微弱信号检测课件2(高晋占-清华大学出版)

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1、第二章放大器的噪声源和噪声特性噪声源内部固有噪声外部干扰噪声电场干扰噪声磁场干扰噪声电磁辐射噪声地电位差噪声公共阻抗耦合噪声热噪声散弹噪声1/f噪声爆烈噪声本章内容2.1电子系统内部固有噪声源2．2放大器的噪声系数2．3放大器噪声性能分析2．4BJT的噪声特性2.5场效应管（FET）的噪声特性2．6运算放大器的噪声特性2．7低噪声放大器设计2.1电子系统内部固有噪声源2.1.1电阻的热噪声1.起因：电阻中电子的随机热运动，又称为Johnson噪声。2．功率谱密度函数式中：-热噪声的功率谱密度函数，k-玻尔兹曼（Boltzman）常数,T-电阻的绝对温

2、度，K；3．幅度分布：零均值高斯分布。4．热噪声的等效功率式中：B—系统的等效噪声带宽（Hz）；5．热噪声电压有效值(rms值)例：温度为17°C，在带宽为100kHz的放大电路中，的电阻两端所呈现的开路热噪声电压有效值。6．电阻等效电路例：试证明温度相同的两个电阻和相串联所产生的等效热噪声有效值解：叠加后的功率为两边开方得等效输出电阻为7．阻容并联电路的热噪声热噪声电压有效值2.1.2散弹噪声1．起因：P-N结载流子的随机发射与随机扩散；空穴电子对的随机产生与组合。2．功率谱密度函数式中：电子电荷；流过PN结的平均直流电流。3．散弹噪声电流的功率4

3、．散弹噪声电流的有效值（均方根值）为上式表明，单位带宽方根的只是的函数。5．的幅度分布：高斯分布2.1.31/f噪声1．起因：两种导体接触点电导的随机涨落，因此又称接触噪声。2．早期的1/f噪声模型功率谱密度函数式中：流过样品的直流电流平均值,A；取决于接触面材料类型和几何形状的系数。3．迁移率涨落模型式中：样品中的载流子总数；无量纲的Hooge系数,上式就退化为早期模型。4．幅度分布：高斯分布2.1.4爆烈噪声（BurstNoise）1．起因：半导体材料中的杂质（通常是金属杂质）随机发射或俘获载流子。2．爆烈噪声脉冲的宽度：1ms~0.1s量级。3

4、．脉冲的幅度：约为4．出现的几率：每秒几百个到几分钟一个。5．功率谱密度式中：直流电流；取决于半导体材料中杂质情况的常数；转折频率，当功率谱密度曲线趋于平坦6．特点：电流型噪声，在高阻电路中影响更大。通过改善半导体制作工艺，减少杂质数量，爆烈噪声可得以改善。2．2放大器的噪声系数2.2.1噪声系数(NoiseFactor)和噪声因数(NoiseFigure)1．输入端信噪比2．输出端信噪比3．放大器的噪声系数F（1）表示信噪比恶化程度（2）输出端噪声总功率和输入端噪声功率在输出端的比值式中：放大器的功率增益；输出噪声总功率；放大器无噪声时的输出噪声功

5、率。4．噪声因数NF（NoiseFigure）：5．噪声系数特点：随放大器的偏置电流、工作频率、温度及信号源内阻而变化。6．放大器可检测的最小信号例：放大器的输入噪声只有源电阻的热噪声，温度为17°C，放大器等效噪声带宽为噪声系数F=2，要求试求系统可检测的最小信号。解：2.2.2级联放大器的噪声系数弗里斯公式[Friis]:注意：各级噪声系数对总噪声系数的影响是不同的，越是前级影响越大。如果足够大，系统总的噪声系数F主要取决于第一级的噪声系数。放大器功率增益ABC例：用三个放大器串级联接来放大微小信号，其功率增益和噪声系数如下表：如何联接才能使总的

6、噪声系数最小？解：三个放大器中F最小的放大器A应该用作第一级。两种联接排列：(a)A、B、C或(b)A、C、B增益换算为倍数：（a）A、B、C排列（b）A、C、B排列2.3放大器噪声性能分析2.3.1放大器的噪声模型1.功率谱密度2.平方根谱密度2.3.2放大器噪声性能分析1．放大器的等效输入噪声输入电路的总噪声功率：思考：如何测量确定放大器的等效输入噪声功率与信号源内阻的关系2．放大器的噪声系数与最佳源电阻上式表明，当信号源电阻趋向于零或趋向于无穷大时，噪声系数F都会趋向于无穷大。3．噪声系数最小值放大器中的所有晶体管的噪声特性都会随工作频率的不同

7、而变化，所以放大器的都是频率的函数。4．噪声因数等值图（NF图）最佳工作点：最佳源电阻最佳工作频率约为2．4BJT的噪声特性2.4.1双极型晶体管的噪声特性1．双极型晶体管的内部噪声源式中：2．双极型晶体管的噪声等效电路（1）等效电路的化简等效为一个输入电压源和一个输入电流源当频率足够高时,忽略噪声（2）等效输入电压噪声随变化曲线（3）等效输入电流噪声随变化曲线（5）最佳源电阻随变化曲线2.4.2BJT的噪声因数频率分布频率分布曲线：1）低频段：噪声使得频率越低，噪声功率谱密度越大；2）高频段：的反馈作用加强，下降，分配噪声加强；3）中频段：白噪声（

8、热噪声和散弹噪声）。2.5场效应管（FET）的噪声特性1．场效应管的内部噪声源（1）沟道的热噪声：起因于电阻