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1、光电信号处理光电信号处理第二章第二章 低噪声前置放大器低噪声前置放大器 （1）第二章第二章 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
2、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 问题：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研究：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 放大器的噪声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
3、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En-I In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VsoEnZiAVEno En：
4、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：理理论：放大器看成是无噪声的，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。在整个电路中所起的作用。 简化了电路系统的噪声的计算。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：能够通过实验测量得出En、In 的大小的大小2.2 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
5、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：RsEnsVsInrZiAv无噪声放大器Vso若En、In不相关，将上述各项平方相加 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。 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。 等效输入噪声曲线E2nsE2nsE2nE2nE2niE2ni(InRs)2(InRs)2RsRsEns为主En为主InR
6、s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 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
7、： 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， 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
8、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，而与输入信号的大小无关。 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l放大器的输出噪声功率Pno是由两部分组成的，一部分是Pni Ap；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：l 上式表明噪
9、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。 只有放大器是理想情况，内部无噪声，即Pn=0。则 NF=1。 l有时噪声系数用电压比表示，l即： 其中 为电压增益。 l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）l若考虑相关系数r0，则噪声系数 ：基本定义式：则：SNRo为输出端的信噪比。则输入信号功率：则输入信号电压： 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。l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S
10、NRo=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=4kTRs 可检测的最小信号： Ei0.566V结论：l噪声系数的三个表达式为：l基本定义式：l导出式：l或：l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。l在计算具体电路的噪声系数时，用后面两式比较方便。l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。l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Ro
11、pt与最小噪声系数与最小噪声系数NFmin l根据前面导出的噪声系数表达式 l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。l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lNF和Rs的关系:l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。lNF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，l因此，NF是有极值的。 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Roptl当Rs=R
12、opt时，可使放大器的噪声系数为最小，l这时源电阻和放大器的配置称为“噪声匹配”，l这是低噪声设计的一个重要原则。 2.5 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。 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。信号源的内阻Rs产生的热噪声电压均方值为:而放大器的输入噪声功率则为：该噪声功率放大后为：lPn为放大器本身产生的噪声在输出端的功率，将Pn等效到放大器的输入端，并且假定这个噪声也是一个阻值为Rs
13、的电阻产生的，并且这个电阻的温度为Ti，即： 得： Ti就称为放大器的噪声温度。当Ti=0时，NF=1表示放大器本身不产生噪声，是理想的无噪声放大器；当Ti=T时（=290K）则NF=2（NF=3dB），表示放大器本身所产生的噪声和信号源所输入的噪声相等。 l在功率匹配情况下，放大器的总的输出噪声功率：l噪声温度的物理意义： 放大器内部所产生的噪声功率，可看作由放大器输入端接上一个匹配的温度为Ti的电阻所产生；或看作与放大器匹配的噪声源内阻Rs在工作温度T上再加一温度Ti后，所增加的输出噪声功率。 所以噪声温度也代表相应的噪声功率。lTi和NF都可以表征放大器内部噪声的大小，两种表示，没有本质的区别。l通常噪声温度可较精确地比较放大器内部噪声的大小。 例如：T=290KNF=1.10时Ti=29KNF=1.11时Ti=31.9K 两噪声系数只相差0.01，而两Ti相差2.9K。 请看下一节
