22低噪声前置放大电路

●研究多级放大器的噪声系数 ：
AP1
Pni
Pn1
NF1
AP2
Pn2
AP3
Pn3
Pn0
NF2
NF3
NF1, 2, 3
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。
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：
NF
Eni1020 4KTs Rf
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。
Zs
Vs
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
Zcp Rcp jxcp
Zcs Rcs jxcs
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。
§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
●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。
Vsi
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。
用正弦波法测Eni可分为三步：
A．在输出端测量总输出噪声Eno B．测量并计算从信号源到输出端的传输函数Avs（Kv），
A vs
V0 Vs
C．计算等效输入噪声
E ni
En0 Avs
从以上三步可以看出：
由
NF1 pn 得：
Pn NF1
AP pni
Ap Pn i
每个放大器单独和源噪声Pni相连接时，得到：
Pn1 A p 1 P ni
NF 1 1
Pn 2 A p 2 P ni
NF 2 1
Pn3 A p 3 P ni
NF 3 1
三级放大器级联成为一个放大系统，
此系统的噪声系数:
最关键的是第一级
§2.7 耦合网络的低噪声设计原则
●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。
光电
耦合
前置
探测器
网络
放大器
偏置电路
如图：
Zs表示探测器和偏置电 路形成的等效阻抗，
即
E
2 n0
、E
2 ni
、En、In、
NF(NF )都是可以直
接或间接测量的噪声参数。
3 . 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。
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=10 lg NF=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。
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 A B C
功率增益 10 15 100
噪声系数 1.5 2.5 4
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
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
Rcs En / In Xcs En / In
（2）对于耦合网络中的并联阻抗元件
Rcp En / In Xcp En / In
En、In为前置放大器的En-In模型中En、In参量。
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）：
NF
Eni1020s=100Ω Δf =100HZ
放大器1 NF=20dB
130nV
放大器2 NF=3dB
18nV
Rs=100Ω Δf =1HZ
13nV
1.8nV
●如果被测信号大小为Vsi=1μV，
N 1 ,2 n F N 1 N F A 2 p 1 1 F N A p 1 3 A p 2 1 F A p 1 N A p 2 n 1 A F p 1 n
●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。
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
En 2iE K n 2 v2 0En 2sEn 2(InRs)2
噪声参数的测量，都可归结到
E
2 n0
的测量。
对
E
2 n0
的测量，有两种方法：
Zsi
V0
（1）正弦波法
Eni
Avi
~
En0
N1 F NA 2 F p1 1N Ap1 3 F A p2 1
●对于n级级联放大器，可以得出其噪声系数为：
N 1 ,2 n F N 1 N F A 2 p 1 1 F N A p 1 3 A p 2 1 F A p 1 N A p 2 n 1 A F p 1 n
这就是多级放大器的噪声系数理论的Friis公式
2 NF图的应用
NF的表达式如下：
NF
10lg En2i 4KTsR f
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 f 0条件下的一系列NF值。
●在坐标系中，以 f 0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。
●根据NF值来计算低噪声前放的等效输入噪声Eni，
NFEn2i En2i En2s 4KTs Rf
采用分贝表示的噪声系数：
NF10 lgN
F 10 lg En2i 4KTsfR
NF
Eni1020 4KTs Rf
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。
故在信号源内阻Rs=100Ω，系统带宽Δf =100Hz， 且要求Vsi/Eni>10的条件下，应该选择2号放大器。
● 若其它条件不变，采取压缩带宽的措施，
使Δ f =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。
N F 1,2,3
1 Pn Ap Pni
Pn为三级级联放大器内部噪声功率在输 出端的体现:
P n (P n 1A p 2 P n 2 )A p 3 P n 3
即： P n A p 2 A p 3 P n 1 A p 3 P n 2 P n 3