低噪声前置放大电路

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1、光电信号处理华中科技大学光电学院光电测控技术与仪器系第二章低噪声前置放大器（2）§2.6多级放大器的噪声系数NF1,2,…n单级放大器噪声系数NFPni为输入端噪声功率，即源的噪声功率Pn为放大器内部噪声在输出端的体现Pno为输出端总的噪声功率Ap为放大器的功率增益根据噪声系数NF的定义，有：●研究多级放大器的噪声系数：Pni为第一级输入端的输入噪声功率，也是整个系统的输入噪声功率。Pn1、Pn2、Pn3分别为各级所产生的噪声功率，在各级输出端的体现。Ap1、Ap2、Ap3分别为各级的功率增益。Pni多级放大器的噪声系数AP1Pn1NF1AP2Pn2NF2AP3Pn3NF3P

2、n0NF1,2,3由得：每个放大器单独和源噪声Pni相连接时，得到：三级放大器级联成为一个放大系统，此系统的噪声系数:Pn为三级级联放大器内部噪声功率在输出端的体现:即：Ap为三级放大器的总的功率增益：所以：●对于n级级联放大器，可以得出其噪声系数为：这就是多级放大器的噪声系数理论的Friis公式●这个公式可以看出：多级放大器噪声系数的大小，主要取决于第一级放大器的噪声系数；为了使多级放大器的噪声系数减小应尽量减小第一级的噪声系数，提高第一级的功率放大倍数Ap1，设计低噪声前放的又一个重要原则。例：将三个放大器A、B、C串联来放大微弱信号，其功率增益和噪声系数如下表：放大器功

3、率增益噪声系数A101.5B152.5C1004如何连接三个放大器使得噪声系数最小？根据弗里斯公式，第一级应选NF最小的放大器，因此，放大器A应作为第一级。两种排列方式：A、B、C和A、C、B分别计算：排列方式：A、B、C时：NF=1.5+(2.5-1)/10+(4-1)/15*10=1.67排列方式：A、C、B时：NF=1.8最关键的是第一级●从光电探测器获取信号，除了要有必要的偏置电路外，还必须有耦合网络才能将探测器输出的信号送到后续的低噪声前放进行放大。下面介绍耦合网络的类型，以及耦合网络的低噪声设计的原则。§2.7耦合网络的低噪声设计原则光电探测器偏置电路前置放大器耦

4、合网络如图：Zs表示探测器和偏置电路形成的等效阻抗，Vs表示由探测器得到的信号电压，光电探测器及其偏置电路就可以看出一个内阻为Zs、电动势为Vs的信号源。ZsVs探测器及其偏置电路的等效电路信号源与前置放大器耦合的方式，有下列五种形式。p表示并联，s表示串联（1）并联型：（5）串并串型：设从降低噪声提高输出端信噪比的角度来考虑，理论分析和实验均证明，为了尽量减少耦合网络带来的噪声，必须满足下列条件：（1）对于耦合网络中的串联阻抗元件（2）对于耦合网络中的并联阻抗元件En、In为前置放大器的En-In模型中En、In参量。（3）为了减小电阻元件的过剩噪声（1/ƒ噪声），必须尽量

5、减小流过电阻的电流，或降低电阻两端的直流压降。●每一个元件都是一个噪声源，对系统的输出噪声都有贡献，因此，为了减小输出端的噪声，提高信噪比，应尽量采用简单的耦合方式，在可能的情况下，应采用直接耦合方式，从而消除耦合网络所带来的噪声。●在迫不得已要采用耦合网络时，注意遵循上述原则。§2.8低噪声前置放大器的选用●在光电系统中，探测器后面的是耦合网络和前置放大器；为了将探测器输出的微弱信号放大，必须合理地设计或选用低噪声前置放大器，以保证放大器的输入端和输出端有足够大的信噪比。首先介绍低噪声前置放大器的选用方法。1根据Eni和Vsi来选用低噪声前置放大器噪声系数NF是用来描述放大

6、器（或一个器件）噪声性能的参数，如果一个放大器是理想的无噪声的放大器，那么，它的噪声系数NF=1，而NF=10lgNF=0（dB），一个实际的质量好的低噪声前置放大器其NF值可以做到0.05dB，甚至更低。生产厂商在出售低噪声前置放大器时，都附有相关的技术资料，包括提供各种测试条件下的NF值。●根据NF值来计算低噪声前放的等效输入噪声Eni，采用分贝表示的噪声系数：此式表明：如果已知前放的NF值、信号源的源电阻Rs及带宽Δf，则放大器的等效输入噪声Eni即可求出。●若已知放大器等效输入噪声Eni的大小，将Eni和放大器输入端的信号Vs进行比较，就可判定这个放大器是否符合要求；

7、一般是根据系统（Vs/Eni）的比值的要求来选定放大器的NF值。●注意：NF值和Eni的大小都是和源电阻及带宽Δf密切相关的。其中带宽Δf是由系统的需要所确定的，并且是由系统中的某一部件，例如带通滤波器或者前放本身所决定的。Rs放大器1NF=20dB放大器2NF=3dBRs=100ΩΔf=100HZ130nV18nVRs=100ΩΔf=1HZ13nV1.8nV例：有两个标号分别为1号、2号的前置放大器，它们的有关数据经计算列于下表（室温下）：EniΔƒ●如果被测信号大小为Vsi=1μV，Δf=100Hz