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1、神经电记录仪的输入短路噪声实测值（微伏）（成都仪器厂生产）,II 系统的噪声 （Noise),概念：与外部干扰相区别，把测量系统内部由器件、材料、部件的物理因素产生的自然扰动称为噪声（电压或电流）。噪声是电路内固有的，不能用诸如屏蔽、合理接地等方法予以消除。,一、噪声的一般性质,噪声电压或噪声电流是随机的，噪声的随机过程不可能用一个确定的时间函数来描述 。它服从于一定的统计规律，能通过表示噪声过程的概率密度P(u)而得知噪声电压落在某一范围内的概率。随机噪声为一平稳随机过程，概率密度与时间t无关。,一、噪声的一般性质,噪声电压或噪声电流是随机的，噪声的随机过程不可能用一个确定的时间函数来描述
2、。它服从于一定的统计规律，能通过表示噪声过程的概率密度P(u)而得知噪声电压落在某一范围内的概率。随机噪声为一平稳随机过程，概率密度与时间t无关。,随机噪声（热噪声和散粒噪声 ）,Gaussian distribution of noise amplitude rms: root mean square,Ths7002_buffer_preamp_gain-1_in-_short to_Gnd+/-12v_battery_power_buffer_noise-outpup,测量中的校正系数,(1)全波整流后的平均值,(2)均方根值（有效值rms，root-mean-square),测量中的校正
3、系数,测量中的校正系数,测量噪声应用热效应定义的均方根值电压表。正弦波全波整流的平均值是峰值的0.636，而它的均方根值是峰值的0.707，所以常用的交流电压表（平均值电压表）测量正弦波的均方根值应作修正，修正系数为1.11。而且噪声波形并不是正弦波，是由大量尖脉冲组成，噪声电压均方根值是峰值的0.798倍，均方根值与平均值之比为0.798/0.636=1.255，所以均方根值正弦响应的电压表测量到的噪声电压须乘以1.13（0.798/0.707 ）的修正系数才得到噪声电压的均方根值。,噪声的频域描述方法,噪声服从一定的统计规律，无法用频谱描述，而用功率谱表示它的频域特性。噪声电压（或噪声电流
4、）的均方值是它在一欧姆电阻上产生的平均功率。此功率是各频率分量功率之和，功率谱密度S（f）为:S(f)=U2/ R /f = U2/f ; S(f)= I2*R/f= I2/f,功率谱密度U2/f or I2/f,S（f）为功率谱密度，它表示单位频带内噪声的功率及随频率的变化情况。单位：W/Hz,噪声的相关性,小结：噪声描述的方法,噪声的基本特性可以用统计平均量来描述1）均方值表示噪声的强度，2）概率密度表示噪声在幅度域里的分布密度；3）功率谱密度表示噪声在频域里的特性；4）通常认为两种噪声源为完全不相关，噪声电压瞬时值之间没有关系，噪声总均方电压等于各噪声源均方电压之和。(功率相加）,二、生
5、物医学测量系统中的主要噪声,1/f噪声（低频噪声）热噪声散粒噪声,1/f 噪声（闪烁噪声或低频噪声） Flicker Noise,电子系统中，1/f噪声是普遍存在的。凡两种材料之间不完全接触，形成起伏的导电率便产生1/f噪声。 它发生在两个导体连接的地方，如开关、继电器或晶体管、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等。各有源器件在制作工艺过程中，材料表面特性及半导体器件结点中的缺陷等，是1/f噪声的主要成因。,数学描述,K是频率为1Hz时的谱密度值,热噪声（Thermal Noise),热噪声是由导体中载流子的随机热运动引起的。任何处于绝对零度以上的导体中，电子都在作随机热运
6、动。 1927年约翰逊（Johnson）首先在实验中观察到导体上热噪声电压的存在，1928年乃奎斯特进行了理论分析。热噪声又常称为约翰逊噪声或乃奎斯特噪声。,数学描述,k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，R为阻值,散粒噪声 （Shot Noise),在半导体器件中，载流子产生与消失的随机性，使得流动着的载流子数目发生波动，时多时少，由此而引起电流瞬时涨落称为散粒噪声。 散粒噪声与流过半导体PN结位垒的电流有关，所以三极管、二极管中，都存在产生散粒噪声电流的单元。在简单的导体中没有位垒，因此没有散粒噪声。,数学描述,测量系统中的主要噪声类型小结,1/f噪声、热噪声、散粒噪声,Un和In参数噪声系数,
7、三、描述放大器噪声性能的参数,Signal to Noise Ratio（SNR),信噪比：表示信号与噪声的相对大小，间接反映了噪声对信号的影响程度和信号的精度水平。SNR=10Lg（Ps/Pn）=20Lg（Us/Un）；（分贝） 式中：Ps为信号功率；Pn为噪声功率；Us为信号有效值；Un为噪声有效值。 在一定的输出信噪比的要求之下，输出噪声折合到输入端，可以判断放大器可能放大多弱的信号。为此，通常把放大器的噪声等效到输入端。,放大器的Un和In参数,假设Un、In不相关，C=0，各噪声源的噪声电压的均方值相加，得到输出噪声电压的均方值 放大器对信号Uns的电压增益A为,结 论,放大器的等效
8、输入噪声为三个噪声电压发生器的均方值的和，用位于Us处的一个噪声源来等效系统中的所有噪声源。此方程式适用于任何有源器件的系统，是分析噪声问题中的重要公式。 源电阻不同（高、低）时的器件选择。,等效输入端噪声 Refered-to-input (RTI),Rs=0时：可以测得Un值,Rs较大时：可以估测In,（二）噪声系数Noise Factor(NF),NF,噪声系数是放大器引起的信号质量（信噪比）恶化程度的量度。理想状态，放大器在源热噪声的基础上不再增加噪声，即放大器本身无噪声，这时F=1或NF=0。实际上总是NF0dB。低噪声设计的目的是使NF值尽可能小。,噪声系数结论,噪声系数结论,当信
9、号源电阻等于最佳源电阻时，可以获得最小的噪声系数。调整信号源电阻使噪声系数最小，称为电路的噪声匹配。,NF VS SNR,由此可知，最大的输出信噪比发生在Rs=0处。所以，最小的噪声系数并不一定有最大的输出信噪比或最小噪声。,Un，In*Rs Uns,信号,图2-44 等效输入噪声与源电阻Rs的关系,Rs,Uni,Uni,两级放大的噪声,F2AP2Pn2,（三）多级放大器的噪声,第一级放大的噪声系数对总噪声系数的贡献最大，努力降低第一级噪声，是实现低噪声设计的原则。,如果第一级功率增益足够大，则第二级的噪声影响可忽略，总的噪声系数主要决定于第一级的噪声系数。,四、器件的噪声,1、电阻：热噪声;
10、串并联等效,金属膜的1/f小，碳膜电阻的1/f大,四、器件的噪声,2、电容：1/f噪声和漏电阻的热噪声。 钽（Tantalum)电容、瓷片电容和云母电容的噪声较小；铝电解电容的噪声较大。3、场效应管和双极晶体管的噪声 热噪声；散粒噪声；1/f噪声；,4、三极管和运放的噪声Un,In,图2-51 三种器件的等效噪声电压曲线1双极型晶体管； 2结型场效应晶体管； 3集成运放器件,根据总增益、频率响应、动态范围、稳定性等指标设计后级电路，决定放大级数及电路结构等，应注意后级电路不能破坏总的噪声性能。,根据噪声要求、源阻抗特性、输入耦合网络选择电路结构形式和器件、确定工作点并进行噪声匹配。,III、低
11、噪声放大器设计,一、噪声性能指标,放大器输入端对地短路时的固有噪声折合到输入端（RTI噪声），作为放大器的性能指标，它基本反映了放大器能区分的最小信号。,体表心电图10V（0250Hz）体表希氏束电图0.5V （80300Hz）头皮电极脑电图1V（0100Hz）针电极肌电图1V（210000Hz）脑诱发电位0.7V （010KHz）眼电生理信号0.5V （01KHz）,输入级器件选用参考,10 100 1k 10k100k1M 10M 100M 1G 10G 100GRso ,噪声匹配的过程：,传感器阻抗不同,选择可匹配的器件,调节器件参数,传感器的阻抗特点,静态参数噪声等值图,输入级器件选用
12、参考,放大电路的噪声分析,1、电路基本分析方法；2、噪声源不相关，输出端功率相加；3、分为外围电路及放大器本身的噪声两部分；采用叠加原理。,R1在输出端产生的噪声E1,R2在输出端产生的噪声E2,R3在输出端产生的噪声E3,ep在输出端产生的噪声Ep,inp在输出端产生的噪声Enp,inn在输出端产生的噪声Enn,输出端总噪声叠加计算,二、低噪声 设计原则,根据噪声要求和源的性质，确定输入电路的结构形式和器件筛选,根据放大倍数和电路的带宽，给第一级分配尽可能高的放大倍数；,选择后级电路，以不破坏总的噪声性能为依据,电阻阻值尽量小，金属膜；有极性电容选钽电容，无极性电容选瓷片或云母电容,三、低噪
13、声设计实例,理论分析、仿真模拟挑战极限-高精度-高增益-模拟,阻容元件的参数,带宽、增益、输入级,ina110_g10_2M_gbw.pdf,Fast-Settling FET-InputINSTRUMENTATION AMPLIFIER(IA),INA110,APPLICATIONSMULTIPLEXED INPUT DATA ACQUISITIONFAST DIFFERENTIAL PULSE AMPLIFIERHIGH SPEED GAIN BLOCKAMPLIFICATION OF HIGH IMPEDANCE SOURCES,INA110,FEATURESLOW BIAS CURRE
14、NT: 50pA maxFAST SETTLING: 4ms to 0.01%HIGH CMR: 106dB min; 90dB at 10kHzINTERNAL GAINS: 1, 10, 100, 200, 500VERY LOW GAIN DRIFT: 10 to 50ppm/CLOW OFFSET DRIFT: 2mV/CLOW COSTLOW NOISEPINOUT SIMILAR TO AD524 AND AD624,DESCRIPTION The INA110 is a versatile monolithic FET-input instrumentation amplifie
15、r. Its current-feedback circuit topology and laser trimmed input stage provide excellent dynamic performance and accuracy. The INA110 settles in 4ms to 0.01%, making it ideal for high speed or multiplexed-input data acquisition systems. Internal gain-set resistors are provided for gains of 1,10, 100
16、, 200, and 500V/V. Inputs are protected for differential and common-mode voltages up to VCC. Its very high input impedance and low input bias current make the INA110 ideal for applications requiring input filters or input protection circuitry. The INA110 is available in 16-pin plastic and ceramic DI
17、Ps, and in the SOL-16 surface-mount package. Military, industrial and commercial temperature range grades are available.,INA110：Noise,INPUT NOISEVoltage: fO = 10kHz 10nV/ fB = 0.1Hz to 10Hz 1 Vp-pCurrent:fO = 10kHz 1.8 fA/,OUTPUT NOISEVoltage: fO = 10kHz 65 nV/ 白噪声 fB = 0.1Hz to 10Hz 8 Vp-p 1/f,三、低噪
18、声设计实例,理论分析、仿真模拟挑战极限-高精度-高增益-模拟,阻容元件的参数,带宽、增益、输入级,ina110_g10_2M_gbw.pdf,结构：放大滤波方法：理论分析 仿真实验 实测验证,增益2000精度1V噪声1V(带宽2.5KHz),高增益高精度低噪声放大器设计,仿真结构示意图,电路功能示意图,理论分析:频带确定,等效输入端噪声与放大器的噪声性能、外围电阻的热噪声、频带宽度及工作温度均有关系。本系统的低通滤波器最高截止频率为2500Hz，因滤波器的过渡带和阻带特性并非完全理想，所以系统的真正带宽并非2500Hz，在如下计算中取系统的带宽为截止频率的4倍频，即10KHz。,理论分析：电阻
19、的热噪声,理论计算表明，1K电阻在室温（20度）条件下，其热噪声电压谱密度约为4.02nV/ 。本系统中，放大器至少需要7只电阻，阻值均按10K计算；四阶低通滤波器最少需要10只电阻，阻值平均按20K计算，忽略源电阻和电容的噪声，不失一般性，假设各电阻的热噪声不相关，按照噪声功率相加的原则，估算出热噪声谱密度约为66.06nV/ 。,理论分析：运放的热噪声,前置增益级的噪声密度取理论极限值1nV/ ，差分放大器、4阶滤波器中的2个运放及输出缓冲级均视为极低噪声运算放大器（如OP27），噪声密度取3nV/ 。源电阻较小时，忽略各放大器的等效输入端电流噪声。增益为1时，输出噪声谱密度 带宽10KH
20、z时，总输出噪声有效值为：6.63V等效输入噪声有效值为：6.63V增益为2000时（假设全部由前置增益级提供），输出噪声谱密度为：总输出噪声有效值为：等效输入噪声有效值为：0.14V,理论分析：结论,尽管上述假设中已忽略了其他一些噪声源，但在低增益时，输入端噪声有效值已经大于6V，而高增益时（增益为2000 ），等效输入端噪声小于1V。因此，从理论上分析有可能实现设计目标。,GAIN VS FREQUENCY仿真：三种放大器的幅频特性曲线（输入1mV,增益2000）,PHASE VS FREQUENCY仿真：三种放大器的相频特性曲线（增益2000）,增益2000时三种放大器的输出噪声电压谱密
21、度（V/ ）,A）仿真结果与理论计算的增益2000倍时的输出噪声电压谱密度 在同一水平,B）INA103的噪声电压谱密度最小，增益2000倍、频带10KHz时，其等效输入端噪声约为0.062V (不包含滤波器的噪声),高增益高精度低噪声放大器实现,放大器采用INA103，固定增益设计为2000（实测增益为1925倍），滤波部分采用4阶Chebysheve低通滤波器，其截止频率为3KHz，通带纹波0.01dB，通带增益为1。,实验室环境，室温20度，模块通电预热10分钟后测量。数据采集卡为PCI6034E，输入量程范围+/-50mV，16bit，最小分辨率1.525V，采集速率从1Hz到200K
22、Hz。计算均值（Mean）和标准差(Sd)。输入信号由HP33250A任意波形发生器产生。,数据采集卡输入端短接时本底噪声,数据采集卡输入端短接时采集到的PCI6034E的本底噪声。采样频率100Hz，100次叠加。其均值为11.57V，相当于采集卡的静态直流漂移，标准差为10.06V，相当于采集卡的本底噪声的有效值。,放大器输入端短接时，在滤波器的输出端采集到的噪声电压和直流失调电压,放大滤波模块在增益2000时，输出端直流失调电压为19.4mV,输出噪声电压有效值为157.95V，忽略数据采集卡的本底噪声时，该模块的等效输入端噪声电压有效值约为0.08V。,放大器输入2mVp_p的1kHz
23、和3kHz正弦信号时，滤波器的输出信号,滤波器输出1放大器输入 1kHz,2mVp_p,滤波器输出2放大器输入3kHz,2mVp_p,放大器输入1Vp_p 和5Vp_p 的1kHz正弦小信号时，滤波器的输出信号,滤波器输出1放大器输入：1kHz, 1Vp_p ，2mVp_p衰减1/2000得到,滤波器输出2放大器输入：1kHz, 5Vp_p （10mVp_p衰减1/2000得到 ）,信噪比较差的原因除放大模块本底噪声外，主要因信号源在输出小信号时信噪比本身较低。,输出信号：频率1kHz，约10mVp_p,放大器直流分辨率测试，滤波器的输出信号,放大器输入端直流变化量分别为0, 1,2,3,4,
24、5,0,-1,-2,0V时的输出信号,低噪声设计实例 结论,理论分析的结论与仿真实验结论相符,外围阻容元件的参数,带宽、增益、输入级,高增益（1925倍）、低噪声（带宽3KHz时RTI噪声0.08V）、高精度（1V交流）、高分辨率（1V直流）放大滤波模块是可以实现的,救命稻草！,自 杀.,考前突击？！,答案，您在哪里？,作 业1.简述噪声的概念及特性2.简述生物医学电子测量中的主要噪声类型及特点3.放大器等效输入端噪声的源有哪几类？有何影响？4.分析噪声匹配的原理。5.简述低噪声放大器设计的原则。6.带宽加倍,对于白噪声来说其噪声功率如何变化?粉红色噪声又将如何?7.分析电极本身的噪声对生物电信号检测造成的危害。,
