噪声和低噪声器件课件.pptx
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1、主要内容主要内容噪声的一般性质噪声的一般性质噪声的描述噪声的描述噪声的测量噪声的测量功率谱密度功率谱密度信号提取系统中的主要噪声类型信号提取系统中的主要噪声类型1/f噪声噪声热噪声热噪声散粒噪声散粒噪声4.2.1 噪声的特性噪声的特性随机性随机性统计学描述统计学描述概率密度函数概率密度函数平稳随机过程平稳随机过程正态分布正态分布2.信号提取过程中的噪声类型信号提取过程中的噪声类型主要类型:主要类型:1/f噪声噪声热噪声热噪声散粒噪声散粒噪声要求掌握:要求掌握:产生的机理产生的机理噪声的性质噪声的性质(1)1/f噪声噪声由于功率谱是频率的函数:由于功率谱是频率的函数:一般一般1,故称为故称为1/
2、f噪声噪声K为为f1Hz时的频谱密度,由具体器件决定时的频谱密度,由具体器件决定的常数的常数(1)1/f噪声噪声产生的原因:材料之间不完全接触,形产生的原因:材料之间不完全接触,形成起伏的导电率成起伏的导电率如两个导体连接的地方,开关、继电器、晶如两个导体连接的地方,开关、继电器、晶体管、二极管的不良接触,体管、二极管的不良接触,以及电流流过合成碳质电阻的不连续介质以及电流流过合成碳质电阻的不连续介质有源器件在制作工艺过程中,材料表面特性有源器件在制作工艺过程中,材料表面特性及半导体器件中结点的缺陷等及半导体器件中结点的缺陷等由于生物医学信号的频带范围大都处于由于生物医学信号的频带范围大都处于
3、低频或超低频段,低频或超低频段,1/f噪声是生物信号提噪声是生物信号提取中主要障碍取中主要障碍(1)1/f噪声噪声 由由f1f2带宽内噪声的平均功率得到相应此频段内噪带宽内噪声的平均功率得到相应此频段内噪声的电压均方值:声的电压均方值:例:已知1/f噪声过程在1Hz上的谱密度为510-10V2/Hz,求100到200Hz 范围内噪声电压均方值(2)热噪声)热噪声产生的原因:产生的原因:热噪声是在热噪声是在电阻一类导体电阻一类导体中,自由电子的布朗运动引起的噪声中,自由电子的布朗运动引起的噪声 电子运动的途径,由于和其他粒子碰撞,是随机的和曲折的,即呈电子运动的途径,由于和其他粒子碰撞,是随机的
4、和曲折的,即呈现布朗运动。所有电子运动的总结果形成通过导体的电流。电流的现布朗运动。所有电子运动的总结果形成通过导体的电流。电流的方向是随机的,因而平均值为零。方向是随机的,因而平均值为零。但是在每一瞬间,它们并不为零,则在导体的两端产生压降,形成但是在每一瞬间,它们并不为零,则在导体的两端产生压降,形成噪声电压。噪声电压。又称为约翰逊噪声或乃奎斯特噪声又称为约翰逊噪声或乃奎斯特噪声存在于:存在于:电阻电阻电容介质的损耗电容介质的损耗电感的涡流损耗电感的涡流损耗有源器件如晶体管的基区电阻等有源器件如晶体管的基区电阻等危害危害是测量系统分辨力的最终限制。是测量系统分辨力的最终限制。(2)热噪声)
5、热噪声影响热噪声的因素:影响热噪声的因素:1.减小测量时产生热噪声器件的温度减小测量时产生热噪声器件的温度2.提取信号的电阻应尽量小,避免额外的串联电阻提取信号的电阻应尽量小,避免额外的串联电阻3.尽量减小系统的频带尽量减小系统的频带属于白噪声属于白噪声波尔兹曼常数1.3810-23J/K绝对温度频带宽度数学表示:数学表示:电压均方值:电压均方值:谱密度:谱密度:(3)散粒噪声)散粒噪声产生的原因:产生的原因:半导体器件半导体器件中,载流子产生与消失的随机性,使得中,载流子产生与消失的随机性,使得流动的载流子数目发生波动,引起流动的载流子数目发生波动,引起瞬时电流瞬时电流的变化,的变化,称为散
6、粒噪声称为散粒噪声存在于:存在于:二极管和三极管等半导体器件中,二极管和三极管等半导体器件中,简单的导体中,不存在此类噪声简单的导体中,不存在此类噪声数学表达式:数学表达式:电子电荷器件的平均直流测量系统的频带宽度谱密度:谱密度:2qIDC,属于白,属于白噪声噪声3.描述描述放大器放大器噪声性能参数噪声性能参数研究放大器的噪声研究放大器的噪声有利于分析放大器的性能指标有利于分析放大器的性能指标判断放大器可能放大多弱的信号。判断放大器可能放大多弱的信号。放大器的等效电路:放大器的等效电路:电阻为零的电压源电阻无穷大的电流源信号源等效噪声主要为电阻的热噪声3.描述描述放大器放大器噪声性能参数噪声性
7、能参数放大器放大器输出输出端噪声计算:端噪声计算:输入噪声源输入噪声源 输出噪声大小输出噪声大小放大器产生的噪声信号源产生的噪声假设假设Un,In互不相关,互不相关,C0,则各噪声电压的平方值相加,则各噪声电压的平方值相加,得到得到输出输出电压:电压:3.描述描述放大器放大器噪声性能参数噪声性能参数输入端输入端等效电压:等效电压:1Rs利用上式分析的优点:利用上式分析的优点:利用等效噪声源利用等效噪声源Uni分析所有的噪声,适用于任何有源器分析所有的噪声,适用于任何有源器件的噪声分析件的噪声分析易于测量:易于测量:Rs0,只存在,只存在Un;若;若Rs很大时,确定很大时,确定In。(2)噪声放
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