微弱信號檢測：噪聲與低噪聲設(shè)計(jì)

1、上海理工大學(xué),光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 ,微弱信號檢測,微弱信號檢測概述,微弱信號不僅指信號的幅度小，主要指被噪聲淹沒的信號?！拔⑷酢笔窍鄬τ谠肼暥缘?。,環(huán)境噪聲很大時（軍工路）。 ”靜得連一根針掉下來都能聽到” 分貝計(jì)算公式 10*lg(P/Pref)，其中Pref=20mPa，P為聲功率 例：兩個60分貝的聲音合成。 60=10*lg(P/Pref)，所以P=20000 兩個60分貝的聲音合成，P=2*20000=40000， 所以總的分貝是：10*lg(40000*1000/20）=63dB,研究抑制噪聲和提高信噪比。,常規(guī)的方法：濾波；調(diào)制解調(diào),11 噪聲的基本概念 一. 干擾與噪聲

2、的定義：擾亂有用信號的任何不期望的內(nèi)部產(chǎn)生的擾動稱為內(nèi)部噪聲或噪音，外部產(chǎn)生的擾動稱干擾。但無論內(nèi)部噪聲還是外部干擾，這里統(tǒng)稱噪聲。 二. 噪聲的統(tǒng)計(jì)規(guī)律（意義）,1. 符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的正態(tài)分布,概率密度:,均方值:,均方根值:,平均值:,a: 數(shù)學(xué)期望，在這里是噪聲電壓的平均值，等于0。,2. 噪聲測量,交流電測量 i = I m sin t 整流后測平均值：,而有效值：,I效/ I平 1.11 I效1.11 I平,因而修正刻度，即將測得的I平 再乘以1.11后，最后得到I效。,由于噪聲不是正弦波，而是短尖脈沖，故測量方法相同，但不是乘上1.11修正刻度，而是通過經(jīng)驗(yàn)得到修正值是1.13?，F(xiàn)有

3、的噪聲表都是將噪聲整流后測平均值，再用1.13修正得到噪聲的有效值。,三 隨機(jī)噪聲的功率譜密度及相關(guān)函數(shù),1自相關(guān)函數(shù),表示隨機(jī)過程在二個不同時間上的相關(guān)性。（照片） 定義：,3） =0，()最大，(0)代表噪聲的均方值(噪聲功率)。 4）對實(shí)信號，自相關(guān)函數(shù)是的偶函數(shù)，Rx()=Rx(-) 5）互不相關(guān)的兩個隨機(jī)噪聲之和的自相關(guān)函數(shù)等于兩個隨機(jī)噪聲自相關(guān)函數(shù)之和。 Z(t)=x(t)+y(t)，則Rz(t)=Rx()+Ry(),()有三個重要特性： 1） ()與起點(diǎn)無關(guān)，僅與有關(guān)；（平穩(wěn)隨機(jī)噪聲，環(huán)境噪聲，路上車流。各態(tài)歷經(jīng)性。） 2） 由于噪聲是獨(dú)立隨機(jī)的，故上升，()下降， 趨向無窮，（

4、=），（）趨向0，（）=0）； 當(dāng)-時，自相關(guān)函數(shù)反映隨機(jī)噪聲直流分量的功率，即,2功率譜密度：均方根值 用來衡量噪聲電壓幅值的大小，功率譜密度S（）用來分析噪聲功率隨頻率的分布情況。,：角頻率，f ：頻率， P（，）處帶寬之間噪聲的平均功率。,定義：,已知S()或S(f), 就可求得噪聲得平均功率（均方值）：,特點(diǎn)： 1）頻帶增加，PN 上升，欲使PN下降，減少通頻帶減少噪聲帶寬； 2）S（）所覆蓋的面積，在數(shù)值上等于噪聲的總功率。 3）S （）是的實(shí)偶函數(shù)。,4功率譜密度與自相關(guān)函數(shù)的關(guān)系（維納-辛欽定量）,自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度的形狀都與隨機(jī)噪聲變化的速度有關(guān),例1-1 隨機(jī)噪聲x(t)

5、的自相關(guān)函數(shù),求其功率譜密度函數(shù)和功率,五. 噪聲源的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù):設(shè)二隨機(jī)噪聲u1(t)、u2(t),則定義相關(guān)系數(shù)C為：,兩噪聲相加得：u2= u12 +u22+2C u1 u2 當(dāng)C0，u1，u2獨(dú)立，互不相關(guān)，u2= u12 +u22 當(dāng)C1， 完全相關(guān)。 C1 , u= u1 +u2 C1 , u= u1u2 當(dāng)/C/1， 部分相關(guān)。 實(shí)際計(jì)算時，C一般取C0，則對于多個噪聲源， u2= u12 +u22+u32+u42+-,六、信噪比（SNR）及信噪改善比（SNIR）,定義： SNR=S/N =信號有效值/噪聲有效值 1/測量誤差。 SNIR輸出信噪比/輸入信噪比 反映系統(tǒng)噪聲

6、是否得到改善得情況。,2幾種典型噪聲的 S（）:,白噪聲：S（）C 紅噪聲： 1/f 噪聲 直流噪聲 蘭噪聲： 低頻小，高頻大。,限帶白噪聲：S（）N0/2 ,一 電阻的熱噪聲(電子隨機(jī)熱運(yùn)動),1-2 電阻的熱噪聲,功率譜密度函數(shù)：,在室溫下（17），4kT1.610-20,等效功率：,開路熱噪聲電壓有效值：,適用范圍：頻率不是很高（1012Hz）。,開路熱噪聲電流有效值：,串聯(lián)等效電壓有效值：Et串2=4KTB（R1R2）,et1和et2互不相關(guān),Et串2=4KTB（R1R2）,并聯(lián) Et并2=4KTB（R1/R2）,二 電阻的接觸噪聲（1/f） 原因：電導(dǎo)率不均勻，材料不同。 大小：Ue

7、x2=KIDC2R2/f 紅噪聲,碳膜電阻、金屬膜電阻、繞線電阻變小。 措施：選高質(zhì)量電阻，減少IDC.,三. PN結(jié)的散彈噪聲 原因：電子或空穴的隨機(jī)發(fā)射導(dǎo)致流過勢壘的電流在其平均值附近隨機(jī)起伏。,肖特基于1918年在熱陰極電子管中發(fā)現(xiàn)了散彈噪聲，證明其是一種白噪聲，其功率譜密度函數(shù)：,電流有效值：,平方根譜密度：,給定電流的頻帶寬度：,四. 爆裂噪聲,流過半導(dǎo)體PN結(jié)電流的突然變化，原因是半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)。,五. 結(jié)論,f 1, 熱噪聲為主；f1，接觸噪聲為主。 少用直流放大器，多用交流放大器，采用調(diào)制方法將直流變成交流。 低溫或恒溫 減少fN.,1-3 有源器件的噪聲,噪聲系數(shù)(F)

8、: 描述系統(tǒng)或放大器的噪聲情況。 “輸出總噪聲情況”與“放大器無噪聲時的輸出噪聲功率”之比。,信噪改善比,結(jié)論：F越小，說明系統(tǒng)越好，能檢測到的信號也越小，檢測靈敏度越高。,系統(tǒng)或 放大器,噪聲系數(shù)F的用途：可檢測的最小信號,輸出最小信噪比SNR0=Pso/Pno達(dá)到一定的指標(biāo)。,例：放大器的輸入噪聲只有信號源電阻Rs=1K歐的熱噪聲，溫度為17，放大器等效噪聲帶寬B=1KHz，噪聲系數(shù)F=2，要求SNR0=10，試求系統(tǒng)可檢測的最小信號Ei。,最小信號Ei，F(xiàn)，B，Rs有關(guān)。,如何得到En和In,Eni2= En2 + In2 Rs2 當(dāng)Rs0，Eni2= En2 ，測出Eno ,得EnEn

9、o/Kv 取Rs較大（En2 In2 Rs2）時， Eni2= In2 Rs2 ， 測得Eno ，得EniEno/Kv= In Rs ； In = Eno/(KvRs),放大器的噪聲模型,放大器的等效輸入噪聲與信號源內(nèi)阻的關(guān)系,高噪聲放大器,低噪聲放大器,最佳源電阻與噪聲匹配,不同放大器的NF隨Rs/Rso變化的曲線,噪聲因子NF,NF=0,即F=1，為理想無噪聲放大器。 NF越大，放大器性能越差,考慮3級放大器，總得輸出噪聲功率Po為：,級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù),結(jié)論： 1第一 級放大器噪聲對系統(tǒng)影響最大，重點(diǎn)要減少前置放大器的噪聲系數(shù)； 2. 放大倍數(shù)分配原則先大后??； 3以上公式和結(jié)論適合于

10、線性電路中。,弗里斯公式：,運(yùn)算放大器的噪聲特性,大量晶體管（PN結(jié)產(chǎn)生散彈噪聲），一定數(shù)量的電阻（熱噪聲），引腳（1/f噪聲）,返回幻燈片 48,低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì),放大器的主要指標(biāo)有：增益，帶寬，輸入、輸出阻抗，穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)性和噪聲特性。,1. 放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo),（1）根據(jù)輸入和輸出電平，決定放大器的總增益。然后，按一般單級放大器增益，確定分級效。據(jù)各級放大器特點(diǎn)，作增益分配。,（5）噪聲水平以測量精度或最低可檢測水平?jīng)Q定。 （6）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，當(dāng)然是在滿足技術(shù)指標(biāo)前提下，越低越好。,（2） 應(yīng)據(jù)要求，確定放大器的工作頻率范圍。,（3）輸出阻抗要很小于常用負(fù)載，以確保負(fù)載對放大器影購較小。

11、輸入阻抗要很大于信號源內(nèi)阻，盡量減低對信號源的影響。,（4）穩(wěn)定性是放大器酌一個重要指標(biāo)。對晶體管放大器，穩(wěn)定系數(shù)用 SIcIc0來描述。一般要求在515之間。,2.低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì),（2）從Fmin出發(fā)選擇最佳的源電阻Rso.,A 首先考慮噪聲、穩(wěn)定性，以確保放大信號時，引入噪聲小和漂移小。 B 滿足增益、帶寬要求。若能采用阻抗匹配，輸入、輸出阻抗可放在第二位考慮。 C 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。,(1)低噪聲放大器應(yīng)該盡可能選用 小的器件,這樣才能使最小噪聲系數(shù)Fmin較小。另外，由于 都是頻率f的函數(shù)，因此各種低噪聲器件只是在一定的頻率范圍內(nèi)才能達(dá)到其最小噪聲系數(shù)；,放大器的等效輸入噪聲與信號源內(nèi)

12、阻的關(guān)系,最佳源電阻與噪聲匹配,阻抗匹配, 器件的選擇,MOS場效應(yīng)管,根據(jù)信號源大小選用合適類型的器件，使器件的最佳源電阻等于負(fù)載電阻，實(shí)現(xiàn)噪聲匹配下的最小噪聲系數(shù)。,半導(dǎo)體三極管,集成運(yùn)算放大器,結(jié)型場效應(yīng)管,金屬氧化物(MOS)場效應(yīng)管, 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),由于Rs Rso，可用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來改變等效輸入阻抗。 1. 變壓器匹配,例：信號源輸出電阻Rs=10歐，工作頻率f=1KHz。前置放大器OP07。求匹配變壓器的圈數(shù)比和信噪改善比SNIR的提高倍數(shù)K。( ),OP07在f=1KHz時，等效輸入噪聲平方根譜密度為,實(shí)際變壓器的誤差： 線圈圈數(shù)有限，磁蕊磁導(dǎo)率不會無限大，因此其電感為有限值；

13、 有漏磁，因此耦合系數(shù)不到1； 變壓器匹配的限制： 必須是頻率較高的交流信號。,變壓器匹配的限制, 有源器件并聯(lián)法,15 抑止干擾和噪聲的外部方法,環(huán)境干擾噪聲,1. 電力線噪聲：尖峰脈沖，工頻干擾50Hz，電網(wǎng)波動,2.電氣設(shè)備噪聲：輝光放電，火花放電（插座）,3. 射頻噪聲手機(jī)，廣播、電視,4. 地電位差噪聲電路板,5. 雷電,6. 天體噪聲 2012,7. 機(jī)械起源的噪聲：摩擦電效應(yīng)，導(dǎo)體中磁場中的運(yùn)動，壓電效應(yīng)，顫噪效應(yīng),8. 其他噪聲：電化學(xué)噪聲，溫度變化引起的噪聲（銅-鎘/錫合金接點(diǎn)熱電勢0.3uV/，銅-鉛/錫1-3 uV/ ），觸頭噪聲,1-5 抑止干擾和噪聲的外部方法,電子系

14、統(tǒng)受到外部電磁干擾,電力線,雷電,電臺 電視臺,交流供電電路,電動機(jī),移動通信設(shè)備,天體電磁輻射,干擾噪聲的頻譜分布,屏蔽：對兩個空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應(yīng)和輻射。,靜電屏蔽,用完整的金屬屏蔽體將帶正電導(dǎo)體包圍起來，在屏蔽體的內(nèi)側(cè)將感應(yīng)出與帶電導(dǎo)體等量的負(fù)電荷，外側(cè)出現(xiàn)與帶電導(dǎo)體等量的正電荷，如果將金屬屏蔽體接地，則外側(cè)的正電荷將流入大地，外側(cè)將不會有電場存在，即帶正電導(dǎo)體的電場被屏蔽在金屬屏蔽體內(nèi)。,屏蔽,對于電場和平面波，反射損耗很大, 對于低頻磁場，反射損耗一般較小； 磁場比電場更難于屏蔽；對于電場、平面波和高頻磁場要用良導(dǎo)體材料進(jìn)行

15、屏蔽；對于低頻磁場要用磁性材料進(jìn)行屏蔽； 3. 厚度等于集膚深度的屏蔽層提供大約9dB的吸收損耗；,集膚深度： 導(dǎo)體中電流密度減小到導(dǎo)體截面表層電流密度的1/e(自然底數(shù)e=2.71828183）處的深度。,屏蔽,對于電場和平面波，反射損耗很大, 對于低頻磁場，反射損耗一般較小； 磁場比電場更難于屏蔽；對于電場、平面波和高頻磁場要用良導(dǎo)體材料進(jìn)行屏蔽；對于低頻磁場要用磁性材料進(jìn)行屏蔽； 3. 厚度等于集膚深度的屏蔽層提供大約9dB的吸收損耗； 4. 實(shí)際屏蔽效果常常取決于屏蔽層上的開孔和接縫情況，而不取決于屏蔽材料本身的屏蔽效果； 漏磁場的量取決于屏蔽層上開孔的最大尺寸，而不取決于開孔的面積； 大量的小孔比同樣面積的一個大孔漏磁要少。,一般采用電導(dǎo)率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場的干擾，又因屏蔽體接地而實(shí)現(xiàn)電場屏蔽。屏蔽體的厚度不必過大，而以趨膚深度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為主要考慮因素。,電磁場屏蔽,電路接地,1. 單點(diǎn)串聯(lián)接地,布線簡單方便適用于噪聲要求不高的電路中，以及脈沖數(shù)字電路,不適用各部分功率差異較大的情況（地電流差異大），微弱信號檢測電路,2. 單點(diǎn)并聯(lián)接地,引線較長，常會帶來較大的布線電容和電感，最適用于頻率低于1MHz的低頻小信號。 當(dāng)頻率為1-10MHz時，最長接地線不超過波