電子電路噪聲的研究放大電路的噪聲研究及降低方法（附外文翻譯

1、電子電路噪聲的研究-放大電路的噪聲研究及降低方法Research of the noise of theelectronic circuit-Enlarge the noise research of the circuit and reduce the method摘要電子電路噪聲有內(nèi)部噪聲和外部干擾噪聲兩種形式，但一般情況下電子噪聲是指電路內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲。電子電路系統(tǒng)中一般同時存在多種類型的噪聲，噪聲過大會影響電路的正常工作，必須加以抑制。尤其在前置放大器中，由于很小的噪聲信號在經(jīng)過多級放大后會變?yōu)閷ο到y(tǒng)影響很大的信號，因此噪聲信號對系統(tǒng)的影響成為一個不可忽視的問題。電子電路中元器件內(nèi)部噪

2、聲是顯著因素，各種噪聲具有不同的內(nèi)部機理，不同的抑制措施。本設(shè)計從噪聲基礎(chǔ)知識，電子器件內(nèi)部的噪聲，噪聲電路的計算方法入手，用各種噪聲模型,討論了電子電路及放大器的主要噪聲來源、最佳源電阻和最小噪聲系數(shù),對放大器輸入電路的噪聲從理論上進行一定分析,得到與噪聲大小相關(guān)的函數(shù)關(guān)系。指出在多級放大器中降低總噪聲系數(shù)的方向,設(shè)計出了一種低噪聲偏置電路，對電路放大器的設(shè)計有一定的參考價值。關(guān)鍵詞：電子噪聲 電路噪聲 噪聲計算 ABSTRACTElectronic circuit noise have inside noise and outside interfere the noise two kin

3、ds of forms, but generally speaking the electronic noise refers to the noise emerging within the circuit. Electronic circuit in the system generally for many noise of kind, noise pass conference influence normal work of circuit, must to suppress. Especially among pre-amplifier, because little noise

4、signal can turn into to signal that system exert a tremendous influence after amplifying while being multistage very, so the influence on the system of the noise signal becomes a question that cant be ignored . The noise is remarkable factors within the components and parts in the electronic circuit

5、, various kinds of noises have different inside mechanism, different restrain measures.Originally design from the rudimentary knowledge of the noise, the noise within the electronic device, the noise circuit computing technology is started with, use various kinds of noise models , has discussed elec

6、tronic circuit and main noise source of the amplifier , resistance of best source and minimum noise coefficient, carry on certain analysis to the noise of inputting the circuit of the amplifier theoretically, receive the functional relation correlated with size of noise. Point out among multistage a

7、mplifier reducing total noise directioning of coefficient , design one low in noise to setover the circuit, there is certain reference value to the design of the circuit amplifier.Keyword: Electronic noise Noise of the circuit The noise calculating目錄第一章 噪聲的基本知識11.1 電子電路噪聲概述11.2聲的分類1 1.2.1外部噪聲1 1.2.2

8、內(nèi)部噪聲2第二章 噪聲電路的計算方法52.1 電子設(shè)備中噪聲的模型和等效分析5 2.1.1等效輸入噪聲模型5 2.1.2 等效噪聲帶寬的計算6 2.1.3晶體管混合型噪聲模型8 2.1.4 最佳源電阻即匹配條件和最小噪聲系數(shù)10 2.1.5 低噪聲偏置電路10 2.2 放大電路的噪聲分析11 2.2.1 放大電路的噪聲模型11 2.2.2差分放大器的噪聲模型 12 2.2.3差分放大器的等效輸入噪聲 12 2.2.4 差分放大器的噪聲源13 2.3 放大器輸入電路的噪聲分析15第三章 放大器的低噪聲設(shè)計方法19 3.1低噪聲電路研究193.1.1放大器抑制干擾的措施193.1.2差分放大器的低

9、噪聲運用21第四章 結(jié)束語23 參考文獻24 致謝25第一章 噪聲的基本知識11電子電路噪聲概述在一個電子傳輸系統(tǒng)中，任何不希望的電流電壓波動信號都可以稱為噪聲。噪聲大致可以分為自然噪聲和人為噪聲。人為噪聲主要來自電器設(shè)備（例如電動機，問題開關(guān)等）自然噪聲是指宇宙輻射、大氣噪聲以及我們所熟悉的電子電路噪聲。在電子系統(tǒng)中，噪聲是一個重要的問題，因為他限制了任何電子系統(tǒng)的測量、計算精確度以及電子方法能夠處理的信號的大小 。電路噪聲有熱噪聲、散彈噪聲、低頻噪聲（包括電阻低頻噪聲、爆裂噪聲等），其產(chǎn)生原因各不相同，物理學家最先對噪聲進行了深入的研究。1827年，Brown觀察到了一個物理系統(tǒng)平衡狀態(tài)下

10、的波動，從此噪聲的存在引起了廣泛的關(guān)注。本世紀初，通信工程中應用Einstcin和其他人定義的一些噪聲量來解決噪聲問題。四十年代，Burgess、North和Friss提出了噪聲系數(shù)（Noise Figure）的基本概念。后來次概念又被其他人進行了拓展，但是NF僅僅是一個人為定義的參數(shù)，并不是一個由明確的假設(shè)或是自然定律的前提下推導出來的物理量，所以NF是一個由局限性的概念。目前的研究仍是基于IEEE一些標準中對噪聲稀疏的定義，二端口的噪聲特性和相互合并也是基于這些標準。這些理論可以擴展到N端口情況，獲得的結(jié)論可以作為組建低噪聲電路的設(shè)計工具。1.2噪聲分類電子電路噪聲是指在電路中出現(xiàn)的與電路

11、功能無關(guān)、能引起電路功能下降甚至紊亂的電壓或電流的波動信號。按電子線路系統(tǒng)的內(nèi)外或噪聲的來源不同來區(qū)分， 噪聲有兩類： 第一類是系統(tǒng)外部噪聲。第二類是系統(tǒng)內(nèi)部噪聲1.2.1外部噪聲外部噪聲主要是由工業(yè)的干擾、天電的干擾及無線電信號的宇宙背景輻射產(chǎn)生的白噪聲等原因引起的，都屬于外部干擾。外部干擾的能量分布通常隨著頻率的升高而減小?，F(xiàn)在大部分電子設(shè)備外部噪聲的屏蔽和糾錯功能都已發(fā)展的比較完善，因此本文主要針對電子電路的內(nèi)部噪聲，外部噪聲只作簡單介紹。外部噪聲主要有以下幾種：1.雜散電磁場干擾：放大器周圍存在雜散電磁場時，放大器的輸入電路或某些重要元件處于這種變動的電場和磁場中，就會感應出干擾電壓。

12、對于一個放大倍數(shù)比較高的放大器來說,只要第一級引進一點微弱的干擾電壓,經(jīng)過各級的放大,放大器的輸出端就有一個較大的干擾電壓，所以干擾電壓可由磁感應或靜電感應產(chǎn)生。2.由于接地點安排不正確而引起的干擾：實驗過程中,對于多級放大器經(jīng)常會由于接地點安排不當，在輸入級引起微弱的線路阻抗等附加電壓(稱為寄生反饋電壓)，經(jīng)多級放大后，嚴重損壞輸出電壓波形。3.由于交流電源串入的干擾：當交流電網(wǎng)的負載突變時(如電機的起動和制動) ,在負載突變處交流電源線與地之間將產(chǎn)生高頻干擾電壓這個電壓引起的高頻電流將通過直流穩(wěn)壓電源、放大器及放大器與地之間的分布電容,經(jīng)過地線再返回負載突變處組成回路,這樣就構(gòu)成了對放大器

13、的高頻干擾4.由于電子設(shè)備的共同端沒有正確連接而產(chǎn)生的干擾5.由于直流電源電壓波動引起的干擾1.2.2內(nèi)部噪聲 內(nèi)部噪聲主要是由電子線路的元器件本身導電特性及電路本身設(shè)計不良引起的，都屬于內(nèi)部干擾。內(nèi)部噪聲的頻譜十分寬，所以在頻率比較高的設(shè)備中主要考慮內(nèi)部噪聲的影響，而在頻率比較低的設(shè)備中，外部噪聲和內(nèi)部噪聲的影響就都要考慮進去。內(nèi)部噪聲主要有以下幾種：1.熱噪聲熱噪聲主要是由導體內(nèi)部自由電子無規(guī)則的熱運動所產(chǎn)生的。自由電子在一定溫度下的熱運動類似分子的布朗運動, 是雜亂無章的, 溫度越高越劇烈。電子的無規(guī)則運動, 在導體內(nèi)部形成許多微小的電流波動。雖然它們的總平均電流為零, 但每一瞬間都會在

14、導體兩端引出一個小小的波動電勢。任何導體, 例如電阻接入電路后, 其內(nèi)部波動電勢便成為電路的熱噪聲源。由于導體內(nèi)電子的熱運動經(jīng)常處于互相碰撞狀態(tài), 兩次碰撞之間的時間間隔是極短的(約10 1210 14s) 。因此產(chǎn)生的熱噪聲電壓實際上可以看成是持續(xù)時間極短的脈沖組成。由信號分析可知, 這種持續(xù)時間極短的脈沖噪聲具有平坦的噪聲譜, 熱噪聲屬于一種白噪聲。任何導電元器件都有可能存在熱噪聲, 一般電阻元件的熱噪聲較為顯著?？稍谑静ㄆ鳠晒馄辽嫌^察到熱噪聲波形如圖1.1圖1.1 熱噪聲電壓波形Fig.1.1 Wave form of Johnson noise voltage2.散彈噪聲散彈噪聲是晶體

15、管器件中產(chǎn)生的一種電流噪聲, 它是載流子不均勻通過勢壘區(qū)時造成的電流微小起伏。一般晶體二極管和三極管電流流經(jīng)勢壘區(qū), 散彈噪聲較大。而場效應管中, 主要導電電流不流經(jīng)勢壘區(qū), 相比之下散彈噪聲較小, 只是結(jié)型場效應管柵極反向電流通過PN 結(jié)有不大的散彈噪聲。已經(jīng)證明, 散彈噪聲也具備白噪聲性質(zhì)。散彈噪聲的波形如圖1.2 所示。進一步分析可證明,0 大、rbb小的三極管散彈噪聲較小。圖1.2 散彈噪聲波形Fig.1.2 Wave form of scatterload noise3.低頻噪聲（1）電阻的低頻噪聲 很多電阻除了熱噪聲外, 還會產(chǎn)生一些附加噪聲, 因此實際噪聲比熱噪聲大。電阻中最主要

16、的附加噪聲是低頻噪聲, 來源于電阻中導電微粒的不連續(xù)性。電阻元件從微觀看是很多不連續(xù)顆粒組成的, 電流通過不連續(xù)點就可能產(chǎn)生火花, 使電阻的導電發(fā)生變化, 從而引起電流變化。典型的低頻噪聲如圖1.3 所示。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電阻的附加噪聲主要是低頻成分, 是電流不連續(xù)引起的, 因此又名閃爍噪聲或稱接觸噪聲。附加噪聲具有很強的低頻譜密度, 在高頻時強度急劇減小。測量證明, 甚至低至幾赫茲以下的附加噪聲仍保持低頻特性, 所以低頻噪聲是低頻電路中的主要噪聲源。圖1.3 電阻的低頻噪聲波形Fig.1.3 Low frequency noise wave form of resistance(2)半導體器件中的低

17、頻噪聲 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的晶體管低頻噪聲有兩種, 即閃爍噪聲和爆裂噪聲。這些噪聲通常與晶體管表面狀態(tài)或內(nèi)部缺陷有關(guān), 其內(nèi)部機理尚處于研究階段。晶體管產(chǎn)生閃爍噪聲的原因, 一般認為是由于三極管表面清潔處理不好, 或有缺陷造成的。它的強度還與半導體材料的純度及外加電壓有關(guān)。因此,采用純化處理, 表面實施良好保護的平面型晶體管, 或環(huán)氧樹脂密封的晶體管, 其閃爍噪聲電平很低, 波形與電阻低頻波相似。除去閃爍噪聲外, 許多硅晶體管(特別是平面擴展型晶體管) 還有另外一種低頻噪聲, 這種噪聲的波形如圖1.4 所示, 稱為爆裂噪聲。這種噪聲首先在半導體二極管上發(fā)現(xiàn), 后來又出現(xiàn)于集成電路。爆裂噪聲實質(zhì)上是由一系

18、列幅度較大而脈沖寬度又不相等的隨機脈沖構(gòu)成的, 因此又名尖峰噪聲。如果把這種噪聲加以放大并送到揚聲器中, 就會聽到一種象炒玉米似的爆裂聲, 所以又名炒玉米噪聲。爆裂噪聲從每秒幾百次到每分鐘一次?，F(xiàn)在一般認為這種噪聲是由于半導體材料的缺陷造成, 即由結(jié)晶位錯, 重金屬雜質(zhì)凝聚等造成。因此制造良好的晶體管可能沒有爆裂噪聲。一般元器件, 特別是集成器件中, 以上噪聲可能兼而有之。由于工藝、結(jié)構(gòu)、材料各不相同, 不同類型集成電路噪聲各不相同。實踐證明, 集成器件比分立元件的固有噪聲大(約23倍) , 原因是:（1）一般低噪聲晶體管可以選擇0 大、rbb小的器件, 但集成電路中由于受到工藝等各方面因素的

19、限制, 往往0 較小、rbb較大, 故相應的散彈噪聲要大一些。（2） 由于工藝材料等原因, 往往低頻噪聲較大。當然提高集成工藝, 可以減小內(nèi)部各噪聲的相互作用, 從而降低集成器件的噪聲。圖1.4 爆裂噪聲波形Fig.1.4 Wave form of burst noise第二章 噪聲電路的計算方法本章從不同放大電路的噪聲機制出發(fā)，針對不同放大器的噪聲模型，采用等效噪聲法等表達式，通過對噪聲的產(chǎn)生規(guī)律的進一步研究，明確放大電路的內(nèi)部噪聲機制和噪聲模型之間的關(guān)系，從而提出降低噪聲的理論辦法。2.1 電子設(shè)備中噪聲的模型和等效分析2.1.1等效輸入噪聲模型電子設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲如分析電阻產(chǎn)生的噪聲可

20、等效為一個理想電阻與一個均方值為2的噪聲電壓源項串聯(lián)一樣，可將其等效在輸出端作為一個噪聲源，具有放大作用的設(shè)備，不僅放大有用信號，同時對設(shè)備內(nèi)部的噪聲也具有防大作用。這樣設(shè)備的輸出噪聲的大小則與設(shè)備的增益有關(guān)。因此我們可以將設(shè)備輸出的噪聲轉(zhuǎn)換為接在設(shè)備輸入端的噪聲源通過一個理想（無噪聲）網(wǎng)絡(luò)，如圖2.1所示。圖2.1 等效輸入噪聲模型Fig.2.1 Noise models of equivalent in-putS為信號源電壓，為信號源內(nèi)阻RS產(chǎn)生的熱噪聲電壓均方值，及 為設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲等效在輸入端的噪聲源。阿AV為設(shè)備的電壓傳遞函數(shù)。由于RS，為某一數(shù)值，則為不能相互取代。進一步簡化內(nèi)

21、部噪聲及輸出噪聲的模型如圖2.2。圖2.2 簡化的等效輸入噪聲模型Fig.2.2 Simplified noise models of equivalent in-put其中：為信號源內(nèi)阻產(chǎn)生的熱噪聲電壓與設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲電壓均方值之和，稱為等效輸入噪聲，其表達式為：=+R2S輸出噪聲電壓均方值為：=AV2當RS=0時，=AV2當RS時，= AV2（+R2S）實際情況RS為非零有限值，改變不同的RS，測量出不同的和AV，則可以得到和大小。2.1.2 等效噪聲帶寬的計算熱噪聲來源于設(shè)備重期間內(nèi)部載流子的碰撞，載流子的碰撞可以看作無數(shù)個持續(xù)時間極短的脈沖，由此產(chǎn)生的噪聲電壓由于其隨機性，各脈沖之

22、間沒有確定的相位關(guān)系，故不能用直接疊加的方法得到噪聲電壓的振幅頻譜，但其功率譜可用噪聲電壓夾道單位電阻上，電阻內(nèi)損耗的平均功率即為不同頻率的振幅頻譜平方在得電阻內(nèi)所損耗的功率的總和來確定。功率在一定頻率范圍內(nèi)是均勻分布的，故有時又稱熱噪聲為“白噪聲”。但由于設(shè)備內(nèi)部有選頻網(wǎng)絡(luò)，這設(shè)備對噪聲的傳遞有一定的選擇性。此時的噪聲平均功率定義為：P=K(f0)fzK(f)為功率傳遞函數(shù)，其大小隨頻率變化，如圖2.3所示。圖2.3功率傳遞函數(shù)隨頻率的變化Fig.2.3 Change of transfer functionsof power with the frequencyf0為設(shè)備允許通過信號的中心

23、頻率，fN為等效噪聲帶寬，它不同于信號帶寬f0.70。等效噪聲帶寬的幾何意義可以從以上公式及圖3中得知，它表示K(f)曲線所圍面積（斜剖線所圍面積）與寬為fN長為K(f0)相乘的矩形面積（虛線所圍面積）相等。然而其物理意義由此可表征為設(shè)備內(nèi)部所產(chǎn)生的非均勻噪聲可等效為“白噪聲”通過帶寬為fN的理想（即內(nèi)部不產(chǎn)生噪聲）所屬出的均勻噪聲。由于功率正比于電壓平方，fN又可寫為：fN=A0為f=f0時的電壓傳遞函數(shù)。對于具有LC選頻網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，其f0的計算公式為：fN= (2.1)下面具體算法如下：通過積分換元法，利用（2.1）式，令=t得：fN=f0 =f0 （2.2）再令t =,利用（2.2）式，

24、得fN=-f0 =f0 （2.3）最后令t=u-,利用（2.3）式，得fN=f0=f0 =f0+f0 2.4）利用被積函數(shù)實際函數(shù)的性質(zhì)，可知=0，利用（2.4）式，得fN= f0 =f0 =f0 arctgQt0 =. = f0 （2.5）（2.5）式中2f0.7為信號帶寬，從計算結(jié)果中可見設(shè)備內(nèi)部噪聲帶寬是信號帶寬的1.57倍。若設(shè)備中諧振放大器級數(shù)較多時，噪聲帶寬就會隨之下降，與信號帶寬在數(shù)值上相近。2.1.3晶體管混合型噪聲模型晶體管混合型噪聲模型如圖2.4所示.圖2.4晶體管混合型噪聲模型Fig.2.4 Noise model of the mixed type transistor

25、由于CbeCbc，gm rbe，rbefn,上式中的第三項可略去.并且Zbe1/Ybe=0reIC=0IB,gm=1/re上式可寫成=4KTfn(RS +rbb)+2qIBfn(RS +rbb)2+2qIBfn02 (2.6)2.1.4 最佳源電阻即匹配條件和最小噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù)Fn可定義為Fn=2ni/2ns (2.7)由(2.6)式和(2.7)式可推導出Fn=1+ (2.8)由式(2.8)可知,放大器的噪聲系數(shù)Fn是Rs的函數(shù)。 Rs有一個最佳值Rs0使放大器的噪聲系數(shù)Fn為最小。Rs0是對噪聲而言的最佳信號源電阻。當IRs0。這說明要同時實現(xiàn)噪聲匹配和功率匹配實際上很難辦到,低噪

26、聲前置級應側(cè)重噪聲匹配,而通過提高整個系統(tǒng)的增益來補償功率匹配的損失。由于低噪聲放大器的輸入信號很微弱,放大器前幾級的動態(tài)范圍不是突出問題.當前后級都采用共射極電路時,若使后級集電極電流Ic2比前級集電極電流Ic1大兩倍左右，就能實現(xiàn)級間低噪聲匹配(在低圖2低噪聲偏置電路頻段,取Ic2Ic1).但隨著級數(shù)后移,應側(cè)重功率匹配。2.1.5 低噪聲偏置電路n級放大器總噪聲系數(shù)Fn為Fn=Fn1+ + + + 由上式可見,多級放大器總的噪聲系數(shù)主要取決于前面一二級,而和后面各級的噪聲系數(shù)幾乎無關(guān)。Fn1小,則總的噪聲系數(shù)??；GPH1大,則后級的噪聲系數(shù)在總的噪聲系數(shù)中所引的作用減小。因此,在多級放大

27、器中,最關(guān)鍵的是第一級,不僅要求它的噪聲系數(shù)低,而且要求它的額定功率增益盡可能高.在頻率不是很高的情況下,由于共射極電路功率增益大,可以提高系統(tǒng)抑制噪聲能力,所以輸入級一般接成共射極電路形式,且采用低噪聲偏置電路,如圖2.5所示：圖2.5低噪聲偏置電路Fig.2.5 Low noise biasing circuit如滿足(RB1RB2) ，則偏置電阻噪聲源被CB旁路。同理,直流負反饋電阻RE上的噪聲被CE旁路。圖2電路中,偏置電路附加了一個基極電阻RD，它可能產(chǎn)生新的噪聲。但因流經(jīng)RD的基極電流很小，其噪聲可以忽略。如果RD取值RD 20RE,則RD所產(chǎn)生的熱噪聲也可忽略。RD的取值范圍應在

28、幾十萬歐至幾兆歐范圍內(nèi).2.2 放大電路的噪聲分析2.2.1 放大電路的噪聲模型任何二端網(wǎng)絡(luò)都有通用的噪聲模型。 把網(wǎng)絡(luò)看成是無噪聲的方框,其內(nèi)噪聲源用兩個位于一端而且通常是在輸入端的噪聲發(fā)生器來表示。放大器的噪聲模型如圖2.6 所示。放大器的噪聲可以用與輸入端串聯(lián)的阻抗為零的電壓發(fā)生器En 和與輸入端并聯(lián)的阻抗無窮大的電流發(fā)生器In 及一個復雜的相關(guān)系數(shù)C 完全表示。信號源的熱噪聲用噪聲發(fā)生器Et表示。這樣，把全部噪聲都看成是輸入端的，認為放大器與噪聲無關(guān)，就便于討論系統(tǒng)的信號和噪聲。圖2.6放大器噪聲模型Fig.2.6 Noise models of amplifier將上述的En2In

29、模型進一步簡化,用等效輸入噪聲Eni代表所有的噪聲源,則等效輸入噪聲的表達式為E2n i = E2t+ E2n + I2n R2s, （2.10）引入相關(guān)系數(shù)C , (2.10) 式變成E2n i = E2t+ E2n + I2n R2s+ 2 CEn In Rs . （2.11）2.2.2差分放大器的噪聲模型差分放大器的噪聲模型如圖2.7 所示。差分放大器用噪聲發(fā)生器En1 、En2 、In1和In2表示。圖2.7差分放大器噪聲模型Fig.2.7 Noise models of difference amplifier2.2.3差分放大器的等效輸入噪聲1. 信號源一端接地.信號源一端接地時，

30、其串聯(lián)噪聲電阻為Rs1，差分放大器的反相輸入端經(jīng)Rs2接地。等效輸入噪聲是這個差分對的兩半部分的等效噪聲之和E2n i = E2ns1 + E2ns2 + E2n1 + E2n2 + I2n1 R2s1 +I2n2 R2s2 . (2.12)2. 信號源浮地.信號源浮地時，噪聲電壓En1和En2相加,總噪聲電壓為EnTE2n T = E2n1 + E2n2 2 E2n1 . (2.13)In1 和In2 的噪聲電流貢獻各分一半(因為各自只看到源電阻的一半)，總噪聲電流InT 為I2nT = 2 + () 2 (2.14)由(2.13) 和(2.14) 式得到等效輸入噪聲En i為E2ni =

31、E2ns + E2n1 + E2n2 + () 2 + () 2 (2.15)如果放大器的噪聲機構(gòu)是相同的,用浮地源時, Eni 簡化為E2n i E2ns + 2 E2n1 + (2.16)由式(2.13) 、(2.15) 和式(2.16) 可以看出，用浮地源時的噪聲電流InT比信號源一端接地時的噪聲電流小，因此用浮地源時的等效輸入噪聲比信號源一端接地時小。2.2.4 差分放大器的噪聲源對于圖2.8所示差分基本電路,根據(jù)邁因德爾的增益表達方法，差動增益Kdd是差動輸出信號VC2 - VC1對差動輸入信號VS2 - VS1之比Kdd =, Rs RB. (2.17)圖2.8差分基本電路Fig.

32、2.8 Difference fundamental circuit假定兩個晶體管的參數(shù)相同,每個通道的電路元件值相等： RC1 = RC2 = RC ，RE1 = RE2 = RE ，RS1 =RS2 = RS . 噪聲增益與RL無關(guān)，則(2.17)式簡化為Kbb= (2.18)共模電壓增益KCC 定義為共模輸出信號VC2 + VC1對共模輸入信號Vs2 + Vs1 之比,當REE很大時，得到簡化式KCC =. (2.19)值得注意的是共模輸入信號產(chǎn)生差動輸出信號的增益Kdc。 這個增益與電路的平衡情況十分有關(guān)Kdc = (2.20)式中VS1 = VS2 = VS， RL1 = RC1 R

33、L， RL2 = RC2 RL .如果兩個通道的參數(shù)完全一樣,則Kdc = 0采用恒流源時(圖2.9) , T3 射極輸入時產(chǎn)生差模輸出的增益KdE (2.21)圖2.9采用恒流源的基本差分電路Fig.2.9 Difference fundamental circuit that use constant-source上述增益表達式表示對輸入信號的增益，也適用于與公共射極電阻REE串聯(lián)的共模電壓，也部分地適用于電源電壓VCC的噪聲。2.3 放大器輸入電路的噪聲分析放大器在放大微弱信號時,要求噪聲越小越好。如何減小放大器的噪聲,這是一個比較復雜的問題。本文就放大器輸入電路的噪聲進行一定的分析,從

34、而指出減小這種噪聲的有效途徑和給出選擇小噪聲放大器的有效依據(jù)。設(shè)放大器輸入阻抗如圖2.10所示。圖中為輸入電阻，為輸入電容(并含分布等電容)，()為輸入電導1/上的熱噪聲隨機起伏電流源。圖2.10放大器輸入阻抗Fig.2.10 Input impedance of amplifier 該網(wǎng)絡(luò)對應的朗芝萬()微分方程式則是+()=() （2.22）式中,()為電容上的電壓。在時間區(qū)間0內(nèi)代如下相應傅氏級數(shù)入式(2.22) （2.23） 其中,角頻率n=2n/,(=0,1,2,)。得C+=即 n (jnRC + 1)= nR由此得= (2.24)根據(jù)維納辛欽(-)定理,()的譜強度和()的譜強度分

35、別為SH(f)= (2.25)式中f為頻率；n*, n*分別為nn的復共軛值。而=考慮到H(t)是一個白噪聲源,SH(f)=Sn(0),因此得SUC(f)= (2.26)為了求出(0),計算()的均方值= (2.27)根據(jù)能量均分定理= 即 = (2.28)式中為玻爾茲曼常數(shù),為絕對溫度。由式(6)和式(7)得SH(0)= (2.29)于是,U(t)的譜強度即輸入電導上的噪聲電壓譜強度SUg(f)為SUg()= (2.30)式(2.30)表明,電容越大,輸入電路噪聲則越小。但該電容過大卻會增大信號的分流等不良作用。因此,宜適當減小電路的輸入電容。式(2.30)還表明,工作頻率越高,輸入電路的噪

36、聲就越小,反之,噪聲就越大。這種類型的噪聲類似放大管的閃爍噪聲?？梢?要減小放大器的這類噪聲,就不能只著眼于管子的閃爍噪聲。式(2.30)還指出放大器的溫度越低,其噪聲亦越小。因此,放大器宜在較低溫度下工作。該式還指出,放大器的輸入電阻為0或時,輸入電路噪聲均為0,噪聲隨電阻的變化是否存在噪聲極大值,其推導如下。先依據(jù)式(2.30)將頻率變換為角頻率,再對電阻求導并令其為0,即=0即=0得R = (2.31)將式(2.31)代入式(2.30)得最大譜強度Sugm(f)= (2.32)式(2.31)和式(2.32)表明,輸入電路的噪聲隨電阻的變化的確存在噪聲極大值。其變化關(guān)系如圖2.11所示。圖

37、2.11噪聲隨R變化關(guān)系Fig.2.11 Change of noise with R 這里把對應最大譜強度USm()的輸入電阻稱為最大噪聲輸入電阻并記為Rsm。顯然在工作頻率和輸入電容等不變條件下,放大器輸入電阻越小于Rsm,其噪聲就越小；放大器輸入電阻越大于Rsm,其噪聲并非越大,相反也越小。因此,放大器輸入電阻大小與噪聲的這種關(guān)系可以作為選擇小噪聲放大器的有效依據(jù)。例如,有2個同類型放大器,它們的輸入電阻都小于最大噪聲輸入電阻Rsm。依據(jù)圖2.11所示關(guān)系,顯然應選擇輸入電阻小的放大器。同理,有2個同類型放大器,它們的輸入電阻都大于最大噪聲輸入電阻Rsm。依據(jù)圖2所示的關(guān)系,顯然應選擇輸

38、入電阻大的放大器。至于不同類型放大器的選擇,由于涉及因素比較多,只依據(jù)上述關(guān)系一般不易準確確定。第三章 放大器的低噪聲設(shè)計方法實驗中放大器的干擾與三極管的噪聲是非常普遍的，其頻率如果是50 Hz (或100 Hz) ,一般稱為50Hz交流噪聲，有時是非周期性的,沒有一定規(guī)律。50 Hz 交流噪聲大都來自電源變壓器或交流電源線，100 Hz 交流噪聲往往是由于整流濾波不良造成的。另外,由電路周圍的電磁波干擾信號以及電路中的地線接的不合理引起的干擾電壓也是常見的，由于放大器的放大倍數(shù)很高(特別是多級放大器) ,只要在它的前級引起一點微弱的干擾,經(jīng)過幾級放大,在輸出端就可以產(chǎn)生一個很大的干擾電壓3.

39、1低噪聲電路研究3.1.1放大器抑制干擾的措施噪聲對電子電路所造成不良影響的大小, 視噪聲與信號的相對大小而定。通常用信噪比來衡量。改善電路的噪聲特性, 應力求提高電路輸出的信噪比。提高信噪比可以從兩方面入手, 一是提高信號強度, 另一種是降低噪聲。在采取有關(guān)措施時要注意, 如果所采取措施的結(jié)果是使信號和噪聲同等的增大或減小, 那么這個措施對提高信噪比是毫無作用的。下面探討幾種減小電路內(nèi)部噪聲影響, 提高信噪比的方法。1.選擇合適器件選用低噪聲電子器件是降噪的有效辦法。對于幾種常用的有源器件噪聲性能比較如下:(1) 在低頻及中頻區(qū), 結(jié)型場效應管的電流噪聲比晶體管的電流噪聲小得多。主要是因為場

40、效應管為多數(shù)載流子導電, 不存在象晶體管的電流在集電極和基極間分配不均勻所產(chǎn)生的分配噪聲, 以及載流子通過發(fā)射結(jié)勢壘產(chǎn)生的散彈噪聲, 雖有柵極與導電溝道之間反向電流Ig 產(chǎn)生的散彈噪聲, 但非常小。因此, 其低頻噪聲性能優(yōu)于晶體管。例如, 音頻放大電路前置放大級, 多采用結(jié)型場效應管, 原因就在于此。但在高頻段, 由于溝道電阻噪聲通過柵極與溝道之間寄生電容感應至柵極, 并隨頻率的升高而增大, 故電流噪聲可能變得比晶體三極管還要大。所以從低噪聲應用來看, 在中低頻區(qū)應用, 適宜采用gm 大、Ig 小的結(jié)型場效應管, 而在高頻區(qū)工作時, 則宜采用fT 大、0 大、rbb小的低噪聲晶體管。(2) 絕

41、緣柵場效應管由于表面工藝等原因, 低頻噪聲嚴重, 電壓噪聲比結(jié)型場效應管大, 一般不宜作低噪聲前放。但由于絕緣柵的作用, Ig 很小, 電流噪聲比結(jié)型場效應管要小, 因此在源電阻很大時可以采用。(3) 晶體二極管有兩種工作狀態(tài): 一種是工作在正偏狀態(tài), 其噪聲與三級管相似；另一種是工作在反偏狀態(tài)下, 工作在反偏狀態(tài)下的是穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管有齊納擊穿和雪崩擊穿, 一般雪崩管的噪聲電壓遠大于齊納二極管的噪聲電壓, 所以低噪聲放大器中穩(wěn)壓二極管最好選用齊納穩(wěn)壓管。在中低頻電路中, 在穩(wěn)壓管兩端并聯(lián)一個大容量電容, 使噪聲分流一部分進入電容, 可進一步減小噪聲。(4) 低噪聲電路中, 若用到集成電路, 在

42、條件許可的情況下, 盡量選用低噪聲集成電路。若受到限制, 可為集成電路設(shè)計附加特殊電路以減小集成電路噪聲對輸出的影響。2.合理選擇放大電路和器件的工作狀態(tài)電子電路中, 可能存在多種噪聲源, 這些噪聲源一起作用于同一負載時, 其總效果隨這些噪聲源之間的相互關(guān)系而異。我們可以選擇或設(shè)計合適電路減小這些噪聲的相互作用, 從而降低輸出噪聲。實際證明, 晶體三極管三種組態(tài)的放大電路中, 器件噪聲差別不大。但不同組態(tài)電路對前后級的噪聲影響卻十分不同, 應根據(jù)具體電路要求具體選擇。例如共射組態(tài)有較大的增益, 適中的輸入、輸出電阻, 可以減小后級噪聲的影響, 共射電路廣泛用作低頻電壓放大的輸入級、中間級和輸出

43、極。共集組態(tài)入大電路有大輸入電阻、低輸出電阻, 可以減小前級噪聲的影響, 共集電路常被用作輸入級、輸出級或作為隔離用的中間級。共基極電路的顯著特點是有很低的輸入電阻, 高頻工作時噪聲較小,適合作為高頻放大電路。電子器件處于不同的工作狀態(tài)噪聲也有區(qū)別。一般工作在線性較好的區(qū)域噪聲較小, 工作在線性較差的區(qū)域噪聲較大, 即在原噪聲基礎(chǔ)上附加了非線性噪聲?；诖? 在條件許可的前提下, 電路中器件最好工作在線性較好的工作狀態(tài)。3.引入負反饋采用負反饋可以抑制電路內(nèi)部的噪聲, 但同時有用信號也受到了同樣的抑制, 信噪比并沒有得到提高。并且引入負反饋后還帶來了副作用: 其一, 引入負反饋后多出了一個由反

44、饋電阻引入的熱噪聲；其二, 引入負反饋后可能引起電路自激, 使電路無法正常工作。因此, 除非有特殊要求, 一般不采用引入負反饋抑制噪聲的方法。4.合理布線放大器輸入回路的導線和輸出回路、交流電源的導線要分開,不要平行鋪設(shè)或捆扎在一起,以免相互感應5.屏蔽小信號的輸入線可以采用具有金屬絲外套的屏蔽線,外套接地。整個輸入級用單獨金屬盒罩起來,外罩接地，電源變壓器的初、次級之間加屏蔽層，電源變壓器要遠離放大器前級,必要時可以把變壓器也用金屬盒罩起來,以利隔離。6.濾波為防止電源串入干擾信號,可在交(直) 流電源線的進線處加濾波電路。圖3.1干擾和噪聲的四種濾波電路Fig.3.1 Four filte

45、r circuit for mush and noise如圖3.1 (a) 、( b) 、(c) 所示的無源濾波器可以濾除天電干擾(雷電等引起) 和工業(yè)干擾(電機、電磁鐵等設(shè)備起、制動時引起) 等干擾信號,而不影響50 Hz電源的引入3.1圖中電感、電容元件,一般L為幾幾十mH ,C為幾千F1。 圖3.1 (d)中的阻容串聯(lián)電路對電源電壓的突變有吸收作用，以免其進入放大器。1R和C的數(shù)值可選100和2F左右。共點接地:在各級放大電路中,如果接地點安排不當，也會造成嚴重的干擾。例如,在圖3.2 中,同一臺電子設(shè)備的放大器,由前置放圖3.2不同接地點對干擾和噪聲的影響 Fig.3.2 Influe

46、nce of mush and noise for different earth point大級和功率放大級組成。 當接地點如圖中實線所示時,功率級的輸出電流是比較大的,此電流通過導線產(chǎn)生的壓降與電源電壓一起,作用于前置級,引起擾動,甚至產(chǎn)生振蕩。 還因負載電流流回電源時,造成機殼(地) 與電源負極之間電壓波動,而前置放大級的輸入端接到這個不穩(wěn)定的“地”上,會引起更為嚴重的干擾。 如將接地點改成圖中虛線所示,則可克服上述弊端直流電源應采用高精度直流穩(wěn)壓電源供電3.1.2差分放大器的低噪聲運用差分放大器具有放大差模信號、抑制共模干擾信號和零點漂移的功能,在信號檢測、自動控制電路中應用廣泛. 在

47、實際應用中,差分放大通常處在系統(tǒng)的輸入級,因此尤其要注意差分放大電路本身的噪聲,否則將直接影響整個系統(tǒng)的信噪比及其他相關(guān)技術(shù)指標.由前面對差分放大器的噪聲分析,可以采取以下措施,盡可能減小差分放大器的噪聲 1 保證兩個通道參數(shù)的對稱性. 由前述對差分放大器的噪聲源討論可以看出,兩個通道參數(shù)的對稱性是至關(guān)重要的. 在挑選元件時,要認真考慮,盡可能保證兩個通道參數(shù)的對稱性. 元件的對稱性比較容易保證,用數(shù)字萬用表測試電阻的實際阻值,在系列標稱值電阻中挑選、配對時,阻值差異控制在1 %以內(nèi),即可滿足一般電路的使用要求. 差分對管配對時,可用晶體管特性圖示儀測試差分對管的輸出特性(雙簇顯示) 和輸入特

48、性,挑選兩個特性都比較一致的管子(值相差1%) ,即可獲得滿意的對稱性.2 減小電阻的噪聲貢獻. 電阻產(chǎn)生的熱噪聲是一個重要的噪聲源. 因此,差分放大器的所有電阻都采用低噪聲電阻,調(diào)零電位器也應采用線繞多圈電位器,以減小電阻的噪聲貢獻. 另外,在恒流管偏置電阻上并聯(lián)一只1F 的電容,也能明顯降低偏置電阻的噪聲貢獻.3 采用恒流源饋電. 由前式可以看出, Kdc與REE很有關(guān)系. 采用恒流源后共模輸入產(chǎn)生的差模輸出增益降低了很多,共模抑制得到了明顯提高。在實際應用中,采用鏡像恒流源效果好。4 采用浮地輸入方式,降低等效輸入噪聲. 由前述對差分放大器的等效輸入噪聲的討論看出,采用浮地源接法時,噪聲

49、電流比信號源一端接地的噪聲電流小. 實際應用中可采用不平衡平衡轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成浮地接法,或者采用兩級差分,第一級單入雙出,第二級雙入. 表3.1 為該電路的共模輸入的實驗數(shù)據(jù). 由表3.1 看出,浮地輸入時,共模抑制比提高了很多.表3.1 不同接地源的試驗數(shù)據(jù)Table3.1 Test data for different grounded power supply(5) 采用場效應管作第一級差分放大,進一步降低零漂和噪聲. 場效應管作差分電路,零漂和噪聲都比晶體管小,適合于作功放的第一級差分級.第四章 結(jié)束語綜合以上幾章分析, 電子電路內(nèi)部噪聲主要為元器件噪聲。這些元器件噪聲在不同電路和工作狀態(tài)

50、下相互作用產(chǎn)生的電路噪聲各不同。針對以上噪聲, 采取了選擇低噪聲器件、選擇合適電路和工作狀態(tài)等措施來抑制噪聲、提高信噪比。當然實際信噪比除了與噪聲有關(guān), 還包括外來干擾信號, 有關(guān)干擾信號的抑制, 在抑制外來干擾噪聲方面則主要采用了合理選擇放大電路和器件的工作狀態(tài)、合理布線、濾波等措施。本文構(gòu)建了普通電路及放大器電路的噪聲模型,計算了其等效輸入噪聲. 同時,構(gòu)建了不同接地方式下的差分放大器的噪聲模型,分析了其噪聲來源,并計算出其等效輸入噪聲. 通過對比,證明了在普通放大器中引用差分放大器對于降低噪聲具有明顯的效果. 最后,研究了在放大器中應用差分放大器的注意事項.參考文獻1 盧淦. 高頻電子電路. 北京: 中國鐵道出版社, 19862 康華光 模擬電子技術(shù)M1 北京:高等教育出版社,19993 謝沅清. 現(xiàn)代電子電路與技術(shù). 北京: 中央電大出版社, 19964 談文心.高頻電子線路M. 西安:西安交通大學, 1994.5 張肅文.高頻電子線路M. 北京:高等教育出版社,1993.6 童詩白 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M1 北京:高等教育出版社,19887 Bennett A R. Electrical M . New York :McGraw2Hill ,1960. 42.8 美A范德齊爾編、裘小松