噪声的特点及低噪声设计PPT课件
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
10
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
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）
1
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、
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）
14
二、生物医学测量系统中的 主要噪声
测量中的校正系数
(1)全波整流后的平均值
U
2 T
T
2 0
ASintdt
2
A
0.636A
8
测量中的校正系数
(2)均方根值（有效值rms，root-mean-square)
U
1 T ( ASint)2 dt 2 A 0.707 A
T0
2
9
测量中的校正系数
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。
18
数学描述
S( f ) 4kTR
U
2 t
4kTRf
k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，R为阻值
19
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。
Un和In参数 噪声系数
23
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 号有效值；Un为噪声有效值。
5
Gaussian distribution of noise amplitude rms: root mean square
6
Ths7002_buffer_preamp_gain-1_in-_short to_Gnd +/-12v_battery_power_buffer_noise-outpup 7
✓1/f噪声（低频噪声） ✓热噪声 ✓散粒噪声
15
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 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。
P S( f )df
11
功率谱密度U2/△f or I2/△f
S( f ) 粉红
噪声
b
蓝色
噪声
在很宽的频带内，
c
S（f）为常数，则
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
12
噪声的相关性
U 2 U12 U22 2CU1 •U2
13
小结：噪声描述的方法
20
数学描述
S( f ) 2qIDC
I 2 2qIDCf
21
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
S( f ) K f
U
2 f
K ln
f2 f1
S ( f ) 4kTR
U
2 t
4k TRf
S( f ) 2qIDC I 2 2qIDCf 22
三、描述放大器噪声性能的参数
16
数学描述
S( f ) K f
U
2 f
f2 f1
S
(
f
)df
源自文库
f2 f1
K f
df
K ln
f2 f1
K是频率为1Hz时的谱密度值
17
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。
合理接地等方法予以消除。
2
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。
3
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。
4
随机噪声 （热噪声和散粒噪声 ）
P(u)
1
e (u u )2 / 2 2
2
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。
在一定的输出信噪比的要求之下，输出噪声折 合到输入端，可以判断放大器可能放大多弱的信号。 为此，通常把放大器的噪声等效到输入端。
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
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）
1
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、
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）
14
二、生物医学测量系统中的 主要噪声
测量中的校正系数
(1)全波整流后的平均值
U
2 T
T
2 0
ASintdt
2
A
0.636A
8
测量中的校正系数
(2)均方根值（有效值rms，root-mean-square)
U
1 T ( ASint)2 dt 2 A 0.707 A
T0
2
9
测量中的校正系数
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。
18
数学描述
S( f ) 4kTR
U
2 t
4kTRf
k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，R为阻值
19
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。
Un和In参数 噪声系数
23
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 号有效值；Un为噪声有效值。
5
Gaussian distribution of noise amplitude rms: root mean square
6
Ths7002_buffer_preamp_gain-1_in-_short to_Gnd +/-12v_battery_power_buffer_noise-outpup 7
✓1/f噪声（低频噪声） ✓热噪声 ✓散粒噪声
15
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 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。
P S( f )df
11
功率谱密度U2/△f or I2/△f
S( f ) 粉红
噪声
b
蓝色
噪声
在很宽的频带内，
c
S（f）为常数，则
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
12
噪声的相关性
U 2 U12 U22 2CU1 •U2
13
小结：噪声描述的方法
20
数学描述
S( f ) 2qIDC
I 2 2qIDCf
21
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
S( f ) K f
U
2 f
K ln
f2 f1
S ( f ) 4kTR
U
2 t
4k TRf
S( f ) 2qIDC I 2 2qIDCf 22
三、描述放大器噪声性能的参数
16
数学描述
S( f ) K f
U
2 f
f2 f1
S
(
f
)df
源自文库
f2 f1
K f
df
K ln
f2 f1
K是频率为1Hz时的谱密度值
17
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。
合理接地等方法予以消除。
2
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。
3
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。
4
随机噪声 （热噪声和散粒噪声 ）
P(u)
1
e (u u )2 / 2 2
2
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。
在一定的输出信噪比的要求之下，输出噪声折 合到输入端，可以判断放大器可能放大多弱的信号。 为此，通常把放大器的噪声等效到输入端。