3.2放大器的噪聲分析ppt課件

1、 2.1 放大器的噪聲電壓放大器的噪聲電壓噪聲電流噪聲電流(En-In)模型模型 2.2 等效輸入噪聲及簡化計算法則等效輸入噪聲及簡化計算法則 2.3 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) 2.4 最佳源電阻最佳源電阻Ropt與最小噪聲系數(shù)與最小噪聲系數(shù)NFmin 2.5 噪聲溫度噪聲溫度 2.6 多級放大器的噪聲系數(shù)多級放大器的噪聲系數(shù)NF1,2,n 2.7 耦合網(wǎng)絡(luò)的低噪聲設(shè)計原則耦合網(wǎng)絡(luò)的低噪聲設(shè)計原則 2.8 低噪聲前置放大器的選用低噪聲前置放大器的選用 2.9 噪聲參數(shù)的測量噪聲參數(shù)的測量 2.10 元器件器件分析元器件器件分析 2.11 低噪聲放大器的設(shè)計原則與方法低噪聲放大器的設(shè)計原則與方法 2.1

2、2 低噪聲集成運(yùn)算放大器分析與設(shè)計！低噪聲集成運(yùn)算放大器分析與設(shè)計！ 使用放大器的必然性：一般是微弱信號 問題：放大信號的同時也放大了噪聲 目的：設(shè)計高質(zhì)量的低噪聲前置放大器必須研究：信號的特性， 噪聲的特性， 噪聲分析方法， 目的：更好地抑制噪聲、放大信號。 研究關(guān)于放大器的噪聲及描述放大器噪聲特性的一些有關(guān)參數(shù)和模型。 放大器內(nèi)部的噪聲是很復(fù)雜的放大器內(nèi)部的噪聲是很復(fù)雜的 采用采用En-InEn-In模型來描述放大器的總模型來描述放大器的總的噪聲特性。的噪聲特性。 放大器的內(nèi)部噪聲可以用串聯(lián)在輸放大器的內(nèi)部噪聲可以用串聯(lián)在輸入端的具有零阻抗的電壓發(fā)生器入端的具有零阻抗的電壓發(fā)生器EnEn和

3、一個并聯(lián)在輸入端具有無窮大阻抗和一個并聯(lián)在輸入端具有無窮大阻抗的電流發(fā)生器的電流發(fā)生器InIn來表示。兩者相關(guān)系來表示。兩者相關(guān)系數(shù)為數(shù)為r r。這個模型稱為放大器的這個模型稱為放大器的EnEnInIn噪聲模噪聲模型型噪聲的電壓噪聲的電壓電流電流En-InEn-In模型模型 Vs為信號源電壓；為信號源電壓； Rs為信號源內(nèi)阻；為信號源內(nèi)阻； Ens為的熱噪聲為的熱噪聲電壓；電壓； Zi為放大器輸入為放大器輸入電阻電阻 Av為放大器電壓為放大器電壓增益增益 Vso總的輸出信總的輸出信號號 Eno總的輸出噪總的輸出噪聲聲 RsEnsVsInrZiAv無噪聲放大器VsoEnZiAVEno En：放大

4、器的噪聲：放大器的噪聲電壓；電壓； In：放大器的噪聲電：放大器的噪聲電流；流； En-In模型的優(yōu)點(diǎn)：模型的優(yōu)點(diǎn)：理論：放大器看成是無噪聲的，理論：放大器看成是無噪聲的， 對放大器噪聲的研究歸結(jié)為只要分析對放大器噪聲的研究歸結(jié)為只要分析En、In在整個電路中所起的作用。在整個電路中所起的作用。 簡化了電路系統(tǒng)的噪聲的計算。簡化了電路系統(tǒng)的噪聲的計算。實(shí)驗(yàn)：能夠通過實(shí)驗(yàn)測量得出實(shí)驗(yàn)：能夠通過實(shí)驗(yàn)測量得出En、In 的大小的大小利用利用En-In模型，放大系統(tǒng)的噪模型，放大系統(tǒng)的噪聲簡化為三個噪聲聲簡化為三個噪聲, 即即En、In和和Ens。等效輸入噪聲等效輸入噪聲Eni： 進(jìn)一步考慮這三個噪聲

5、源的共進(jìn)一步考慮這三個噪聲源的共同效果，將它們等效地歸結(jié)到同效果，將它們等效地歸結(jié)到信號源位置上，信號源位置上， 用等效輸入噪用等效輸入噪聲聲Eni來表示。來表示。計算各噪聲源在放大器輸出端的計算各噪聲源在放大器輸出端的貢獻(xiàn)：貢獻(xiàn)： Ens的貢獻(xiàn)為：的貢獻(xiàn)為： En的貢獻(xiàn)為：的貢獻(xiàn)為： In的貢獻(xiàn)為：的貢獻(xiàn)為：AvZRZEEisinsEnons)(AvZRZEEisinEnons )(AvZRIIEisnnno)|()( AvZRZRIisisnRsEnsVsInrZiAv無噪聲放大器Vso若若En、In不相關(guān)，將上述各項平不相關(guān)，將上述各項平方相加方相加 得總的輸出噪聲為：得總的輸出噪聲為：

6、在上式中，有一個公共因子在上式中，有一個公共因子 當(dāng)輸入信號為當(dāng)輸入信號為Vs時，輸出信號時，輸出信號為：為： 即放大系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)。即放大系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)。 2)(2)(2)(2nnnsInoEnoEnonoEEEE 222222AvZRZRIAvZRZEAvZRZEisisnisinisinsAvZRZisiAvZRZVVisisso AvZRZVVKisisso因而： 為等效輸入噪聲 等效輸入噪聲的意義： 單一噪聲源位于Vs位置上，代替了原系統(tǒng)的所有噪聲源。如果En、In是相關(guān)的，那么： 式中r為相關(guān)系數(shù)。 2222222snnnsvnoniRIEEKEEsnnsnnnsniRIr

7、ERIEEE222222fKTREsns 42E2nsE2nsE2nE2nE2niE2ni(InRs)2(InRs)2RsRsEns為主En為主InRs為主通用放大器通用放大器低噪聲放大器低噪聲放大器00在實(shí)際工作中常常需要考慮放大器、在實(shí)際工作中常常需要考慮放大器、元件及系統(tǒng)的噪聲性能。元件及系統(tǒng)的噪聲性能。對于系統(tǒng)來說，其噪聲性能不僅僅是對于系統(tǒng)來說，其噪聲性能不僅僅是指系統(tǒng)本身元器件產(chǎn)生噪聲的大小，指系統(tǒng)本身元器件產(chǎn)生噪聲的大小，還包括它對信號影響的程度。還包括它對信號影響的程度。通常是用噪聲系數(shù)通常是用噪聲系數(shù) NFNoise Factor作為衡量放大器或元件、或系統(tǒng)噪聲作為衡量放大器

8、或元件、或系統(tǒng)噪聲性能的指標(biāo)。性能的指標(biāo)。等效輸入噪聲等效輸入噪聲Eni的表示式中含有源電的表示式中含有源電阻阻Rs及其熱噪聲項，故不宜用及其熱噪聲項，故不宜用Eni作作為衡量的指標(biāo)。為衡量的指標(biāo)。另一方面，同時用另一方面，同時用En、In來表示又比來表示又比較麻煩。較麻煩。 定義信噪比：定義信噪比： 電路信號功率與噪聲功率之比，稱為電路信號功率與噪聲功率之比，稱為信號噪聲比，簡稱信噪比，信號噪聲比，簡稱信噪比， 用符號用符號 或或 表示。輸出端的信表示。輸出端的信噪比越高越好噪比越高越好定義噪聲系數(shù)：定義噪聲系數(shù)：用分貝表示則寫成：用分貝表示則寫成： NsPPNS輸出端信噪比輸入端信噪比no

9、sonisiPPPPNF/nosonisiFPPPPN/lg10放大器的噪聲系數(shù)的定義表示信號通過放大放大器的噪聲系數(shù)的定義表示信號通過放大器后，信噪比變壞的程度。器后，信噪比變壞的程度。 信號通過放大器后，若放大器無濾波功能，則信號和信號通過放大器后，若放大器無濾波功能，則信號和噪聲都同樣放大了，放大器本身也有噪聲，信噪比噪聲都同樣放大了，放大器本身也有噪聲，信噪比不可能變好。不可能變好。 如果放大器是理想的無噪聲線性網(wǎng)絡(luò)，如果放大器是理想的無噪聲線性網(wǎng)絡(luò)， 輸入端的信號與噪聲得到同樣的放大，輸入端的信號與噪聲得到同樣的放大， 即輸出端的信噪比與輸入端的信噪比相同，即輸出端的信噪比與輸入端的

10、信噪比相同， 那么：那么：NF=1 或或 NF= 0 dB。 如果放大器本身有噪聲，則輸出噪聲功率等于放大后如果放大器本身有噪聲，則輸出噪聲功率等于放大后的輸入噪聲功率和放大器本身的噪聲功率之和，對的輸入噪聲功率和放大器本身的噪聲功率之和，對這樣的放大器，信號經(jīng)放大后，輸出端的信噪比就這樣的放大器，信號經(jīng)放大后，輸出端的信噪比就比輸入端的信噪比低，那么比輸入端的信噪比低，那么 NF1。 Ap=Pso/Psi為放大器的功率增益， Pno1=PniAp 表示信號源內(nèi)阻產(chǎn)生的噪聲，通過放 大器后在輸出端所產(chǎn)生的噪聲功率。上式表示，噪聲系數(shù)NF僅與輸出端的兩個噪聲功率Pno和Pno1有關(guān)，而與輸入信號

11、的大小無關(guān)。 sisoninosoninosinosonisinosonisiPPPPPPPPPPPPPPPPNF/pninoAPPNF1nonoPPNF由NF的定義，且輸入端的信號功率Psi和噪聲功率Pni分別由輸入信號源的信號電壓Vs和其內(nèi)阻Rs的熱噪聲所產(chǎn)生，噪聲系數(shù)也可以寫成另一種形式：或l放大器的輸出噪聲功率Pno是由兩部分組成的，一部分是Pni Ap；另一部分是放大器本身內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲在輸出端上呈現(xiàn)的噪聲功率Pn，l 即l 所以，噪聲系數(shù)又可寫成：l l 上式表明噪聲系數(shù)與放大器內(nèi)部噪聲的關(guān)系。l 實(shí)際放大器總是要產(chǎn)生噪聲的，l 即： Pn0，因而 NF1。l 只有放大器是理想情況

12、，內(nèi)部無噪聲，即Pn=0。那么 NF=1。 nnonnipnoPPPPAP1nipnnippninoPAPPAAPPNFnipnpninPAPAPP11l有時噪聲系數(shù)用電壓比表示，l即：l 其中 為電壓增益。l l而 Eni為等效輸入噪聲l 那么：l （噪聲系數(shù)等于等效輸入噪聲除以信號源的噪聲）l若考慮相關(guān)系數(shù)r0，則噪聲系數(shù) ：22202020221vnsnnsnssKEEEVEVNFssovVVK2220nivnEKE22201vnsnKEENF22nsniEE22222nssnnnsERIEE222222nssnnsnnnsERIrERIEENF基本定義式：輸出端信噪比輸入端信噪比nos

13、onisiPPPPNF/niosininososiPSNRPPPPPNF)/(那么：SNRo為輸出端的信噪比。niosiPSNRNFP則輸入信號功率：則輸入信號電壓：niosiPSNRNFE 若已知NF，輸入噪聲功率Pni，要求輸出信號的信噪比，就可以計算出可以檢測的最小信號。l例如：放大器信號源電阻Rs=1k ，工作溫度為290k，帶寬=1kHz，NF=2，只考慮的熱噪聲，l 若要求輸出SNRo=10，計算可檢測的最小信號。解：放大器僅有信號源電阻Rs 的熱噪聲功率 Pni=4kTRs niosiPSNRNFE 可檢測的最小信號： Ei0.566VNFSNRfkTREossi4l噪聲系數(shù)的三

14、個表達(dá)式為：l基本定義式：l導(dǎo)出式：l或：l它們分別從不同的角度說明了噪聲系數(shù)的含義，是完全等效的。輸出端信噪比輸入端信噪比nosonisiPPPPNF/功率源電阻產(chǎn)生的輸出噪聲輸出端總的噪聲功率pninoAPPNF功率源電阻產(chǎn)生的輸出噪聲放大器產(chǎn)生的噪聲功率11pninAPPNFl在計算具體電路的噪聲系數(shù)時，用后面兩式比較方便。l應(yīng)該指出，噪聲系數(shù)的概念僅僅適用于線性電路線性放大器），因此可以用功率增益來描述。l對于非線性電路而言，不僅得不到線性放大，而且信號和噪聲、噪聲和噪聲之間會相互作用，即使電路本身不產(chǎn)生噪聲，在輸出端的信噪比和輸入端的也不相同。l 因此噪聲系數(shù)的概念就不能適用。l根據(jù)

15、前面導(dǎo)出的噪聲系數(shù)表達(dá)式 l由上式可見，NF是四個變量En、In、Rs、f的函數(shù)。l放大器一旦設(shè)計好以后，En、In和就基本不變了，NF只是Rs的函數(shù)22222222221nssnnsnnssnnnsERIEEERIEENFfKTREsns 42fKTRRIfKTRENFssnsn4)(4122lNF和Rs的關(guān)系:l對于一個確定的放大器，只能通過改變源電阻來減小它的噪聲系數(shù)。lNF和Rs有關(guān)：l Rs增大時第二項減小而第三項增大，Rs減小時第二項增大第三項減小，l因而，NF是有極值的。 fKTRIfKTRENFsnsn44122求偏導(dǎo) ：得： 因而，當(dāng)信號源的內(nèi)阻： 時， 噪聲系數(shù)NF取得最小

16、值： 稱此時的源電阻為最佳源電阻，記為RoptsdRNFd)(0441222fKTIfKTERRNFnnssoptsnnsRIER)(記作nnsIER fKTIEfKTIEfKTIENFnnnnnn21441minl當(dāng)Rs=Ropt時，可使放大器的噪聲系數(shù)為最小，l這時源電阻和放大器的配置稱為“噪聲匹配”，l這是低噪聲設(shè)計的一個重要原則。 根據(jù)噪聲系數(shù)的公式，放大器的噪聲系數(shù): Pn是放大器內(nèi)部噪聲在輸出端產(chǎn)生的噪聲功率PniAp是信號源的內(nèi)阻產(chǎn)生的噪聲功率在放大器輸出端的結(jié)果。pninAPPNF 1 設(shè)放大器在輸入端和信號源是功率匹配的， 即Rs=Ri，在輸出端和負(fù)載也是功率匹配的：Ro=R

17、L放大器的功率增益為APH。信號源的內(nèi)阻Rs產(chǎn)生的熱噪聲電壓均方值為:而放大器的輸入噪聲功率則為：該噪聲功率放大后為：fKTREPsnsni42fKTREsns 42fKTAAPPHpnilPn為放大器本身產(chǎn)生的噪聲在輸出端的功率，將Pn等效到放大器的輸入端，并且假定這個噪聲也是一個阻值為Rs的電阻產(chǎn)生的，并且這個電阻的溫度為Ti，即：l 得：l Ti就稱為放大器的噪聲溫度。l當(dāng)Ti=0時，NF=1表示放大器本身不產(chǎn)生噪聲，是理想的無噪聲放大器；l當(dāng)Ti=T時（=290K則NF=2NF=3dB），表示放大器本身所產(chǎn)生的噪聲和信號源所輸入的噪聲相等。 fKTAPiPHn) 1(111NFTTTTfKTAfKTAAPPNFiiPHiPHpninl在功率匹配情況下，放大器的總的輸出噪聲功率：l噪聲