《微弱信号检测》课件：第2章放大器的噪声与屏蔽接地技术.ppt

第2章 放大器的噪声 与屏蔽接地技术 第2章 放大器的噪声与屏蔽接地技术 电子技术的发展，使目前大量信息的测量，最终都转换成电信号的测量因被测信号一般较弱，几乎各种测量系统都具有电子放大器对于弱信号测量，放大器、尤其是前置放大器噪声的大小，将是十分重要的，会影响测量的成败本章主要内容：2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量2-2 低噪声前置放大器2-3 低噪声放大器匹配网络与变压器特性2-4 屏蔽、接地与布线2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量 一、噪声系数（F） 一个放大器的噪声性能好坏，不仅是看内部噪声源的大小及性质，更主要的是看在信号传递及放大过程中对信噪比（SNR）的恶化程度也就是，从微弱信号检测角度来看，更关心放大器的噪声引起SNR的降低程度因此，引入放大器的噪声系数这个十分重要的指标 噪声系数: 表示一个有内部噪声源的放大器在信号传递时使信噪比恶化的程度，是用来衡量放大器噪声性能好坏的一个常用指标，无论在通信、雷达及信号检测系统中均占有重要地位放大器的噪声系数定义为： （2-1） 2-1 噪声系、噪声因子和其它噪声度量参量一、噪声系数（F） 注意：（1）无内部噪声源的放大器，F=1； （2）有内部噪声源的放大器，则F1，且F越大，放大器的噪声越严重，从而使该放大器对所传递的信号的信噪比恶化程度越严重。

设K为系统的功率增益，则有 （2-2） 式（2-2）说明，除FP=1的情况外，输出的噪声功率一般不等于输入噪声功率的K倍 2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量一、噪声系数（F） 设G为系统的电压增益，则有 （2-3） 式（2-3）说明，除FV=1的情况外，输出的有效噪声电压一般不等于输入有效噪声电压的G倍 二、噪声因子（NF） 1噪声因子（NF）的定义 噪声因子（NF）定义为 （2-4） FP表示用功率测定的噪声系数；FV表示用电压测定的噪声系数噪声因子NF 单位为分贝当NF=0分贝时，是为无噪声放大器；噪声因子NF越大，放大器的噪声性能越糟 2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（NF）1噪声因子（NF）的定义 简化：假设信号源中无噪声，只考虑源电阻RS的噪声，其热噪声电压为 ， 图中RS是无噪声电阻；电压增益为A的实际的放大器可等效为一个电压增益为A无噪声的放大器和一个等效噪声电压源VN及一个等效噪声电流源IN由图2-1可写出输出端的总噪声电压，即 （2-5） 2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（NF）1噪声因子（NF）的定义输出端的信噪比为 （2-6）输入端的信噪比为 （2-7） 噪声因子NF为 （2-8）2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（NF）1噪声因子（NF）的定义 注意：式中VN、IN为放大器单位频率间隔内的噪声，实际常与频率有关，故NF是随频率变化的。

上式也表明，NF与信号源内阻RS有关因此，放大器与不同频率、不同内阻信号源连接使用时，会具有不同的噪声性能 若令 ，为输出端折算到输入端的噪声则有 （2-9）或 （2-10）上式表明， 可从测得的NF值求得，而不必具体求VN与IN2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（NF）2放大器NF值的测量 NF值的测量方法有：（1）最简单的放大器NF值的测量方法：是将输入端短路，测量输出电压的有效值缺点：此方法丢失了信号源RS的影响，因此所测噪声不够真实 2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（NF）2放大器NF值的测量（2）噪声发生器法：用噪声发生器测量噪声的方法NG是一噪声发生器，Rg是NG的阻抗，Rs是源电阻根据不同的Rs测量各NF值开关K有两个位置：A和BA接地，B接NG的输出被测放大器后续一个带通滤波器（BPF），其目的是改变BPF的中心频率f0，以测量NF随f0的变化rms表用以测量结果 当K处于A位置时，选择固定Rs和f0，rms表有一读数VN；将K拨至B位置时，调节NG的大小，使rms表的读数为 ，这时NG的输出即为源电阻Rs的热噪声与放大器噪声折合到放大器输入端的 值。

根据 2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（NF）2放大器NF值的测量 （2-10） 即可计算出器NF值注意，此时的BPF的带宽为已知值这样，改变Rs和f0，可获得一系列的NF测量数据 噪声发生器法是根据噪声的不相干原理，采用与测量输入阻抗相类似的叠加法，因而比较简单但在实际测量中，有一些困难：NG需要有较宽的频率范围，使之能与放大器的工作频率相适应；NG需要精确定标，因为真正的被测值是从NG读出的刻度；要有一组适合于各个连续频率（或间隔很小的跳点频率）的BPF，且BPF的带宽需要预先测定 这些，都是实际测量NF时的必要条件，但常常不易得到满足 2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（NF）2放大器NF值的测量（3）正弦波发生器法：用正弦波发生器（SG）代替图2-3中的NG，即得到正弦波发生器法的测量框图测量时，先将开关K放于B的位置，使SG输出Vin的信号，在rms表上读出Vout的值，这样可求得放大器的增益A然后，将开关K拨至A的位置，此时rms表上读出的数值，是一定Rs、f0及 条件下的输出噪声将其除以A，则得到折合到输入端的噪声利用（2-10）式，可求得NF值。

正弦波发生器法的主要问题与噪 声发生器法相同，需要一组可变f0的 BPF，使其测量不甚方便 2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（NF）2放大器NF值的测量（4）LIA法：LIA法是针对正弦波发生器法的困难而设计的，是目前测量NF比较可靠而实用的方法利用LIA的目的是解决一个可变中心频率f0的窄带BPF，以提高测量灵敏度LIA的另一个优点是其输出为直流电压，因此，用于测量的rms表可用直流电压表、数字电压表或X-Y记录仪代替，它们都有很高的灵敏度LIA法测量NF的框图如图2-4所示LIA代替BPF，测量方法与正弦波发生器法相同 2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（NF）3NF图及其应用 对同一放大器，改变Rs和f0，可得到一系列的NF值，若以Rs和f为坐标，将所有NF值（用dB表示）相等的点连接起来，就构成一幅NF的等值线，叫作放大器的噪声因子图（NF图）不同的放大器有不同的NF图，放大器一经设计完成，NF图的结果是唯一的图2-5是113型前置放大器的NF图，它充分反映了放大器的噪声特性2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（NF）3NF图及其应用 以113型前置放大器的NF图为例进行分析：（1）从NF图中，可选择NF值最小的Rs和f0的范围。

图中，NF值最小为0.05dB，与其对应的源电阻Rs约在500k-10M、工作频率约在10Hz-103 Hz之间更理想的选择是Rs=1M和f0=100Hz，说明此放大器适用于在高输入阻抗和低频下工作 如果此放大器所测量的是低源电阻的信号，如热电偶，Rs为10，工作频率在1Hz，则NF高大40dB；若工作在40Hz，则降至30dB由此可见，同一放大器，工作情况不同，放大器本身的噪声也会不同 2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（NF）3NF图及其应用（2）在实际的微弱信号检测中，不同的检测对象，其源电阻和工作频率往往差别很大例如，光电倍增管（PMT）输出信号一般是高阻Rs；热电偶的Rs却是低阻值又如，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，选择中频区；在结电容的桥路检测中，又需要高频工作范围根据NF图可选择最适用的前置放大图2-6是不同类型的低噪声前置放大器各自的NF=3dB等值线的比较，这些放大器基本覆盖了Rs与f的全部范围 2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（NF）3NF图及其应用（3）利用NF图可近似计算最小可检测信号（MDS）的大小。

MDS定义为折合到放大器输入端的 ， 以其作为检测极限，对讨论放大器是合理的 例：若实验工作频率为1kHz，源电阻为10k，从图2-5中查得NF=1dB，由下式 （2-9）可计算MDS为 若Rs=1 M和f=40 Hz时，从图2-5中查得NF=0.05dB，通过计算得 尽管放大器工作在最佳匹配范围，NF只有0.05dB，但由于源电阻Rs=1M的热噪声增加，而使MDS增大 2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量三、其它噪声度量参量1等效噪声电阻 前面讨论噪声因子时，是将放大器的噪声等效为一个等效噪声电压源VN及一个等效噪声电流源IN当然可以用一电阻RV的热噪声电压，等效VN；用一电阻RI的热噪声电流，等效IN这样，就能用RV电阻和电阻RI，来表述NF值这两个等效电阻之值为： （2-11） （2-12） 2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量三、其它噪声度量参量1等效噪声电阻故 （2-8）可变为 （2-13）上式可变形为 （2-14）分析： （1）从式（2-13）可看出：当RS很小时，对NF起主要贡献的是RV，即此时噪声电压源起主要作用；而当RS很大时，对NF起主要贡献的是RI，即此时噪声电流源起主要作用。

2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量三、其它噪声度量参量1等效噪声电阻（2）理想放大器的VN和IN都是白噪声，所以，RV和RI均与频率无关从式（2-14）可知，对一定的RV和RI，可解得两个RS值，使NF值相同如此画得的NF等值线，应是与横轴平行的两直线，与频率无关而得不到类似图2-5的NF图实际放大器的VN和IN，在低频、高频段是频率的函数原因：在低频区，由于1/f噪声要起主要作用；在高频区，放大器输入阻抗中的电容，对高频有影响；只在中频段基本与频率无关所以对不太小的NF等值线，它们基本有如图2-8的等值线其中线段1反映RV的大小；线段3反映RI的大小；线段2反映低频噪声；线段4反映输入阻抗中电容的影响 2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量三、其它噪声度量参量2等效噪声温度 放大器的噪声可等效于源电阻RS的增加，同样，也可等效于源电阻温度T的增加，这就是等效噪声温度Te 放大器的NF都是在T=290K的室温下测定的，因此等效噪声温度Te为 （2-15） 式（2-15）表示放大器的NF可以用Te来描述，NF与Te相对应，如表2-1所示因此，对于已经测定的NF图的结果，完全适用于Te的表示，只要将NF的dB等值线换成相应的温度即可。

表2-1 T=290K时，NF与等值噪声温度Te的对应值 NF（dB）10.50.20.10.050.020.01Te（K）75.135.413.76.83.41.340.672-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量三、其它噪声度量参量2等效噪声温度分析：（1）利用Te，可计算出放大器折合到输入端的总噪声电压为 （2-16） 式（2-16）中，T为源电阻RS的噪声温度；Te为放大器的等效噪声温度放大器噪声的存在相当于源电阻的温度增加了Te2）利用等效噪声温度Te的概念，可以测定放大器的低NF值引入等效噪声温度Te后，NF可表达为 （2-17） 2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量三、其它噪声度量参量2等效噪声温度 对低噪声放大器，Te相对T很小，所以NF测量误差很大如果降低T，则Te相对增大，则NF测量误差就小所以在测量低NF时，需要将源电阻致冷，甚至放入液N2或液He中，使T降至77K或4.2K，以突出Te的影响 例：在室温290K，Te=35.4K时，查表2-1可知，NF=0.5dB；但如果将源电阻RS放在液He中，这时，T=4.2K，由式（2-17）计算 这说明在室温（T=290K）下测定的NF=0.5dB，相当于将T降至4.2K时测定NF=9.74dB，这使测量低NF等值线成为可能。

2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪。