《微弱信号检测》ppt课件

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1、微弱信号检测技术§1概述§2噪声基本知识§3低噪声放大器§4微弱信号检测方法§5利用噪声检测信号的技术方法示例§6反馈测量技术及其他技术1概述有用信号的幅度绝对值很小，如V、nV乃至pV量级电压信号；检测每秒钟多少个光子的弱光信号。相对于噪声而言，幅度很小的有用信号。如输入信号的信噪比为10-2或更小，即信号完全淹没在噪声之中。微弱信号的定义微弱信号检测(WeakSignalDetection)从噪声中提取信号，从而使测量下限可低于测量系统的噪声水平。这是与非微弱信号监测的关键差别。科学研究中常需检测极微弱的信号，例如：生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电天文

2、学中的星体光谱化学反映中的物质生成过程物理学中表面物理特性光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱微机电系统（MEMS）的微位移、微力、微电流、电压等1概述微弱信号检测途径●降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高信噪比；●研制适合弱信号检测原理并满足特殊需要的器件；●研究并采用各种弱信号检测技术，通过各种手段提取信号。上述三者缺一不可。2.噪声基本知识检测装置外部，如宇宙射线、广电信号等；检测装置内部，如各部分之间的静电耦合、电磁耦合、共阻抗耦合等；元器件内部，如载流子的不规则热运动所造成的固有噪声等。本讲涉及如何降低元器件内部固有噪声影响2.1噪声来源2.2元器

3、件固有噪声及其规律把微弱信号放大到可测幅度，须使用放大器和其他电路。但电子电路中几乎所有的元器件本身往往就是噪声源。这种噪声具有随机性质，其瞬时幅值和相位不可预测，只能用概率统计方法描述其大小和特征。信噪比改善系数（1）信噪比SNRSNR用来评价信号的品质优劣，SNR越高，测量误差越小。信号通过一个放大器或一个测试系统后，SNR可能提高，也可能降低。信噪比改善系数SNIR被引入，以描述放大器或测试系统对SNR的改善作用。白噪声情况下信噪比系数：信噪比改善（SNIR）＝Eni：位于信号源处放大系统的等效输入噪声，假定Eni是白噪声，其功率谱密度为常数。Δfin为输入

4、噪声的带宽；Δfn为系统的等效噪声带宽。减小系统的等效噪声带宽，可提高SNIR。SNIR越高，系统检测微弱信号的能力越强。使用微弱信号检测技术，SNIR可达103～105，甚至107。SNIR可等效为：几种常见电子噪声噪声种类特点降低途径热噪声属于白噪声，功率谱密度在很宽的频率范围内恒定。减小输入电阻和带宽减小平均直流电流散粒噪声接触噪声属有色噪声，频率增加，功率谱减小。微弱信号检测中要处理的绝大多数是随机噪声。减小平均直流电流和带宽源头：电子自由运动-热噪声；越过PN结的载流子扩散和电子空穴对的产生复合；接触噪声-导体连接处点到的随机涨落。电子器件的固有噪声工程

5、上常用测量综合噪声效果衡量电子器件的噪声，不再区分具体噪声源。图(a)所示接信号源的放大器，其综合噪声等效电路可用图(b)表示。(a)实际电路(b)等效噪声电路图-2连接到信号源的放大器us—待放大信号；Rs—信号源电阻；unt—Rs≠0引起的热噪声；uni—折算到输入端的噪声电压；ini—折算到输入端的噪声电流举例：A741的输入端的噪声电压、噪声电流功率谱密度函数Su(f)、Si(f)的曲线如下图所示。图-3A741的噪声特性3.低噪声放大器为放大微弱信号，必然要用放大器。放大器本身不可避免地产生噪声，对信噪比本来就比较低的微弱信号造成进一步影响。因此，微

6、弱信号检测的首要问题是尽量地降低放大器的噪声。偏置电路低噪声设计通常，电阻分压式直流偏置电路会产生较大的热噪声和1/f噪声。对于射频微弱信号检测，可用图4所示低噪声偏置电路。它通过射频扼流圈来避免偏置电阻的噪声问题，通过调谐电路实现偏置。(a)利用射频扼流圈(b)利用调谐电路图4射频电路偏置直流工作点低噪声设计对与信号源直连的直接耦合式放大器，选定有源器件后，还须选择合适工作点，使放大器噪声系数最小。图5是频率f=1kHz时，晶体管2N4250的噪声系数随集电极平均电流Ic变化曲线.图52N4250的F-Ic曲线可看出，对每个特定的Rs，都有一个使噪声系数最小的I

7、c。所以，Rs一定时，可通过改变直流工作点实现噪声匹配。利用变压器实现噪声匹配当信号源电阻与放大器的最佳输入电阻存在较大差异时，采用在信号源输出端串、并联电阻实现噪声匹配，虽然对有用信号和信号源电阻热噪声的衰减相同，但有用信号与放大器噪声之比也衰减，且串、并联电阻本身还要产生噪声，所以该方案行不通。可考虑利用变压器进行噪声匹配。如图6(a)所示，假设变压器是理想的，初级线圈与次级线圈的匝数比为1：n，那么由初级变换到次级的信号电压为nus、噪声电压为nunt、源电阻为n2Rs，如图6(b)所示。选择合适的n，可实现噪声匹配。(a)电路连接及噪声源(b)等效电路图6

8、变压器噪声