前置放大器电路噪声分析
前置放大器的低噪声设计
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｐ ｒ ｅｅ ｔ ｃｄ ｔ ｃｏ ＇ ｏ ｔ ｕ ｉ ｎ ｌｓｖ ｒ ａ ｓｒ ｃ ： ｙ ｏ ｌｃｒ ｅ ｅ ｔ ｒ ｕ ｐ ｔ ｇ ａ ｅ ｗｅ ｋ， Ｓ ｅｒ ｓ ｏ ｓ ａｅｉ ｗ， ｔ ｅｐ ｅａ ｌ ｅ ｓ ｂ ｓ ｄｉ ｉ ｓ ｓ ｉ ｙ Ｏｔ ｐ ｎ ｅｒｔ ｌ ｈ ｅ ｓｏ ｈ ｒ — ｍｐ ｉ ｒ ｉ ｆ ｍｕ ｔ ｅｕ ｅ ｎ
ｃ ｎｕｔ ｎｎｏｄｒｏｍｐｏ ｅ ｅ ｅｐ ｎ ｅａｅ Ｏ ｒ－ ｐｉｅ ｎ ｉ ａｔ ｎ ｅｐｎ ｅａｅ ｅｔＴ ｅ ａｅ ａｔｆ ｍ ｏｊｃｉ ｅ ｒｖ ｓｏ ｓ ｔ，Ｓ ｅａ ｌ ｒ ｏｓ ｉ ｃ ｓｏ ｓ ｔｓ ｒａ． ｈ ｐｒｔｒ ｏ ｏ ｉ ｒ ｔｉ ｈ ｔ ｒ ｒ ｐ ｍ ｆ ＇ ｅｍｐ ｏ ｒ ｉ ｒ ｇ ｐ ｓ ｓｒ
此前置放大器的噪声对响应率的影响很大。本文从 热释 电探测器对前置放 大器的要求入手 ，从噪声 匹配的方 法、无
源器件的选取以及放 大器的屏 蔽与接地三个 角度提 出如何降低 前置放 大器的噪 声以提 高响应率。 关键词 ：热释电探 测器；前置放 大器；响应率
中图分类号 ：Ｔ ２ ５ Ｎ １ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１７ —９７ ２ １ ０ －０ ５ －０ ６ ２ ８ ０（ ０ １） ２ ０ １ ３
对一定调制频率的光源 ，应选用窄带选频放大
人低负载电阻尼Ｃ 砭） ＆≤ 。此时，探测器的响应时间 常数为 见 和 ｃ的乘积 ，￣ － Ｌ 。其中 ｃ ｃ ［ ＲＣ ｈ ＝ ＝ Ｇ，
Ｇ为器件电容 ， 为场效应管的输入电容 。 同所 有探测 器一 样 ，热释 电探测 器 的探测 率 同 样受其噪声的限制 。热释电探测器必须考虑的基 本噪声源是 电阻的热噪声、由元件热力学特性决定 的温度或背景辐射噪声以及放大器噪声。放大器噪
前置低噪声放大器的研究与设计
ｉ ｓ ｌ ｏ ｗ ｅ ｒ ｔ ｈ ａ ｎ １ ｎ Ｖ／ ￣ ／ Ｈｚ ． Ｔ ｈ ｉ ｓ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｓ ｍａ ｌ ｌ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ １ ．
目前国内外市场上有很多高性能的低噪声运算放大器可供选用不同于文献2中所描述的其低噪声特性劣于用分立元件构成的前置放大器2这些运放已经能够达到或接近由分立元件组成的放大器的性能但运放存在一些固有的缺点首先是价格昂贵其次低噪声运放一般需要至少10v5v供电电压并且电流不小于5ma这在一些低压单电源供电的场合是很难实际使用的35
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｍａ ｌ ｌ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ａ ｌ ｏ ｗ ｎ ｏ ｉ ｓ ｅ ｐ ｒ ｅ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ｂ ｙ ｕ ｎ ａ ｔ ｔ ａ ｃ ｈ ｅ ｄ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｓ ． Ｃｏ ｍｐ ａ ｒ ｉ ｓ ｏ ｎ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ｂ ｙ ｏ ｐ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ｅ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｂ ｉ ｐ ｏ ｌ ａ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｏ ｒ ａ ｂ ｏ ｕ ｔ ｉ ｎ ｐ ｕ ｔ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｎ ｏ ｉ ｓ ｅ
摘
要 ：为 了检测传感器输 出的微 弱信 号 ， 使用分立元件设计 了一种低 噪声前 置放 大电路。对比运放 放大 电路 ， 详细
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
分 析 了 影 响 双 极 型 晶 体 管 输 入 电压 噪 声 密 度 的参 数 ， 其中 Ｉ … 和 对 电路 性 能 影 响较 大 ， 根 据 这 些 参 数 及 多 级 放 大 器 噪 声 理 论 设 计 了 电路 。分 析 了 电路 结 构 ， 并 根 据 不 同使 用 场 合 给 出 了 不 同 的 改 进 建 议 。给 出 了 幅 频 特 性 和 噪 声 密 度 曲线 ， 仿 真 和测 试 均 证 明 本 电 路 噪 声 密 度 低 于 １ ｎ Ｖ ／
半导体器件的噪声分析与抑制
半导体器件的噪声分析与抑制近年来，随着科技的飞速发展，人们对于半导体器件的需求也越来越高。
然而，随之而来的问题是，半导体器件中的噪声也越来越显著。
噪声是指在电子器件工作过程中产生的不希望的信号，它会影响到器件的性能和可靠性。
因此，对于半导体器件的噪声分析与抑制显得至关重要。
噪声分析是首要的步骤。
在半导体器件中，噪声主要来自于器件结构上的随机扰动以及电流和电压的涨落。
其中，热噪声是最常见的一种噪声，它来自于器件的温度，通常用单位带宽噪声电压密度（nV/Hz^0.5）来衡量。
当然，除了热噪声之外，还有其他噪声源，比如亚米噪声、脉冲噪声等。
这些噪声源的分析对于了解器件的性能和工作原理非常重要。
为了减少噪声对半导体器件的影响，需要进行噪声抑制的方法研究。
首先，我们可以通过改进器件结构来抑制噪声。
例如，在MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）中，通过增加栅氧化层的厚度，可以减少栅氧化层中的缺陷和介质噪声。
此外，还可以通过改变金属线的宽度和间距来减小金属线本身的电阻噪声。
其次，噪声抑制还可以通过优化电路设计来实现。
例如，针对前置放大器这一常见的电路，可以采用差模输入来降低共模噪声；对于功放电路，可以采用电流源和负反馈来减小噪声。
此外，通过合理选择工作点和增加偏置电流，也可以有效地抑制噪声。
除了改进结构和电路设计之外，选择合适的材料也可以减少噪声。
比如，在半导体器件中，硅材料是常用的材料之一，但是它的噪声相对较高。
而通过使用氮化硅等低噪声材料，可以明显降低器件中的噪声。
此外，还可以通过信号处理和滤波器设计来抑制噪声。
在信号处理的过程中，可以使用滤波器技术来滤除噪声。
常见的滤波器包括低通滤波器、带通滤波器和陷波滤波器等。
这些滤波器可以根据具体的实际情况进行选择和设计，以实现最佳的噪声抑制效果。
总之，半导体器件的噪声分析与抑制是一个复杂而重要的问题。
通过对噪声源进行分析，并采取相应的结构改进、电路设计、材料选择和信号处理方法，才能有效地减少噪声对器件性能的影响。
2-2低噪声前置放大器
（ 3 ） 利 用 NF 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Eni。
由公式：
E ni 10
NF 20
4 KTRs f
可以由等值图中最小的NF 值即能计算出低噪声前放在 一定条件下的最小的Eni，这就是MDS。
●在科研和开发中，选购低噪声前放时，应注意 利用NF图及有关技术参数。
●若已知放大器等效输入噪声Eni的大小，将Eni 和放大器输入端的信号Vs 进行比较，就可判 定这个放大器是否符合要求； 一般是根据系统（Vs/Eni）的比值的要求来选 定放大器的NF值。 ●注意：NF值和Eni的大小都是和源电阻及带宽 Δ f 密切相关的。 其中带宽Δ f是由系统的需要所确定的，并且 是由系统中的某一部件，例如带通滤波器或 者前放本身所决定的。
光电信号处理
第二章 低噪声前置放大器 （2）
§2.6 多级放大器的噪声系数NF1,2,…n
单级放大器噪声系数NF
Pni为输入端噪声功率，即源的噪声功率 Pn为放大器内部噪声在输出端的体现 Pno为输出端总的噪声功率 Ap为放大器的功率增益 根据噪声系数NF的定义，有：
pn NF 1 AP p ni
E ni
En0 Avs
关键是第一步A，第二步B可用电子技术中的方法， 现在对A、B分别进行详细说明。
NF1, 2n
NFn 1 NF2 1 NF3 1 NF1 A p1 A p1 A p 2 A p1 A p 2 A pn1
●这个公式可以看出：
多级放大器噪声系数的大小，主要取决于第一 级放大器的噪声系数；
为了使多级放大器的噪声系数减小 应尽量减小第一级的噪声系数， 提高第一级的功率放大倍数Ap1，
DS-3000数据分析系统噪声分析简易操作说明
DS-3000数据分析系统噪声分析简易操作说明小野测器http://www.onosokki.co.jp/CHN/chinese.htmDS-3000数据分析系统 噪声分析操作说明注意：本资料为DS-3000数据分析系统使用方法的参考辅助说明，详细内容请参阅随机附带的DS-3000数据分析系统使用说明资料。
本资料与DS-3000数据分析系统使用说明资料如有出入之处，以DS-3000数据分析系统使用说明资料为准。
以下说明DS-3000数据分析系统，利用传声器及前置放大器MI 系列或声级计作为传感器来进行的噪声分析的操作方法。
■ 系统构成由DS传感器与处理系统的连接DS-3000可对应利用传声器或声级计，进行噪声测量分析。
1） 传声器及前置放大器MI 系列使用时的连接方法如使用传声器及前置放大器组合可不通过传感器放大器直接连接传感器到DS 系统。
2） 声级计作为传感器使用时的连接方法声级计的AC信号输出经BNC信号电缆连接DS系统以上是使用1套传感器连接DS 进行1通道噪声测量分析的连接方法。
通常，MI 系列传声器及前置放大器组合，声级计可以与DS 系统的输入单元中任意一个输入通道（1-4通道，最大32通道）相连接。
DS 主机及信号输入单元的各部名称噪声测量时传感器的设置进行噪声测量时通常使用传声器或声级计作为信号传感器，传声器或声级计可使用三脚架固定设置在被测物附近，传声器应指向被测物的方向。
同时为了测量分析数据的比较，进行比较测量时，应确保传声器头部到被测物的距离一致。
传声器及前置放大器使用固定件MI-0301，安装在三脚架上。
声级计则可直接安装在三脚架上。
＜正面＞（转速信号等）＜ 背面 ＞端子（选配件）DC直流电源端子（可使用AC电源适配器或DC直流电源）保护配件■ 操作说明流程1 测试软件的起动2 创建新测试项目3 表示画面的设定4 信号输入源的表示设定5 输入通道CCLD的设定（使用传声器及前置放大器组合时）6 测量分析的开始/停止7 波形表示的Y轴表示形式8 测量单位设定与校准9 输入电压量程10 测量分析频率量程范围11 频率特性加权12 功率谱的平均处理13 Y轴尺度表示14 指示光标的表示与指示值15 数值表的表示16 3维数据图形表示17 倍频程数值的计算表示18 数据保存19 保存数据的读取表示20 测量分析数据的比较21 数据及波形画面的复制22 测试项目的保存与读入23 再起动时的条件设定24 测试的结束■ 操作说明1测试软件的起动起动电脑并接通DS的电源。
电唱机前置放大器
如图所示为低噪声高保真RIA前置放大电路。
该电路使用了一片超低噪声精密运放O PA37E和一片介质隔离场效应管输入型宽带运放OPA606。
OPA37E运放作为低噪声前置放大，输入信号由电磁式拾音器取得，并送入OPA37E的同相输入端(引脚3)，与电磁式拾音器配合的负载R和C(图中电阻为47.5kΩ，电容为150pF)的数值应与拾音器匹配，其大小可选用拾音器厂家推荐的数据。
引脚6、2之间的阻值为2.49kΩ的电阻为反馈电阻，它与阻值为49.9Ω的电阻构成前置级电压串联负反馈，因而OPA37E放大电路的电压放大倍数为A v1=(1+2.49kΩ／49.9Ω)=51倍，0PA37E的输出电压由引脚6送出，并经阻容网络(电阻为7. 32kΩ、1.05kΩ，电容为0.1μF、0.3μF)组成双时常数电路，用以改善频率特性，该网络对音频信号将引入一定的衰减。
由OPA37E输出的信号送入后级OPA606的同相输入端(引脚3)，由3.74MΩ和200Ω电阻构成反馈电路，并引入电压串联负反馈，由反馈支路可得该级的电压放大倍数为20倍。
考虑到电路中三部分(OPA37E前置放大，双时常数阻容网络和后级0PA606)的影响，整个电路在中频段的总电压放大倍数约为100倍。
由于OPA37E的低噪声特性和OPA606的高保真(宽带)特性，保证了电唱机前置放大器具有极优良的性能。
电路中所有电阻应选用高精度(1％)的金属膜电阻，电容应选用有机合成膜电容(如涤纶电容、聚丙烯电容等)，并应在正、
负电源端(引脚7、4)外接足够大的去耦电容。
放大器的噪声分析
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设放大器在输入端和信号源是功率匹配的，
即Rs=Ri，
在输出端和负载也是功率匹配的：Ro=RL
放大器的功率增益为APH。 信号源的内阻Rs产生的热噪声电压均方值为:
En2s 4KTRsf
而放大器的输入噪声功率则为：Pni
En2s 4Rs
KTf
该噪声功率放大后为：Pni Ap APH KTf
或： NF
1
Pn Pni Ap
放大器产生的噪声功率 1 源电阻产生的输出噪声功率
它们分别从不同的角度说明了噪声系数 的含义，是完全等效的。
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在计算具体电路的噪声系数时，用后面两 式比较方便。
应该指出，噪声系数的概念仅仅适用于线 性电路（线性放大器），因此可以用功率 增益来描述。
T(NF 1)
Ti就称为放大器的噪声温度。 当Ti=0时，NF=1表示放大器本身不产生噪声，是理
想的无噪声放大器；
当本Ti=身T时所（产=生29的0K噪）声则和NF信=2号（源NF所=3输dB入）的，噪表声示相放等大。器
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在功率匹配情况下，放大器的总的输出噪声 功率：
Pn0 APH KTf APH KTi f APH K (T Ti )f
对于非线性电路而言，不仅得不到线性放 大，而且信号和噪声、噪声和噪声之间会 相互作用，即使电路本身不产生噪声，在 输出端的信噪比和输入端的也不相同。 因此噪声系数的概念就不能适用。
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§2.4 最佳源电阻Ropt与最小噪声系数NFmin
根据前面导出的噪声系数表达式
NF
En2s
En2
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等效输入噪声曲线
低噪声放大实验技术的电路设计与噪声测量方法
低噪声放大实验技术的电路设计与噪声测量方法引言：在电子领域中，噪声一直是一个令人头疼的问题。
尤其在放大器设计中，噪声的存在对信号品质产生不可忽视的影响。
为了提高放大器的性能和减少噪声的影响，低噪声放大器设计技术得到了广泛的研究与应用。
本文将介绍低噪声放大实验技术的电路设计以及常用的噪声测量方法。
一、低噪声放大器电路设计1. 噪声源识别在进行低噪声放大器设计之前，首先需要识别噪声的来源。
在放大器中，噪声主要有热噪声、亚瑟贝克效应和1/f噪声等。
了解噪声源的类型可以有针对性地进行电路设计和噪声分析。
2. 选择低噪声元件在放大器电路中，选择低噪声元件是实现低噪声放大的重要步骤。
例如，低噪声管可以在前置放大器中使用，而噪声系数较小的电阻器则可以在电路中使用。
3. 优化电路布局电路的布局也对噪声性能产生影响。
在电路设计中，应尽量避免元件之间的相互干扰，减少电流回路的面积。
同时，还可以采取屏蔽措施，减少外界干扰对电路的影响。
4. 运用差动对抗共模噪声技术差动对抗共模噪声技术是一种常用的低噪声放大器设计方法。
通过在电路中引入差动对抗结构，可以有效抑制共模噪声的影响，提高信号的纯净度。
5. 使用负反馈技术负反馈技术在放大器设计中被广泛应用。
通过引入负反馈回路，可以降低放大器的噪声系数，提高整体的信噪比。
在设计中，合理选择反馈系数和优化反馈回路的参数是关键。
二、噪声测量方法1. 噪声功率谱密度测量噪声功率谱密度是描述噪声分布频率特性的重要参数。
常用的测量方法是通过谱分析仪进行，将信号输入到谱分析仪中，然后读取噪声功率谱密度曲线。
此方法适用于分析噪声的频域分布特性。
2. 噪声参数测量常见的噪声参数包括噪声系数、亚瑟贝克系数和1/f噪声系数等。
测量方法主要通过连接噪声源和测量设备，例如噪声系数测量器，对噪声参数进行测量并记录结果。
3. 热噪声测量热噪声是放大器中最主要的噪声源之一，测量方法通常是通过连接热阻或热电偶等元件，将其输入到噪声测量装置中进行测量。
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前置放大器电路噪声分析
前置放大器在音频系统中的作用至关重要。
本文首先讲解了在为家庭音响系统或PDA设计前置放大器时，工程师应如何恰当选取元件。
随后，详尽分析了噪声的来源，为设计低噪声前置放大器提供了指导方针。
前置放大器是指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备，例如置于光盘播放机与高级音响系统功率放大器之间的音频前置放大器。
前置放大器是专为接收来自信源的微弱电压信号而设计的，已接收的信号先以较小的增益放大，有时甚至在传送到功率放大器级之前便先行加以调节或修正，如音频前置放大器可先将信号加以均衡及进行音调控制。
无论为家庭音响系统还是PDA设计前置放大器，都要面对一个十分头疼的问题，即究竟应该采用哪些元件才恰当？
元件选择原则
由于运算放大器集成电路体积小巧、性能卓越，因此目前许多前置放大器都采用这类运算放大器芯片。
我们为音响系统设计前置放大器电路时，必须清楚知道如何为运算放大器选定适当的技术规格。
在设计过程中，系统设计工程师经常会面临以下问题。
1、是否有必要采用高精度的运算放大器？
输入信号电平振幅可能会超过运算放大器的错误容限，这并非运算放大器所能接受。
若输入信号或共模电压太微弱，设计师应该采用补偿电压（Vos）极低而共模抑制比（CMRR）极高的高精度运算放大器。
是否采用高精度运算放大器取决于系统设计需要达到多少倍的放大增益，增益越大，便越需要采用较高准确度的运算放大器。
2、运算放大器需要什么样的供电电压？
这个问题要看输入信号的动态电压范围、系统整体供电电压大小以及输出要求才可决定，但不同电源的不同电源抑制比（PSRR）会影响运算放大器的准确性，其中以采用电池供电的系统所受影响最大。
此外，功耗大小也与内部电路的静态电流及供电电压有直接的关系。
3、输出电压是否需要满摆幅？
低供电电压设计通常都需要满摆幅的输出，以便充分利用整个动态电压范围，以扩大输出信号摆幅。
至于满摆幅输入的问题，运算放大器电路的配置会有自己的解决办法。
由于前置放大器一般都采用反相或非反相放大器配置，因此输入无需满摆幅，原因是共模电压（Vcm）永远小于输出范围或等于零（只有极少例外，例如设有浮动接地的单供电电压运算放大器）。
4、增益带宽的问题是否更令人忧虑？
是的，尤其是对于音频前置放大器来说，这是一个非常令人忧虑的问题。
由于人类听觉只能察觉大约由20Hz至20kHz频率范围的声音，因此部分工程师设计音频系统时会忽略或轻视这个“范围较窄”的带宽。
事实上，体现音频器件性能的重要技术参数如低总谐波失真（THD）、快速转换率（slew rate）以及低噪声等都是高增益带宽放大器所必须具备的条件。
深入了解噪声
在设计低噪声前置放大器之前，工程师必须仔细审视源自放大器的噪声，一般来说，运算放大器的噪声主要来自四个方面：
1、热噪声（Johnson）：由于电导体内电流的电子能量不规则波动产生的具有宽带特性的热噪声，其电压均方根值的正方与带宽、电导体电阻及绝对温度有直接的关系。
对于电阻及晶体管（例如双极及场效应晶体管）来说，由于其电阻值并非为零，因此这类噪声影响不能忽视。
2、闪烁噪声（低频）：由于晶体表面不断产生或整合载流子而产生的噪声。
在低频范围内，这类闪烁以低频噪声的形态出现，一旦进入高频范围，这些噪声便会变成“白噪声”。
闪烁噪声大多集中在低频范围，对电阻器及半导体会造成干扰，而双极芯片所受的干扰比场效应晶体管大。
3、射击噪声（肖特基）：肖特基噪声由半导体内具有粒子特性的电流载流子所产生，其电流的均方根值正方与芯片的平均偏压电流及带宽有直接的关系。
这种噪声具有宽带的特性。
4、爆玉米噪声（popcorn frequency）：半导体的表面若受到污染便会产生这种噪声，其影响长达几毫秒至几秒，噪声产生的原因仍然未明，在正常情况下，并无一定的模式。
生产半导体时若采用较为洁净的工艺，会有助减少这类噪声。
此外，由于不同运算放大器的输入级采用不同的结构，因此晶体管结构上的差异令不同放大器的噪声量也大不相同。
下面是两个具体例子。
1、双极输入运算放大器的噪声：噪声电压主要由电阻的热噪声以及输入基极电流的高频区射击噪声所造成，低频噪声电平大小取决于流入电阻的输入晶体管基极电流产生的低频噪声；噪声电流主要由输入基极电流的射击噪声及电阻的低频噪声所产生。
2、CMOS 输入运算放大器的噪声：噪声电压主要由高频区通道电阻的热噪声及低频区的低频噪声所造成，CMOS放大器的转角频率（corner frequency）比双极放大器高，而宽带
噪声也远比双极放大器高；噪声电流主要由输入门极漏电的射击噪声所产生，CMOS放大器的噪声电流远比双极放大器低，但温度每升高10（C，其噪声电流便会增加约40%。