光电探测器的放大电路精选课件.ppt

关于光电探测器的放大电路1第一页，本课件共有63页光探测器及光探测器及其偏置电路其偏置电路耦合耦合网络网络低噪声低噪声前置放大器前置放大器多级放大多级放大系统系统反馈电路反馈电路光探测电路示意图光探测电路示意图放大器放大器偏置电路偏置电路后级信号后级信号处理电路处理电路2第二页，本课件共有63页4.2.1 放大器的噪声模型放大器的噪声模型3第三页，本课件共有63页 设计高质量的低噪声前置放大器，我设计高质量的低噪声前置放大器，我们要了解：们要了解：信号的特性信号的特性噪声的特性噪声的特性噪声分析方法噪声分析方法一、放大器的设计前提一、放大器的设计前提 为此学习一些关于放大器的噪声及描述放大器噪声为此学习一些关于放大器的噪声及描述放大器噪声特性的一些有关参数和模型，从而更好地抑制噪声、放特性的一些有关参数和模型，从而更好地抑制噪声、放大信号。大信号。4第四页，本课件共有63页二、放大器的噪声二、放大器的噪声1.放大器的EnIn噪声模型噪声模型（a）(b)En-In模型Vs信号源，信号源，Zi放大器的输入阻抗，放大器的输入阻抗，RS信号源内阻，信号源内阻，Ens为为RS的热噪声的热噪声En噪声电压源，噪声电压源，In噪声电流源，噪声电流源，Av放大器电压增益，放大器电压增益，利用利用En-In模型的优点：模型的优点：（1）放大器便可看成是无噪声的，对放大器噪声的研究归结为只要分析）放大器便可看成是无噪声的，对放大器噪声的研究归结为只要分析En、In在整个电路中所起的作用。简化了电路系统的噪声的计算。在整个电路中所起的作用。简化了电路系统的噪声的计算。（2）模型的实验基础：能够通过实验测量得出）模型的实验基础：能够通过实验测量得出En、In的具体大小。的具体大小。5第五页，本课件共有63页Vs信号源，信号源，Zi放大器的输入阻抗，放大器的输入阻抗，RS信号源内阻，信号源内阻，EnsRS的热噪声的热噪声En噪声电压源，噪声电压源，In噪声电流源，噪声电流源，Av放大器电压增益放大器电压增益Eni放大器输入端的噪声电压，放大器输入端的噪声电压，Vso放大器的输出端电压，放大器的输出端电压，Eno放大器输出端的总噪声放大器输出端的总噪声（c）（b）VsoEno 利用利用E En n-I-In n模型，一个放大系统的噪声简化模型，一个放大系统的噪声简化为三个噪声即为三个噪声即E En n、I In n和和E Ensns。进一步考虑这。进一步考虑这三个噪声源的共同效果，我们将它们统三个噪声源的共同效果，我们将它们统统等效地归结到信号源位置上，用单一统等效地归结到信号源位置上，用单一噪声源代替原系统的所有噪声源噪声源代替原系统的所有噪声源,称为称为等等效输入噪声效输入噪声E Enini。2.等效输入噪声 Q:如何得到等效输入噪声如何得到等效输入噪声Eni？6第六页，本课件共有63页 根根据据电电路路叠叠加加原原理理，各各噪噪声声源源在在放放大大器器输输出端的贡献分别为：出端的贡献分别为：Ens的贡献为：的贡献为：En的贡献为：的贡献为：In的贡献为：的贡献为：E Ensns的贡献的贡献的贡献的贡献E En n的贡献的贡献的贡献的贡献I In n的贡献的贡献的贡献的贡献7第七页，本课件共有63页 若若En、In不不相相关关，将将上上述述各各项项均均方方相相加加便便得得总总的输出噪声为：的输出噪声为：因此等效输入噪声为：因此等效输入噪声为：信号源到放大器输出端的传输函数信号源到放大器输出端的传输函数信号源到放大器输出端的传输函数信号源到放大器输出端的传输函数（考虑源在内的系统增益考虑源在内的系统增益考虑源在内的系统增益考虑源在内的系统增益，注意和，注意和，注意和，注意和A Av v的区别！的区别！的区别！的区别！）8第八页，本课件共有63页l l可以看出，可以看出，可以看出，可以看出，放大器的输入阻抗不出现在等效输入噪声的表达式中放大器的输入阻抗不出现在等效输入噪声的表达式中放大器的输入阻抗不出现在等效输入噪声的表达式中放大器的输入阻抗不出现在等效输入噪声的表达式中。因为采用因为采用因为采用因为采用E En nIIn n模型后，放大器便视为是模型后，放大器便视为是模型后，放大器便视为是模型后，放大器便视为是无噪声无噪声无噪声无噪声的了，这样一个无的了，这样一个无的了，这样一个无的了，这样一个无噪声的网络并不改变整个系统的噪声性能，无噪声放大器的所有噪声的网络并不改变整个系统的噪声性能，无噪声放大器的所有噪声的网络并不改变整个系统的噪声性能，无噪声放大器的所有噪声的网络并不改变整个系统的噪声性能，无噪声放大器的所有参数参数参数参数(包括输入阻抗包括输入阻抗包括输入阻抗包括输入阻抗)不应再在不应再在不应再在不应再在E Enini的表达式中出现。的表达式中出现。的表达式中出现。的表达式中出现。l l采用采用采用采用E En n-I-In n模型的另一个原因，是因为这个模型中所采用的各个参模型的另一个原因，是因为这个模型中所采用的各个参模型的另一个原因，是因为这个模型中所采用的各个参模型的另一个原因，是因为这个模型中所采用的各个参数容易测量。首先，源电阻数容易测量。首先，源电阻数容易测量。首先，源电阻数容易测量。首先，源电阻R Rs s的热噪声的热噪声的热噪声的热噪声E Ensns，可以由电阻的热噪，可以由电阻的热噪，可以由电阻的热噪，可以由电阻的热噪声公式求出；其次计算放大器前的电路的声公式求出；其次计算放大器前的电路的声公式求出；其次计算放大器前的电路的声公式求出；其次计算放大器前的电路的开路输出噪声电压开路输出噪声电压开路输出噪声电压开路输出噪声电压(或短路输出噪声电流或短路输出噪声电流或短路输出噪声电流或短路输出噪声电流)；然后折合到源端位置就得到等效输入噪声然后折合到源端位置就得到等效输入噪声然后折合到源端位置就得到等效输入噪声然后折合到源端位置就得到等效输入噪声电压电压电压电压E Enini的大小。的大小。的大小。的大小。9第九页，本课件共有63页（1）测测En。放大器放大器输输入端短路，即入端短路，即Rs0（Ens、InRs均均为为零）零），测测得放大器得放大器输输出端的噪声出端的噪声电压电压均方根均方根值为值为AvEn，除以，除以Av得得En；（2）测测In。取一个很大的取一个很大的电电阻作阻作为为源源电电阻（或放大器阻（或放大器输输入入端开路），即端开路），即Rs无无穷穷大（大（InRs），测得放大器输出端的噪，测得放大器输出端的噪声电压均方根值为声电压均方根值为AvsInRs，除以，除以AvsRs得得In。3.实验方法测放大器的实验方法测放大器的En，In：10第十页，本课件共有63页三、放大器的噪声系数三、放大器的噪声系数 在实际工作中常常需要衡量一个放大器，或者一个元件，在实际工作中常常需要衡量一个放大器，或者一个元件，或者一个系统的噪声性能。系统的噪声性能，不仅仅是指系或者一个系统的噪声性能。系统的噪声性能，不仅仅是指系统本身元器件产生噪声的大小，还包括它统本身元器件产生噪声的大小，还包括它对信号影响的程度。对信号影响的程度。由于由于Eni的表示式中含有源电阻的表示式中含有源电阻Rs及其热噪声项，故不宜用及其热噪声项，故不宜用Eni作为作为衡量的指标。另一方面，同时用衡量的指标。另一方面，同时用En、In来表示又比较麻烦。因此，来表示又比较麻烦。因此，在噪声分析中，通常是用噪声系数在噪声分析中，通常是用噪声系数NF（Noise Figure）作为衡量）作为衡量放大器或元件、或系统噪声性能的指标。为了定义噪声系数放大器或元件、或系统噪声性能的指标。为了定义噪声系数NF，先给出信噪比的定义。，先给出信噪比的定义。11第十一页，本课件共有63页1.1.信噪比：信噪比：输出端信号功率与噪声功率之比，称为信号噪声比，输出端信号功率与噪声功率之比，称为信号噪声比，输出端信号功率与噪声功率之比，称为信号噪声比，输出端信号功率与噪声功率之比，称为信号噪声比，简称信噪比简称信噪比简称信噪比简称信噪比为输为输出端信号功率出端信号功率为输为输出端噪声功率出端噪声功率 12第十二页，本课件共有63页2.噪声系数（Noise Factor）：输出端总噪声功率输出端总噪声功率 源电阻产生的输出噪声功率源电阻产生的输出噪声功率源电阻产生的输出噪声功率源电阻产生的输出噪声功率F=F=即即K Kp为放大器系统的功率增益为放大器系统的功率增益（1）基本定义从输出端角从输出端角从输出端角从输出端角度出发度出发度出发度出发13第十三页，本课件共有63页（2）推导式一总的等效输入噪声功率总的等效输入噪声功率输入端源电阻噪声功率输入端源电阻噪声功率F=F=上下同除以上下同除以K Kp，即放大器噪声总是存放大器噪声总是存在，在，F大于大于1的原因的原因从输入端角从输入端角从输入端角从输入端角度出发度出发度出发度出发从输入端角从输入端角从输入端角从输入端角度出发度出发度出发度出发14第十四页，本课件共有63页（3）推导式二放大器输入噪声功率放大器输入噪声功率放大器输入噪声功率放大器输入噪声功率输入端源电阻噪声功率输入端源电阻噪声功率输入端源电阻噪声功率输入端源电阻噪声功率F=1+15第十五页，本课件共有63页（4）推导式三输入端信噪比输入端信噪比输出端信噪比输出端信噪比F=不为不为Eni，此时输入端噪声功，此时输入端噪声功率仅为源电阻产生的热噪声率仅为源电阻产生的热噪声功率功率用分贝表示则写成：电压表示则为：电压表示则为：Q:FQ:F或或或或NFNF的大小？的大小？的大小？的大小？16第十六页，本课件共有63页 放放大大器器的的噪噪声声系系数数的的定定义义表表示示信信号号通通过过放放大大器器后后，信信噪噪比比变变坏坏的的程程度度：如如果果放放大大器器是是理理想想的的无无噪噪声声的的线线性性网网络络，那那么么其其输输入入端端的的信信号号与与噪噪声声得得到到同同样样的的放放大大，即即输输出出端端的的信信噪噪比比与与输输入入端端的的信信噪噪比比相相同同，于是于是F=1或或NF=0dB；如果如果放大器本身有噪声放大器本身有噪声，又，又无滤波功能无滤波功能(如前放一般不采取带限措如前放一般不采取带限措施施)，信号通过放大器后，则信号和噪声都同样放大，则输出，信号通过放大器后，则信号和噪声都同样放大，则输出噪声功率等于放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声功率噪声功率等于放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声功率之和。对这样的放大器，信号经放大后，信噪比不可能变好，之和。对这样的放大器，信号经放大后，信噪比不可能变好，输出端的信噪比就比输入端的信噪比低，则输出端的信噪比就比输入端的信噪比低，则F1。噪声系数意义：噪声系数意义：17第十七页，本课件共有63页根据前面导出的噪声系数表达式根据前面导出的噪声系数表达式 由上式可见，由上式可见，F是四个变量是四个变量En、In、Rs、f的函数。的函数。放大器一旦设计好，放大器一旦设计好，En、In就基本不变，就基本不变，F仅为仅为Rs和和f的函数的函数四、最佳源电阻Ropt与最小噪声系数Fmin 放大器的噪声等效带宽放大器的噪声等效带宽放大器的噪声等效带宽放大器的噪声等效带宽18第十八页，本课件共有63页F和和Rs的关系的关系:f为放大系统的噪声等效带宽，在前放中，通常认为输入噪声为放大系统的噪声等效带宽，在前放中，通常认为输入噪声带宽与带宽与f 相等。增大相等。增大f 可以减小可以减小F。但如果二者不等，如输。但如果二者不等，如输入噪声带宽大于入噪声带宽大于f，则增大，则增大f 会使等效输入噪声会使等效输入噪声Eni增加，这增加，这对提高整个系统的信噪比是非常不利的对提高整个系统的信噪比是非常不利的(参见参见4.3节节SNIR)，因，因此不能采取增加此不能采取增加B的方法。的方法。对于一个确定的放大器，我们只能通过改变源电阻来减对于一个确定的放大器，我们只能通过改变源电阻来减小它的噪声系数。小它的噪声系数。Rs增大时第二项减小而第三项增大，增大时第二项减小而第三项增大，Rs减减小时第二项增大第三项减小。因此，小时第二项增大第三项减小。因此，F是有极值的。是有极值的。19第十九页，本课件共有63页 求偏导：得：因此，当信信号号源源的的内内阻阻等等于于放放大大器器的的源源电电阻阻时噪声系数F取得最小值 与功率匹配与功率匹配区别！区别！当当信号源的内阻信号源的内阻等于等于放大器的最佳源电阻值放大器的最佳源电阻值时，放时，放大器对检测电路附加的大器对检测电路附加的噪声最小噪声最小，称为信号源与放大，称为信号源与放大器之间达到了器之间达到了噪声匹配。噪声匹配。这是低噪声设计的一个重这是低噪声设计的一个重要原则。要原则。称称称称此此此此时时时时的的的的源源源源电电电电阻阻阻阻为为为为放放放放大大大大器器器器的的的的最最最最佳佳佳佳源源源源电电电电阻阻阻阻，记记为为R Ro op pt t 当当R Rs s=R Ro op pt t时时，可可使使放放大大器器的的噪噪声声系系数数为为最最小小，这这时时源源电电阻阻和和放放大大器器的的配配置置称称为为“噪噪噪噪声声声声匹匹匹匹配配配配”，这这是是低低噪噪声声设设计计的的一一个个重重要要原原则则。20第二十页，本课件共有63页21第二十一页，本课件共有63页噪噪声声系系数数的的概概念念仅仅仅仅适适用用于于线线性性电电路路（线线性性放放大大器器）。对对于于非非线线性性电电路路而而言言，不不仅仅得得不不到到线线性性放放大大，而而且且信信号号和和噪噪声声、噪噪声声和和噪噪声声之之间间会会相相互互作作用用，即即使使电电路路本本身身不不产产生生噪噪声声，在在输输出出端端的的信信噪噪比比和和输输入入端端的的也也不不相相同同。因因此此噪噪声声系系数数的的概念就不能适用。概念就不能适用。以上公式仅适用于以上公式仅适用于纯电阻信号源纯电阻信号源且且放大器放大器En、In噪声不相关噪声不相关的情况。更一般的情况。更一般为为复源复相关复源复相关，即：，即：信号源非纯阻性器件：信号源非纯阻性器件：复阻抗为复阻抗为Z=RsjXs放大器放大器En、In噪声相关：噪声相关：r=Re(r)jIm(r)当传感器是纯电抗源（例如光电传感器和压电传感器），噪声系数当传感器是纯电抗源（例如光电传感器和压电传感器），噪声系数F失去意义。按推导式一计算，此时信号源噪声功率为零，失去意义。按推导式一计算，此时信号源噪声功率为零，F趋于无穷。趋于无穷。因此，因此，对于纯电抗源的前置放大器噪声性能是采用对于纯电抗源的前置放大器噪声性能是采用等效输入噪声电压等效输入噪声电压来来衡量的衡量的。即运用。即运用EnIn模型来进行计算。模型来进行计算。见课本见课本见课本见课本P267P267公式公式公式公式噪声系数的几点说明噪声系数的几点说明22第二十二页，本课件共有63页噪声匹配举例：噪声匹配举例：例：例：热电偶；热电偶；热释电探测器；反偏光电二级管热释电探测器；反偏光电二级管-常用器件最佳源电阻分布示意图 23第二十三页，本课件共有63页五、噪声匹配五、噪声匹配1、用输入变压器实现噪声匹配、用输入变压器实现噪声匹配（1）应用对象：适用于解决信号源电阻小于最佳源电阻情形下）应用对象：适用于解决信号源电阻小于最佳源电阻情形下的噪声匹配问题。的噪声匹配问题。（2）原理：）原理：选用适当变压比选用适当变压比24第二十四页，本课件共有63页2、利用并联放大器的方法实现噪声匹配、利用并联放大器的方法实现噪声匹配 N个完全相同的放大器并联，如下图所示，个完全相同的放大器并联，如下图所示，该方法等效于减小该方法等效于减小 ，使，使 25第二十五页，本课件共有63页六、噪声温度六、噪声温度折合热噪声法折合热噪声法 噪声温度的概念是：把噪声温度的概念是：把放大电路的内部噪声看作是由信号源内阻放大电路的内部噪声看作是由信号源内阻Rs在温度为在温度为Ti时所产生的噪声时所产生的噪声。也就是说，如果在放大器输入端串接一。也就是说，如果在放大器输入端串接一个电阻，其大小等于信号源电阻个电阻，其大小等于信号源电阻Rs，当在某个温度，当在某个温度Ti时，其上所产生的时，其上所产生的热噪声等于放大器本身（不包括源）的噪声，则称温度热噪声等于放大器本身（不包括源）的噪声，则称温度Ti为放大器的为放大器的噪声温度。噪声温度。输入端虚设的噪声源输入端虚设的噪声源放大器的噪声系数放大器的噪声系数放大器的噪声系数放大器的噪声系数:1.放大器噪声温度放大器噪声温度26第二十六页，本课件共有63页当当Ti=0时，时，F=1表示放大器本身不产生噪声，是理想表示放大器本身不产生噪声，是理想的无噪声放大器；的无噪声放大器；当当Ti=T时，则时，则F=2（NF=3dB），表示放大器本身所），表示放大器本身所产生的噪声和信号源所输入的噪声相等。产生的噪声和信号源所输入的噪声相等。27第二十七页，本课件共有63页Ti和和F都可以表征放大器内部噪声的大小，两种表示，没有本质的都可以表征放大器内部噪声的大小，两种表示，没有本质的区别。常用来计算放大电路的噪声系数与噪声温度之间的转换。区别。常用来计算放大电路的噪声系数与噪声温度之间的转换。通常通常噪声温度可较精确地比较放大器内部噪声的大小噪声温度可较精确地比较放大器内部噪声的大小。例如：例如：T=290K F=1.12时时Ti=35K F=1.21时时Ti=61K 两噪声系数只相差两噪声系数只相差0.09，而两，而两Ti相差相差26K。从从噪噪声声系系数数上上看看，两两放放大大器器差差别别很很小小，但但从从噪噪声声温温度度上上看看,两两者者相相差差很很大大。因因此此，在在噪噪声声很很低低的的场场合合，用用噪噪声声温温度度表表示示能能更更清清楚楚地显示出放大电路的噪声性能。地显示出放大电路的噪声性能。2.噪声温度的应用 28第二十八页，本课件共有63页噪声温度表示法就是折合热噪声法，它可以描述热噪声，也可以描述其它噪声，还可以用来描述噪声源温度不均等时的噪声这种表示法的重要特点就在于将各种噪声归结到温度量的变化上。例如：求出输入网络R1、R2、R3在源电阻匹配情况下的等效输入噪声温度。计算的步骤是：(1)求出各电阻的热噪声在输出端的贡献，将它们均方加起来使得到总的输出噪声；(2)总的输出噪声除以系统的增益即得等效输入噪声；(3)等效输入噪声减去源的热噪声就得到输入网络本身在源端的等效输入噪声，然后将其折算为源电阻在温度Ti时的热噪声。29第二十九页，本课件共有63页习 题（1）最最佳佳源源电电阻阻是是信信号号源源的的参参数数，还还是是前前放放的的参参数数。它它的表达式是什么？式中各项代表什么？什么是噪声匹配。的表达式是什么？式中各项代表什么？什么是噪声匹配。（2）已已知知集集成成运运算算OP07E的的噪噪声声参参数数En10.3nV，In0.32pA，试试计计算算应应用用于于Rs100k，f1Hz及及T300k时时，其其NF及及Eni值值（3）根据下列条件判断那一种器件产生的等效输入噪声）根据下列条件判断那一种器件产生的等效输入噪声最小：最小：a在在Rs10k时，测出其时，测出其NF20dB。b在在Rs1M时，测出其时，测出其NF20dB。30第三十页，本课件共有63页4.2.2 多级放大器的噪声影响多级放大器的噪声影响31第三十一页，本课件共有63页 PniPni为输入端噪声功率，即为输入端噪声功率，即为输入端噪声功率，即为输入端噪声功率，即源的噪声功率源的噪声功率源的噪声功率源的噪声功率；PnPn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；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；P Pnono为输出端总的噪声功率；为输出端总的噪声功率；为输出端总的噪声功率；为输出端总的噪声功率；KpKp为放大器的功率增益。为放大器的功率增益。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根据噪声系数根据噪声系数F F的定义，可得到：的定义，可得到：的定义，可得到：的定义，可得到：一一.单级放大器噪声系数单级放大器噪声系数FFPnKp注意，不等于前面的等效注意，不等于前面的等效输入噪声！而是（输入噪声！而是（Ens）232第三十二页，本课件共有63页二二.多级放大器噪声系数多级放大器噪声系数FPni 三级放大器的噪声系数三级放大器的噪声系数KP1Pn1F1KP2Pn2F2KP3Pn3F3PnoF1,2,3总的输出噪声功率总的输出噪声功率Pno为为总的输出噪声系数总的输出噪声系数F为为33第三十三页，本课件共有63页考虑第一级放大器单独和源相连接时，得到噪声功率和噪声系数为：考虑第一级放大器单独和源相连接时，得到噪声功率和噪声系数为：考虑第一级放大器单独和源相连接时，得到噪声功率和噪声系数为：考虑第一级放大器单独和源相连接时，得到噪声功率和噪声系数为：考虑每个放大器单独和源相连接时，得到：考虑每个放大器单独和源相连接时，得到：考虑每个放大器单独和源相连接时，得到：考虑每个放大器单独和源相连接时，得到：代入代入34第三十四页，本课件共有63页对于对于n级级联放大器，可以得出其噪声系数为：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这就是多级放大器的噪声系数理论的Friis公式公式 从这个公式可以看出：从这个公式可以看出：如果第一级的功率增益如果第一级的功率增益Kp1很大，则多级放大器噪声系数的大很大，则多级放大器噪声系数的大小，主要取决于小，主要取决于第一级放大器第一级放大器的噪声系数的噪声系数F1。设计中，为了使设计中，为了使多级放大器的噪声系数减小，应尽量多级放大器的噪声系数减小，应尽量提高第一级的功率放大提高第一级的功率放大倍数倍数Kp1；尽量减小第一级的噪声系数；尽量减小第一级的噪声系数，这就是指导我们设计，这就是指导我们设计低噪声前放的又一个重要原则。低噪声前放的又一个重要原则。如果第一级的功率增益不是很大如果第一级的功率增益不是很大，减小噪声系数的关键在于，减小噪声系数的关键在于使本级具有高增益和低噪声。使本级具有高增益和低噪声。35第三十五页，本课件共有63页4.2.3 低噪声前放的选用低噪声前放的选用 36第三十六页，本课件共有63页一一.利用低噪声运放的利用低噪声运放的En、In计算计算EnA许多生产厂家，只提供了噪声的谱密度函数许多生产厂家，只提供了噪声的谱密度函数许多生产厂家，只提供了噪声的谱密度函数许多生产厂家，只提供了噪声的谱密度函数En（噪声（噪声电压电压）In（噪声（噪声电电流）流）Rs（信号源内阻）（信号源内阻）OP-07(1kHz)9.6 nVHz-1/2120 fAHz-1/2Rs=10 k9.67 nVHz-1/2Rs=10 M1200 nVHz-1/2LMC662(1kHz)22 nVHz-1/20.113 fAHz-1/2Rs=10 k22 nVHz-1/2Rs=10 M22 nVHz-1/2放大器贡献放大器贡献放大器贡献放大器贡献在在Rs大的情况下，大的情况下，起着比较大的作用起着比较大的作用 不能仅比较不能仅比较En，还需要考虑，还需要考虑Rs和和In，37第三十七页，本课件共有63页已知放大器等效输入噪声电压已知放大器等效输入噪声电压Eni的大小，将的大小，将Eni和放大器输入和放大器输入端的信号端的信号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；一般是根据系统的（是根据系统的（Vs/Eni）比值的要求来选定放大器的）比值的要求来选定放大器的NF值；值；要提请注意的是要提请注意的是NF值和值和Eni的大小都是和源电阻及带宽的大小都是和源电阻及带宽f 密切相关的。其中带宽密切相关的。其中带宽f是由系统的需要所确定的，并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。所决定的。二二.根据根据Eni和和Vs来选用前放来选用前放38第三十八页，本课件共有63页 如果选用如果选用1号放大器则：号放大器则：不合要求；不合要求；如果选用如果选用2号放大器则：号放大器则：符合要求。符合要求。若其它条件不变，采取压缩带宽的措施，使若其它条件不变，采取压缩带宽的措施，使f f=1Hz=1Hz，经过计算，可以知道，经过计算，可以知道，1 1号放大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。信息量，所以压缩带宽有时要付出一定的代价。例如：标号分别为例如：标号分别为1号、号、2号的前置放大器，其有关数据经计算列于下表：号的前置放大器，其有关数据经计算列于下表：Enif，Rs放大器放大器1 NF=20dB放大器放大器2 NF=3dBRs=100f=100HZ130nV18nVRs=100f=1HZ13nV1.8nV如果被测信号为如果被测信号为如果被测信号为如果被测信号为V Vs s=1=1V V，f f=100Hz=100Hz，R Rs s=100=100，且系统要求：，且系统要求：，且系统要求：，且系统要求：如何计算？如何计算？T=300K 39第三十九页，本课件共有63页从从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和和NF的关系：的关系：当源电阻为当源电阻为10k，OP-07的的NF约为约为4dB，而，而LMC662却为却为11dB，故应选用，故应选用OP07；当源电阻为当源电阻为10M时，情况正好相反，这时时，情况正好相反，这时OP-07的的NF为为19.08dB，而，而LMC662的的NF只有只有0.025dB，所以选用，所以选用LMC662。所以所以OP-07适用于低内阻的信号源，而适用于低内阻的信号源，而LMC662适用于高阻抗信号源的低噪声放大。适用于高阻抗信号源的低噪声放大。三三.利用低噪声运放的利用低噪声运放的NF-Rs曲线选择运放曲线选择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生产厂家一般会在其产品手册中提供一定测试条件下的生产厂家一般会在其产品手册中提供一定测试条件下的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-RNF-Rs s曲线曲线曲线曲线OP-07的的NF-Rs曲线曲线 LMC662的的NF-Rs曲线曲线 40第四十页，本课件共有63页NF的表达式如下：的表达式如下：选选定定不不同同的的Rs和和f，测测出出Eni（正正弦弦波波法法与与噪噪声声发发生生器器法法），就就可可以以得得到到一一系系列列的的NF值。值。生生产产厂厂家家在在测测量量中中通通常常的的做做法法是是在在放放大大器器后后面面接接一一个个中中心心频频率率f0可可调调的的带带通通滤滤波波器器，采采用用噪噪声声发发生生器器法法，或或正正弦弦波波法法，测测出出不不同同Rs和和f0条条件件下下的的一一系列系列NF值，都标在坐标图上。值，都标在坐标图上。四四.NF等值图的应用等值图的应用41第四十一页，本课件共有63页如图为美国如图为美国PARCPARC公司公司113113型低噪声前放的等值图：型低噪声前放的等值图：坐标图以坐标图以坐标图以坐标图以f f0 0为横坐标，为横坐标，为横坐标，为横坐标，R Rs s为纵坐标，为纵坐标，为纵坐标，为纵坐标，且均以对数为标度。将所有且均以对数为标度。将所有且均以对数为标度。将所有且均以对数为标度。将所有NFNF值相等的值相等的值相等的值相等的点连接起来，就得到一幅点连接起来，就得到一幅点连接起来，就得到一幅点连接起来，就得到一幅NFNF等值图等值图等值图等值图，称，称，称，称为为为为放大器的噪声因子图或放大器的噪声因子图或放大器的噪声因子图或放大器的噪声因子图或NFNF图图图图。不同的放大器有不同的不同的放大器有不同的不同的放大器有不同的不同的放大器有不同的NFNF图，放大图，放大图，放大图，放大器一经制成，器一经制成，器一经制成，器一经制成，NFNF图的结果就是唯一的，图的结果就是唯一的，图的结果就是唯一的，图的结果就是唯一的，生产厂家必须向用户提供低噪声前置生产厂家必须向用户提供低噪声前置生产厂家必须向用户提供低噪声前置生产厂家必须向用户提供低噪声前置放大器的放大器的放大器的放大器的NFNF图，它充分反映了该放大图，它充分反映了该放大图，它充分反映了该放大图，它充分反映了该放大器的噪声特性。器的噪声特性。器的噪声特性。器的噪声特性。42第四十二页，本课件共有63页利用利用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几几KHz，而而Rs的的范范围围从从几几百百K10M2.在实际的微弱信号检测中，不同的检测在实际的微弱信号检测中，不同的检测对象可根据对象可根据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象不同，源电阻Rs的差异是很大的，例如，光电信增管的差异是很大的，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。如声学或同样，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，而某些电检生物医学的使用常在低频范围，而某些电检测又常常避开测又常常避开1/f噪声，需选择中频区。因此噪声，需选择中频区。因此必须根据具体的源电阻和工作频率来选择合必须根据具体的源电阻和工作频率来选择合适的放大器。适的放大器。NF图为我们正确选择前放提供图为我们正确选择前放提供了依据。了依据。43第四十三页，本课件共有63页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的定义为折合到放大器输入端的的定义为折合到放大器输入端的Eni）此式表明：如果已知前放的此式表明：如果已知前放的此式表明：如果已知前放的此式表明：如果已知前放的NFNF值、信号源的源电阻值、信号源的源电阻值、信号源的源电阻值、信号源的源电阻RsRs及带宽及带宽及带宽及带宽 f f（在其中心频率（在其中心频率（在其中心频率（在其中心频率f f0 0附近），则放大器的等效输入噪声附近），则放大器的等效输入噪声附近），则放大器的等效输入噪声附近），则放大器的等效输入噪声E Enini即可求出。即可求出。即可求出。即可求出。由等值图中最小的由等值图中最小的NF值即能计算出低噪声前放在一定条件值即能计算出低噪声前放在一定条件下的最小的下的最小的Eni，这就是，这就是MDS。采用分贝表示：采用分贝表示：44第四十四页，本课件共有63页4.2.4 放大器的外部电路设计放大器的外部电路设计45第四十五页，本课件共有63页光探测器及光探测器及其偏置电路其偏置电路耦合耦合网络网络低噪声低噪声前置放大器前置放大器多级放大多级放大系统系统反馈电路反馈电路光探测电路示意图光探测电路示意图放大器放大器偏置电路偏置电路后级信号后级信号处理电路处理电路46第四十六页，本课件共有63页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。这一节我们讲述耦合网络的类型，以及耦合网络的低噪声设计的原则。一一.耦合网络的设计考虑耦合网络的设计考虑47第四十七页，本课件共有63页如图：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成一个内阻为Zs、电动势为Vs的信号源。ZsVs探测器及其偏置电路的等效电路1探测器及其偏置电路的等效电路 48第四十八页，本课件共有63页 信号源与前放耦合的方式，有下列五种形式：2探测器与放大器的耦合方式 Zcp表示耦合网络中的并联阻抗Zcs表示串联阻抗 ZsZcp（1）并联型）并联型49第四十九页，本课件共有63页（2）串联型）串联型（3）串并型）串并型ZsZcs50第五十页，本课件共有63页（5）串并串型（4）并串型）并串型51第五十一页，本课件共有63页3耦合网络设计原则耦合网络设计原则 耦耦合合网网络络除除了了要要符符合合电电子子学学的的设设计计原原则则之之外外，从从降降低低噪噪声声提提高高输输出出端端信信噪噪比比的的角角度度来来考考虑虑和和分分析析，理理论论分分析析和和实实验验均均证证明明，为为了了尽尽量量减少耦合网络带来的噪声，必须满足下列条件：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）对于耦合网络中的并联阻抗元件 （3）为了减小电阻元件的过剩噪声（由流过电阻的直流电流所引起）为了减小电阻元件的过剩噪声（由流过电阻的直流电流所引起的的1/f噪声），必须尽量减小流过电阻的电流，或降低电阻两端的直噪声），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。流压降。52第五十二页，本课件共有63页例.串联阻抗的噪声影响噪声条件：噪声条件：减小减小Ecs串联型串联型ZsZcs53第五十三页，本课件共有63页ZsZcp并联型并联型例.并联阻抗的噪声影响噪声条件：噪声条件：减小减小Icp：Icpt 和IcpL 热噪声电流噪声54第五十四页，本课件共有63页 无源器件（电阻、电容、耦合变压器等）的选取无源器件（电阻、电容、耦合变压器等）的选取1、电阻：尽量用金属膜电阻、线绕电阻，噪声指数：不用碳质、碳膜电阻，噪声指数：十几至几十 。噪声指数：电阻两端每伏直流压降在十倍频程内产生的均方根噪 声电压微伏值。2、电容：应选用损耗角小的云母电容或瓷介电容；大容量电容应选 用漏电流小的钽电容。3、耦合变压器：主要应考虑在外加磁场作用下，由于磁化的不连续性而表现 出的磁起伏噪声和外界干扰引入的噪声，故需好的磁屏蔽和静 电屏蔽。55第五十五页，本课件共有63页电位器：电位器：线绕电位器线绕电位器线绕电位器线绕电位器固定电阻：固定电阻：金属膜电阻金属膜电阻金属膜电阻金属膜电阻碳膜电阻碳膜电阻金属膜电阻金属膜电阻碳质电阻碳质电阻线绕电阻线绕电阻碳膜电位器碳膜电位器线绕电位器线绕电位器实心电位器实心电位器例.阻抗器件选择56第五十六页，本课件共有63页例.阻抗器件选择稳压管：选用击穿电压较低的齐纳型稳压管，并用钽电解电容并联以减小噪声。电容：大容量用钽电解电容，小容量用电容：大容量用钽电解电容，小容量用损耗角小损耗角小的云母电容、的云母电容、瓷片电容瓷片电容瓷片电容瓷片电容云母电容云母电容插件式钽电解电容插件式钽电解电容贴片式钽电解电容贴片式钽电解电容57第五十七页，本课件共有63页由于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（把前级的输出端直接或通过恒压器件接到下级输入端）方式，从而消除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。58第五十八页，本课件共有63页串联反馈的影响，等效于反馈合成电阻（反馈支路的总电阻）与信号源（探测器）串联；串联负反馈：反馈合成电阻串联负反馈：反馈合成电阻En/In二二.负反馈电路的设计考虑负反馈电路的设计考虑59第五十九页，本课件共有63页例.电压串联负反馈电路的噪声影响电压串联负反馈对噪声的的影响等效于将电压串联负反馈对噪声的的影响等效于将负反馈合成电阻与源内阻串联！负反馈合成电阻与源内阻串联！方志豪，晶体管低噪声放大电路，方志豪，晶体管低噪声放大电路，p130负反馈合成电阻实际电路实际电路电路简图电路简图噪声模型噪声模型等效噪声模型等效噪声模型60第六十页，本课件共有63页例.电压并联负反馈电路的噪声影响实际电路实