6 噪声的特点及低噪声设计汇总

机过程不可能用一个确定的时间函数来描述 。
它服从于一定的统计规律，能通过表示噪
声过程的概率密度P(u)而得知噪声电压落在某
一范围内的概率。 随机噪声为一平稳随机过程，概率密度与
时间t无关。
随机噪声 （热噪声和散粒噪声 ）
2 2 1 ( u u ) / 2 e 2
P (u )
测量噪声应用热效应定义的均方根值电压表。正弦 波全波整流的平均值是峰值的0.636，而它的均方根值
是峰值的0.707，所以常用的交流电压表（平均值电压 表）测量正弦波的均方根值应作修正，修正系数为1.11。 而且噪声波形并不是正弦波，是由大量尖脉冲组成，噪 声电压均方根值是峰值的0.798倍，均方根值与平均值 之比为0.798/0.636=1.255，所以均方根值正弦响应的电 压表测量到的噪声电压须乘以1.13（0.798/0.707 ）的修 正系数才得到噪声电压的均方根值。
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
0
5
10
15
20
25
神经电记录仪的输入短路噪声实测值（微伏） （成都仪器厂生产）
II 系统的噪声 （Noise)
概念：与外部干扰相区别，把测量系统
内部由器件、材料、部件的物理因素产
生的自然扰动称为噪声（电压或电流）。 噪声是电路内固有的，不能用诸如屏蔽、 合理接地等方法予以消除。
不连续介质等。各有源器件在制作工艺过程中，材料表面
特性及半导体器件结点中的缺陷等，是1/f噪声的主要成因。
数学描述
K S( f ) f f2 f2 f2 K 2 U f f S ( f )df f df K ln 1 1 f f1
K是频率为1Hz时的谱密度值
热噪声（Thermal Noise)
• 热噪声是由导体中载流子的随机热运动引起
的。任何处于绝对零度以上的导体中，电子
都在作随机热运动。
• 1927年约翰逊（Johnson）首先在实验中观
察到导体上热噪声电压的存在，1928年乃奎
斯特进行了理论分析。热噪声又常称为约翰
逊噪声或乃奎斯特噪声。
数学描述
S ( f ) 4k T R
U
2 t
P



S ( f )df
功率谱密度U2/△f
S( f ) 粉红
or I2/△f
蓝色
噪声
噪声
在很宽的频带内， S（f）为常数，则
b
c
为白噪声
a
f
S（f）为功率谱密度，它表示单位频带内噪声的功率及随频率 的变化情况。单位：W/Hz
噪声的相关性
U
2
2 2 U1 U 2 2CU1 U 2
4 kTR f
k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，R为阻值
散粒噪声 （Shot Noise)
• 在半导体器件中，载流子产生与消失的随机性， 使得流动着的载流子数目发生波动，时多时少， 由此而引起电流瞬时涨落称为散粒噪声。 • 散粒噪声与流过半导体PN结位垒的电流有关， 所以三极管、二极管中，都存在产生散粒噪声电 流的单元。在简单的导体中没有位垒，因此没有 散粒噪声。
式中u是噪声电压的平均值，一般为零，这时方差
σ2为噪声电压u的均方值，标准差σ等于均方根值。在低 噪声设计中，σ为主要的实用参数。
Gaussian distribution of noise amplitude rms: root mean square
Ths7002_buffer_preamp_gain-1_in-_short to_Gnd +/-12v_battery_power_buffer_noise-outpup
三、描述放大器噪声性能的参数
Un和In参数 wk.baidu.com声系数
Signal to Noise Ratio（SNR)
信噪比：表示信号与噪声的相对大小，间接反映了 噪声对信号的影响程度和信号的精度水平。
SNR=10Lg（Ps/Pn）=20Lg（Us/Un）；（分贝）
式中：Ps为信号功率；Pn为噪声功率；Us为信
噪声的频域描述方法
噪声服从一定的统计规律，无法用频谱描述，而 用功率谱表示它的频域特性。噪声电压（或噪声电流） 的均方值是它在一欧姆电阻上产生的平均功率。此功 率是各频率分量功率之和，功率谱密度S（f）为: S(f)=U2/ R /△f = U2/△f ; S(f)= I2*R/△f= I2/△f
数学描述
S ( f ) 2 qI DC
I 2 qI DC f
2
测量系统中的主要噪声类型小结
1/f噪声、热噪声、散粒噪声
K S( f ) f
U
2 f
f2 K ln f1
S ( f ) 4 k TR
2 Ut
2
4 kTR f
S ( f ) 2 qI DC I 2 qI DC f
测量中的校正系数
(1)全波整流后的平均值
2 U T
T 2
0
ASintdt
2

A 0.636A
测量中的校正系数
(2)均方根值（有效值rms，root-mean-square)
1 T 2 2 U ( ASin t ) dt A 0 . 707 A T 0 2
测量中的校正系数
1/f噪声（低频噪声） 热噪声 散粒噪声
1/f 噪声（闪烁噪声或低频噪声）
Flicker Noise
电子系统中，1/f噪声是普遍存在的。凡两种材料之间 不完全接触，形成起伏的导电率便产生1/f噪声。 它发生在两个导体连接的地方，如开关、继电器或晶 体管、二极管的不良接触，以及电流流过合成碳质电阻的
小结：噪声描述的方法
噪声的基本特性可以用统计平均量来描述 1）均方值表示噪声的强度， 2）概率密度表示噪声在幅度域里的分布密度； 3）功率谱密度表示噪声在频域里的特性； 4）通常认为两种噪声源为完全不相关，噪声电压 瞬时值之间没有关系，噪声总均方电压等于各 噪声源均方电压之和。(功率相加）
二、生物医学测量系统中的 主要噪声
一、噪声的一般性质
噪声电压或噪声电流是随机的，噪声的随
机过程不可能用一个确定的时间函数来描述 。
它服从于一定的统计规律，能通过表示噪
声过程的概率密度P(u)而得知噪声电压落在某
一范围内的概率。 随机噪声为一平稳随机过程，概率密度与
时间t无关。
一、噪声的一般性质
噪声电压或噪声电流是随机的，噪声的随