低噪声前置放大器的选用

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

－－问题的提出

前置放大器信号处理

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光电探测器

光学系统

目标

背景

偏置电路光电检测电路

调制器

提高系统信噪比途径：

－－光学方法－－电学方法－－热力学方法

－－问题的提出信号光很弱时，探测器的输出信噪比很低探测器噪声电路噪声

－－“雪上加霜”

光电检测电路的低噪声设计

前置放大器噪声

前置放大器信号处理

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光电探测器

光学系统

目标

背景

偏置电路光电检测电路

调制器

电路噪声

1. 根据噪声系数(dB) 计算E ni

N F

=10lg F （dB ）用分贝表示：电阻噪声功率

被放大器放大输出的源放大器总输出噪声功率

=

F f

kTR E E E

F s ni

ns

ni ∆=

==4222

输入端源电阻噪声功率声功率放大器总的等效输入噪f

kTR E s N ni F ∆=410

20

f

kTR E

E E N s ni

ns

ni F ∆==4lg

10lg 10222求出E ni ：

2. N F 图的应用

f

kTR E

E E N s ni

ns

ni F ∆==4lg

10lg 10222

F

•采用噪声发生器或正弦波法，测出不同R

s 和f

条件下

的一系列N

F

值，标在坐标图上。

F （1）从N F 图中，可以选择N F 最小的R s 和f 0的范围。（2）结合探测器的R s 和系统的带宽范围。N F 图为正确选择前置放大器提供了依据。（3）利用N F 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E ni 。

f

kTR E s N ni F ∆=41020

3. 利用N F 图，计算E ni ，

根据E ni 和V si 来选用前置放大器

f

kTR E s N ni F ∆=410

20

根据系统对(V si /E ni )的比值要求来选定放大器的N F 值

不同R s 、∆f 、N F 值情况下的E ni

∆f 、R s

标

号

1号N F =20 dB

2号N F =3 dB

E ni

R s =100Ω∆f =100Hz 130nV 18nV R s =100Ω∆f =1Hz

13nV

1.8nV

如果被测信号为V si =1μV ，∆f =100Hz ，R s =100Ω，若要求系统的V si /E ni >10。计算选用哪个放大器？

4. 根据E ni 和V si 来选用前置放大器（一）

4.低噪声运算放大器的选用（二）

（1）选用和

均小的运算放

大器（2）在R s 大的情况下，起着比较大的作用（3）计算E ni 再和V s 比较。然后根据P si /P ni （或V si /E ni ）的要求决定运算放大器是否符合要求。

f E n ∆/f I n ∆/f I n ∆/*（2）可根据I B ，计算f

I n ∆/f qI B ∆=2I 2n B

n

2qI f I

=∆2

2222

2

no R I E E E E ++==

222)

()(4)(s n n s ni R f I f f E f f kTR E ∆∆+∆∆+∆=222222

2s

n n ns V

no

ni R I E E K E E ++==

实例计算

•例如，OP07和LMC662在1kHz 时的和分别为:f

E n ∆/f I n ∆/OP07

9.6nV·Hz -1/2120fA·Hz -1/2LMC662

22nV·Hz -1/20.113fA·Hz -1/2 当R s =50k Ω，且工作在1kHz 条件下，选

哪一种运算放大器可使小些（假定带宽

为∆f=1kHz ，T=290K ）?

2ni E f E n ∆/f

I n ∆/

补充：偏置电路和负反馈电路的噪声影响（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

R cp >>E

n

/I

n

X cp >>E

n

/I

n

其中Z

cp =R

cp

+jX

cp

，R

cp

和X

cp

分别为并联的阻

性和容性阻抗。

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

•与探测器串联的阻抗元件，应满足

R cs <<E

n

/I

n

X cs <<E

n

/I

n

其中Z

cs =R

cs

+jX

cs

，R

cs

和X

cs

分别为串联的阻性

和容性阻抗。