低噪声前置放大电路

光电信号处理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NFPni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：niPnpApNF1●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。Pni多级放大器的噪声系数AP1Pn1NF1AP2Pn2NF2AP3Pn3NF3Pn0NF1,2,3由得：每个放大器单独和源噪声Pni相连接时，得到：niPnpApNF11NFPAPnipn111333222111NFPAPNFPAPNFPAPnipnnipnnipn三级放大器级联成为一个放大系统，此系统的噪声系数: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：nipnPAPNF13,2,133221)(npnpnnPAPAPP323132nnpnppnPPAPAAP321ppppAAAA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nipppnnpnppnipnPAAAPPAPAAPAPNF3213231323,2,111nipppnnippnnipnPAAAPPAAPPAP321321211121312111pppAANFANFNF1212131212,1111pnppnpppnAAANFAANFANFNFNF●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。1212131212,1111pnppnpppnAAANFAANFANFNFNF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：放大器功率增益噪声系数A101.5B152.5C1004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：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。ZsVs探测器及其偏置电路的等效电路信号源与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。cscscscpcpcpjxRZjxRZnncsnncsIEXIER//nncpnncpIEXIER//（3）为了减小电阻元件的过剩噪声（1/ƒ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=10lgNF=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Δf，则放大器的等效输入噪声Eni即可求出。fKTREEENFsninsni4222fKTRENFNsniF4lg10lg102fKTREsNniF41020●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Δf密切相关的。其中带宽Δf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。Rs放大器1NF=20dB放大器2NF=3dBRs=100ΩΔf=100HZ130nV18nVRs=100ΩΔf=1HZ13nV1.8nV例：有两个标号分别为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）：fKTREsNniF41020EniΔƒ●如果被测信号大小为Vsi=1μV，Δf=100Hz，Rs=100Ω，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=100Ω，系统带宽Δf=100Hz，且要求Vsi/Eni10的条件下，应该选择2号放大器。10nisEV1069.713010001301nVnVnVVEVnis1056.55181000181nVnVnVVEVnis●若其它条件不变，采取压缩带宽的措施，使Δf=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。2NF图的应用NF的表达式如下：选定不同的Rs和Δf，由实验可以测出Eni，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f0条件下的一系列NF值。fKTRENsniF4lg102●在坐标系中，以f0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的范围在几个Hz到几KHz，而Rs的范围从几百KΩ到十兆Ω（10MΩ）（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。fKTREsNniF41020§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。20nE2niE3.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μV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。2222202)(snnnsvnniRIEEKEE20nE20nEEniVsiZsiAviV0En0~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。vsnniAEE0svsVVA0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：vsnniAEE0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