微弱信号检测 课程设计

LDO 低输出噪声的分析与优化设计1 LDO 的典型结构LDO 的典型结构如下图所示,虚线框内为LDO 芯片内部电路,它是一个闭环系统,由误差放大器(Error amplifier)、调整管(Pass device)、反馈电阻网络(Feedback resistor network)组成,其闭环增益是:OUT REF V Acloseloop V = (1)此外,带隙基准电压源( Bandgap reference)为误差放大器提供参考电压。

LDO 的工作原理是：反馈电阻网络对输出电压进行分压后得到反馈电压,该电压输入到误差放大器的同相输入端。

误差放大器放大参考电压和反馈电压之间的差值, 其输出直接驱动调整管,通过控制调整管的导通状态来得到稳定的输出电压。

例如,当反馈电压小于基准电压时,误差放大器输出电压下降,控制调整管产生更大的电流使得输出电压上升。

当误差放大器增益足够大时,输出电压可以表示为：R1(1+)R2OUT REF V V = (2) 所谓基准电压源就是能提供高精度和高稳定度基准量的电源，这种基准源与电源、工艺参数和温度的关系很小，其原理是利用PN 结电压的负温度系数和不同电流密度下两个PN 结电压差的正温度系数电压相互补偿，而使输出电压达到很低的温度漂移。

传统基准电压源是基于晶体管或齐纳稳压管的原理而制成的，其αT =10-3/℃~10-4/℃，无法满足现代电子测量之需要。

20世纪70年代初，维德拉(Widlar)首先提出能带间隙基准电压源的概念，简称带隙(Bandgap)电压。

所谓能带间隙是指硅半导体材料在0K 温度下的带隙电压，其数值约为1.205V ，用U go 表示。

带隙基准电压源的基本原理是利用电阻压降的正温漂去补偿晶体管发射结正向压降的负温漂，从而实现了零温漂。

由于未采用工作在反向击穿状态下的稳压管，因而噪声电压极低。

带隙基准电压源的简化电路如下图所示。

2 LDO 中内部固有噪声LDO 的噪声类型主要是内部固有噪声和外部干扰噪声。

其中内部固有噪声包括热噪声，散弹噪声，1/f 噪声，爆烈噪声。

LDO 中可以产生这些噪声的元器件有电阻，MOS 管，运算放大器。

2.1 电阻热噪声电阻的热噪声是电阻导体的热骚动产生无规则运动引起的起伏噪声电流的现象。

电阻热噪声的特点有：电阻噪声是起伏噪声，其中起伏噪声电流是大量脉冲宽度约(持续时间只有10-13～10-14)的微弱脉冲电流的迭加而成，另外窄脉冲极性、大小和出现时间是随机的。

在高于绝对零度（-273℃或Ok ）的任何温度下，物质中的电子都在持续地热运动。

由于其运动方向是随机的，任何短时电流都不相关，因此没有可检测到的电流。

但是连续的随机运动序列可以导致Johnson 噪声或热噪声。

每单位带宽内电阻的热噪声功率谱密度函数可以表示为：2,4n T V kTR =式中，K 是玻尔兹曼常数，1.38×10-23J/K ；T 是温度，以K 为单位；R 是电阻，以Ω为单位。

下图所示为电阻在25℃时，在50Ω终端电阻上产生的热噪声功率。

2.2 PN 结散粒（散弹）噪声散粒噪声是晶体管的主要噪声源：它是由单位时间内通过PN 结载流子数目的随机起伏而造成的。

散粒噪声的大小与晶体管的静态工作点电流有关，其功率谱密度函数为：I 0S 2qI =式中，Io 为流过PN 结的电流，q 为电子电荷量。

由于晶体三极管的发射结正偏，所以散粒噪声主要决定于发射极工作电流Ie,B 为系统的等效噪声带宽，其噪声电流的功率为：22sh e P qI B =散弹噪声电流的有效值（均方根值）为： 2d c s h I q I B =2.3 1/f 噪声 1/f 噪声是由两种导体接触点电导的随机涨落引起的，凡是有导体接触不良的器件都存在1/f 噪声，因此又称接触噪声。

电子管中的1/f 噪声称为闪烁噪声，电阻中的1/f 噪声称为过剩噪声。

1/f 噪声功率谱密度函数：()f f K S f f= 式中，Kf 取决于接触面材料类型和几何形状的系数以及流过样品直流电流的系数。

1/f 噪声功率谱密度函数坐标图：线性坐标对数坐标电阻1/f 噪声功率谱密度函数：()()22f f d c KI S f A H z f =2.4 爆裂噪声半导体材料中的杂质（通常是金属杂质）随机发射或俘获载流子。

其特点：爆烈噪声脉冲的宽度为几 ms 到0.1 s 量级；脉冲的幅度约为0.01~0.001A A μμ量级；爆烈噪声脉冲出现的几率为每秒几百个到几分钟一个之间。

爆裂噪声的功率谱密度函数：()()201B bB K I S f f f =+下图为爆裂噪声波形：2.5 放大器相关噪声分析放大器噪声模型：其中功率谱密度函数：()()22nv n 22ni n V HzA Hz S f E f S f I f =∆=∆放大器等效到输入端的噪声模型：上图中s e 为被测信号电压，Rs 为信号源输出电阻，t e 为噪声电压源，n e 和n i 分别为放大器等效到输入端的噪声电压和噪声电压。

输入端总噪声功率：222222224ni t n n s s n n s E V E I R KTR f E I R =++=∆++放大器的噪声系数：22222224144no ni s n n s n n s ni p ni s s P E KTR f E I R E I R F P K P KTR f KTR f∆+++====+∆∆ 上式表明，当信号源电阻趋向于零或趋向于无穷大时，噪声系数F 都会趋向于无穷大。

0,s so F R R ∂∂=令得最佳源电阻：n N so n NE e R I i == 只有当Rs 为最佳源电阻Rso 时，噪声系数F 才能达到最小值Fmin ，这种情况称为噪声匹配。

噪声因数NF 随源电阻Rs 和f 变化的情况如下图：上图中最佳工作点是最佳源电阻约为500k Ω，最佳工作频率约为10khz 。

在实际的微弱信号检测中，对于不同的检测对象，最佳信号源电阻和工作频率差异很大，必须根据检测传感器的源电阻和工作频率选择合适的放大器，NF 为选择放大器提供了依据。

2.6 MOS 管相关噪声分析场效应管的内部噪声有沟道的热噪声，1/f 噪声，栅极的散弹噪声，栅极感应噪声2.6.1 沟道的热噪声由电阻性导电沟道中载流子的热运动引起，其功率谱密度函数：()4t m d S f kTg K =式中，g m 为场效应管的跨导，k ，T 与电阻热噪声中的k ，T 相同。

2.6.2 栅极的散弹噪声在JFET 中有PN 结存在，产生散弹噪声，其功率谱密度函数：()2g G S f qI =式中，q 为电子电荷，G K 为PN 结反向电流。

2.6.3 1/f 噪声场效应管的1/f 噪声功率谱密度函数：()F D f K I S f fγ=式中，D I 为漏极电流，F K 是制作场效应管的材料和工艺的常数。

2.6.4 栅极感应噪声在高频情况下，通过栅极和沟道之间的分布电容Cgs 将沟道电阻热噪声中的高频分量耦合到栅极输入电路，从而产生栅极感应噪声。

其功率谱密度函数：()14ng is S f kTg K =式中，K 1为和栅源电压、漏源电压有关的系数，gis 为共源极输入电导。

2.6.5 噪声等效分析4种噪声源中, 低频情况下起主要作用的是沟道热噪声电流i t 和1/f 噪声。

在高频情况下栅极感应噪声i ng 会起较大作用。

场效应管MOS的噪声等效电路：图中，g m 是跨导，C gs ，C gd ，C ds 是极间电容，R ds 是沟道电阻，V gs 是栅—源输入电压。

MOS管等效到输入端的噪声模型：串联输入噪声电压源en ，和并联输入噪声电流源in 的功率谱密度函数：1212221F 2442gs d D N N G m m m kT C K kTK K I e i qI g g f g γαω⎛⎫⎛⎫=+=+ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 不同漏极电流I D ，MOS 管的e N 和i N 随频率f变化的典型曲线如下：MOS 管的最小噪声系数F min 和最佳源电阻R so 如下：so R =2.6/()gs wC ，min 10.5/gs m F wC g =+微弱信号检测系统的前置放大器一般都选择使用高跨导，高输入电阻，栅—源电容小的结型场效应管。

3 LDO 中外部干扰噪声3.1 尖峰脉冲由于电网中大功率开关灯的通断，电机、变压器和其他大功率设备的启停以及电焊机等原因，工频电网中频繁出现尖峰干扰脉冲。

这种尖峰脉冲的幅度可能是几伏、几百伏甚至有时几千伏，持续时间一般较短，多数在微秒数量级。

这种尖峰干扰脉冲的高次谐波分量很丰富，而且出现得很频繁，幅度高，是污染低压工频电网的一种主要干扰噪声，对交流供电的电子系统会带来很多不利影响。

3.2 工频电磁场在由工频电力线供电的实验室、工厂车间和其他生产现场，工频电磁场几乎是无处不在。

在高电压，小电流的工频设备附近，存在着较强的工频电厂；在低电压，大电流的工频设备附近，存在着较强的工频磁场；即使在一般的电器设备和供电线的相当距离之内，都会存在一定强度的50HZ 的电磁波辐射。

工频电磁场会在检测电路的导体和信号回路中感应出50HZ 的干扰噪声。

3.3 射频噪声随着无线广播、电视、雷达、微波通信事业的不断发展，以及手机、寻呼机的日益推广，空间中的射频噪声越来越严重。

射频噪声的频率范围很广，从100K 到几兆赫兹数量级。

射频噪声多数是调制（调幅、调频、调相）电磁波，也含有随机的成分。

检测电路的传输导线都可以是接收天线，程度不同的接受空间中无处不在的射频噪声。

因为射频噪声的频率范围一般都高于检测信号的频率范围，所以利用滤波器可以有效的抑制射频噪声的不利影响。

3.4 地位差噪声检测系统的不同部件采用不同的接地点，则这些接地点之间往往存在或大或小的地电位差。

即使在同一块电路板上，不同接地点之间的电位差也可能在毫伏数量级或更大。

如果信号源和放大器采用不同的接地点，则地电位差对于差动放大器来说是一种共模干扰，对于单端放大器来说是一种共模干扰。

因为地电位差噪声的频率范围很可能与信号频率范围相重叠，所以很难用滤波的方法解决问题。

克服地电位差噪声不利影响的有效办法是采用合适的接地技术或者隔离技术。

3.5 颤噪效应任何被绝缘体分隔的两个导体都形成一个电容C ，电容的大小取决于导体的面积，几何尺寸、相互方向以及绝缘体的介电常数。

当空间电荷Q 聚集在由此形成的电容上时，两个导体之间的电压为：V=Q/C.如果由于机械原因导致两个导体的相互位置发生变化，则电容C 发生变化，电容两端的电压也发生变化。

克服颤噪效应的有效方法是避免关键电路元件（包括）电缆发生机械振动，此外降低携带微弱信号的稳压电压（从而减少了Q ）也能缓解颤噪效应产生的噪声。