2-1低噪声前置放大器

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1、光电信号处理光电信号处理第二章第二章第二章第二章 低噪声前置放大器低噪声前置放大器低噪声前置放大器低噪声前置放大器 （1 1）第二章第二章第二章第二章 低噪声前置放大器低噪声前置放大器低噪声前置放大器低噪声前置放大器2.1 放大器的噪声电压放大器的噪声电压噪声电流噪声电流(En-In)模型模型 2.2 等效输入噪声及简化计算法则等效输入噪声及简化计算法则 2.3 噪声系数噪声系数 2.4 最佳源电阻最佳源电阻Ropt与最小噪声系数与最小噪声系数NFmin 2.5 噪声温度噪声温度 2.6 多级放大器的噪声系数多级放大器的噪声系数NF1,2,n 2.7 耦合网络的低噪声设计原则耦合网络的低噪声设

2、计原则 2.8 低噪声前置放大器的选用低噪声前置放大器的选用 2.9 噪声参数的测量噪声参数的测量 2.10 元器件器件分析元器件器件分析 2.11 低噪声放大器的设计原则与方法低噪声放大器的设计原则与方法 2.12 低噪声集成运算放大器分析与设计低噪声集成运算放大器分析与设计使用放大器的必然性：一般是微弱信号。 但：放大信号的同时也放大了噪声 目标：设计高质量的低噪声前置放大器， 必须了解： 信号的特性， 噪声的特性， 噪声分析方法， 目的：更好地抑制噪声、放大信号。 研究关于放大器的噪声及描述放大器噪声特性 的一些有关参数和模型。2.1 2.1 放大器的噪声模型放大器的噪声模型放大器的噪声

3、模型放大器的噪声模型放大器内部的噪声是很复杂的 采用En-In模型模型来描述放大器的总的噪声特性。 放大器的内部噪声可以用串联在输入端的具有 零阻抗的电压发生器电压发生器En和一个并联在输入端具 有无穷大阻抗的电流发生器电流发生器In来表示。两者相 关系数为r。 这个模型称为放大器的放大器的EnIn噪声模型噪声模型噪声的电压噪声的电压电流（电流（En-In）模型）模型放大器的放大器的放大器的放大器的E En n- -I I I In n噪声模型噪声模型噪声模型噪声模型Vs为信号源电压；为信号源电压； Rs为信号源内阻；为信号源内阻； Ens为的热噪声电压；为的热噪声电压； Zi为放大器输入电阻

4、为放大器输入电阻 Av为放大器电压增益为放大器电压增益 Vso总的输出信号总的输出信号 Eno总的输出噪声总的输出噪声RsEnsVsInrZiAv无噪声 放大器VsoEnZiAVEnoEn：放大器的噪声电压；：放大器的噪声电压； In：放大器的噪声电流；：放大器的噪声电流；En-In模型的优点：模型的优点：理论：放大器看成是无噪声的， 对放大器噪声的研究归结为只要分析理论：放大器看成是无噪声的， 对放大器噪声的研究归结为只要分析En、In 在整个电路中所起的作用。 简化了电路系统的噪声的计算。在整个电路中所起的作用。 简化了电路系统的噪声的计算。 实验：能够通过实验测量得出实验：能够通过实验测

5、量得出En、In 的大小的大小2.2 2.2 等效输入噪声等效输入噪声等效输入噪声等效输入噪声利用En-In模型，放大系统的噪声简化为三个 噪声, 即En、In和Ens。 等效输入噪声Eni：进一步考虑这三个噪声源的共同效果，将它 们等效地归结到信号源位置上， 用等效输 入噪声Eni来表示。计算各噪声源在放大器输出端的贡献： Ens的贡献为：En的贡献为：In的贡献为：AvZRZEEisi nsEnons+=)(AvZRZEEisi nEnons+= )(AvZRIIEisnnno)|()(= AvZRZRIisis n+=RsEnsVsInrZiAv无噪声 放大器Vso若En、In不相关，将

6、上述各项平方相加 得总的输出噪声为：在上式中，有一个公共因子当输入信号为Vs时，输出信号为：即放大系统的电压放大倍数。2 )(2 )(2 )(2nnnsInoEnoEnonoEEEE + +=222222 + + +=AvZRZRIAvZRZEAvZRZEisis n isi n isi nsAvZRZisi +AvZRZVVisi sso+= AvZRZ VVKisisso+=因此：为等效输入噪声 等效输入噪声的意义：单一噪声源位于Vs位置上，代替了原系统的所 有噪声源。 如果En、In是相关的，则：式中r为相关系数。2222 22 snnns vno niRIEEKEE+=2snnsnnn

7、sniRIrERIEEE222222+=fKTREsns= 42等效输入噪声曲线等效输入噪声曲线E2ns E2nsE2nE2nE2niE2ni(InRs)2(InRs)2RsRsEns为主En为主InRs为主通用放大器通用放大器低噪声放大器低噪声放大器002.3 2.3 噪声系数噪声系数噪声系数噪声系数 在实际工作中常常需要考虑放大器、元件及系统 的噪声性能。 对于系统来说，其噪声性能不仅仅是指系统本身 元器件产生噪声的大小，还包括它对信号影响的 程度。 通常是用噪声系数噪声系数 NF（Noise Factor）作为衡量 放大器或元件、或系统噪声性能的指标。 等效输入噪声Eni的表示式中含有源

8、电阻Rs及其热 噪声项，故不宜用Eni作为衡量的指标。 另一方面，同时用En、In来表示又比较麻烦。定义信噪比：电路信号功率与噪声功率之比，称为信号噪声 比，简称信噪比，用符号或表示。输出端的信噪比越高越好 定义噪声系数：用分贝表示则写成：Ns PP NS输出端信噪比输入端信噪比=nosonisi PPPPNF/nosonisi FPPPPN/lg10=放大器的噪声系数的定义表示信号通过放大 器后，信噪比变坏的程度。 信号通过放大器后，若放大器无滤波功能，则信号和噪声都同样放大了，放大器本身也有噪声，信噪比不 可能变好。 如果放大器是理想的（无噪声）线性网络，输入端的信号与噪声得到同样的放大，

9、即输出端的信噪比与输入端的信噪比相同，则：NF=1 或 NF= 0 dB。 如果放大器本身有噪声，则输出噪声功率等于放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声功率之和，对这 样的放大器，信号经放大后，输出端的信噪比就比输 入端的信噪比低，则 NF1。Ap=Pso/Psi为放大器的功率增益，为放大器的功率增益，Pno1=PniAp表示信号源内阻产生的噪声，通过放表示信号源内阻产生的噪声，通过放大器后在输出端所产生的噪声功率。大器后在输出端所产生的噪声功率。上式表示，噪声系数上式表示，噪声系数NF仅与输出端的两个噪声功率仅与输出端的两个噪声功率Pno和和Pno1 有关，而与输入信号的大小无关。有关，而

10、与输入信号的大小无关。 =siso ninosoninosinosonisinosonisiPPPP PPPPPPPPPPPPNF/pnino APPNF=1nono PPNF=由NF的定义，且输入端的信号功率Psi和噪声功率Pni分 别由输入信号源的信号电压Vs和其内阻Rs的热噪声 所产生，噪声系数也可以写成另一种形式：或?放大器的输出噪声功率Pno是由两部分组成的，一 部分是PniAp；另一部分是放大器本身（内部）产 生的噪声在输出端上呈现的噪声功率Pn， 即所以，噪声系数又可写成：?上式表明噪声系数与放大器内部噪声的关系。 实际放大器总是要产生噪声的， 即：Pn0，因此NF1。 只有放大

11、器是理想情况，内部无噪声，即Pn=0。 则 NF=1。nnonnipnoPPPPAP+=+=1nipnnippnino PAPPAAPPNF+=nipnpnin PAP APP+=+=11?有时噪声系数用电压比表示，?即： 其中为电压增益。?而Eni为等效输入噪声则：（噪声系数等于等效输入噪声除以信号源的噪声）?若考虑相关系数r0，则噪声系数 ：222 02 02 0221vnsnnsnssKEEEVEVNF=sso vVVK=222 0nivnEKE=222 01vnsn KEENF=22nsni EE=22222nssnnns ERIEE+=222222nssnnsnnns ERIrERI

12、EENF+=基本定义 式：输出端信噪比输入端信噪比=nosonisi PPPPNF/niosininososi PSNRP PPPPNF=)/(则 ： SNRo为输出端的信噪比。niosiPSNRNFP=则输入信号功 率：则输入信号电 压：niosiPSNRNFE=若已知NF，输入噪声功率Pni，要求输出信号的 信噪比，就可以计算出可以检测的最小信号。?例如：放大器信号源电阻Rs=1k ，工作温度为 290k，带宽=1kHz，NF=2，只考虑的热噪声， 若要求输出SNRo=10，计算可检测的最小信号。解：放大器仅有信号源电阻Rs的热噪声功率 Pni=4kTRsniosiPSNRNFE=可检测的

13、最小信号：Ei0.566VNFSNRfkTREossi=4结论：结论：?噪声系数的三个表达式为：?基本定义式：?导出式：?或：?它们分别从不同的角度说明了噪声系数 的含义，是完全等效的。输出端信噪比输入端信噪比=nosonisi PPPPNF/功率源电阻产生的输出噪声输出端总的噪声功率=pnino APPNF功率源电阻产生的输出噪声放大器产生的噪声功率+=+=11pnin APPNF?在计算具体电路的噪声系数时，用后面两 式比较方便。?应该指出，噪声系数的概念仅仅适用于线 性电路（线性放大器），因此可以用功率 增益来描述。?对于非线性电路而言，不仅得不到线性放 大，而且信号和噪声、噪声和噪声之

14、间会 相互作用，即使电路本身不产生噪声，在 输出端的信噪比和输入端的也不相同。 因此噪声系数的概念就不能适用。2.4 最佳源电阻最佳源电阻Ropt与最小噪声系数与最小噪声系数NFmin?根据前面导出的噪声系数表达式?由上式可见，由上式可见，NF是四个变量是四个变量En、In、R、Rs、f的函 数。的函 数。?放大器一旦设计好以后，放大器一旦设计好以后，En、In和和就基本不变 了，就基本不变 了，NF只是只是Rs的函数的函数2222222222 1nssnnsnnssnnns ERI EE ERIEENF+=+=fKTREsns= 42fKTRRI fKTRENFssnsn +=4)( 412

15、2?NF和Rs的关系:?对于一个确定的放大器，只能通过改变源 电阻来减小它的噪声系数。?NF和Rs有关： Rs增大时第二项减小而第三项增大，Rs减 小时第二项增大第三项减小，?因此，NF是有极值的。fKTRI fKTRENFsnsn +=44122求偏导 ：得： 因此，当信号源的内阻：时， 噪声系数NF取得最小值：称此时的源电阻为最佳源电阻，记为RoptsdRNFd)(0441222=+= fKTI fKTE RRNFnnssopts nn sRIER)(记作=nn sIER =fKTIE fKTIE fKTIENFnnnnnn +=+=21441min?当Rs=Ropt时，可使放大器的噪声系数 为最小，?这时源电阻和放大器的配置称为“噪 声匹配”，?这是低噪声设计的一个重要原则。2.5 2.5 噪声温度噪声温度噪声温度噪声温度根据噪声系数的公式， 放大器的噪声系数: Pn是放大器内部噪声在输出端产生的噪声功率 PniAp是信号源的内阻产生的噪声功率在放大器 输出端的结果。pnin APPNF+= 1设放大器在输入端和信号源是功率匹配的， 即Rs=Ri， 在输出端和负载也是功率匹配的：Ro=RL 放大器的功率增益为APH。