低噪声前置放大电路.ppt
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1、光电信号处理光电信号处理第二章第二章 低噪声前置放大器低噪声前置放大器(2)2.6 多级放大器的噪声系数多级放大器的噪声系数NF1,2,n 单级放大器噪声系数单级放大器噪声系数单级放大器噪声系数单级放大器噪声系数NFNF Pni为输入端噪声功率,即源的噪声功率为输入端噪声功率,即源的噪声功率Pn为放大器内部噪声在输出端的体现为放大器内部噪声在输出端的体现Pno为输出端总的噪声功率为输出端总的噪声功率Ap为放大器的功率增益为放大器的功率增益根据噪声系数根据噪声系数NF的定义,有:的定义,有:研究多级放大器的噪声系数:lPni为第一级输入端的输入噪声功率,也是整个系统的输入噪声功率。lPn1、Pn
2、2、Pn3分别为各级所产生的噪声功率,在各级输出端的体现。lAp1、Ap2、Ap3分别为各级的功率增益。Pni 多级放大器的噪声系数AP1Pn1NF1AP2Pn2NF2AP3Pn3NF3Pn0NF1,2,3由 得:每个放大器单独和源噪声Pni相连接时,得到:l三级放大器级联成为一个放大系统,此系统的噪声系数:lPn为三级级联放大器内部噪声功率在输出端的体现:即:lAp为三级放大器的总的功率增益:所以:对于n级级联放大器,可以得出其噪声系数为:这就是多级放大器的噪声系数理论的Friis公式 这个公式可以看出:l多级放大器噪声系数的大小,主要取决于第一级放大器的噪声系数;l为了使多级放大器的噪声系
3、数减小 应尽量减小第一级的噪声系数,提高第一级的功率放大倍数Ap1,设计低噪声前放的又一个重要原则设计低噪声前放的又一个重要原则。例:将三个放大器例:将三个放大器A、B、C串联来放大微弱串联来放大微弱信号,其功率增益和噪声系数如下表:信号,其功率增益和噪声系数如下表:放大器放大器功率增益功率增益噪声系数噪声系数A101.5B152.5C1004如何连接三个放大器使得噪声系数最小?如何连接三个放大器使得噪声系数最小?根据弗里斯公式,第一级应选NF最小的放大器,因此,放大器A应作为第一级。两种排列方式:A、B、C 和 A、C、B分别计算:排列方式:A、B、C时:NF=1.5+(2.51)/10+(
4、41)/15*10=1.67排列方式:A、C、B时:NF=1.8最关键的是第一级最关键的是第一级从光电探测器获取信号,除了要有必要的偏置电路外,还必须有耦合网络才能将探测器输出的信号送到后续的低噪声前放进行放大。下面介绍耦合网络的类型,以及耦合网络的低噪声设计的原则。2.7 耦合网络的低噪声设计原则耦合网络的低噪声设计原则 光 电探测器偏置电路前 置放大器耦合网络如图:lZs表示探测器和偏置电路形成的等效阻抗,lVs表示由探测器得到的信号电压,l光电探测器及其偏置电路就可以看出一个内阻为Zs、电动势为Vs的信号源。ZsVs探测器及其偏置电探测器及其偏置电路的等效电路路的等效电路信号源与前置放大
5、器耦合的方式,有下列五种形式。p表示并联,s表示串联(1)并联型:(5 5)串并串型:)串并串型:设 从降低噪声提高输出端信噪比的角度来考虑,理论分析和实验均证明,为了尽量减少耦合网络带来的噪声,必须满足下列条件:(1)对于耦合网络中的串联阻抗元件(2)对于耦合网络中的并联阻抗元件 En、In为前置放大器的EnIn模型中En、In参量。(3)为了减小电阻元件的过剩噪声(1/噪声),必须尽量减小流过电阻的电流,或降低电阻两端的直流压降。每一个元件都是一个噪声源,对系统的输出噪声都有贡献,因此,为了减小输出端的噪声,提高信噪比,应尽量采用简单的耦合方式,在可能的情况下,应采用直接耦合方式,从而消除
6、耦合网络所带来的噪声。在迫不得已要采用耦合网络时,注意遵循上述原则。2.8 低噪声前置放大器的选用低噪声前置放大器的选用 在光电系统中,探测器后面的是耦合网络和前置放大器;为了将探测器输出的微弱信号放大,必须合理地设计或选用低噪声前置放大器,以保证放大器的输入端和输出端有足够大的信噪比。首先介绍低噪声前置放大器的选用方法。1根据根据Eni和和Vsi来选用来选用低噪声前置放大器低噪声前置放大器 噪声系数NF是用来描述放大器(或一个器件)噪声性能的参数,l如果一个放大器是理想的无噪声的放大器,那么,它的噪声系数NF=1,而NF=10 lg NF=0(dB),l一个实际的质量好的低噪声前置放大器其N
7、F值可以做到0.05dB,甚至更低。生产厂商在出售低噪声前置放大器时,都附有相关的技术资料,包括提供各种测试条件下的NF值。根据NF值来计算低噪声前放的等效输入噪声Eni,采用分贝表示的噪声系数:此式表明:如果已知前放的NF值、信号源的源电阻Rs及带宽f,则放大器的等效输入噪声Eni即可求出。若已知放大器等效输入噪声Eni的大小,将Eni和放大器输入端的信号Vs进行比较,就可判定这个放大器是否符合要求;一般是根据系统(一般是根据系统(Vs/Eni)的比值的要求来选的比值的要求来选定放大器的定放大器的NF值。值。注意:NF值和Eni的大小都是和源电阻及带宽f 密切相关的。其中带宽f是由系统的需要
8、所确定的,并且是由系统中的某一部件,例如带通滤波器或者前放本身所决定的。Rs放大器1 NF=20dB放大器2 NF=3dBRs=100f=100HZ130nV18nVRs=100f=1HZ13nV1.8nV例:有两个标号分别为1号、2号的前置放大器,它们的有关数据经计算列于下表(室温下):Eni如果被测信号大小为Vsi=1V,f=100Hz,Rs=100,且系统要求:l如果选用1号放大器则:不合要求;l如果选用2号放大器,则:符合要求。故在信号源内阻Rs=100,系统带宽f=100Hz,且要求Vsi/Eni10的条件下,应该选择2号放大器。若其它条件不变,采取压缩带宽的措施,使 f=1Hz,计
9、算可以知道,1号放大器也可以适用。故压缩带宽对克服噪声是非常有利的,但是压缩带宽在某些情况下可能损失信息量,所以压缩带宽有时要付出一定的代价。2NF图的应用图的应用NF的表达式如下:的表达式如下:选选定定不不同同的的R Rs s和和f,由由实实验验可可以以测测出出E Enini,就可以得到一系列的就可以得到一系列的N NF F值。值。采用噪声发生器法,或正弦波法,采用噪声发生器法,或正弦波法,测出不同测出不同R Rs s和和 f 0 0条件下的一系列条件下的一系列N NF F值。值。在在坐坐标标系系中中,以以 f 0 0为为横横坐坐标标,R Rs s为为纵纵坐坐标标,且且均均以以对对数数为为标
10、标度度。将将所所以以N NF F值值相相等等的的点点连连接接起起来来,就就得得到一幅到一幅N NF F等值图,称为放大器的噪声因子图或等值图,称为放大器的噪声因子图或N NF F图。图。不不同同的的放放大大器器有有不不同同的的N NF F图图,放放大大器器一一经经制制成成,N NF F图图的结果就是唯一的,的结果就是唯一的,生生产产厂厂家家一一般般都都向向用用户户提提供供低低噪噪声声前前置置放放大大器器的的N NF F图图,它充分反映了该放大器的噪声特性。它充分反映了该放大器的噪声特性。如图是美国如图是美国如图是美国如图是美国PARCPARCPARCPARC公司公司公司公司1131131131
11、13型低噪声前放的等值图:型低噪声前放的等值图:型低噪声前放的等值图:型低噪声前放的等值图:利用利用NF图,我们可以做到如下几点:图,我们可以做到如下几点:(1)从从NF图中,可以选择图中,可以选择NF最小的最小的Rs和和f0的范围。的范围。如如113型型低低噪噪声声前前放放NF=0.05dB等等值值线线f0的的范范围围在在几几个个Hz到到几几KHz,而,而Rs的范围从几百的范围从几百K到十兆到十兆(10M)(2)在实际的微弱信号检测中,不同的检测对象可根在实际的微弱信号检测中,不同的检测对象可根据据NF图选择最适用的前放。图选择最适用的前放。由于测量和放大的对象不同,源电阻由于测量和放大的对
12、象不同,源电阻Rs的差异是很大的。的差异是很大的。例如,光电信增管(例如,光电信增管(PMT)为高阻为高阻Rs,热电偶的热电偶的Rs却很低。却很低。同样,工作频率的选择也不一致。同样,工作频率的选择也不一致。如声学或生物医学的使用常在低频范围,而某些电检测又常如声学或生物医学的使用常在低频范围,而某些电检测又常常避开常避开1/f 噪声,需选择中频区,噪声,需选择中频区,NF图为我们正确选择前放提图为我们正确选择前放提供了依据。供了依据。(3)利利用用NF图图还还可可以以计计算算出出最最小小可可检检测测信信号号MDS的的大大小小,MDS的的定定义义为为折折合合到到放放大大器器输输入端的入端的En
13、i。由公式:由公式:可可以以由由等等值值图图中中最最小小的的NF值值即即能能计计算算出出低低噪噪声声前前放放在在一一定条件下的最小的定条件下的最小的Eni,这就是这就是MDS。在科研和开发中,选购低噪声前放时,应注意在科研和开发中,选购低噪声前放时,应注意利用利用NF图及有关技术参数。图及有关技术参数。其它参数还有如输入、输出阻抗、增益、带宽、其它参数还有如输入、输出阻抗、增益、带宽、NF最最小点,增益稳定度等。小点,增益稳定度等。2.9 噪声参数的测量噪声参数的测量 1.噪声参数测量的必要性噪声参数测量的必要性有些器件来说,手册中可能并未给出详尽的噪声性能参数,有些器件来说,手册中可能并未给
14、出详尽的噪声性能参数,即即使使给给出出了了,也也只只是是这这类类器器件件的的典典型型性性能能,而而器器件件应应用用可可能能与手册上给出的数据相差很多。与手册上给出的数据相差很多。对于要求较高的情况,应该对所用器件进行噪声测量。对于要求较高的情况,应该对所用器件进行噪声测量。在设计与制作了一个低噪声前放或买了一个低噪声前放,它在设计与制作了一个低噪声前放或买了一个低噪声前放,它的真正噪声性能如何,也必须通过测量才能证实。的真正噪声性能如何,也必须通过测量才能证实。噪声测量是低噪声设计中必不可少的环节。噪声测量是低噪声设计中必不可少的环节。2.测量哪些参数测量哪些参数l描述放大器噪声的有关参数如输
15、出噪声功描述放大器噪声的有关参数如输出噪声功率,等效输入噪声电压率,等效输入噪声电压Eni,噪声电压噪声电压En、噪声电流噪声电流In、噪声系数噪声系数NF(NF(NF)都是能够直接都是能够直接测量或间接测量的量。测量或间接测量的量。l即即 、En、In、NF(NF(NF)都是可以直接都是可以直接或间接测量的噪声参数。或间接测量的噪声参数。3.噪声测量的特点噪声测量的特点l噪声测量与其它电量的测量方法最主要的不同之处是噪声测量与其它电量的测量方法最主要的不同之处是其电压太小,噪声电压往往只有其电压太小,噪声电压往往只有V或或nV数量级。数量级。不能直接把一个高灵敏的电压表放在放大器输入端去不能
16、直接把一个高灵敏的电压表放在放大器输入端去测量,测量,一方面是因为噪声值太小,一方面是因为噪声值太小,另一方面还因为噪声实际上分布在放大器的各个部分,另一方面还因为噪声实际上分布在放大器的各个部分,将其等效到输入端只是理论分析处理的结果。将其等效到输入端只是理论分析处理的结果。l因此噪声的测量都是在输出端测量。测出的总噪声是因此噪声的测量都是在输出端测量。测出的总噪声是系统内部各个噪声作用的综合结果。系统内部各个噪声作用的综合结果。4.等效输入噪声等效输入噪声Eni的测量的测量由由噪声参数的测量,都可归结到噪声参数的测量,都可归结到的测量。的测量。对对的测量,有两种方法:的测量,有两种方法:(
17、1)正弦波法)正弦波法 根据等效输入噪声的意义,等效输入噪声就是将整个电路的噪根据等效输入噪声的意义,等效输入噪声就是将整个电路的噪声折算到信号源处的结果。声折算到信号源处的结果。正弦波法的原理如图所示。正弦波法的原理如图所示。EniVsiZsiAviV0En0用正弦波法测用正弦波法测Eni可分为三步:可分为三步:A在输出端测量总输出噪声在输出端测量总输出噪声EnoB测量并计算从信号源到输出端的传输函数测量并计算从信号源到输出端的传输函数Avs(Kv),),C计算等效输入噪声计算等效输入噪声从以上三步可以看出:从以上三步可以看出:关键是第一步关键是第一步A,第二,第二步步B可用电子技术中的方法
18、,可用电子技术中的方法,现在对现在对A、B分别进行详细说明。分别进行详细说明。仪表要求:仪表要求:测测量量总总的的输输出出噪噪声声Eno是是在在去去掉掉信信号号发发生生器器和和保保留留源源阻阻抗抗Zs的的情形下进行,然后在输出端用均方根值电压表测得情形下进行,然后在输出端用均方根值电压表测得Eno。测量噪声的电压表的要求:测量噪声的电压表的要求:一是要正确地响应电压的有效值。一是要正确地响应电压的有效值。普通电压表是响应均值的,由于噪声均值为零,故无法响应。二是要有足够的带宽。二是要有足够的带宽。有的仪表能正确地响应有效值,但由于带宽窄,将使噪声电有的仪表能正确地响应有效值,但由于带宽窄,将使
19、噪声电压读数减小。一般要求仪表的带宽大于噪声带宽的压读数减小。一般要求仪表的带宽大于噪声带宽的10倍。倍。即使是这样,噪声功率增益曲线的尾部也往往被仪表带宽所即使是这样,噪声功率增益曲线的尾部也往往被仪表带宽所限而不能通过,使得读数下降。限而不能通过,使得读数下降。例如:仪表的带宽等于噪声带宽的例如:仪表的带宽等于噪声带宽的10倍时,则由带宽引起的倍时,则由带宽引起的测量误差为测量误差为-4.4%,即真实值为,即真实值为1时,仪表测量值为时,仪表测量值为0.956;仪表带宽是噪声带宽的仪表带宽是噪声带宽的20倍时,误差为倍时,误差为-2.1%。测量从信号源到输出端的传输函数测量从信号源到输出端
20、的传输函数Avs:l用用一一个个正正弦弦波波信信号号发发生生器器Us与与源源阻阻抗抗Zs串串联联,然然后后测测量量输输出出信号信号Vo。l注注意意的的是是输输入入信信号号电电压压Vs的的电电平平应应比比噪噪声声电电平平高高,同同时时在在测测量量时时要要保保证证放放大大器器不不会会处处于于饱饱和和状状态态。可可以以使使输输入入信信号号加加倍倍或或者者减减半半,如如果果输输出出信信号号也也加加倍倍或或者者减减半半,那那么么说说明明放放大大器器是未饱和的,也可以和理论计算相验证。是未饱和的,也可以和理论计算相验证。l等效输入噪声等效输入噪声Eni等于总输出噪声等于总输出噪声En0除以系统的传输函数除
21、以系统的传输函数Avs即即:实际的测量框图:实际的测量框图:正弦信号发生器:正弦信号发生器:用来测量系统输出对源的放大倍数用来测量系统输出对源的放大倍数A Avsvs(即(即K Kv v)的信号的信号源,输出正弦信号幅值应稳定。源,输出正弦信号幅值应稳定。交流电压表交流电压表 V V:用来测量信号发生器输出电压的大小,要求精度高,用来测量信号发生器输出电压的大小,要求精度高,频带宽,频带宽,低阻抗衰减器:低阻抗衰减器:有三个用途:有三个用途:l衰减信号发生器输出的信号提供给待测电路使其有衰减信号发生器输出的信号提供给待测电路使其有一个正常的动态范围。一个正常的动态范围。l提供一个低的输出阻抗,
22、要求比提供一个低的输出阻抗,要求比R Rs s小很多,小很多,l能够与待测电路放在一起进行屏蔽,从而减小源端能够与待测电路放在一起进行屏蔽,从而减小源端的外界干扰。的外界干扰。模拟源电阻模拟源电阻Rs:其其大大小小应应等等于于待待测测电电路路在在实实际际应应用用时时所所接接探探测测器器的的内内阻的大小。阻的大小。模拟输出电阻模拟输出电阻R0:其其大大小小应应等等于于待待测测电电路路输输出出电电阻阻的的大大小小,它它的的用用途途是是测测出出低低噪噪声放大器及选频电路的噪声。声放大器及选频电路的噪声。低噪声前置放大器低噪声前置放大器:由由于于待待测测电电路路的的噪噪声声很很微微弱弱,一一般般为为n
23、VV量量级级。因因此此用用普普通通仪仪表表测测量量有有困困难难,必必须须后后接接低低噪噪声声放放大大器器使使微微弱弱信信号号放放大大到到能能被后面的仪表所检测,故要求其噪声越低越好。被后面的仪表所检测,故要求其噪声越低越好。选选频频电电路路:是是一一个个带带宽宽比比被被测测电电路路及及低低噪噪声声放放大大器器都都窄窄的的带带通通滤波器,其带宽滤波器,其带宽f即为整个系统的带宽。即为整个系统的带宽。均方根指示计:均方根指示计:必必须须选选用用均均方方根根电电压压表表。这这种种电电压压表表的的工工作作原原理理和和普普通通的的整整流流式电压表的工作原理是不同的。式电压表的工作原理是不同的。其它噪声参
24、数的间接获得。其它噪声参数的间接获得。l等效输入噪声的表达式,前面已经推出:等效输入噪声的表达式,前面已经推出:l分别测出放大器输出端的及放大器的分别测出放大器输出端的及放大器的K Kv v,即即可算出可算出E Enini。在在Rs=0的情况下,的情况下,在在Rs较大和已知,且较大和已知,且E En n2 2 已经求出的情况下已经求出的情况下:即可求出即可求出:在测得在测得Eni2的情况下,即得到噪声系数的情况下,即得到噪声系数NF:在噪声测量中,关键是在噪声测量中,关键是Eni的测量,的测量,而而Eni的测量是通过的测量是通过Eno2和和Kv的测量得到的。的测量得到的。(2)噪声发生器法)噪
25、声发生器法属于比较测量法,属于比较测量法,比较的基准是噪声发生器,因此测量的比较的基准是噪声发生器,因此测量的准确度决定于噪声发生器的精度和读数准确度决定于噪声发生器的精度和读数误差。误差。此外,还要求噪声发生器在测量带宽上此外,还要求噪声发生器在测量带宽上应具有均匀的噪声谱密度。应具有均匀的噪声谱密度。噪声生发器法的原理图。噪声生发器法的原理图。Eni为放大器的等效输入噪声,为放大器的等效输入噪声,Eng为噪声电压表发生器,为噪声电压表发生器,Rs为源电阻。为源电阻。被测放大器EnoRsEniEng为了测量为了测量Eni,在输出端进行两次噪声测量:,在输出端进行两次噪声测量:噪声发生器未接入
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