《微弱信号检测》PPT课件

几种常见电子噪声
噪声种类 热噪声 特点 降低途径 减小输入电阻和带宽 减小平均直流电流和带宽
属于白噪声，功率 谱密度在很宽的频 散粒噪声 率范围内恒定。 属有色噪声，频率 接触噪声 增加，功率谱减小。
减小平均直流电流
微弱信号检测中要处理的绝大多数是随机噪声。
源头：电子自由运动-热噪声；越过PN结的载流子扩散和电 子空穴对的产生复合；接触噪声-导体连接处点到的随机涨落。
举例： A741 的输入端的噪声电压、噪声电流功 率谱密度函数Su(f)、Si(f)的曲线如下图所示 。
图-3 A741的噪声特性
3.低噪声放大器
为放大微弱信号，必然要用放大器。放大器 本身不可避免地产生噪声，对信噪比本来就比较 低的微弱信号造成进一步影响。
因此，微弱信号检测的首要问题是尽量地降
对与信号源直连的直接耦合式放大器，选定有源器件
后，还须选择合适工作点，使放大器噪声系数最小。 图 5 是频率 f=1kHz 时，晶体管 2N4250 的噪声系数 随集电极平均电流Ic变化曲线. 可看出，对每个特 定的Rs，都有一个使 噪声系数最小的Ic。 所以，Rs一定时，可 通过改变直流工作点 实现噪声匹配。
按信号处理方式，微弱信号检测可分两类：
1）时域处理，即信号的所有处理都是在时
域内进行；
2）频域处理，即将信号变换到频域，然后
按照信号的频域特性对信号进行处理。
频域微弱信号检测
频域微弱信号检测是指利用锁定放大器对淹没在 噪声中的正弦信号的幅值和相位进行检测。
对较小幅值的直流或慢变信号，为减小1/f噪声和 直流放大器漂移的影响，一般采用调制器或斩波器先 将其变换成交流信号再放大，并用带通滤波器提高信 噪比，之后再解调和低通滤波，得到放大的被测信号. 对微弱直流或慢变信号，调制后的正弦信号也必 然微弱。要达到足够的信噪比，带通滤波器的带宽必 须非常窄、 Q 值必须非常高、中心频率须非常稳定。 这在实际中很难实现。 利用锁定放大器却可很好地解决上述问题。
微弱信号检测(Weak Signal Detection)
从噪声中提取信号，从而使测量下限可低于测量系 统的噪声水平。这是与非微弱信号监测的关键差别。
1 概述
科学研究中常需检测极微弱的信号，例如：
生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电 天文学中的星体光谱 化学反映中的物质生成过程 物理学中表面物理特性 光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱 微机电系统（MEMS）的微位移、微力、微电流、电 压等
低放大器的噪声。
偏置电路低噪声设计
通常，电阻分压式直流偏置电路会产生较大的热噪 声和1/f 噪声。对于射频微弱信号检测，可用图4所示低噪 声偏置电路。它通过射频扼流圈来避免偏置电阻的噪声 问题，通过调谐电路实现偏置 。
(a)利用射频扼流圈 (b)利用调谐电路 图 4 射频电路偏置
直流工作点低噪声设计
电子器件的固有噪声
工程上常用测量综合噪声效果衡量电子器件的噪声， 不再区分具体噪声源。 图(a)所示接信号源的放大器，其 综合噪声等效电路可用图(b)表示。
(a)实际电路
(b)等效噪声电路
图 -2 连接到信号源的放大器 us—待放大信号；Rs—信号源电阻；unt— Rs≠0引起的热噪声； uni—折算到输入端的噪声电压；ini—折算到输入端的噪声电流
2.2 元器件固有噪声及其规律
把微弱信号放大到可测幅度，须使用放 大器和其他电路。但电子电路中几乎所有的 元器件本身往往就是噪声源。 这种噪声具有随机性质，其瞬时幅值和 相位不可预测，只能用概率统计方法描述其
大小和特征。
信噪比改善系数
（1）信噪比SNR
信噪比 ( SNR) 有用信号功率 S ＝ 信号中含有的噪声功率 N
图 5 2N4250的F-Ic曲线
利用变压器实现噪声匹配
当信号源电阻与放大器的最佳输入电阻存在较大 差异时，采用在信号源输出端串、并联电阻实现噪声 匹配，虽然对有用信号和信号源电阻热噪声的衰减相 同，但有用信号与放大器噪声之比也衰减，且串、并 联电阻本身还要产生噪声，所以该方案行不通。 可考虑利用变压器进行噪声匹配 。
如图 6(a) 所示，假设变压器是理想的，初级线圈与 次级线圈的匝数比为1：n，那么由初级变换到次级的信 号电压为nus、噪声电压为nunt、源电阻为n2Rs，如图 6(b) 所示。选择合适的n，可实现噪声匹配。
(a)电路连接及噪声源 图 6
(b)等效电路 变压器噪声匹配电路
4.微弱信号检测方法
Eni：位于信号源处放大系统的等效输入噪声， 假定Eni是白噪声，其功率谱密度为常数。
SNIR
f in 可等效为：SNIR f n
Δfin为输入噪声的带宽；
Δfn为系统的等效噪声带宽。
减小系统的等效噪声带宽，可提高SNIR。
SNIR越高，系统检测微弱信号的能力越强。
使用微弱信号检测技术，SNIR可达103～105，甚 至107。
微弱信号检测途径
●降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高信
噪比；
●研制适合弱信号检测原理并满足特殊需要的器
件；
●研究并采用各种弱信号检测技术，通过各种手
段提取信号。 上述三者缺一不可。
பைடு நூலகம் 2. 噪声基本知识
2.1 噪声来源 检测装置外部，如宇宙射线、广电信号等； 检测装置内部，如各部分之间的静电耦合、 电磁耦合、共阻抗耦合等； 元器件内部，如载流子的不规则热运动所造 成的固有噪声等。 本讲涉及如何降低元器件内部固有噪声影响
SNR用来评价信号的品质优劣， SNR越高， 测量误差越小。 信号通过一个放大器或一个测试系统后， SNR可能提高，也可能降低。 信噪比改善系数SNIR被引入，以描述放大 器或测试系统对SNR的改善作用 。
白噪声情况下信噪比系数：
2 / E 输出信噪比 Vs2 n0 ＝ 0 信噪比改善（SNIR）＝ 2 输入信噪比 Vsi2 / Eni
微弱信号检测技术
§1
§2 §3 §4 §5 §6
概述
噪声基本知识 低噪声放大器 微弱信号检测方法 利用噪声检测信号的技术方法示例 反馈测量技术及其他技术
1 概述
微弱信号的定义
有用信号的幅度绝对值很小，如V 、 nV 乃至pV 量级电压信号；检测每秒钟多少个光子的弱光信 号。 相对于噪声而言，幅度很小的有用信号。如输入 信号的信噪比为10-2或更小，即信号完全淹没在噪 声之中。