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1、光电信号处理,华中科技大学光电学院光电测控技术与仪器系,第二章 低噪声前置放大器（2）,2.6 多级放大器的噪声系数NF1,2,n,单级放大器噪声系数NF Pni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Pno为输出端总的噪声功率Ap为放大器的功率增益根据噪声系数NF的定义，有：,研究多级放大器的噪声系数：Pni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。Pn1、Pn2、Pn3分别为各级所产生的噪声功率，在各级输出端的体现。Ap1、Ap2、Ap3分别为各级的功率增益。,由 得：每个放大器单独和源噪声Pni相连接时，得到：,三级放大器级联成为一个放大系统，此
2、系统的噪声系数:Pn为三级级联放大器内部噪声功率在输出端的体现:即：Ap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：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；为了使多级放大器的噪声系数减小 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。,例：将三个放大器A、B、C串联来放大微弱信号，其功率增益和噪声系数如下表：,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
3、：A、B、C 和 A、C、B分别计算：排列方式：A、B、C时：NF=1.5+(2.5-1)/10+(4-1)/15*10=1.67排列方式：A、C、B时：NF=1.8 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,光 电探测器,偏置电路,前 置放大器,耦合网络,如图：Zs表示探测器和偏置电路形成的等效阻抗，Vs表示由探测器得到的信号电压，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。,信号源与
4、前置放大器耦合的方式，有下列五种形式。p表示并联，s表示串联（1）并联型：,（5）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En-In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
5、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,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Eni和Vsi来选用低噪声前置放大器 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，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），一个实际的质量好的低噪声前置放大器其NF值可以做到0.05dB，甚至更低。生产厂商在出
6、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（Vs/Eni）的比值的要求来选定放大器的NF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。,例：有两个标号分
7、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：如果选用1号放大器则：不合要求；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。,2 NF图的应用 NF的表达式如下：选定不同的Rs和f，由实验可以测出Eni
8、，就可以得到一系列的NF值。采用噪声发生器法，或正弦波法，测出不同Rs和 f 0条件下的一系列NF值。,在坐标系中，以 f 0为横坐标，Rs为纵坐标，且均以对数为标度。将所以NF值相等的点连接起来，就得到一幅NF等值图，称为放大器的噪声因子图或NF图。不同的放大器有不同的NF图，放大器一经制成，NF图的结果就是唯一的，生产厂家一般都向用户提供低噪声前置放大器的NF图，它充分反映了该放大器的噪声特性。,如图是美国PARC公司113型低噪声前放的等值图：,利用NF图，我们可以做到如下几点：（1）从NF图中，可以选择NF最小的Rs和f0的范围。如113型低噪声前放NF=0.05dB等值线f0的范围在
9、几个Hz到几KHz，而Rs的范围从几百K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据NF图选择最适用的前放。由于测量和放大的对象不同，源电阻Rs的差异是很大的。例如，光电信增管（PMT）为高阻Rs，热电偶的Rs却很低。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，而某些电检测又常常避开1/f 噪声，需选择中频区，NF图为我们正确选择前放提供了依据。,（3）利用NF图还可以计算出最小可检测信号MDS的大小，MDS的定义为折合到放大器输入端的Eni。由公式：可以由等值图中最小的NF值即能计算出低噪声前放在一定条件下的最小的Eni，这就是MDS。在科研和开发
10、中，选购低噪声前放时，应注意利用NF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、NF最小点，增益稳定度等。,2.9 噪声参数的测量,1.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，即使给出了，也只是这类器件的典型性能，而器件应用可能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。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。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Eni，噪声电压En、噪声电流In、噪声
11、系数NF(NF)都是能够直接测量或间接测量的量。即、En、In、NF(NF)都是可以直接或间接测量的噪声参数。,3.噪声测量的特点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V或nV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测量，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，将其等效到输入端只是理论分析处理的结果。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。,4.等效输入噪声Eni的测量 由 噪声参数的测量，都可归结到 的测量。对 的测量，有两种方法：（1）正弦波法 根据等效输入噪声的意义，等
12、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。正弦波法的原理如图所示。,用正弦波法测Eni可分为三步：A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Avs（Kv），C计算等效输入噪声从以上三步可以看出：关键是第一步A，第二步B可用电子技术中的方法，现在对A、B分别进行详细说明。,仪表要求：测量总的输出噪声Eno是在去掉信号发生器和保留源阻抗Zs的情形下进行，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：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。有的仪表能正确地响应有效值，但由于带宽窄，将
13、使噪声电压读数减小。一般要求仪表的带宽大于噪声带宽的10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10倍时，则由带宽引起的测量误差为-4.4%，即真实值为1时，仪表测量值为0.956；仪表带宽是噪声带宽的20倍时，误差为-2.1%。,测量从信号源到输出端的传输函数Avs：用一个正弦波信号发生器Us与源阻抗Zs串联，然后测量输出信号Vo。注意的是输入信号电压Vs的电平应比噪声电平高，同时在测量时要保证放大器不会处于饱和状态。可以使输入信号加倍或者减半，如果输出信号也加倍或者减半，那么说明放大器是未饱和的，也可以和理论计算相验
14、证。等效输入噪声Eni等于总输出噪声En0除以系统的传输函数Avs即：,实际的测量框图：,正弦信号发生器：用来测量系统输出对源的放大倍数Avs（即Kv）的信号源，输出正弦信号幅值应稳定。交流电压表 V：用来测量信号发生器输出电压的大小，要求精度高，频带宽，,低阻抗衰减器：有三个用途：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。提供一个低的输出阻抗，要求比Rs小很多，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。模拟源电阻Rs：其大小应等于待测电路在实际应用时所接探测器的内阻的大小。,模拟输出电阻R0：其大小应等于待测电路输出电阻的大小，它的用途是测出低噪声放大器及
15、选频电路的噪声。低噪声前置放大器：由于待测电路的噪声很微弱，一般为nVV量级。因此用普通仪表测量有困难，必须后接低噪声放大器使微弱信号放大到能被后面的仪表所检测，故要求其噪声越低越好。选频电路：是一个带宽比被测电路及低噪声放大器都窄的带通滤波器，其带宽f 即为整个系统的带宽。均方根指示计：必须选用均方根电压表。这种电压表的工作原理和普通的整流式电压表的工作原理是不同的。,其它噪声参数的间接获得。等效输入噪声的表达式，前面已经推出：分别测出放大器输出端的及放大器的Kv，即可算出Eni。,在Rs=0的情况下，在Rs较大和已知，且En2 已经求出的情况下:即可求出:在测得Eni2的情况下，即得到噪声
16、系数NF：在噪声测量中，关键是Eni的测量，而Eni的测量是通过Eno2和Kv的测量得到的。,（2）噪声发生器法,属于比较测量法，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误差。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。,噪声生发器法的原理图。,Eni为放大器的等效输入噪声，Eng为噪声电压表发生器，Rs为源电阻。,为了测量Eni，在输出端进行两次噪声测量：噪声发生器未接入时的总输出噪声Eno1：,Avs是系统的传输函数噪声发生器接入时的总输出噪声Eno2：,由上两式可得：,实际上只要改变Eng，使第二次接入Eng后的En02和未接入Eng时的En01
17、满足,上式表明，使输出噪声功率增大一倍所需的噪声发生器电压就是放大器的等效输入噪声。故噪声发生器法又叫功率增倍法。,（3）两种方法比较正弦波法与噪声发生器法各有所长。正弦波法的特点是所用设备一般实验室都具备，适合于低频和中频情形使用，缺点是测量和计算次数较多。噪声发生器的特点是操作简便易行，速度快。故在宽带系统中或要求频繁测量时能充分发挥其优势，适用的范围是高频和射频，但要求噪声发生器较精确定标。在测量带宽内要求为白噪声，因为存在1/f 噪声，在低频时难以满足。,2.10 元器件噪声分析,设计、研制低噪声前置放大器：必须深入研究电子线路中各种元器件的噪声特性，以及它们相互配置后的共同结果。从而
18、得出一些低噪声前置放大器设计的原则或规律。,下面分析各种元器件的噪声特性。1 晶体管的噪声分析 2 场效应管的噪声分析 3 集成放大电路的噪声分析 4 二极管的噪声 5 电阻的噪声 6 电容器的噪声 7 电感的噪声 8 变压器的噪声,1 晶体管的噪声分析（结论）噪声系数 晶体三极管的噪声系数低频：在低频时很大，中频：在中频时最小且与频率无关，高频：从中频段高端开始，噪声系数随频率升 高而逐渐增大，在高频时噪声系数可以 达到比较大的值。,1 晶体管的噪声分析（结论）最佳源电阻晶体三极管的最佳源电阻：低频：比较低的（约100左右）中频：中频时要大一些（约几百），高频：比较低的（约100左右）总的来
19、说，如果不借助其它噪声匹配的方法，晶体三极管只能用在阻抗不高的低噪声放大器上。,1 晶体管的噪声分析（结论）En-In的相关性低频：晶体三极管的En-In在很低频率时fL/103）为完全相关，随频率升高相关性减弱；中频：在中频段成为弱相关，高频：从中频段高端开始相关性随频率变化逐渐加强，在频率很高时成为完全相关。,2 场效应管的噪声分析 由于场效应管构造上的特点，是电压控制器件，因此噪声低，场效应管的噪声系数NF值可低至0.51dB，而好的双极型三极管其噪声系数NF值在1.012.0dB之间。在低噪声电子设计中，应优先考虑选用场效应管。但是场效应管不适合于高频运用，,场效应和晶体管的噪声比较:
20、场效应管的低频噪声系数比晶体三极管的低频噪声系数要小得多，中频时也要小一些，在高频段（108Hz）部分两者的噪声系数有些相近。从最佳源电阻来说，场效应管比晶体三极管要高得多，场效应管是一种优良的低噪声器件，在低噪声电路中已被广泛采用，集成电路的输入级，已广泛采用场效应管,3 集成放大电路的噪声分析 一块集成放大电路，至少含有几十个电路元件，包括有源器件（晶体管和场效应管）及无源器件（电阻和电容）它们实际上构成了一个电子系统。又称之为片上系统（SOC，system on chip）。集成电路中每一个电子元件，都是一个噪声源，对输出端的噪声都有贡献。根据Friis公式，集成放大电路的噪声主要取决于
21、第一级的噪声。,一般地，通用集成放大电路，第一级通常采用差动式放大电路，这是用来克服温漂的措施，不适于低噪声前放使用。从理论上说必须采用单管工作方式，并且其负载或偏置电路必须采用电阻而不宜用有源器件代替，否则会增加第一级的噪声.但是有些低噪声集成运放，为了兼顾温漂指标，亦采用差动式输入级，此时一般用场效应管作为差动式输入级，因为场效应管的噪声系数在中、低频区比晶体三极管的小得多.,例如：美国Maxim公司生产的低温漂、低噪声运算放大器MAX6325，温度系数达到1 ppm/（ppm，代表百万之一。即parts per million）噪声最低可达1.5VP-P（0.1Hz10Hz），最大噪声也
22、只有2.8V RMS值（即均方根值）AD743为场效应管输入，宽带光电二极管前置放大器在10KHz处，电压噪声为 美国德州公司TI公司低电压、低电流、低噪声运放TLC2272/4 En为,比较MAX6325 和AD743：将1.5VP-P换成rms值则为：除以带宽：可见AD743比MAX6325好，但工作频率不一样。美国ADI公司产AD797AN精密放大器其在1KHz处噪声谱密度为：。,4 二极管的噪声 根据二极管的工作状态，可分为正偏、反偏与零偏等三种情况。主要噪声是直流电流流过P-N结时的散粒噪声。,5 电阻的噪声 电阻的噪声有两种：热噪声和过剩噪声。热噪声已讨论过，与电阻值有关 过剩噪声
23、是电流通过不连续的介质时产生的，与制作电阻的材料及工艺有关。一般说来，合成炭质电阻过剩噪声最大，炭膜电阻次之，金属膜电阻更次之，最小是线绕电阻。在低噪声电路设计中，宜选用过剩噪声小的电阻，如线绕电阻或金属膜电阻，这时可不考虑过剩噪声。考虑了过剩噪声后，低频时以1/f噪声为主，高频时则以热噪声为主。,6 电容器的噪声 理想电容器是不产生噪声的，只有当电容器绝缘电阻下降，产生了漏电流时才会有噪声发生。这种实际电容器常用一个理想电容器与一个漏电阻并联（或串联）的等效电路来代替。电路阻抗的实数部分产生热噪声。噪声模型用一个噪声电流发生器与电容器并联，由于噪声高频部分被电容器旁路，故主要表现出低频噪声。
24、,7 电感的噪声 理想电感是不产生噪声的，实际使用的电感线圈有电阻，所以可以用一个理想电感与电阻R串联的等效电路代替。阻抗的实数部分将产生热噪声。,8 变压器的噪声 如果探测器内阻很低，与一般放大器的最佳源阻抗范围不能匹配，不能得到最小的噪声系数NF，就要利用变压器作阻抗变换，以期得到良好的噪声匹配。如热电偶等。通过电磁耦合由外界引入变压器的干扰，可以采用静电屏蔽或磁屏蔽的方法来消除或降低其影响。但变压器本身产生了一些新的噪声，以下作简要的分析。,变压器原、副绕组的电阻，铁芯的磁滞和涡流损耗均能产生热噪声和过剩噪声，而且涡流损耗还随频率上升而增加。原方绕组电感量影响通频带的低端，使得低频端的等
25、效输入噪声增加。交变磁场或机械震动会使得铁芯振颤或铁芯与绕组间发生相对位移，这些都能使绕组中感生额外电动势，这是一种噪声，称为振颤效应。为了减小这种影响，在制作变压器时，要适当压紧铁芯和加上紧固件，并进行真空浸漆。,此外，还应对铁芯及其紧固件进行退磁处理。使用变压器时，不使绕组中电流含有直流成分。就连测量绕组电阻也应避免用直流方法。变压器应固定在防震架上。绕组的分布电容和接线的杂散电容影响通频带的高频端。为了共模抑制的需要，要求中心抽头对两端接头间的旁通电容相等。关于变压器的噪声及绕组等的有关知识，也是非常丰富的，这里只是列举了很少、很浅的一点，以引起设计者的重视。,2.11 低噪声放大器的设
26、计原则与方法,低噪声放大器有如下一些指标：噪声要求、增益带宽、输入阻抗、输出阻抗 稳定性等，除噪声要求一项外，其它指标已在电子技术课程中学习过。,1 设计低噪声放大器的途径和方法 设计方法可有如下两种：（1）普通设计法 先按普通放大器那样进行设计，即只考虑增益、带宽、输入、输出阻抗等指标，然后在设计过程中校核噪声是否符合指标。若不符合，修改某些参数重新计算，直到符合噪声指标，同时也满足其它指标为止。这种方法只适用于对噪声要求不高的场合。,（2）以噪声为主的设计法 首先考虑的是噪声特性并满足其要求，其次才是增益，带宽和阻抗。满足了噪声指标不一定能满足增益、带宽和阻抗的要求，为了获得足够的增益，一
27、般采用多级放大器，但级数多了又会使得通带变窄，可以用负反馈或用组合电路来加宽通频带，不仅如此，负反馈还可以稳定电路增益、改变输入输出阻抗以及减少失真。注意：引入负反馈后，又引入了新的噪声源，只可能使放大器的噪声性能变坏，如果按一定的原则引负反馈，则可使新引入的噪声减到最小，以至可以忽略不计。经过了上述改造后，再回头检验一下噪声。这样反复计算综合考虑后，得到满意结果。,2 按噪声要求设计的步骤及原则（1）首先，根据噪声要求设计输入级。根据前面的分析，系统的噪声性能，主要取决于第一级。第一级又称输入级，应根据系统要求包括输入信噪比，NF源阻抗特性及频率范围等指标来确定输入级的电路形式，确定直流工作
28、点，进行噪声匹配的估算。一般地，当源阻抗是低阻抗时，可以采用共基共发电路，当源是高阻抗时，可采用共发一共集电路 如果源电阻相当高时，则应使用负反馈电路，或者用场效应管来作为输入级。,（2）晶体管输入级，可以通过调整集电极电流来获得噪声匹配（当然只能在一定范围内）（3）第一级功率增益要大 根据这个要求，第一级尽量选用共发射级电路。（4）根据其它指标，如总增益、频率响应、动态范围等技术指标综合考虑后级的设计。（5）集电极电流对噪声等参数的影响如下表：,大,大,3 噪声匹配的方法 低噪声前放的设计，关键是第一级即输入级的设计，设计时要考虑的噪声指标：噪声系数NF，为了获得最小的噪声系数，必须使得：探
29、测器虽有一定的选择余地，一旦选定后，Rs也就确定了，这时，只有选择前放，使其 注意兼顾其它指标。,噪声匹配的方法就是研究有哪些种方法可以调节 使其可以趋近Rs，现归纳如下：（1）调整晶体三极管工作点IB（IC）的方法（2）输入变压器耦合法（3）输入放大器的并联法 这种方法在理论上具有一定意义，（在集成电路时代）实现起来也不是很困难，因此有一定的使用前景。（4）利用场效应管法 当源电阻Rs比较大时，利用普通晶体三极管来达到噪声匹配已不可能，由于场效应管具有相当高的（Rs）opt，故应选用场效应管来作为输入级。,4 元件的挑选,为了满足噪声指标，必须选用合适的有源器件与无源器件，在线路上作相应配合
30、使用例如：采用无噪声偏置电路，使用合理的负反馈，选用恰当的组态配合，确定适当的级联数等。,（1）有源器件的选用 选用有源器件主要从源电阻和频率范围来考虑 下图作为选择的指南。,源电阻小于100时，为了和放大器的Ropt匹配，可以采用变压器耦合或者用几路相同的放大器并联。源电阻很大或者源电阻的工作范围很大时，可以选用场效应管。,各种典型探测器的内阻和响应时间,（2）电阻的选用用过剩噪声较小的金属膜电阻或线绕电阻。与信号源并联的电阻，其阻值应当尽可能的大，以减小其噪声贡献。因电感没有热噪声，有时用它来代替上述并联电阻。纯电感或纯电容虽然自身不产生噪声，但在电路中由于它们的存在却能改变噪声，例如与源
31、并联的电容会使等效输入噪声增大。要考虑电阻工作的频率范围，线绕电阻与薄膜电阻在制作上是螺旋式的，较之合成炭质电阻有较大的电感（特制的无感电阻除外），通过这电感的磁耦合，易使外部噪声窜入低噪声电阻。,电阻还存在着分布电容，随着频率的不同，电阻呈现的阻抗也不一样，特别用于高频（500KHz以上）时更为显著，这将会影响电路的工作性能。Cambell和Chipman发现电阻的噪声还和额定功率有关同类型同阻值的两个电阻，当消耗的功率相等时，其中额定功率较大的电阻的噪声通常要小些。解释：用热噪声理论 同类型相同阻值的两个电阻，当它们消耗的功率相等时，产生的热量相同，由于额定功率大的电阻散热条件好一些它的温
32、度必然低于额定功率较小的电阻，相应的热噪声就小一些。,（3）电容的选用电容器按其介质性质可以分为许多种，不同类型的电容器其用途也不同，不能做到通用。实际的电容器不仅有电容而且有电感和电阻，下图是其等效电路。其中，电感L是由于引线和电容器的结构原因造成的，R2是由于电介质的漏电形成，绝缘越好，此值越大。R1表示电介质极化损失的电阻，极化损失越小，此值越低。,实际电容器的参数和工作频率有很大关系。下图是各类电容器大致适用的频率范围，,（4）电感的选用实际电感线圈的等效电路如图所示。R为绕制线圈的导线电阻，C为线圈匝间以及层间的分布电容选用电感线圈可从以下三方面考虑：通过选择线圈导线的粗细、控制通电
33、流的大小，可以改变 R的热噪声与过剩噪声；电感线圈L与C均能改变电路的噪声 电感有空芯与磁芯两种，磁芯电感又可分为开环（磁芯不闭合）与闭环（磁芯闭合）两种。电感易受外磁场的影响，受影响最大的是空芯电感，开环磁芯电感次之，而闭环磁芯电感受影响最小。,（5）同轴电缆的选取 在许多实际问题中，信号源与低噪声前放之间较远，因而需要采用同轴电缆来连接，这时必须注意降低电缆的噪声。,电缆的噪声有两种：一种系来自外界电磁场产生的干扰，这种干扰要注意将电缆的屏蔽层一端良好接地，此时屏蔽层只作屏蔽使用，本身不作地线，有时，屏蔽层兼作地线使用（尽量不这样使用），则要两端均良好接地。另一种噪声系来自外界机械应力的作
34、用使导体与绝缘体之间发生磨擦分离，产生噪声电荷，对于这种噪声的消除可选用高质量的低噪声电缆，当频率在30MHz以下选用加有石墨层的低噪声电缆，当频率在30MHz以上时选用加有润滑膜的低噪声电缆。,5 放大器的无噪声偏置电路,对于场效应管，也有类似的无噪声偏置电路。对于无噪声偏置电路的元件的选取，要兼顾一般电路要求，有时两者是一致的，有时两者是相矛盾的，相矛盾时，可以依据矛盾的主要方面作适当的折中处理。,RD,CB,6 晶体三极管的组态与放大器的噪声 三极管共有三种接法：即共射、共基、共集三种。理论分析和实验均证明，晶体管的噪声与接法关系不大，这给低噪声电路设计带来了很大的灵活性。由于共射极组态
35、提供的功率增益最大，这样后级放大器的噪声对系统的噪声影响最小，而且Ropt可以在较宽范围内调节，故一般用得最多的是共射极组态。,7 负反馈与放大器的噪声 在电路设计中，经常运用各种负反馈来改善放大器的性能，例如增加稳定性、稳定工作点、稳定放大倍数、扩展频带，提高或降低输入输出阻抗，以及减小非性线失真等等。在放大器中引入了负反馈以后，由于增加了反馈网络，也就增加了新的噪声源，使总的输出噪声增加。使整个系统的噪声系数变坏.但在设计合理的系统中，能使变坏的程度减到最小，以致可以忽略不计。,对于常用的电压串联负反馈，即同相放大器 反馈网络的两个电阻Rf、Re，如果使得 则由负反馈引起的系统的噪声系数变
36、坏的程度可以忽略不计。电压放大倍数：Av=1+Rf/Re,对于电压并联负反馈，即反相放大器：只要满足:则负反馈网络对噪声 的影响可以忽略.放大倍数：Av=Rf/R,8 低噪声前放对电源的要求 任何放大器都必须采用直流电源供电，低噪声前放也不例外。由于低噪声前放的性能指标要求高，因此，对直流供电源的要求也高，主要是要求直流稳压电源的稳定度高和纹波小。由于一般的开关电源稳定度和纹波远远达不到要求，故一般不能采用，或者只能作为初级稳压级。一般的线性电流（如三端稳压集成块）其稳定度只能达到10-210-3，其纹波电压为1mV0.1mV数量级，,低噪声前放要求其供电直流稳压电源稳定度高达10-510-6
37、，要求纹波电压小于0.1V，故一般的线性电流也达不到要求，必须采用高精度线性直流稳压电源。如果采用三端稳压块加多级RC滤波，在要求不高的场合，也能满足要求。为了避免从电源引入共模干扰，电源变压器都必须采用屏蔽层。,9 低噪声运算放大器的选用,由于集成电路制造技术的不断提高，低噪声、低温漂的运放也越来越多，因此，在低噪声前放的设计中，可直接选用性能优良的低噪声运算放大器，这可以省去许多的时间。,利用低噪声运放的NF-Rs曲线选择运放。对于低噪声运放，生产厂家一般会在其产品手册中提供一定测试条件下的NF-Rs曲线，如下便是两例。从NF-Rs曲线上可以清楚地看到，在所运用的频率范围下，源电阻Rs和N
38、F的关系，当源电阻为50K，频率为1KHz时，OP-07的NF约为3dB，LMC662为8dB，两者比较，OP07的噪声性能好。,OP07,LMC662,NF,Rs,利用En、In计算Eni许多生产厂家，只提供了噪声的谱密度函数、单位分别是：和此时，可根据源电阻Rs的情况，选用 和 均小的运放。在Rs大的情况下，起着比较大的作用。根据实际计算来确定Eni从而和Vs比较。再根据Psi/Pni（或Vsi/Eni）的要求来决定运放是否符合要求,例1：OP07和LMC662在1KHz时的噪声如下：OP07 9.6nV Hz-1/2 120fA Hz-1/2LMC662 22nV Hz-1/2 0.11
39、3fA Hz-1/2当Rs=50K，且工作1KHz条件下应选哪一种运放?,对OP07（在T=290K，1Hz带宽下）:,对OP07来说,分别计算如下：,对LWC662（在T=290K，1Hz带宽下）:,故选用OP07.,例2：一光电导型PbS探测器，在室温下工作，内阻范围为：100K200K，信号的频率范围为：0 1KHz（即f=1KHz，f0=500Hz）输入信号Vsi 50V 500V，试设计一低噪声前置放大器，要求：Avs20，等效输入噪声Eni10V保证：,1）首先要考虑对PbS探测器的偏置电路 电源电压要综合考虑，即偏置电路的电压和放大器的电源电压尽量一致，以减少电源种类。,2）根据
40、实际的源电阻来选择有源器件（注：源电阻应包括偏置电路在内）由于PbS的室温下的电阻值为100K200K，假定采用匹配偏置：Rs=Rt/RL 由双极晶体管的适用范围是从几百到1兆欧，故可以选用双极型晶体管，也可以选用集成运放和结型场效应管，最终要查手册选型号，购买。,选择OP07作为有源器件，因为：OP07在源电阻为50K时，NF为3dB，实际源电 阻可能在50K100 K之间。如果源电阻为100 K时，OP-07的NF可达1dB，比其它低噪声运放（经过比较）要低，且OP-07易于购买，价格适中。根据前面的计算，等效输入噪声密度：对于1000Hz带宽，等效输入噪声：,满足要求。有源器件选择原则除
41、了噪声要求之外，还有其它多种因素，如性能价格比，这是一个多因素的选择问题，答案不止一个，也可选择其他集成电路。,同相比例放大电路，属于电压串联负反馈放大倍数:,3）选择电路形式，进行参数选择设计,反相比例放大电路，属于电压并联负反馈,对于电压串联负反馈，即同相比例放大器；为了使反馈网络所产生的噪声很小，必须满足：,得,由,若取,根据不等式条件：,则 Av=30,取：,若取：,则：,具体电路：,如果选择反相比例放大器，则必须满足低噪声条件：,这样，Rf至少取1M高阻值电阻，热噪声很大，也容易引入外界干扰，故不宜选用这种电路形式。模拟电路中，反相比例放大器在某些方面优于同相比例放大器，即反相比例放大不会引入共模干扰，而在低噪声设计中，我们这里看到了同相比例放大器优于反相比例放大器的地方。,即：,请看下一节,
