第二章--放大器的噪声源和噪声特性
第二部分：运算放大器噪声介绍
第二部分：运算放大器噪声介绍作者：TI高级应用工程师Art Kay噪声的重要特性之一就是其频谱密度。
电压噪声频谱密度是指每平方根赫兹的有效(RMS) 噪声电压（通常单位为nV/rt-Hz）。
功率谱密度的单位为W/Hz。
在上一篇文章中，我们了解到电阻的热噪声可用方程式 2.1 计算得出。
该算式经过修改也可适用于频谱密度。
热噪声的重要特性之一就在于频谱密度图较平坦（也就是说所有频率的能量相同）。
因此，热噪声有时也称作宽带噪声。
运算放大器也存在宽带噪声。
宽带噪声即为频谱密度图较平坦的噪声。
方程式2.1：频谱密度——经修改后的热噪声方程式图2.1：运算放大器噪声频谱密度除了宽带噪声之外，运算放大器常还有低频噪声区，该区的频谱密度图并不平坦。
这种噪声称作1/f 噪声，或闪烁噪声，或低频噪声。
通常说来，1/f 噪声的功率谱以1/f 的速率下降。
这就是说，电压谱会以1/f(1/2 ) 的速率下降。
不过实际上，1/f 函数的指数会略有偏差。
图2.1 显示了典型运算放大器在1/f 区及宽带区的频谱情况。
请注意，频谱密度图还显示了电流噪声情况（单位为fA/rt-Hz）。
我们还应注意到另一点重要的情况，即1/f 噪声还能用正态分布曲线表示，因此第一部分中介绍的数学原理仍然适用。
图2.2 显示了1/f 噪声的时域情况。
请注意，本图的X 轴单位为秒，随时间发生较慢变化是1/f 噪声的典型特征。
图2.2：时域所对应的1/f 噪声及统计学分析结果图2.3 描述了运算放大器噪声的标准模型，其包括两个不相关的电流噪声源与一个电压噪声源，连接于运算放大器的输入端。
我们可将电压噪声源视为随时间变化的输入偏移电压分量，而电流噪声源则可视为随时间变化的偏置电流分量。
图2.3：运算放大器的噪声模型运算放大器噪声分析方法运算放大器噪声分析方法是根据运放数据表上的数据计算出运放电路峰峰值输出噪声。
在介绍有关方法的时候，我们所用的算式适用于最简单的运算放大器电路。
《放大器的噪声》课件
本课程介绍了放大器的噪声性质、影响及降噪技术。通过深入探讨噪声源的 分类与测量方法，帮助您理解并提高放大器的性能。
噪声的定义
噪声是指电子电路中的非期望信号，通常以杂乱和不规则的形式出现。它们可能来自环境干扰、电源、分立元件以 及其他信号源。
噪声源的分类和特点
热噪声
由于元件内部热运动引起，随温度线性增加。
通过介绍实际案例，展示了如何使用噪声测量仪器、优化电路布局和调整元 件参数等方法，改进放大器的噪声性能。
结论和要点
通过本课程，您了解了噪声的定义、分类、测量方法以及噪声对放大器性能 的影响。同时，学习了降噪技术和改进方法，帮助您提高放大器的性能和可 靠性。
互调噪声
因非线性元件引起不同频率信号之间的信号互调产 生的噪声。
间隙噪声
由于电子注的注入或元件间的隙缝引起的噪声。
其他噪声
包括瞬态噪声、漏噪声和外部电磁辐射等。
噪声的测量方法
常见的噪声测量方法包括功率谱密度分析、噪声温度测量、噪声系数测量和噪声分析。
噪声对放大器性能的影响
1 信噪比下降
2 增益偏移
3 动态范围减小
噪声会掩盖原始信号，降低 放大器的信噪比。
Байду номын сангаас
噪声会引起放大器增益的非 线性偏移，导致失真。
噪声的存在限制了放大器能 够处理的最小和最大信号幅 度。
降噪技术与噪声性能改进
常见的降噪技术包括信号滤波、负反馈、优化电源和隔离等。这些技术可以降低噪声水平，提高放大器性能。
实例分析：放大器噪声测量和 改进方法
放大器的噪声资料
m o s 前置放大器的噪声Labo.rato.ries
纯电阻 信号源
等效输入噪声电压
En2i
En2s
En2
I
2 n
Rs2
噪声系数
信号源与放大器相互作用
12
广泛采用En－In噪声模型的原因
基于四端网络理论，简化分析; 模型所采用的各个参数容易测量;
*源电阻Rs的热噪声Ens
En2s 4kTRsf Ens 4kTRsf
14
3. 噪声系数 n级级联放大电路噪声系数：
m.o.s
Laboratories
F
F1
F2 1 K P1
F3 1 KP1 KP2
Fn 1 KP1 KP2 KPn－1
KP1很大时，F ≈ F1－－前置放大器的噪声贡献
例1：光电倍增管和雪崩光电二极管 高内增益
例2：光电二极管
无内增益
噪声系数最小
最佳源电阻
15
4. 最佳源电阻
m o s 前置放大器的噪L声abo.rato.ries
F
NP0 / KP NPi
＝放大器总的等效输入噪 声功率 输入端源电阻热噪声功 率
F
En2i En2s
En2s
En2
I
2 n
Rs2
En2s
1
En2 En2s
I
2 n
Zi
KV )2
I
2 n
(
Rs Zi Rs Zi
Kv )2
10
当信号源为Usi，输出 信号为：
Vso
2-4(6)运算放大器的噪声特性
Fa = F +
+
4kTRs B
2 2 I a = I n + 4kTB / R f 低噪声电阻 的1/f噪声可 Rs 忽略 Fa = F + Rf
负反馈电阻增加了电路的热噪声。
By TianGJ,YanshanUniv
2.74 反馈电路
2.7.4 反馈电路 负反馈不会改善放大器的内部固有噪声，负反馈 电阻增加了电路的热噪声。通过串并联电阻的方 法进行阻抗匹配是 不可取的。 However，只要反馈电阻增加的阻抗与源电阻相 比可以忽略，而且并联反馈阻抗足够大，那么加 入负反馈后热噪声特性可保持基本不变。 •在必须改变放大器输入阻抗的场合，可以考虑利用 负反馈解决问题。
R1
R2 200k uA741 + R2 200k
R2 2 R2 2 2 2 2 Vno = 2( ER1 ) + 2ER2 + En (1 + ) + 2( I n R2 )2 R1 R1
ER1 = 4kTR1 B ER2 = 4kTR2 B
1k R1 1k
•功率增益等于电压增益的平方
Vno≈177uV
= 20 2 × [(100 − 0.01) + 200 × ln( ≈ 0.88μV
类似地,计算电流噪声
100 = 0.552 ×[(100− 0.01) + 2000× ln( )], ( pA) 0.01 ≈ 75pA
By TianGJ,YanshanUniv
2.6.2 运算放大器的噪声性能计算
f E = e [( f B − f A ) + f ce ln( B )] fA
放大器的噪声有哪些
放大器的噪声基础IC的噪声有两种类型：一种是外部噪声，来源于IC外部；另一种是内部噪声，来源于器件本身。
外部噪声一些工程师认为外部噪声不应该被称为噪声，因为它不是随机产生的，使用“干扰”一词也许更恰当。
首先，简单谈谈三种外部噪声的主要来源：RFI耦合环境中充斥着各种电磁波，虽然这些射频干扰信号通常在目标带宽以外，但器件的非线性有时会调整这些信号，将其带入目标区域中。
特别是连接传感器的引线较长时，噪声一般会从输入引线进入电路。
抑制射频干扰的办法包括：输入端滤波、屏蔽和采用双绞线输入。
电源噪声电子电路抑制电源线信号的能力有限，尤其是频率较高时，因此必须先消除电源线上的高频干扰，使其无法到达低噪声电路。
可以对电源进行适当滤波以及IC本身采取良好的旁路措施来实现。
敏感模拟电路与数字逻辑应采用不同的电源，至少应深度滤波。
接地环路我们经常可以从原理图上看到很多的接地符号，但必须注意，在实际电路中任何两点的电位都不可能完全相等，电流会流经地线，从而产生电位差。
必须考虑电流如何流动，并将高电流路径与敏感电路隔离。
例如，实用新型接地配置，或者将模拟地层与数字地层接在一个点上。
内部噪声内部噪声来源于信号链中的电路元件，IC数据手册中相关的性能规格就是针对这种噪声。
典型的内部噪声源包括传感器、电阻、放大器和模数转换器。
电阻噪声电阻噪声分为两类：一是内部热噪声，这种噪声与电阻构造无关，仅取决于总电阻、温度和带宽，它与所施加的信号无关；二是附加电流噪声，通常被称为过量噪声，它取决于电阻的构造，与热噪声不同，电阻电流噪声与所施加的电压有关。
薄膜电阻和绕线电阻具有出色的电流噪声性能，其噪声主要是内部热噪声。
炭核电阻则不然，一般认为其噪声性能较差，在之后的讨论中我们将假设在低噪声设计中使用高质量薄膜电阻，因此可以忽略电流噪声，只专注于热噪声。
理想电阻的热噪声公式为：可以看出，热噪声取决于温度、电阻、带宽和波尔兹曼常数。
但在实际设计中，并不要求记住这个公式，因为我们有一个非常方便的速算法。
放大器的噪声
2. 晶体管的噪声 放大器中晶体管产生的噪声比电阻热噪声大的多。 晶体管的噪声主要有： 散弹噪声：载流子随机流动引起的噪声，是晶体 管主要噪声之源； 分配噪声：由集电极电流和基极电流分配比例起 伏引起的噪声； 闪烁噪声：它表现为发射极电流的起伏。它主要 在低频范围内起作用，在高频范围可以忽略； 热噪声：和电阻热噪声相同，主要是基区体电阻 产生的热噪声。
本章小结： 1．掌握LC并联谐振回路的基本特性和参数， 了解阻抗变换电路的工作原理 2．掌握小信号谐振放大器的电路、工作原 理、分析方法以及性能特点 3．了解谐振放大器的稳定性及提高稳定性 的措施 4．了解集中选频放大器的组成及工作特点 5．了解放大器中噪声的来源及分类ຫໍສະໝຸດ 2．4 放大器的噪声
一、噪声及分类 1．噪声：在信号处理过程中所遇到的无用的、有 害的干扰信号。 2．根据噪声的来源，可分为： ①人为噪声：人为设计电路不完善引起的； ②自然噪声：雷电、宇宙辐射、太阳黑子活动引 起的； ③起伏噪声：电子热运动产生的，又叫内部噪声。
二、放大器内部存在噪声 放大器内部存在噪声将影响放大器对微弱 信号的放大能力。放大器内部噪声是一种 随机信号，其频谱很宽，很难消除。尤其 在小信号放大器中，噪声的影响是不能忽 视的。 噪声的来源：放大器内部噪声主要来源是 电阻热噪声和晶体管噪声。
1.电阻热噪声 电阻热噪声是由于电阻内部电子无规则 热运动而产生的，所以，它的大小随温 度的升高而增大，同时，电阻的阻值越 大，产生的噪声也越大。 虽然电阻热噪声频谱很宽，但在放大器 中，只有位于放大器通频带内的一部分 噪声才能通过或得到放大，所以，放大 器的频带越宽，噪声也就越大。
ch3.9放大器中的噪声
3.9.5 场效应管的噪声
自然干扰 外部干扰 人为干扰
天电干扰 宇宙干扰 大地干扰 工业干扰
干扰与噪声
无线电台 有热噪声 自然噪声 散粒噪声 闪烁噪声 内部噪声 交流哼声 人为噪声 感应噪声 接触不良
图4.9.10 包括噪声电流与电压源的Ｔ型等效电路
电阻热噪声： 各电极的体电阻（基极体电阻） 自由电子热运动产生的噪声。 散粒噪声：
vb 'b 4kTrb 'b f
2
i 2qI E f
2 en
2 这是电子流的不均匀性引起的。 icn 0 2qI co f （白噪声） 分配噪声： 载流子在基区分配比例随机变化 2 所产生的噪声称为分配噪声。 2 ien 2qI C (1 )f （有色噪声）
Z A RA j 4kTA RAf n
2 n
ＴＡ为天线等效噪声温度。
晶体管的噪声主要有热噪声、散粒噪声、分配 噪声和１/f 噪声。 散粒噪声 分配噪声
2qIE f n
2qIC (1
2
0
) f n
热噪声
4kTrb f n
S ( f ) 4kTR
2 vn 4kTRf n
2 in 4kTGf n
其中：ｋ为玻耳兹曼常数，1.38×10-23 J/K。 T为电阻的绝对温度，290K (常温）。 Δfn为电路的等效噪声带宽。 Ｒ（或Ｇ）为Δfn内的电阻（或电导）值。
图3.9.3
电阻的噪声等效电路
天线等效电路由辐射电阻ＲＡ和电抗ＸＡ组成。
0
1 / f 噪声：低频时比较显著。在1KHz以上，则可以忽略。 （有色噪声）
放大器噪声
所谓噪声，就是在放大电路或电子设备的输出端与有用信号同时存在的一种随机变化的的电流或电压，没有有用信号是时它也存在。
电路噪声(放大器的噪声)一、放大电路内部噪声的来源和特点放大电路的内部噪声主要来源于包括输入变换在内的电阻热噪声和放大器件的噪声。
（一）放大器噪声_电阻的热噪声一个电阻在没有外加电压时，电阻材料的自由电子要作无规动，他的一次运动过程，会在电阻两端产生很小的电压，就一段时间来看，出现正负电压的概率相同，因而两端的平均电压为零。
但就一瞬时来看，电阻两端电压的大小和方向是随机变化的。
这种因热而产生的起伏电压称为电阻的热噪声。
噪声电压un(t)是随机变化的，无法确切地写出它的数学表达式。
而大量的实践和理论分析已经找出它们的规律性，可以用概率特性和功率谱密度来描述。
例如，电阻热噪声电压un(t)具有很宽的频谱，它从零开始连续不断，而且各个频率分量是相等的如下图所示：在较长时间里，噪声电压un(t)的统计平均值为零。
但是，假如将un(t)平方后再取其平均值，就具有一定的数值，称其为噪声电压的方均值，即电阻的热噪声可以用一个噪声电压源和一个无噪声的串联电阻R等效,也可以用一个噪声电流源和一个元噪声的电导g并联等效。
因功率与电压或电流的方均值成正比,电阻热噪声也可以看成是噪声功率源。
(二)放大器噪声_晶体三极管的噪声晶体三极管的噪声主要有四个来源。
1.热噪声2.散粒噪声由于com少数载流子由发射极通过PN结注入基区时,在单位时间内注人的载流子数不同,是随机起伏的。
这种起伏会影响到集电极电流的起伏,由此引起的噪声叫散粒噪声。
3.分配噪声晶体管发射区注入到基区的少数载流子中,一部分经过基极区到达集电极形成集电极电流,一部分在基极区复合。
载流子复合时,其数量是随机起伏的。
分配噪声就是集电极电流随基区载流子复合数量的变化而变化所引起的噪声。
4.闪烁噪声闪烁噪声又称为1/f噪声。
它主要在低频(几千赫以下)范围起主要作用。
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Snv (
f
)
En2 f
(V 2 / Hz )
Sni (
f
)
I
2 n
f
(A 2 / Hz )
eN
Snv ( f )
En f
iN
Sni ( f )
In f
2.2 放大器的噪声指标与噪声特性
2.2.4 放大器的噪声特性 1 等效输入噪声与信源内阻的关系
en2i et2 en2 in2Rs2
(3) 噪声因数 噪声系数的分贝表示方式：
NF=10lgF (dB)
2.2 放大器的噪声指标与噪声特性
2.2.2 联级放大器的噪声系数
Pxo K1K2 KM Pxi K2 KM P1 K3KM P2 KM PM 1 PM
M
M
M
Pxi Kk Pl
Kk
k 1
l 1 k l 1
M
KP K1K2K3Kk KM Kk
Pno
2.2 放大器的噪声指标与噪声特性
(2) 可检测的最小信号
F
Pno
Psi
(Pso / Psi )Pni SNRo Pni
Psi F SNRo Pni
可测最小信号
Eimin Psi F SNRo Pni
放大器的噪声系数 输出信噪比 放大器的输入噪声功率
2.2 放大器的噪声指标与噪声特性
噪声测度
M F 1 11/ K
噪声测度小的应 放前级
第一种 排列得 到的总 噪声系
数
如果 M1 M 2 ，则
F1
F2 1 K1
F2
F1 1 K2
第一种 排列得 到的总 噪声系
数
2.2 放大器的噪声指标与噪声特性
2.2.3 放大器的噪声模型
en
实际二
端口网络
in
无噪声二 端口网络
等效噪声源功率谱密度及平方根谱密度
电阻噪声源等效电路
R
It 4kTB / R
R
Et 4kTRB
电阻噪声电压源等效电路 电阻噪声电流源等效电路
2.1 电子系统内部的固有噪声源
2 阻容并联电路热噪声 R
et0
et R 1
1 et
jC jCR 1
et
jC
H () 1 1 jRC
Sto (
f
)
|
H(
f
)
|2
St (
f
)
4kTR
1 (2 f RC )2
PM K1K2 KM Pxi
2.2 放大器的噪声指标与噪声特性
各级放大器的噪声系数分配
F
1
P1 K1Pxi
P2 K1K2 Pxi
PM K1K2 KM Pxi
F1
Pxo1 K1Pxi
K1Pxi P1 K1Pxi
1
P1 K1Pxi
F2
Pxo2 K2Pxi
K2Pxi P2 K2Pxi
1 P2 K2Pxi
Ish Psh 2qIdcB
散弹电流平 方根谱密度
散弹电流有效值
ish
I sh B
2.1 电子系统内部的固有噪声源
2.1.3 1／f 噪声
(1) 早期模型
(2) 迁移率涨落模型
与接触面材料及形状有关的系数 流过样品的直流电流/A
Sf ( f )
Kf
I2
dc
f
(V2 / Hz)
Sf ( f )
1 f
aH
I
2
dc
N
频率/Hz
Pf
f2
Sf ( f )df
f1
Kf Id2c ln
f2 f1
2.1 电子系统内部的固有噪声源
2.1.4 爆裂噪声
(1) 早期模型
与半导体材料及杂质有关的常数 流过样品的直流电流/A
SB(
f
)
1
KB (f
Ib f0 )2
(A2 / Hz)
转折频率/Hz
2.2 放大器的噪声指标与噪声特性
F2 1 K1
P2 K1K2 Pxi
Fm
1
Pm Km Pxi
Fm 1
m1
Kl
Pm
m
Pxi
Kl
l 1
l 1
2.2 放大器的噪声指标与噪声特性
弗里斯公式：
F
F1
F2 1 K1
F3 1 K1K2
FM 1 K1K2 KM 1
在设计多级级联放大器时，要特别注意 第一级放大器的噪声。
2.2 放大器的噪声指标与噪声特性
4hf R
hf
ekT 1
量子理论的结果，h为普朗克常
量h=6.6210-34j·s，f为频率。
当 f 不太高(f<0.1kT/h≈1012Hz)时 (室温下T=300K)
分母项泰勒级数展开：
hf
e kT
1
hf
KT
St ( f ) 4kTR
Et
4kTRB
开路电阻两端的噪声电压有效值 （均方根值）
2.1 电子系统内部的固有噪声源
Pt E[et2o(t )]
Sto( f )df
0
kT C
C eto kT Eto C
2.1 电子系统内部的固有噪声源
2.1.2 PN结的散弹噪声
i = Idc+ish
散弹电流/A 平均直流电流/A 流过PN结的电流/A
Ssh ( f ) 2qIdc (A2 / Hz)
电子电荷
Psh E[is2h ] B Ssh ( f )df 2qIdcB
微弱信号检测
第2章放大器的噪声源和噪声特 性
2.1 电子系统内部的固有噪声源 2.2 放大器的噪声指标与噪声特性 2.3 二极管和双极型晶体管的噪声特性 2.4 场效应管的噪声特性 2.5 运算放大器的噪声特性 2.6 低噪声放大器设计 2.7 噪声特性测量
2.1 电子系统内部的固有噪声源
k 1
2.2 放大器的噪声指标与噪声特性
2.2.2 联级放大器的噪声系数
M
M
M
Pxo Pxi Kk Pl
Kk
k 1
l 1 k l 1
F
Pxo K P Pxi
1 1 Pxi
M
Pl
l 11MFra bibliotekKkM
Kk
k l 1
1
1 Pxi
M
Pl
l 1
1
l
Kk
k 1
k 1
1
P1 K1Pxi
P2 K1K2 Pxi
En2i Et2 En2 In2Rs2 4kTRsf En2 In2Rs2
2.2 放大器的噪声指标与噪声特性
2.2.4 放大器的噪声特性 1 等效输入噪声与信源内阻的关系
低噪声放大器
高噪声放大器
En2i
Et2 En2
2.2.1 单级放大器的噪声系数 (1) 噪声系数 (F :noise factor )
输出总噪声功率
F = 放大器无噪声时的噪声输出功率
输出噪声
F Pno Pno / Psi
输入噪声
Pni K P Pni K P / Psi
放大倍数 输出信号
Psi Pni SNRi
KP Psi SNRo
输入信号
2.1.1 电阻的热噪声 1 热噪声的统计特征
St ( f ) 4kTR
(V2 / Hz) 经典热力学的结论
电阻值/Ω 绝对温度/K 波尔兹曼常数＝1.38×10-23J/K
Pt E[et2] St ( f )df 4kTRB B 噪声电压
2.1 电子系统内部的固有噪声源
St ( f )