低噪声前置放大器的选用

Vsi R1 +
Vo
OP07
-
RF1 RF2
RF
Vsi R1 -
Vo
OP07
+
RF
电压串联负反馈；电压并联负反馈
反相比例放大电路不会引入共模干扰， 但容易引入电阻的热噪声；同相比例放 大电路容易实现低噪声设计。
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（1）并联负反馈的噪声贡献等效于负反馈合 成电阻与探测器的并联
• 与探测器并联的阻抗元件，应满足 Rcp>>En/In Xcp>>En/In
其中Zcp=Rcp+jXcp，Rcp和Xcp分别为并联的阻 性和容性阻抗。
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补充：偏置电路和负反馈电路的噪声影响
（2）串联负反馈的噪声贡献等效于负反馈合 成电阻与探测器的串联
探测器噪声
电路噪声 －－“雪上加霜”
3
光电检测电路的低噪声设计
背景
光学系统
目标
调制器
偏置电路
光电 探测器
前置 放大器
光电检测电路
信号 处理
显示
电路 噪声
前置 放大器噪声
4
1. 根据噪声系数(dB) 计算Eni
放大器总输出噪声功率 F 被放大器放大输出的源 电阻噪声功率
F
放大器总的等效输入噪声功率 输入端源电阻噪声功率
En2i
En2o KV2
En2s
En2
I
2 n
Rs2
11
En2i
En2o KV2
En2s
En2
I n2 Rs2
(Eni )2 4kTRsf f (
En )2 f ( f
In f
Rs )2
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实例计算
• 例如，OP07和LMC662在1kHz时的 En / f 和 In / f
分别为 :
En / f
En2i En2s
En2i 4kTRsf
用分贝表示： NF=10lgF （dB）
NF
10lg
EnBiblioteka Baidui En2s
10lg En2i 4kTRsf
求出Eni：
NF
Eni 10 20 4kTRsf
5
2. NF图的应用
NF
10lg
En2i En2s
10lg En2i 4kTRsf
• 113型低噪声前置放大器的NF等值图 6
• 与探测器串联的阻抗元件，应满足 Rcs<<En/In Xcs<<En/In
其中Zcs=Rcs+jXcs，Rcs和Xcs分别为串联的阻性 和容性阻抗。
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补充：偏置电路和负反馈电路的噪声影响
（3）接口电路电阻两端的直流电压应尽 量减小，以减小电阻元件的1/f 噪声。
16
补充：偏置电路和负反馈电路的噪声影响
光电信号检测与处理技术
第二章 第二节 低噪声前置放大器的选用
1
光电检测电路的低噪声设计
－－问题的提出
背景
光学系统
目标
调制器
偏置电路
光电 探测器
前置 放大器
信号 处理
显示
光电检测电路
提高系统信噪比途径：
－－光学方法 －－电学方法 －－热力学方法
2
光电检测电路的低噪声设计
－－问题的提出
信号光很弱时，探测器的输出信噪比很低
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4.低噪声运算放大器的选用（二）
（1）选用 大器
En
/
f
和
In /
f
均小的运算放
（2）在Rs大的情况下，In / f 起着比较大的作用
*（2）可根据 IB ， 计算 In / f
I2n 2qIBf
In f
2qIB
（3）计算Eni再和Vs比较。然后根据Psi/Pni（或Vsi/Eni）的 要求决定运算放大器是否符合要求。
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• 1.电源电压 尽量减少电源种类，即偏置电源和放大器 的电源电压尽量一致。
2.有源器件的选择 3.选择电路形式
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2.有源元器件（运放）的选择
--常用器件最佳源电阻分布示意图
Ropt
En In
例：热电偶； 光电池等（信号源电阻较小） 例： 热电阻、PIN光电二极管（信号源电阻较大）
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• 3.选择电路形式，进行参数选择设计
2. NF图的应用
• 采用噪声发生器或正弦波法，测出不同Rs和f0条件下 的一系列NF值，标在坐标图上。
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2. NF图的应用
（1）从NF图中，可以选择NF最小的Rs和f0的范围。 （2）结合探测器的Rs和系统的带宽范围。NF图为正确选
择前置放大器提供了依据。 （3）利用NF图还可以计算出最小可检测信号（MDS）的
不同Rs、f、NF值情况下的Eni
标号
f、Rs
Rs=100 f =100Hz
1号NF=20 dB
2号NF=3 dB
Eni
130nV
18nV
Rs=100 f =1Hz
13nV
1.8nV
如果被测信号为Vsi =1V，f =100Hz，Rs=100，若 要求系统的Vsi/Eni>10。计算选用哪个放大器？
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补充：偏置电路和负反馈电路的噪声影响
电压串联负反馈和电压并联负反馈
Vsi R1 +
Vo
OP07
-
RF1 RF2
RF
Vsi R1 -
Vo
OP07
+
RF
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综合举例
• 有一光导型PbS探测器，在室温下工作，其 内阻范围为100~200 k，信号的频率范围 为0~1000Hz（即 f=1kHz，f0=500Hz）， Vsi为50~500V,试为其设计一低噪声前置放 大器，要求KV20，等效输入噪声Eni10V （保证）。
In / f
OP07 9.6nV·Hz-1/2 120fA·Hz-1/2 LMC662 22nV·Hz-1/2 0.113fA·Hz-1/2
当Rs=50k，且工作在1kHz条件下，选 哪一种运算放大器可使 En2i 小些（假定带宽 为 f=1kHz，T=290K）?
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补充：偏置电路和负反馈电路的噪声影响
大小，MDS的定义为折合到放大器输入端的Eni。
NF
Eni 10 20 4kTRsf
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3. 利用NF图，计算Eni， 根据Eni和Vsi来选用前置放大器
NF
Eni 10 20 4kTRsf
根据系统对(Vsi/Eni)的比值要求来选定放大器的NF值
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4. 根据Eni和Vsi来选用前置放大器（一）