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智能测控系统设计第10讲 微弱信号检测技术噪声电子学本讲内容微弱信号处理技术概述信号与噪声的基本概念检测系统中的噪声模型LNA设计微弱信号基本概念微弱信号基本概念信号与噪声基本概念信号与噪声基本概念干扰干扰可以减小或消退的外部扰动可以减小或消退的外部扰动噪声噪声由于材料或器件的物理缘由所产生的扰动由于材料或器件的物理缘由所产生的扰动干扰是指非被测信号或非测量系统所引起的噪声，干扰是指非被测信号或非测量系统所引起的噪声，是来自于外界的影响而产生的非信号测量值。是来自于外界的影响而产生的非信号测量值。外界扰动：宇宙射线、宇宙电磁干扰、开关的电火外界扰动：宇宙射线、宇宙电磁干扰、开关的电火花、强广播、强电视信号等。花、强广播、强电视信号等。最通常的干扰：市电干扰和附件强电外部器件最通常的干扰：市电干扰和附件强电外部器件通常干扰时有规律的，可通过屏蔽、滤波、时间错通常干扰时有规律的，可通过屏蔽、滤波、时间错开、配置稳压电源等手段加以解除或减弱。开、配置稳压电源等手段加以解除或减弱。干扰源类型：干扰源类型：1.1.与被测量有相同类型的外界干扰源与被测量有相同类型的外界干扰源2.2.与传感器转换后的信号有相同类型的外界干扰与传感器转换后的信号有相同类型的外界干扰源源信号与噪声基本概念信号与噪声基本概念噪声噪声来自于被测对象、传感器、整个测控系统来自于被测对象、传感器、整个测控系统内部的噪声，由大量短尖脉冲组成，其幅度与相内部的噪声，由大量短尖脉冲组成，其幅度与相位都是随机的，脉冲的形态也多种多样。位都是随机的，脉冲的形态也多种多样。系统可检测的最小电平取决于噪声。（测量下限）系统可检测的最小电平取决于噪声。（测量下限）信号与噪声基本概念信号与噪声基本概念噪声的度量噪声的概率密度函数噪声的概率密度函数噪声的度量噪声的度量噪声的度量噪声的度量*均方根就是噪声的有效值均方根就是噪声的有效值噪声的度量噪声的度量噪声的度量单位？（噪声特征常用根PDS表示）噪声的度量噪声的度量高斯噪声通过线性滤波器的传播几种常见的电子噪声I.I.电阻中的热噪声电阻中的热噪声几种常见的电子噪声几种常见的电子噪声几种常见的电子噪声几种常见的电子噪声II.II.散粒噪声散粒噪声几种常见的电子噪声几种常见的电子噪声III.III.低频噪声（闪烁噪声、低频噪声（闪烁噪声、1/f1/f噪声噪声)几种常见的电子噪声几种常见的电子噪声IV.IV.爆裂噪声（爆裂噪声（Burst noiseBurst noise）几种常见的电子噪声几种常见的电子噪声IC放大器的两源噪声模型放大器输出端的总的噪声用等效到输入端的放大器输出端的总的噪声用等效到输入端的e enana、i inaIC放大器的噪声性能分析1 1。基本概念：。基本概念：（1 1）信噪比）信噪比SNRSNR（2 2）信噪比改善比（）信噪比改善比（SNIRSNIR）IC放大器的噪声性能分析深化分析：噪声系数深化分析：噪声系数噪声因数噪声因数IC放大器的噪声性能分析深化分析：可检测的最小信号深化分析：可检测的最小信号IC放大器的噪声性能分析例：设放大器的输入噪声只有信号源电阻例：设放大器的输入噪声只有信号源电阻Rs=1kRs=1k的热的热噪声，温度噪声，温度1717，放大器等效带宽，放大器等效带宽B=1kHzB=1kHz，噪声系，噪声系数数F=2F=2，要求，要求SNRo=10SNRo=10试求系统可检测的最小信号试求系统可检测的最小信号EiEi（0.566uV0.566uV）IC放大器的噪声性能分析2.2.级联系统级联系统因为每个放大器，都具有因为每个放大器，都具有 ，因而可忽视，因而可忽视inaina项项重点：设计低噪声信号处理系统，第重点：设计低噪声信号处理系统，第1级应接受低噪声放大器，级应接受低噪声放大器，且增益大于且增益大于5IC放大器的噪声性能分析2.2.级联系统级联系统因为每个放大器，都具有因为每个放大器，都具有 ，因而可忽视，因而可忽视inaina项项IC放大器的噪声性能分析例：将例：将3 3个放大器串联起来放大微弱信号，功率增益和个放大器串联起来放大微弱信号，功率增益和噪声系数如下表，如何连接三个放大器才能使总噪声噪声系数如下表，如何连接三个放大器才能使总噪声系数最小系数最小放大器功率增益（dB)噪声系数(F)A101.6B122.0C204.0A-B-C:F=1.718A-B-C:F=1.718A-C-B:F=1.9A-C-B:F=1.9IC放大器的噪声性能分析2 2。有噪声放大器的最小噪声模型。有噪声放大器的最小噪声模型假设：假设：e enana、i inana为白色、高斯分布，均方输入信号为白色、高斯分布，均方输入信号均方输出信号均方输出信号有噪声放大器模型的噪声因数：有噪声放大器模型的噪声因数：IC放大器的噪声性能分析运算放大器的输出噪声分析运算放大器的输出噪声分析IC放大器的噪声性能分析最佳源电阻最佳源电阻最佳源电阻匹配方法最佳源电阻匹配方法LNA设计1.1.有源器件的选择：有源器件的选择：BJTBJT、JFETJFET、MOSFETMOSFET 2.2.噪声匹配：变压器匹配技术噪声匹配：变压器匹配技术3.3.负反馈对噪声特性的影响负反馈对噪声特性的影响具有噪声限值的给定信号处理系统的辨别率的计算预料由于噪声的限值系统可辨别的被测量极限，即：多大的输入预料由于噪声的限值系统可辨别的被测量极限，即：多大的输入被测信号电平可以产生一个给定的系统输出被测信号电平可以产生一个给定的系统输出SNR1.反相运算放大器的最小可辨别沟通输入电压的计算反相运算放大器的最小可辨别沟通输入电压的计算输入信号：峰值输入信号：峰值Vs，频率，频率fs输出信号电压（输出信号电压（MS V）为：）为：总的均方输出噪声（总的均方输出噪声（MS V）为）为具有噪声限值的给定信号处理系统的辨别率的计算输出输出SNRo对于一个典型的系统参数：对于一个典型的系统参数：RF=105、R1=103、fT=12MHz、T=300K，ena=10nV RMS/,要得到要得到SNRo=1，计算得到，计算得到Vs峰值为峰值为6.65uV放大器等效噪声带宽放大器等效噪声带宽具有噪声限值的给定信号处理系统的辨别率的计算2.有白色和有白色和1/f噪声的最小可辨别直流电流的计算噪声的最小可辨别直流电流的计算设设ena含有含有1/f噪声，其它均为白噪声噪声，其它均为白噪声总的均方输出噪声（总的均方输出噪声（MS V）为）为放大器输出噪声的放大器输出噪声的PDS为为具有噪声限值的给定信号处理系统的辨别率的计算例：求例：求SNR=4时的时的Is用静电计用静电计AD549运放，参数为：运放，参数为：T=300k，B=2Hz，RF=1010、Gs=10-7S,ena=35nV RMS/,ina=0.2fARMS/,b=1.36*10-17 MS V可求出最小的直流电流可求出最小的直流电流Is=0.1153uA，系统输出端的直，系统输出端的直流电压为流电压为1.153mV具有噪声限值的给定信号处理系统的辨别率的计算3.求反相放大器的最大输出信噪比求反相放大器的最大输出信噪比总的均方输出噪声（总的均方输出噪声（MS V）为）为则信噪比则信噪比输出端的均方信号为输出端的均方信号为等效噪声带宽等效噪声带宽常规小信号处理方法常规小信号处理方法常规小信号处理方法常规小信号处理方法常规小信号处理方法