的噪声。

(一)Un、In参数放大器内部的所有噪声源，用位于输入端的噪声发生器等效，放大器(或任何二端网络)便可视为无噪声的。2.2.3描述放大器噪声性能的参数

2生物医学电子学如图，放大器内所有噪声源的噪声用与输入端串联的阻抗为零的噪声电压发生器Un和与输入端并联的阻抗为无穷大的噪声电流发生器In，以及二者的相关系数C来表示。Uns为信号

提取放大的信号的质量，用信号功率与噪声功率的比值——信噪比（SNR）来描述。信噪比表示噪声对测量精度的影响。在一定的输出信噪比的要求下，输出噪声折合到输入端，可以判断放大器可能放大多弱的信号。为此，通常把放大器的噪声等效到输入端。源内阻Rs的热噪声电压均方根值，A为放大器电压增益。3生物医学电子学设放大器输出端噪声为Uno，是由Uns、Un、和In造成的。它们各对Uno的贡献：4生物医学电子学假设Uns、Un、和In不相关，C＝0，各噪声源的噪声电压的均方值相加，得到输出噪声电压的均方值

放大器对信号Us的电压增益A’为5生物医学电子学6等效噪声定义放大器内部的所有噪声源（包括外围电路），用与放大器输入端串联的阻抗为零的噪声电压源Un和与放大器输入端并联的阻抗为无穷大的噪声电流源In以及二者的相关系数C来等效，而放大器（或任何二端网络）本身便可视为无噪声的。生物医学电子学

放大器等效输入噪声为三个噪声电压发生器的均方值之和，可用位于Us处的一个噪声源来等效系统的所有噪声源。此方程式适用于任何有源器件的系统，是分析噪声问题的重要公式。采用Un、In参数描述放大器噪声的另一个优点是容易实现Un、In参数值的测量。1、Un参数由上式可见，当Rs＝0时，等效输入噪声只有Un，因此在Rs＝0的条件下测量总输出噪声，得到的AUn，总输出噪声除以放大器电压增益即得到Un参数。放大器的等效输入噪声为7生物医学电子学2、

In分量如果Rs值很大，由于源热噪声贡献正比于源电阻的平方根（U2ns=4KTRs△f），而InRs项正比于源电阻的一次方，所以在源电阻足够大时，InRs将占优势。因此为了确定In，在设置大的源电阻条件下测量总输出噪声，除以输入端串联该源电阻时测得的电压增益，得到Uni，它近似为InRs，再除以Rs得到In。

Uni表示某一特定频段的等效输入噪声，Un、In随工作频率而变化，总Uni应在被考虑的频段上进行积分。场效应管和运算放大器的噪声一般用Un、In参数的形式给出，某些双极型晶体管的噪声特性也用Un、In参数取代噪声系数而给予描述。8生物医学电子学

噪声系数的概念是在上世纪四十年代计算真空管内噪声的方法上发展起来的，尽管它有一定局限性，但为了比较放大器的噪声性能，仍然经常使用。

1、噪声系数F的定义（二）噪声系数上式分子、分母同除以放大器的功率增益（Ap=So/Si）9生物医学电子学噪声系数还可以用信噪比表示Si/Ni、So/No表示输入、输出信噪比，Ni

为源电阻的热噪声功率，So/Si=Ap表示放大器的功率增益。用分贝表示，噪声系数的对数形式NF为

噪声系数是放大器引起的信号质量(信噪比)恶化程度的量度。理想状态，放大器在源热噪声的基础上不再增加噪声，即放大器本身无噪声，这时F＝1或NF＝0。实际上总是NF＞0dB，低噪声设计的目的是使NF值尽可能小。NF＝10lgF10生物医学电子学例1某晶体管巳知NF＞6dB，求输出信噪比将比输入信噪比减少多少？解即输出信噪比为小于输入信噪比的1／4。例题11生物医学电子学例2某放大器噪声系数为6dB，最大输入噪声电压U2N

=100（μV）2，若要求输出信噪比Ｓo/Ｎo=10，则此放大器的输入信号电压最小是多少?解由NF＝6dB得F=4输入信噪比为Si/Ni=4×10＝40输入噪声电压Ni=U2N

=100（μV）2

所以输入信号电压Si=100×40=4000（μV）2

即Ui=63μV12生物医学电子学2、噪声系数F可以用Un、In参数表示根据定义假设Un、In的相关系数C＝0，得代入得到13生物医学电子学放大器的噪声系数F是源电阻的函数，在Rs增大或减小时，都使F变大。由，可得到F的最小值对应的RsRso称为最佳源电阻，它的意义：当信号源电阻等于最佳源电阻时可以获得最小噪声系数。代入上式，得最小噪声系数14生物医学电子学最大的输出信噪比发生在R＝0处。所以，最小的噪声系数并不一定有最大的输出信噪比或最小噪声。右图是一个典型的运算放大器的总输入噪声电压Uni随源电阻的变化曲线。调整信号源电阻使噪声系数最小，称为电路的噪声匹配。不难推导出，输出信噪比

15生物医学电子学1、当Rs＝0时，放大器等效输入噪声最小，但总的输入噪声对源电阻的热噪声之比最大，噪声系数最大；2、当Rs增大但低于Rso时，源热噪声Uns