6-噪声的特点及低噪声设计汇总课件.ppt

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1、0510152025-2-1.5-1-0.500.511.522.5神经电记录仪的输入短路噪声实测值（微伏）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）（成都仪器厂生产）II II 系统的噪声系统的噪声 （Noise)Noise)概念：概念：与外部干扰相区别，把测量系统与外部干扰相区别，把测量系统内部由器件、材料、部件内部由器件、材料、部件的物理因素产的物理因素产生的生的自然扰动自然扰动称为噪声（电压或电流）。称为噪声（电压或电流）。噪声是电路内噪声是电路内固有固有的，不能用诸如屏蔽、的，不能用诸如屏蔽、合理接地等方法予以消除。合理接地等方法予以消除。一、噪声的一般性质一、噪声的

2、一般性质噪声电压或噪声电流是随机的，噪声的随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声过程的概率密度P(u)而得知噪声电压落在某而得知噪声电压落在某一范围内的概率。一范围内的概率。随机噪声为一平稳随机过程，概率密度与随机噪声为一平稳随机过程，概率密度与时间时间t无关。无关。 一、噪声的一般性质一、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机过程不可能用

3、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声过程的概率密度P(u)而得知噪声电压落在某而得知噪声电压落在某一范围内的概率。一范围内的概率。随机噪声为一平稳随机过程，概率密度与随机噪声为一平稳随机过程，概率密度与时间时间t无关。无关。 随机噪声随机噪声（热噪声和散粒噪声（热噪声和散粒噪声 ）222/)(21)(uueuP式中式中u是噪声电压的平均值，一般为零，这时方差是噪声电压的平均值，一般为零，这时方差2为噪声电压为噪声电压u的的均方值均方值，标准差，标准差等于等于均方根值均方根值。在低。在低噪声设计中，噪声设计中，为主

4、要的实用参数。为主要的实用参数。Gaussian distribution of noise amplitude rms: root mean square Ths7002_buffer_preamp_gain-1_in-_short to_Gnd+/-12v_battery_power_buffer_noise-outpup 测量中的校正系数测量中的校正系数(1)全波整流后的平均值全波整流后的平均值 2020.636A2TASin tdtAUT(2)均方根值（有效值均方根值（有效值rmsrms，root-mean-squareroot-mean-square) )AAdttASinTUT70

5、7. 022)(102测量中的校正系数测量中的校正系数测量中的校正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波全波整流的平均值是峰值的0.636，而它的均方根值，而它的均方根值是峰值的是峰值的0.707，所以常用的交流电压表（平均值电压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，表）测量正弦波的均方根值应作修正，修正系数为修正系数为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声电压均方根值是峰值的0

6、.798倍，均方根值与平均值倍，均方根值与平均值之比为之比为0.798/0.636=1.255，所以均方根值正弦响应的电，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压表测量到的噪声电压须乘以1.13（0.798/0.707 ）的修的修正系数才得到噪声电压的均方根值。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的频域描述方法 dffSP)(噪声服从一定的统计规律，无法用噪声服从一定的统计规律，无法用频谱描述频谱描述，而，而用用功率谱功率谱表示它的频域特性。噪声电压（或噪声电流）表示它的频域特性。噪声电压（或噪声电流）的的均方值均方值是它在是它在一欧姆一欧姆电阻上产生的电阻上产生

7、的平均功率平均功率。此功率。此功率是各频率分量功率之和，功率谱密度是各频率分量功率之和，功率谱密度S（f）为）为:S(f)=U2/ R /f = U2/f ; S(f)= I2*R/f= I2/f功率谱密度功率谱密度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。的变化情况。单位：单位：W/HzW/Hz粉红粉红噪声噪声b蓝色蓝色噪声噪声cS( f )f在很宽的频带内，在很宽的频带内， S（f）为常数，则）为常数，则为白噪声为白噪声a噪声的相关性噪声的相关性21222122UCUUUU小结：小结：噪声描

8、述的方法噪声描述的方法噪声的基本特性可以用噪声的基本特性可以用统计平均量统计平均量来描述来描述1 1）均方值均方值表示噪声的强度，表示噪声的强度，2 2）概率密度概率密度表示噪声在幅度域里的分布密度；表示噪声在幅度域里的分布密度；3 3）功率谱密度功率谱密度表示噪声在频域里的特性；表示噪声在频域里的特性；4 4）通常认为两种噪声源为完全不相关，噪声电压）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。噪声源均方电压之和。( (功率相加功率相加）二、生物医学测量系统中的二、生物医学测量系统中的主要噪声主要

9、噪声1/f噪声（低频噪声）噪声（低频噪声）热噪声热噪声散粒噪声散粒噪声1/f 1/f 噪声（闪烁噪声或低频噪声）噪声（闪烁噪声或低频噪声） Flicker NoiseFlicker Noise 电子系统中，电子系统中，1/f噪声是普遍存在的。凡两种材料之间噪声是普遍存在的。凡两种材料之间不完全接触，形成不完全接触，形成起伏的导电率起伏的导电率便产生便产生1/f噪声。噪声。 它发生在两个导体连接的地方，如开关、继电器或晶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

10、艺过程中，材料表面不连续介质等。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。噪声的主要成因。 数学描述数学描述fKfS)(2121ff12ff2ffflnKdffKdf)f(SUK是频率为是频率为1Hz时的谱密度值时的谱密度值热噪声（热噪声（Thermal Noise)Thermal Noise) 热噪声是由导体中载流子的随机热运动引起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，电子的。任何处于绝对零度以上的导体中，电子都在作随机热运动。都在作随机热运动。 1927年约翰逊（年约翰逊（

11、Johnson）首先在实验中观）首先在实验中观察到导体上热噪声电压的存在，察到导体上热噪声电压的存在，1928年乃奎年乃奎斯特进行了理论分析。热噪声又常称为约翰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。逊噪声或乃奎斯特噪声。 数学描述数学描述24tUkTR fkTRfS4)(k为玻尔兹曼常数，为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，为绝对温度，R为阻值为阻值散粒噪声散粒噪声 （Shot Noise)Shot Noise) 在半导体器件中，在半导体器件中，载流子产生与消失的随机性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，使得流动着的载流子数目发生波动，时多时少，

12、由此而引起由此而引起电流电流瞬时涨落称为散粒噪声。瞬时涨落称为散粒噪声。 散粒噪声与流过半导体散粒噪声与流过半导体PN结位垒的电流有关，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流的单元。在简单的导体中没有位垒位垒，因此没有，因此没有散粒噪声。散粒噪声。 数学描述数学描述DCqIfS2)(fqIIDC 22DCqIfS2)(fqIIDC 22fkTRUt 42kTRfS4)(fKfS)(122lnffKUf测量系统中的主要噪声类型小结测量系统中的主要噪声类型小结1/f噪声、热噪声、散粒噪声噪声、热噪声、散粒

13、噪声Un和和In参数参数噪声系数噪声系数三、描述放大器噪声性能的参数三、描述放大器噪声性能的参数Signal to Noise Ratio（SNR)信噪比：信噪比：表示信号与噪声的相对大小，间接反映了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。噪声对信号的影响程度和信号的精度水平。SNR=10LgSNR=10Lg（Ps/PnPs/Pn）=20Lg=20Lg（Us/UnUs/Un）；（分贝）；（分贝） 式中：式中：PsPs为信号功率；为信号功率；PnPn为噪声功率；为噪声功率；UsUs为信为信号有效值；号有效值；UnUn为噪声有效值。为噪声有效值。 在一定的输出信噪

14、比的要求之下，输出噪声折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。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。为此，通常把放大器的噪声等效到输入端。 放大器的放大器的Un和和In参数参数RsUnsus*Zi In UnoA Un*假设假设Un、In不相关，不相关，C=0，各噪声源的噪，各噪声源的噪声电压的声电压的均方值均方值相加，得到输出噪声电相加，得到输出噪声电压的均方值压的均方值 放大器对信号放大器对信号Uns的电压增益的电压增益A为为 2322212nonononoUUUU22222)()(AZRZRIA

15、ZRZUUisisnisinnsAZRZAisi结结 论论2222222/snnnsnoniRIUUAUU 放大器的等效输入噪声为三个噪声电压放大器的等效输入噪声为三个噪声电压发生器的均方值的和，用位于发生器的均方值的和，用位于Us处的一个噪处的一个噪声源来等效系统中的所有噪声源。声源来等效系统中的所有噪声源。此方程式此方程式适用于任何有源器件的系统，是分析噪声问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。题中的重要公式。 源电阻不同（高、低）时的器件选择。源电阻不同（高、低）时的器件选择。等效输入端噪声等效输入端噪声 Refered-to-input (RTI) Rs=0时：时：可

16、以测得可以测得Un值值22222222/ AUURIUUUnonsnnnsni2222222snsnnnsniRIRIUUURs较大时：较大时：可以估测可以估测In2222222/snnnsnoniRIUUAUU功率源电阻产生的输出噪声总的输出噪声功率F源的热噪声功率总的等效输入噪声功率FooiiNSNSF/输出信噪比输入信噪比FNFlg10（二）噪声系数（二）噪声系数Noise Factor(NF)NF 噪声系数是放大器引起的噪声系数是放大器引起的信号质量（信信号质量（信噪比）恶化程度的量度。噪比）恶化程度的量度。理想状态，放理想状态，放大器在源热噪声的基础上不再增加噪声，大器在源热噪声的基

17、础上不再增加噪声，即放大器本身无噪声，这时即放大器本身无噪声，这时F=1F=1或或NF=0NF=0。实际上总是实际上总是NFNF0dB0dB。 低噪声设计的目的是使低噪声设计的目的是使NFNF值尽可能小。值尽可能小。噪声系数结论噪声系数结论2222222nssnnnsnsniURIUUUUFfkTRIfkTRUFsnsn44122噪声系数结论噪声系数结论 当信号源电阻等于最佳源电阻时，可当信号源电阻等于最佳源电阻时，可以获得最小的噪声系数。以获得最小的噪声系数。调整信号源电阻调整信号源电阻使噪声系数最小，称为电路的噪声匹配。使噪声系数最小，称为电路的噪声匹配。nnsoIURfkT2IU1Fnn

18、minNF VS SNR 由此可知，最大的输出信噪比发生在由此可知，最大的输出信噪比发生在R Rs s=0=0处。处。所以，最小的噪声系数并不一定所以，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。有最大的输出信噪比或最小噪声。 2s2n2ns2s2s2n2n2ns2sooRIUfkTR4URIUUUNSUn，In*Rs Uns信号信号SRTI噪声源噪声源SNR2222()1nnsnsUI RFU信号图图2-44 等效输入噪声与源电阻等效输入噪声与源电阻Rs的关系的关系RsoRsUnUnsUniInRsUni22222snnnsniRIUUU两级放大两级放大的噪声的噪声F2AP2Pn2P

19、nOF1AP1Pn1RsUnsus*1P21nsPnoA1FFPAPF2P1P31P21AA1FA1FFF（三）多级放大器的噪声（三）多级放大器的噪声结论结论第一级放大的噪声系数对总噪声系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。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。系数主要决定于第一级的噪声系数。 1P21nsPnoA1FFPAPF四、器件的噪声四、器件的噪声1 1、电阻：热噪

20、声、电阻：热噪声; ;串并联等效串并联等效dtRKTi42 金属膜的金属膜的1/f1/f小，碳膜电阻的小，碳膜电阻的1/f1/f大大e4KTRdf2四、器件的噪声四、器件的噪声2 2、电容：、电容：1/f1/f噪声和噪声和漏电阻的热噪声漏电阻的热噪声。 钽（钽（Tantalum)Tantalum)电容、瓷片电容和电容、瓷片电容和云母电容的噪声较小；云母电容的噪声较小；铝电解电铝电解电容的噪声较大。容的噪声较大。3 3、场效应管和双极晶体管的噪声、场效应管和双极晶体管的噪声 热噪声；散粒噪声；热噪声；散粒噪声；1/f1/f噪声；噪声；4 4、三极管和运放的噪声、三极管和运放的噪声Un,InUn,

21、In图图2-51 三种器件的等效噪声电压曲线三种器件的等效噪声电压曲线1双极型晶体管；双极型晶体管； 2结型场效应晶体管；结型场效应晶体管； 3集成运放器件集成运放器件0 10 102 103 104 105 Rs(Ohm) Uni（V) 10-610-710-810-910-1022222snnnsniRIUUU321根据总增益、频率响根据总增益、频率响应、动态范围、稳定应、动态范围、稳定性等指标设计后级电性等指标设计后级电路，决定放大级数及路，决定放大级数及电路结构等，应注意电路结构等，应注意后级电路不能破坏总后级电路不能破坏总的噪声性能。的噪声性能。后级电路后级电路设计设计根据噪声要求、

22、源阻抗根据噪声要求、源阻抗特性、输入耦合网络特性、输入耦合网络选选择电路结构形式和器件、择电路结构形式和器件、确定工作点并进行噪声确定工作点并进行噪声匹配。匹配。输入级电路输入级电路低噪声设计低噪声设计IIIIII、低噪声放大器设计、低噪声放大器设计 一、噪声性能指标一、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放大器输入端对地短路时的固有噪声折合到输入端（输入端（RTI噪声），作为放大器的性能指噪声），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。标，它基本反映了放大器能区分的最小信号。体表心电图体表心电图10V（0250Hz）体表希氏束电图体表希氏束电图0.5V （80

23、300Hz）头皮电极脑电图头皮电极脑电图1V（0100Hz）针电极肌电图针电极肌电图1V（210000Hz）脑诱发电位脑诱发电位0.7V （010KHz）眼电生理信号眼电生理信号0.5V （01KHz）输入级器件选用参考输入级器件选用参考 1 10 100 1k 10k100k1M 10M 100M 1G 10G 100GRso 结型场效应管结型场效应管 JFET 变压器耦合变压器耦合 双极晶体管双极晶体管 金属氧化物场效应管金属氧化物场效应管MOSFET 集成运放集成运放 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参考放大电路的

24、噪声分析放大电路的噪声分析1、电路基本分析方法；、电路基本分析方法；2、噪声源不相关，输出端功率相加；、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、分为外围电路及放大器本身的噪声两部分；两部分；采用叠加原理。采用叠加原理。1R2R1e1E 21R2R21e21E df1KTR421e R1在输出端产生的噪声在输出端产生的噪声E12e2E 22e22E df2KTR42e R2在输出端产生的噪声在输出端产生的噪声E2 R3在输出端产生的噪声在输出端产生的噪声E3 1R2R1R3e3E21212323RRReEdf3KTR423e ep在输出端产生的噪声在输出端产生的噪声Ep

25、fd21R2R1RPe2pE inp在输出端产生的噪声在输出端产生的噪声Enpfd21R2R1R3Rnpi2npE inn在输出端产生的噪声在输出端产生的噪声Ennfd22Rnni2nnE fd21R2R1Rne21R2R1R3Rnpi22Rnpi21R2R1R3KTR41R2R1R2KTR4TrmsE df21R2R1Rpe21R2R1R3Rnpi22RnnioarmsE2nnE2npE2PEoarmsE 23E22E21ERrmsE df21R2R1R3KTR42KTR421R2R1KTR4RrmsE df21R2R1R3KTR41R2R1R2KTR4RrmsE输出端总噪声叠加计算输出端总

26、噪声叠加计算二、低噪声二、低噪声 设计原则设计原则 根据噪声要求和源的性根据噪声要求和源的性质，确定质，确定输入电路的结输入电路的结构形式和器件筛选构形式和器件筛选根据放大倍数和电路的根据放大倍数和电路的带宽，给第一级分配尽带宽，给第一级分配尽可能高的可能高的放大倍数放大倍数；选择选择后级电路后级电路，以不破，以不破坏总的噪声性能为依据坏总的噪声性能为依据电阻电阻阻值尽量小，金阻值尽量小，金属膜；有极性属膜；有极性电容电容选选钽电容，无极性电容钽电容，无极性电容选瓷片或云母电容选瓷片或云母电容三、低噪声设计实例三、低噪声设计实例注意注意事项事项具体具体实现实现理论分析、仿真模拟理论分析、仿真模

27、拟挑战极限挑战极限-高精度高精度-高增益高增益-模拟模拟阻容元件的参数阻容元件的参数带宽、增益、输入级带宽、增益、输入级INA110噪声指标噪声指标ina110_g10_2M_gbw.pdfFast-Settling FET-InputINSTRUMENTATION AMPLIFIER(IA)INA110APPLICATIONSMULTIPLEXED INPUT DATA ACQUISITIONFAST DIFFERENTIAL PULSE AMPLIFIERHIGH SPEED GAIN BLOCKAMPLIFICATION OF HIGH IMPEDANCE SOURCESINA110FE

28、ATURESuLOW BIAS CURRENT: 50pA maxuFAST SETTLING: 4ms to 0.01%uHIGH CMR: 106dB min; 90dB at 10kHzuINTERNAL GAINS: 1, 10, 100, 200, 500uVERY LOW GAIN DRIFT: 10 to 50ppm/CuLOW OFFSET DRIFT: 2mV/CuLOW COSTuLOW NOISEuPINOUT SIMILAR TO AD524 AND AD624DESCRIPTION The INA110 is a versatile monolithic FET-in

29、put instrumentation amplifier. 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 pro

30、vided for gains of 1,10, 100, 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 1

31、6-pin plastic and ceramic DIPs, and in the SOL-16 surface-mount package. Military, industrial and commercial temperature range grades are available.INA110：NoiseINPUT NOISEVoltage: fO = 10kHz 10nV/ fB = 0.1Hz to 10Hz 1 Vp-pCurrent:fO = 10kHz 1.8 fA/HzHzOUTPUT NOISEVoltage: fO = 10kHz 65 nV/ 白噪声白噪声 fB

32、 = 0.1Hz to 10Hz 8 Vp-p 1/fHzfKfS)(122lnffKUf三、低噪声设计实例三、低噪声设计实例注意注意事项事项具体具体实现实现理论分析、仿真模拟理论分析、仿真模拟挑战极限挑战极限-高精度高精度-高增益高增益-模拟模拟阻容元件的参数阻容元件的参数带宽、增益、输入级带宽、增益、输入级INA110噪声指标噪声指标ina110_g10_2M_gbw.pdf结构：结构：放大滤波放大滤波方法：方法：理论分析理论分析 仿真实验仿真实验 实测验证实测验证实现实现方法方法增益增益2000精度精度1V噪声噪声1V(带宽带宽2.5KHz) 设计设计指标指标高增益高精度低噪声放大器设计

33、高增益高精度低噪声放大器设计LPF 3KHzLPF 3KHz1Output Buffer2000IA Gain2000仿真结构示意图仿真结构示意图电路功能示意图电路功能示意图理论分析理论分析: :频带确定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低通滤波器最高截止频率为2500Hz，因滤波器的过，因滤波器的过渡带和阻带特性并非完全理想，所以系统的真正带渡带和阻带特性并非完全理想，所以系统的真正带宽并非宽并非2500Hz，在如下计算

34、中取系统的带宽为截止，在如下计算中取系统的带宽为截止频率的频率的4倍频，即倍频，即10KHz。理论分析：理论分析：电阻的热噪声电阻的热噪声理论计算表明，理论计算表明，1K电阻在室温（电阻在室温（20度）条件下，度）条件下，其热噪声电压谱密度约为其热噪声电压谱密度约为4.02nV/ 。本系统中，放。本系统中，放大器至少需要大器至少需要7只只电阻，阻值均按电阻，阻值均按10K计算；四阶计算；四阶低通滤波器最少需要低通滤波器最少需要10只只电阻，阻值平均按电阻，阻值平均按20K计计算，算，忽略源电阻和电容的噪声忽略源电阻和电容的噪声，不失一般性，假设，不失一般性，假设各电阻的热噪声不相关，按照噪声功

35、率相加的原则，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估算出热噪声谱密度约为66.06nV/ 。HzHz理论分析：理论分析：运放的热噪声运放的热噪声前置增益级的噪声密度取理论极限值前置增益级的噪声密度取理论极限值1nV/ ，差分放大，差分放大器、器、4阶滤波器中的阶滤波器中的2个运放及输出缓冲级均视为极低噪个运放及输出缓冲级均视为极低噪声运算放大器（如声运算放大器（如OP27），噪声密度取），噪声密度取3nV/ 。源电阻。源电阻较小时，忽略各放大器的等效输入端电流噪声。较小时，忽略各放大器的等效输入端电流噪声。增益为增益为1时，输出噪声谱密度时，输出噪声谱密度 带宽

36、带宽10KHz时，总输出噪声有效值为：时，总输出噪声有效值为：6.63V等效输入噪声有效值为：等效输入噪声有效值为：6.63V增益为增益为2000时时（假设全部由前置增益级提供），输出噪（假设全部由前置增益级提供），输出噪声谱密度为：声谱密度为：总输出噪声有效值为：总输出噪声有效值为：等效输入噪声有效值为：等效输入噪声有效值为：0.14VHzHzHznV/3 .663*41106.662222HzV /80. 23*4)2000*1 ()2000*1 (06.662222V2803*4)2000*1 ()2000*1 (06.66*1002222理论分析：理论分析：结论结论尽管上述假设中已忽略

37、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：仿真：三种放大器的幅频特性曲线（三种放大器的幅频特性曲线（输入输入1mV,1mV,增益增益20002000）PHASE VS FREQUENCY仿真：仿真：三种放大器的相频特性曲线（增益三种放大器的相频特性曲线（增益20002000）增益增益20002000时三种放大器的时三种放大器的输出噪声电压谱密度输出噪声电压谱密度（V/ V/ ）HzFrequencyAD624INA103INA1100.

38、106.99531.233213.29191.006.99531.233213.291910.006.99531.233213.2919100.006.99511.233213.29181000.006.96901.233113.28433053.866.76031.232713.221410000.005.27531.228012.5898100000.000.80280.90663.7637A）仿真结果与理论计算的）仿真结果与理论计算的增益增益2000倍时的输出噪声倍时的输出噪声电压谱密度电压谱密度 在同一在同一水平水平HzV /80. 2B）INA103的噪声电压谱密度最的噪声电压谱密度

39、最小，增益小，增益2000倍、频带倍、频带10KHz时，时，其等效输入端噪声约为其等效输入端噪声约为0.062V (不包含滤波器的噪声不包含滤波器的噪声)测试测试方法方法电路电路实现实现高增益高精度低噪声放大器实现高增益高精度低噪声放大器实现放大器采用放大器采用INA103，固定增益，固定增益设计为设计为2000（实测增益为（实测增益为1925倍 ） ， 滤 波 部 分 采 用倍 ） ， 滤 波 部 分 采 用 4 阶阶Chebysheve低通滤波器，其截止低通滤波器，其截止频率为频率为3KHz，通带纹波，通带纹波0.01dB，通带增益为通带增益为1。 实验室环境，室温实验室环境，室温20度，

40、模块通度，模块通电预热电预热10分钟后测量。数据采集分钟后测量。数据采集卡为卡为PCI6034E，输入量程范围，输入量程范围+/-50mV，16bit，最小分辨率，最小分辨率1.525V，采集速率从，采集速率从1Hz到到200KHz。计算均值（。计算均值（Mean）和）和标 准 差标 准 差 ( S d ) 。 输 入 信 号 由。 输 入 信 号 由HP33250A任意波形发生器产生。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本底噪声数据采集卡输入端短接时采集到的数据采集卡输入端短接时采集到的PCI6034E的本底噪声。的本底噪声。采样频率采样频率100Hz，

41、100次叠加。其均值为次叠加。其均值为11.57V，相当于采，相当于采集卡的静态直流漂移，标准差为集卡的静态直流漂移，标准差为10.06V，相当于采集卡的，相当于采集卡的本底噪声的有效值。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声电压和直流失调电压 放大滤波模块在增益放大滤波模块在增益2000时，输出端直流失调电压为时，输出端直流失调电压为19.4mV,输出噪声电压有效值为输出噪声电压有效值为157.95V，忽略数据采集卡，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的本底噪声时，该

42、模块的等效输入端噪声电压有效值约为0.08V。 放大器输入放大器输入2mVp_p2mVp_p的的1kHz1kHz和和3kHz3kHz正弦信号时，滤波正弦信号时，滤波器的输出信号器的输出信号 滤波器输出滤波器输出1放大器输入放大器输入 1kHz,2mVp_p滤波器输出滤波器输出2放大器输入放大器输入3kHz,2mVp_p放大器输入放大器输入1Vp_p 1Vp_p 和和5Vp_p 5Vp_p 的的1kHz1kHz正弦小信号正弦小信号时，滤波器的输出信号时，滤波器的输出信号 滤波器输出滤波器输出1放大器输入：放大器输入：1kHz, 1Vp_p ，2mVp_p衰减衰减1/2000得到得到滤波器输出滤波

43、器输出2放大器输入：放大器输入：1kHz, 5Vp_p （10mVp_p衰减衰减1/2000得到得到 ）信噪比较差的原因除放大信噪比较差的原因除放大模块本底噪声外，主要因模块本底噪声外，主要因信号源在输出小信号时信信号源在输出小信号时信噪比本身较低。噪比本身较低。 输出信号：输出信号：频率频率1kHz，约，约10mVp_p放大器直流分辨率测试，滤波器的输出信号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放大器输入端直流变化量分别为0, 1,2,3,4,5,0,-1,-2,0V时的输出信号时的输出信号 10mV低噪声设计实例低噪声设计实例 结论结论注意注意事项事项理论分析的

44、结论与仿真实验结论相符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外围阻容元件的参数带宽、增益、输入级带宽、增益、输入级高增益（高增益（1925倍）、低噪声（带宽倍）、低噪声（带宽3KHz时时RTI噪声噪声0.08V）、高精度（）、高精度（1V交交流流）、高分辨率（）、高分辨率（1V直流直流）放大滤波）放大滤波模块是可以实现的模块是可以实现的救命稻草！救命稻草！自自 杀杀. .考前突击？！考前突击？！答案，您答案，您在哪里？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。