10-第三章 (2)放大器及其电路的噪声
放大电路的频率响应和噪声
为新电路设计提供指导。
03
技术发展
随着电子技术的不断发展，对放大电路的性能要求也越来越高。理解频
率响应和噪声有助于推动相关技术的进步，促进电子工程领域的发展。
对未来研究的展望
新材料与新工艺
随着新材料和纳米技术的发展，未来研究可以探索如何将这些新技术 应用于放大电路中，以提高其频率响应和降低噪声。
系统集成
噪声的来源
01
02
03
04
热噪声
由于电子的热运动产生的随机 波动。
散粒噪声
由于电子的随机发射和吸收产 生的噪声。
闪烁噪声
由于半导体表面不平整或缺陷 引起的噪声。
爆米花噪声
由于材料的不完美性或晶体缺 陷引起的噪声。
噪声的分类
宽带噪声
在整个频率范围内具有均匀的 功率谱密度。
窄带噪声
在特定频率范围内具有较高的 功率谱密度。
抗干扰能力
放大电路的噪声也会影响通信系统的抗干扰能力。低噪声放 大电路有助于提高通信系统的抗干扰性能，确保信号传输的 稳定性。
在音频处理系统中的应用
音质
音频处理系统中，放大电路的频率响应和噪声对音质有重要影响。好的频率响 应能够保证音频信号的真实还原，而低噪声放大电路则有助于减少背景噪声， 提高音频清晰度。
宽频带型
在较宽的频率范围内具有较为平坦的放大倍 数。
频率响应的分析方法
解析法
通过电路理论中的传递函数和频率函数等概念， 推导放大电路的频率响应。
实验法
通过实际测量不同频率下的电压放大倍数，绘制 频率响应曲线。
计算机仿真法
利用电路仿真软件，模拟和分析放大电路在不同 频率下的性能表现。
03 放大电路的噪声
运算放大器的噪声分析
运算放大器的噪声分析07-06-04 10:37 发表于：《活石家园》分类：未分类问：有关运算放大器的噪声我应该知道些什么?答：首先，必须注意到运算放大器及其电路中元器件本身产生的噪声与外界干扰或无用信号并且在放大器的某一端产生的电压或电流噪声或其相关电路产生的噪声之间的区别。
干扰可以表现为尖峰、阶跃、正弦波或随机噪声而且干扰源到处都存在：机械、靠近电源线、射频发送器与接收器、计算机及同一设备的内部电路(例如，数字电路或开关电源)。
认识干扰，防止干扰在你的电路附近出现，知道它是如何进来的并且如何消除它或者找到对干扰的方法是一个很大的题目。
如果所有的干扰都被消除，那么还存在与运算放大器及其阻性电路有关的随机噪声。
它构成运算放大器的控制分辨能力的终极限制。
我们下面的讨论就从这个题目开始。
问：好，那就请你讲一下有关运算放大器的随机噪声。
它是怎么产生的?答：在运算放大器的输出端出现的噪声用电压噪声来度量。
但是电压噪声源和电流噪声源都能产生噪声。
运算放大器所有内部噪声源通常都折合到输入端，即看作与理想的无噪声放大器的两个输入端相串联或并联不相关或独立的随机噪声发生器。
我们认为运算放大器噪声有三个基本来源：★一个噪声电压发生器(类似失调电压，通常表现为同相输入端串联)。
★两个噪声电流发生器(类似偏置电流，通过两个差分输入端排出电流)。
★电阻噪声发生器(如果运算放大器电路中存在任何电阻，它们也会产生噪声。
可把这种噪声看作来自电流源或电压源，不论哪种形式在给定电路中都很常见)。
运算放大器的电压噪声可低至3 nV/Hz。
电压噪声是通常比较强调的一项技术指标，但是在阻抗很高的情况下电流噪声常常是系统噪声性能的限制因素。
这种情况类似于失调，失调电压常常要对输出失调负责，但是偏置电流却有真正的责任。
双极型运算放大器的电压噪声比传统的FET运算放大器低，虽然有这个优点，但实际上电流噪声仍然比较大。
现在的FET运算放大器在保持低电流噪声的同时，又可达到双极型运算放大器的电压噪声水平。
运放的噪声特性和放大电路的噪声分析
也只规定 了 电压 噪声 的参 数 作 为电压性 噪声 的参数在数
２１年 第１ 期 ＜６ ００ １ 、 ◇
域．分别用下面的方法换算成有效值。然后再用两个有效
值的平方 和开平 方根 的方法 求 出总噪声 。
ｌＮ ＝ ． ／ Ｏ １ ２ 、 ９ｘ ０ ２ ￣ ｓ２ 、 ｌ５ ＝ ． ／９ １ ２ － ２
Ｅ￣ Ｇｎ・ ｏ ＝ Ｖｎ
五 、 目标 信 噪 比特 性 的噪 声 电平
表２ 相对 于基 准信 号 电平 １ｒ ｓ Ｖｍ 一般 的线 是 Ｖ ｍ 和２ ｒ ｓ（
路输出电平）在达到一定 的信噪比 （Ｎ ）时，信噪比与 ＳＲ
噪声 电压 有效值 之间 的对应关 系 由表 中的数值 可知 ．希 望得到 的信噪 比的数值 不同 ．要求 的输入 端噪声 电压有效 值 的数值 也完 全 不 同。例 如以２ ｒ ｓ Ｖｍ 的信 号为例 ．信 噪 比 为１０ Ｂ 的噪声 电压容许 值２ １ ｒｓ ０ｄ 时 ０ Ｖ ｍ 在Ｓ ＝ ２ｄ ￣样 ｘ ／ １０ Ｂ ｌ Ｎ ｉ 的超低噪 声特性 时噪声 电压 的容许 值为２ Ｖｍ １ ｒｓ ￣ 对 于一般 的音 频用运 算放 大器 来说 ．要 实现 １０ Ｂ ０ｄ 的
运放的噪声特性和放大电路的噪声分析
口张
运算 放 大 器集 成 电路 是 在模 拟 电路 中 ．包 括音 频 应
用 电路 在 内应 用最 为广 泛 、普及 度很 高的放 大器件 由于
达
据表 中有两种 表示方 法 ，一种 是噪声 频谱密 度 ．另一种 是 噪声 有效 值 表 １ 是集 成运 算放 大 器噪声 参数 的表 示方 法 的例 子 。在 该 表 中对 噪 声频 谱 密 度 和噪 声有 效 电压 都 同 时做 了规 定 。但 是对 于 一些 不针 对音 频应 用 的型号来 说 ． 有的并不 规定 噪声有效 值 只给出噪声 频谱密 度
2-2放大器的噪声系数
噪声系数概念仅适用于线性电路，对非线性电路无意义。
By TianGJ,YanshanUniv
2.2 放大器的噪声系数
噪声因数: 用db表示的噪声系数。
Rs
放大器
vs
RL
NF = 10 lg F
对数可以把乘法运算转化为加法运算,这给级联系统增益的计 算带来方便。 数学中的许多函数具有优良的变换特性。适当变换分析 域，可以简化问题。例如傅立叶变换及拉氏变换将微分运算 化为乘法运算，积分运算化为除法运算；小波变换把尺度在 时间和频率域任意伸缩；近来在图象处理领域又开发出 curvelet 和 contourelet transform。
SNRi Psi = F= Psi = F • SNRo • Pni SNR0 Pni SNR0
可检测的最小信号
Esi = Psi = F • SNRo • Pni
By TianGJ,YanshanUniv
可检测的最小信号举例
设图中输入噪声只有信号源电阻 热噪声，Rs=1kΩ，T=17ºC， 等效带宽B=1kHz，噪声系数 F=2，要求SNRO=10，求系统 可检测的最小信号Ei=？ 解:
By TianGJ,YanshanUniv
P P2 = F2 − 1, 3 = F3 − 1 K 2 Pi K 3 Pi
P 1 = F1 − 1 K1 Pi
2.2 放大器的噪声系数
• 2.2.2 级联放大器的噪声系数
Rs vs
放大器1 … 放大器2 增益K1 增益K2 Po2 Pi Po1 噪声F2 噪声F1 内噪P2 … 内噪P1
2.2 放大器的噪声系数
分析和设计低噪声放大器对于弱信号检 测是至关重要的.
元件热噪声, 散弹噪声, 接触(1/f)噪声, 暴裂噪声
第3章 电路的噪声
明,电阻热噪声功率谱密度为
S(f)=4kTR
(2-5)
式中,k=1.38×10-23J/K为波尔兹曼
常数;T为电阻的绝对温度值(K)。
第3章电路的噪声
因为功率谱密度表示单位频带内
的噪声电压方均值,故噪声电压的 方均值为
u2
(t
n
)
4kTRfn
•(2-6)
• 或表示为噪声电流的方均值
i2
(t)
n
4kTgf
第3章电路的噪声
L
r
L
r
C
SUi＝4kTr
(a)
(b)
Re C SUo
Xe
(c)
图 2 ——4并联回路的热噪声
( 1 )2
SUo
C
r2 (L
1
4kTr )2
C
(2 — 6)
第3章电路的噪声
并联回路可以等效为Re+jXe（图 2 — 33（c））,现
在看上述输出噪声谱密度与j R1e、(
Xe的关系。 r jwL)
SUo df
1
(Cr)2
1 (2Q f
)2
4kTrdf
f0
4kT
1
R0 (2Q
f
)2
df
f0
4k
T
R0
f0
2Q
第3章电路的噪声
3) 噪声带宽
图 2 — 32 是一线性系统, 其电压传输函数为H(jω)。
设输入一电阻热噪声,均方电压谱为SUi=4kTR, 输出均方
电压谱为SUo, 则输出均方电压E2n2为
Pno2 APH .k Tifn
其中Ti叫做等效噪声温度,简称噪声温度。
放大电路噪声指标
放大电路噪声指标
放大器的由于放大器本身就有噪声，输出端的信噪比和输入端信噪比是不一样的，为此，使用噪声系数来衡量放大器本身的噪声水平
公式表示为：噪声系数NF=输入端信噪比/输出端信噪比，单位常用“dB”。
该系数表征放大器的噪声性能恶化程度的一个参量，并不是越大越好，它的值越大，说明在传输过程中掺入的噪声也就越大，反映了器件或者信道特性的不理想。
在放大器的噪声系数比较低的情况下，通常放大器的噪声系数用噪声温度（T）来表示。
放大电路不仅把输入端的噪声放大，而且放大电路本身也存在噪声。
所以，其输出端的信噪比必小于输入端信噪比。
在放大器中，内部噪声与外部噪声愈小愈好。
放大电路本身噪声越大，它的输出端信噪比越小于输入端信噪比，NF就越大。
当NF用分贝表示时
NF(dB)=10 lg(Po/ApPi)
Po表示输出端的总噪声功率，Pi表示信号源输入端噪声功率，Ap表示功率增益。
[1]噪声系数与噪声温度的关系为：T=（NF-1）T0或NF=T/T0+1 其中：T0-绝对温度（290K）。
2减小噪声的措施
（1）首选低噪放（2）引入负反馈来抑制噪声。
射频电路基础噪声与小信号放大器
电阻
电感
三极管
用于限制电流和调节电压。
用于产生磁场、滤波和调谐等功能。
用于信号放大和开关等。
在射频电路中，阻抗匹配是非常重要的，它能够减少信号的反射和损耗，提高信号传输效率。
阻抗匹配
滤波器设计
放大器设计
滤波器是射频电路中常用的元件，用于抑制不需要的频率成分，提高信号的纯度。
放大器是射频电路中的重要组成部分，用于放大微弱的信号，使其能够进行传输和处理。
动态范围扩展
小信号放大器可以扩展射频电路的动态范围，提高信号传输的稳定性。
03
02
01
根据实际应用需求，设计合适的匹配电路，以减小噪声对小信号放大器性能的影响。
匹配电路设计
通过优化小信号放大器的器件参数，可以进一步减小噪声对信号的影响。
优化器件参数
在系统级层面，综合考虑其他电路模块对噪声的影响，进行协同设计，以实现更好的性能。
设计要点
一个简单的小信号放大器电路由输入匹配网络、放大器和输出匹配网络组成，通过合理选择器件和优化电路参数，可以实现低噪声、高灵敏度和高线性度的放大效果。
实例
射频电路中的噪声与小信号放大器
04
降低输入噪声
小信号放大器通常具有较低的输入噪声，能够降低对信号的干扰。
噪声系数优化
通过优化小信号放大器的噪声系数，可以在一定程度上减小噪声对信号的影响。
噪声性能指标
包括等效输入噪声、噪声系数、信噪比等，用于评估电子设备或系统的性能。
主要包括热噪声、散弹噪声、闪烁噪声等。热噪声是由导体中电子的热运动产生的；散弹噪声是由电子发射的非均匀性引起的；闪烁噪声则与半导体表面的不完整性有关。
噪声来源
采用低噪声器件、优化电路设计、接地技术、屏蔽技术等手段可以有效降低电路中的噪声。此外，还可以通过滤波器滤除特定频率范围的噪声。
第二讲放大器的噪声源及噪声特性
• 在1918年，沃尔特肖特基发现在电子管的散粒噪声， 发展肖特基定理。
• 散粒噪声电流的均方值表示为
I
2 sh
2qI DC f
(Schottky 公式)
其功率谱密度
Ssh (
f
)
I
2 sh
f
2qIDC
可见为白噪声。
2.1.4 g-r噪声及其表示（爆米花噪声）
• 一个电阻R上的热噪声均方值表示为 2
et 4kTRf (Nyquist 公式)
热噪声功率谱密度为：
2
St (
f
)
et f
4kTR
（V2/Hz)
• 用量子理论表示热噪声功率谱密度函数：
St
(
f
)
exp(
4hfR hf /(kT))
1
• 电阻开路两端呈现的热噪声电压有效值为：
Et et2 4kTRf
Pt
E[et20 (t)]
0 St0 ( f )df
kT /C
• 有效值为：
Et0 kT / C
• 这就是一白噪声源通过一低通滤波器的输 出：电路的输出噪声功率和有效值与电阻的 阻值无关，而只取决于并联在电阻两端的电
容C 和绝对温度T。
• 对一确定的电容C，输出功率谱密度函数 与电阻的关系如下图所示，但总的输出噪声 功率不变。
2.2 放大器的噪声系数和噪声温度
• 噪声系Байду номын сангаас • 噪声温度 • 功率增益 • 级联放大器的噪声系数
2.2.1 放大器的噪声系数
•噪声系数是衡量放大器噪声水平的一个参 数。它表征的是信号经过放大器后增加了 多少噪声。