第2章 放大器的噪聲與屏蔽接地技術(shù)

第2章放大器的噪聲

與屏蔽接地技術(shù)

第2章放大器的噪聲與屏蔽接地技術(shù)

電子技術(shù)的發(fā)展，使目前大量信息的測(cè)量，最終都轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的測(cè)量。因被測(cè)信號(hào)一般較弱，幾乎各種測(cè)量系統(tǒng)都具有電子放大器。對(duì)于弱信號(hào)測(cè)量，放大器、尤其是前置放大器噪聲的大小，將是十分重要的，會(huì)影響測(cè)量的成敗。本章主要內(nèi)容：2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量2-2低噪聲前置放大器2-3低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器特性2-4屏蔽、接地與布線2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量

一、噪聲系數(shù)（F）

一個(gè)放大器的噪聲性能好壞，不僅是看內(nèi)部噪聲源的大小及性質(zhì)，更主要的是看在信號(hào)傳遞及放大過程中對(duì)信噪比（SNR）的惡化程度。也就是，從微弱信號(hào)檢測(cè)角度來看，更關(guān)心放大器的噪聲引起SNR的降低程度。因此，引入放大器的噪聲系數(shù)這個(gè)十分重要的指標(biāo)。

噪聲系數(shù):表示一個(gè)有內(nèi)部噪聲源的放大器在信號(hào)傳遞時(shí)使信噪比惡化的程度，是用來衡量放大器噪聲性能好壞的一個(gè)常用指標(biāo)，無論在通信、雷達(dá)及信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中均占有重要地位。放大器的噪聲系數(shù)定義為：

（2-1）

2-1噪聲系、噪聲因子和其它噪聲度量參量一、噪聲系數(shù)（F）

注意：（1）無內(nèi)部噪聲源的放大器，F(xiàn)=1；（2）有內(nèi)部噪聲源的放大器，則F>1，且F越大，放大器的噪聲越嚴(yán)重，從而使該放大器對(duì)所傳遞的信號(hào)的信噪比惡化程度越嚴(yán)重。設(shè)K為系統(tǒng)的功率增益，則有

（2-2）式（2-2）說明，除FP=1的情況外，輸出的噪聲功率一般不等于輸入噪聲功率的K倍。

2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量一、噪聲系數(shù)（F）設(shè)G為系統(tǒng)的電壓增益，則有

（2-3）式（2-3）說明，除FV=1的情況外，輸出的有效噪聲電壓一般不等于輸入有效噪聲電壓的G倍。

二、噪聲因子（NF）1．噪聲因子（NF）的定義

噪聲因子（NF）定義為

（2-4）

FP表示用功率測(cè)定的噪聲系數(shù)；FV表示用電壓測(cè)定的噪聲系數(shù)。噪聲因子NF

單位為分貝。當(dāng)NF=0分貝時(shí)，是為無噪聲放大器；噪聲因子NF越大，放大器的噪聲性能越糟。

2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量二、噪聲因子（NF）1．噪聲因子（NF）的定義

簡(jiǎn)化：假設(shè)信號(hào)源中無噪聲，只考慮源電阻RS的噪聲，其熱噪聲電壓為，圖中RS是無噪聲電阻；電壓增益為A的實(shí)際的放大器可等效為一個(gè)電壓增益為A無噪聲的放大器和一個(gè)等效噪聲電壓源VN及一個(gè)等效噪聲電流源IN。由圖2-1可寫出輸出端的總噪聲電壓，即

（2-5）

2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量二、噪聲因子（NF）1．噪聲因子（NF）的定義輸出端的信噪比為

（2-6）輸入端的信噪比為

（2-7）

噪聲因子NF為

（2-8）2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量二、噪聲因子（NF）1．噪聲因子（NF）的定義

注意：式中VN、IN為放大器單位頻率間隔內(nèi)的噪聲，實(shí)際常與頻率有關(guān)，故NF是隨頻率變化的。上式也表明，NF與信號(hào)源內(nèi)阻RS有關(guān)。因此，放大器與不同頻率、不同內(nèi)阻信號(hào)源連接使用時(shí)，會(huì)具有不同的噪聲性能。若令，為輸出端折算到輸入端的噪聲則有

（2-9）或

（2-10）上式表明，可從測(cè)得的NF值求得，而不必具體求VN與IN。2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量二、噪聲因子（NF）2．放大器NF值的測(cè)量

NF值的測(cè)量方法有：（1）最簡(jiǎn)單的放大器NF值的測(cè)量方法：是將輸入端短路，測(cè)量輸出電壓的有效值。缺點(diǎn)：此方法丟失了信號(hào)源RS的影響，因此所測(cè)噪聲不夠真實(shí)。

2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量二、噪聲因子（NF）2．放大器NF值的測(cè)量（2）噪聲發(fā)生器法：用噪聲發(fā)生器測(cè)量噪聲的方法。NG是一噪聲發(fā)生器，Rg是NG的阻抗，Rs是源電阻。根據(jù)不同的Rs測(cè)量各NF值。開關(guān)K有兩個(gè)位置：A和B。A接地，B接NG的輸出。被測(cè)放大器后續(xù)一個(gè)帶通濾波器（BPF），其目的是改變BPF的中心頻率f0，以測(cè)量NF隨f0的變化。rms表用以測(cè)量結(jié)果。當(dāng)K處于A位置時(shí)，選擇固定Rs和f0，rms表有一讀數(shù)VN；將K撥至B位置時(shí)，調(diào)節(jié)NG的大小，使rms表的讀數(shù)為，這時(shí)NG的輸出即為源電阻Rs的熱噪聲與放大器噪聲折合到放大器輸入端的值。根據(jù)

2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量二、噪聲因子（NF）2．放大器NF值的測(cè)量

（2-10）即可計(jì)算出器NF值。注意，此時(shí)的BPF的帶寬為已知值。這樣，改變Rs和f0，可獲得一系列的NF測(cè)量數(shù)據(jù)。噪聲發(fā)生器法是根據(jù)噪聲的不相干原理，采用與測(cè)量輸入阻抗相類似的疊加法，因而比較簡(jiǎn)單。但在實(shí)際測(cè)量中，有一些困難：①NG需要有較寬的頻率范圍，使之能與放大器的工作頻率相適應(yīng)；②NG需要精確定標(biāo)，因?yàn)檎嬲谋粶y(cè)值是從NG讀出的刻度；③要有一組適合于各個(gè)連續(xù)頻率（或間隔很小的跳點(diǎn)頻率）的BPF，且BPF的帶寬需要預(yù)先測(cè)定。這些，都是實(shí)際測(cè)量NF時(shí)的必要條件，但常常不易得到滿足。

2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量二、噪聲因子（NF）2．放大器NF值的測(cè)量（3）正弦波發(fā)生器法：用正弦波發(fā)生器（SG）代替圖2-3中的NG，即得到正弦波發(fā)生器法的測(cè)量框圖。測(cè)量時(shí)，先將開關(guān)K放于B的位置，使SG輸出Vin的信號(hào)，在rms表上讀出Vout的值，這樣可求得放大器的增益A。然后，將開關(guān)K撥至A的位置，此時(shí)rms表上讀出的數(shù)值，是一定Rs、f0及條件下的輸出噪聲。將其除以A，則得到折合到輸入端的噪聲。利用（2-10）式，可求得NF值。正弦波發(fā)生器法的主要問題與噪聲發(fā)生器法相同，需要一組可變f0的

BPF，使其測(cè)量不甚方便。

2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量二、噪聲因子（NF）2．放大器NF值的測(cè)量（4）LIA法：LIA法是針對(duì)正弦波發(fā)生器法的困難而設(shè)計(jì)的，是目前測(cè)量NF比較可靠而實(shí)用的方法。利用LIA的目的是解決一個(gè)可變中心頻率f0的窄帶BPF，以提高測(cè)量靈敏度。LIA的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其輸出為直流電壓，因此，用于測(cè)量的rms表可用直流電壓表、數(shù)字電壓表或X-Y記錄儀代替，它們都有很高的靈敏度。LIA法測(cè)量NF的框圖如圖2-4所示。LIA代替BPF，測(cè)量方法與正弦波發(fā)生器法相同。

2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量二、噪聲因子（NF）3．NF圖及其應(yīng)用

對(duì)同一放大器，改變Rs和f0，可得到一系列的NF值，若以Rs和f為坐標(biāo)，將所有NF值（用dB表示）相等的點(diǎn)連接起來，就構(gòu)成一幅NF的等值線，叫作放大器的噪聲因子圖（NF圖）。不同的放大器有不同的NF圖，放大器一經(jīng)設(shè)計(jì)完成，NF圖的結(jié)果是唯一的。圖2-5是113型前置放大器的NF圖，它充分反映了放大器的噪聲特性。2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量二、噪聲因子（NF）3．NF圖及其應(yīng)用以113型前置放大器的NF圖為例進(jìn)行分析：（1）從NF圖中，可選擇NF值最小的Rs和f0的范圍。圖中，NF值最小為0.05dB，與其對(duì)應(yīng)的源電阻Rs約在500kΩ-10MΩ、工作頻率約在10Hz-103Hz之間。更理想的選擇是Rs=1MΩ和f0=100Hz，說明此放大器適用于在高輸入阻抗和低頻下工作。如果此放大器所測(cè)量的是低源電阻的信號(hào)，如熱電偶，Rs為10Ω，工作頻率在1Hz，則NF高大40dB；若工作在40Hz，則降至30dB。由此可見，同一放大器，工作情況不同，放大器本身的噪聲也會(huì)不同。

2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量二、噪聲因子（NF）3．NF圖及其應(yīng)用（2）在實(shí)際的微弱信號(hào)檢測(cè)中，不同的檢測(cè)對(duì)象，其源電阻和工作頻率往往差別很大。例如，光電倍增管（PMT）輸出信號(hào)一般是高阻Rs；熱電偶的Rs卻是低阻值。又如，聲學(xué)或生物醫(yī)學(xué)的使用常在低頻范圍；而某些電檢測(cè)又常常避開1/f噪聲，選擇中頻區(qū)；在結(jié)電容的橋路檢測(cè)中，又需要高頻工作范圍。根據(jù)NF圖可選擇最適用的前置放大。圖2-6是不同類型的低噪聲前置放大器各自的NF=3dB等值線的比較，這些放大器基本覆蓋了Rs與f的全部范圍。2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量二、噪聲因子（NF）3．NF圖及其應(yīng)用（3）利用NF圖可近似計(jì)算最小可檢測(cè)信號(hào)（MDS）的大小。MDS定義為折合到放大器輸入端的，以其作為檢測(cè)極限，對(duì)討論放大器是合理的。

例：若實(shí)驗(yàn)工作頻率為1kHz，源電阻為10kΩ，從圖2-5中查得NF=1dB，由下式

（2-9）可計(jì)算MDS為

若Rs=1MΩ和f=40Hz時(shí)，從圖2-5中查得NF=0.05dB，通過計(jì)算得。盡管放大器工作在最佳匹配范圍，NF只有0.05dB，但由于源電阻Rs=1MΩ的熱噪聲增加，而使MDS增大。2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量三、其它噪聲度量參量1．等效噪聲電阻

前面討論噪聲因子時(shí)，是將放大器的噪聲等效為一個(gè)等效噪聲電壓源VN及一個(gè)等效噪聲電流源IN。當(dāng)然可以用一電阻RV的熱噪聲電壓，等效VN；用一電阻RI的熱噪聲電流，等效IN。這樣，就能用RV電阻和電阻RI，來表述NF值。這兩個(gè)等效電阻之值為：

（2-11）

（2-12）

2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量三、其它噪聲度量參量1．等效噪聲電阻故

（2-8）可變?yōu)?/p>

（2-13）上式可變形為

（2-14）分析：（1）從式（2-13）可看出：當(dāng)RS很小時(shí)，對(duì)NF起主要貢獻(xiàn)的是RV，即此時(shí)噪聲電壓源起主要作用；而當(dāng)RS很大時(shí)，對(duì)NF起主要貢獻(xiàn)的是RI，即此時(shí)噪聲電流源起主要作用。2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量三、其它噪聲度量參量1．等效噪聲電阻（2）理想放大器的VN和IN都是白噪聲，所以，RV和RI均與頻率無關(guān)。從式（2-14）可知，對(duì)一定的RV和RI，可解得兩個(gè)RS值，使NF值相同。如此畫得的NF等值線，應(yīng)是與橫軸平行的兩直線，與頻率無關(guān)。而得不到類似圖2-5的NF圖。實(shí)際放大器的VN和IN，在低頻、高頻段是頻率的函數(shù)。原因：在低頻區(qū)，由于1/f噪聲要起主要作用；在高頻區(qū)，放大器輸入阻抗中的電容，對(duì)高頻有影響；只在中頻段基本與頻率無關(guān)。所以對(duì)不太小的NF等值線，它們基本有如圖2-8的等值線。其中線段1反映RV的大??；線段3反映RI的大??；線段2反映低頻噪聲；線段4反映輸入阻抗中電容的影響。

2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量三、其它噪聲度量參量2．等效噪聲溫度

放大器的噪聲可等效于源電阻RS的增加，同樣，也可等效于源電阻溫度T的增加，這就是等效噪聲溫度Te。放大器的NF都是在T=290K的室溫下測(cè)定的，因此等效噪聲溫度Te為

（2-15）

式（2-15）表示放大器的NF可以用Te來描述，NF與Te相對(duì)應(yīng)，如表2-1所示。因此，對(duì)于已經(jīng)測(cè)定的NF圖的結(jié)果，完全適用于Te的表示，只要將NF的dB等值線換成相應(yīng)的溫度即可。

表2-1T=290K時(shí)，NF與等值噪聲溫度Te的對(duì)應(yīng)值

NF（dB）10.50.20.10.050.020.01Te（K）75.135.413.76.83.41.340.672-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量三、其它噪聲度量參量2．等效噪聲溫度分析：（1）利用Te，可計(jì)算出放大器折合到輸入端的總噪聲電壓為

（2-16）式（2-16）中，T為源電阻RS的噪聲溫度；Te為放大器的等效噪聲溫度。放大器噪聲的存在相當(dāng)于源電阻的溫度增加了Te。（2）利用等效噪聲溫度Te的概念，可以測(cè)定放大器的低NF值。引入等效噪聲溫度Te后，NF可表達(dá)為

（2-17）2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量三、其它噪聲度量參量2．等效噪聲溫度對(duì)低噪聲放大器，Te相對(duì)T很小，所以NF測(cè)量誤差很大。如果降低T，則Te相對(duì)增大，則NF測(cè)量誤差就小。所以在測(cè)量低NF時(shí)，需要將源電阻致冷，甚至放入液N2或液He中，使T降至77K或4.2K，以突出Te的影響。

例：在室溫290K，Te=35.4K時(shí)，查表2-1可知，NF=0.5dB；但如果將源電阻RS放在液He中，這時(shí)，T=4.2K，由式（2-17）計(jì)算

這說明在室溫（T=290K）下測(cè)定的NF=0.5dB，相當(dāng)于將T降至4.2K時(shí)測(cè)定NF=9.74dB，這使測(cè)量低NF等值線成為可能。2-1噪聲系數(shù)、噪聲因子和其它噪聲度量參量三、其它噪聲度量參量2．等效噪聲溫度表2-2源電阻RS的溫度T與NF的關(guān)系

T（K）NF（dB）29010.50.20.10.050.020.017731.60.70.370.190.070.04275.83.61.810.50.20.14139.96.54.32.71.250.67118.815.611.78.96.43.692.232-2低噪聲前置放大器

一、低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)原則

1．放大器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

在設(shè)計(jì)一實(shí)用放大器時(shí)，會(huì)受到許多限制，設(shè)計(jì)者需作出合理選擇，使放大器的多種指標(biāo)達(dá)到要求。放大器的主要指標(biāo)有：增益、帶寬、輸入及輸出阻抗、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和噪聲特性。一般放大器設(shè)計(jì)時(shí)，是先考慮滿足增益和帶寬要求，再兼顧其它指標(biāo)。指標(biāo)的確定，應(yīng)據(jù)輸入條件和輸出要求來考慮。針對(duì)幾個(gè)主要指標(biāo)作些說明。（1）根據(jù)輸入和輸出電平，決定放大器的總增益。按一般單級(jí)放大器增益，確定分級(jí)數(shù)。據(jù)各級(jí)放大器特點(diǎn)，作增益分配。（2）根據(jù)要求，確定放大器的工作頻率范圍。過寬，將使經(jīng)濟(jì)指標(biāo)難以滿足。（3）輸出阻抗要很小于常用負(fù)載，以確保負(fù)載對(duì)放大器的影響較小。輸入阻抗要很大于信號(hào)源內(nèi)阻，盡量減小對(duì)信號(hào)源的影響。

2-2低噪聲前置放大器一、低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)原則

1．放大器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)（4）穩(wěn)定性是放大器的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)晶體管放大器，穩(wěn)定系數(shù)用描述。一般S要求在5-15之間，過小，雖穩(wěn)定性好，但增益小，直流損耗大。（5）噪聲水平以測(cè)量精度或最低可檢測(cè)水平?jīng)Q定。（6）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在滿足技術(shù)指標(biāo)前提下，越低越好。

2.低噪聲放大器設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮內(nèi)容對(duì)低噪聲前置放大器，應(yīng)首先考慮噪聲、穩(wěn)定性，以確保放大信號(hào)時(shí)，引入噪聲小和漂移??；然后考慮滿足增益、帶寬要求；若能采用阻抗匹配，輸入、輸出阻抗可放在第二位考慮；最后兼顧經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。作低噪聲要求的放大器的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)：

2-2低噪聲前置放大器一、低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)原則2.低噪聲放大器設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮內(nèi)容（1）電路組態(tài)的選擇放大器的電路組態(tài)的選擇，是指對(duì)放大器的偏置電路、反饋電路、阻抗匹配網(wǎng)路、耦合電路及晶體管接地極等的選擇。電路組態(tài)的選擇，對(duì)放大器的增益、帶寬、輸入及輸出阻抗影響很大；對(duì)噪聲有一定影響；常用于調(diào)整其它指標(biāo)。但設(shè)計(jì)時(shí)，它總是最先確定的。（2）放大器工作點(diǎn)的選擇工作點(diǎn)的位置，不僅影響阻抗匹配，而且對(duì)噪聲影響很大。晶體管集電極電流越大，則可以與越小的源電阻匹配，其調(diào)節(jié)范圍是相當(dāng)寬的。圖2-9給出了噪聲因子與源電阻的關(guān)系。曲線是以Ic為參數(shù)的，從圖中可以看出，不同的Ic和不同的RS，有不同的NF值。

2-2低噪聲前置放大器一、低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)原則2.低噪聲放大器設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮內(nèi)容（3）各級(jí)增益分配若前放需要幾級(jí)，從噪聲考慮，總是令輸入級(jí)功率增益較大，以減小后級(jí)放大器的噪聲影響；輸入級(jí)常不用或用小的負(fù)反饋，因?yàn)榉答仌?huì)使增益減小、反饋電阻會(huì)引入噪聲；偏置電阻也用得較大，因?yàn)檩斎爰?jí)的偏置會(huì)引入附加噪聲電流，故宜用較大偏置電阻。（4）優(yōu)質(zhì)元件的選擇選擇放大器輸入級(jí)元器件，是做好一個(gè)低噪聲放大器的關(guān)鍵之一。無源器件要選擇高質(zhì)量的，使其噪聲和穩(wěn)定性好；有源器件的選擇尤為關(guān)鍵，可選晶體三極管、場(chǎng)效應(yīng)管或集成元件。為使元件與信號(hào)源內(nèi)阻匹配較好，可用圖2-10作參考。2-2低噪聲前置放大器一、低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)原則2.低噪聲放大器設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮內(nèi)容如果源電阻在50Ω—1MΩ區(qū)間，可選低噪聲晶體三極管；如果源電阻在1kΩ—1GΩ區(qū)間，可選結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管；如果源電阻在50MΩ—100GΩ區(qū)間，可選絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。由于絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的低頻噪聲比結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管大10—1000倍，故一般除高阻或中頻段放大器外，不選絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。集成元件雖然體積小、使用簡(jiǎn)便，但一般噪聲水平，要比晶體管高2—5倍，故常用于后級(jí)。二、最佳輸入源電阻（）

NF與信號(hào)源的內(nèi)阻有關(guān)。從圖2-9可看出，放大器應(yīng)有一最佳輸入電阻，源電阻為此值時(shí)，放大器的噪聲最小，稱為放大器的最佳輸入源電阻。信號(hào)源與放大器有較好的阻抗匹配，才能使放大器有較小的噪聲。2-2低噪聲前置放大器二、最佳輸入源電阻（）下面計(jì)算及最小噪聲系數(shù)FPmin。比較下面兩式

（2-4）

（2-8）有

（2-18）當(dāng)RS為最佳源電阻時(shí)，F(xiàn)P應(yīng)為FPmin。令

2-2低噪聲前置放大器二、最佳輸入源電阻得到

（2-19）

所以有

（2-20）2-2低噪聲前置放大器三、實(shí)用前置放大器舉例

1．寬帶低噪聲前置放大器

采用分立元件可對(duì)元器件充分挑選，以期獲得最小的噪聲。其基本框圖如圖2-11（a）所示。由兩個(gè)放大器A1和A2、一個(gè)輸出級(jí)、過載指示及去耦電路組成。放大器的頻率范圍為：DC-50MHz；輸入、輸出阻抗均為50Ω；噪聲<50μV；增益固定為×10和×100兩檔。

2-2低噪聲前置放大器三、實(shí)用前置放大器舉例1．寬帶低噪聲前置放大器

A1和A2采用分立元件構(gòu)成運(yùn)算放大器，電原理圖如圖2-11（b）所示。選用高頻低噪聲晶體管T1和T2構(gòu)成差分對(duì)；中間級(jí)T3對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大，并將T1和T2的集電極雙端輸出變成單端輸出，推動(dòng)射級(jí)跟隨器T4以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。放大器的增益由反饋網(wǎng)絡(luò)RF和Rf決定；R1、C1、CF以補(bǔ)償相位，使放大器穩(wěn)定。這種放大器由中科院物理所研制，并用于BOXCAR積分器中，性能基本與美PARC的115型寬帶低噪聲放大器相同。2-2低噪聲前置放大器三、實(shí)用前置放大器舉例2．FS-301低噪聲前置放大器

這是FS-3鎖相放大器的外接低噪聲前放，由中科院大連化物所研制，可以單獨(dú)使用，具有差分和單端兩種輸入狀態(tài)。其基本框圖如圖2-12（a）所示。A、B和C，無論是單端還是差分輸入，都能保證增益G=10。單端輸入框圖如圖2-12（b）所示；雙端輸入框圖如圖2-12（c）所示。BPF為一個(gè)高通濾波器（HPF）和一個(gè)低通濾波器（LPF）組成的簡(jiǎn)單的帶通濾波器，如圖2-13所示。D和E是后級(jí)放大，可調(diào)節(jié)增益；F為緩沖級(jí)，增益為1。

2-2低噪聲前置放大器三、實(shí)用前置放大器舉例2．FS-301低噪聲前置放大器國(guó)內(nèi)外的低噪聲前放的類型很多，都可從它們的使用手冊(cè)中得到簡(jiǎn)要的介紹，具體電路大同小異，關(guān)鍵是第一級(jí)放大器的器件性能。2-3低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器特性

一、常用匹配網(wǎng)絡(luò)

常用的匹配網(wǎng)絡(luò)，有如圖2-14所示的幾種。第一種是純變壓器作阻抗變換的匹配；后三種是利用L與C的諧振回路，加抽頭的方式，達(dá)到阻抗匹配。后三種有電感與電容，顯然阻抗與頻率有關(guān)，一般都是工作在與信號(hào)頻率相近的窄頻率區(qū)。圖2-14（b）適用于；圖2-14（c）適用于；圖2-14（d）適用于很小的情況。

2-3低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器特性二、理想變壓器作匹配時(shí)的SNIR

理想變壓器是指：假定變壓器的初、次級(jí)間的耦合系數(shù)為1；線圈電感為無窮大；線圈電阻為零；無寄生電容；次級(jí)將要接無限大的負(fù)載電阻；鐵心無損耗的假想變壓器。利用變壓器作阻抗變換，使與相匹配，假設(shè)變壓器是理想的，變比

（2-21）

2-3低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器特性二、理想變壓器作匹配時(shí)的SNIR

變壓器插入被測(cè)對(duì)象和放大器之間，如圖2-15所示。

經(jīng)匹配，希望

（2-22）2-3低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器特性二、理想變壓器作匹配時(shí)的SNIR

將SNIR的定義略作擴(kuò)展，以適應(yīng)于變壓器匹配的情況。定義為：

（2-22）式中

SNRT——接入變壓器的信噪比；

SNRNT——不接入變壓器的信噪比。

因此，

2-3低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器特性二、理想變壓器作匹配時(shí)的SNIR分子、分母同除以，得

（2-23）

由式（2-23）可以明顯看到，經(jīng)匹配后，SNIR大為提高。

2-3低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器特性二、理想變壓器作匹配時(shí)的SNIR例：有一低噪聲前置放大器，在某一頻率下工作，、信號(hào)源的RS=10Ω。首先，求得最佳輸入源電阻，為

而故，變壓器變比為2-3低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器特性二、理想變壓器作匹配時(shí)的SNIR若不用變壓器，則噪聲系數(shù)為

故，噪聲因子為

dB若用變壓器，則噪聲系數(shù)為

故，噪聲因子為

dB

2-3低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器特性二、理想變壓器作匹配時(shí)的SNIR由此得到利用變壓器可使信噪比改善達(dá)23倍，這對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)是非?？少F的提高。注意：在一般情況下，能夠采用的商品匹配變壓器的變比α是一定的，常用的變比α為100和1000。所以實(shí)際上不可能獲得與的最佳匹配，而只能是大致匹配。其（2-24）故，（2-25）

2-3低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器特性二、理想變壓器作匹配時(shí)的SNIR

理想變壓器是指：假定變壓器的初、次級(jí)間的耦合系數(shù)為1；線圈電感為無窮大；線圈電阻為零；無寄生電容；次級(jí)將要接無限大的負(fù)載電阻；鐵心無損耗的假想變壓器。

2-3低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器特性三、實(shí)際變壓器的匹配特性

對(duì)于實(shí)際變壓器，存在：（1）實(shí)際變壓器線圈圈數(shù)有限，磁芯磁導(dǎo)率不會(huì)無限大，因此其電感為有限值；（2）實(shí)際變壓器有漏磁，因此耦合系數(shù)不到1；（3）實(shí)際變壓器繞組有損耗電阻；（4）實(shí)際變壓器有分布電容；（5）實(shí)際變壓器的負(fù)載電阻不為無窮大。因此，實(shí)際變壓器的等效電路（常稱為變壓器模型），在逐條考慮上述因素后，將如圖2-16所示。

2-3低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器特性三、實(shí)際變壓器的匹配特性

討論實(shí)際變壓器的低頻、高頻特性:

為將問題簡(jiǎn)化，現(xiàn)將變壓器的模型做一下簡(jiǎn)化。

簡(jiǎn)化的原則：在與變壓器繞組并聯(lián)的支路中，元件阻抗極大者可略去；在與變壓器繞組串聯(lián)的支路中，元件阻抗極小者可略去。

2-3低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器特性三、實(shí)際變壓器的匹配特性低頻特性：等效電路如圖2-17。

低頻時(shí)的傳輸比為

（2-26）式（2-26）中；。

從式（2-26）可知，輸出隨頻率的減小而減小。令當(dāng)與之對(duì)應(yīng)的頻率稱為變壓器的低頻截止頻率，用于變壓器低頻特性的度量。

2-3低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器特性三、實(shí)際變壓器的匹配特性當(dāng)α很大，且RP2〈〈RL時(shí)，低頻截止頻率fL為

（2-27）分析式（2-27），得到如下結(jié)論：（1）要低頻性能好，需信號(hào)源內(nèi)阻小。說明變壓器耦合，適用于小內(nèi)阻的信號(hào)源；（2）要低頻性能好，需初級(jí)線圈電阻RP1要小，即繞變壓器的導(dǎo)線線徑要粗；（3）要低頻性能好，需LP要大，即線圈匝數(shù)要多。

2-3低噪聲放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器特性三、實(shí)際變壓器的匹配特性高頻特性：等效電路如圖2-18。

圖中定義時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的頻率稱為變壓器的高頻截止頻率fH，用于變壓器高頻特性的度量。

2-4屏蔽、接地與布線

對(duì)于微弱信號(hào)檢測(cè)，由于信號(hào)本身很小，所以外界干擾是不可忽視的。干擾除了從探測(cè)器進(jìn)入外，從前置放大器進(jìn)入也是其主要渠道。外界干擾進(jìn)入放大器的途徑，有如下幾種：（1）從電源引入：若放大器的供電電源是市電，其它同電源的外部電器，會(huì)造成電源中含突跳等高頻干擾，即會(huì)造成放大器供電電壓的變化。從而使放大器輸出相關(guān)的噪聲；（2）靠電磁感應(yīng)：如城市中的強(qiáng)電臺(tái)、工廠的強(qiáng)放電火花源、汽車的火花塞點(diǎn)火等，它們都可發(fā)射高頻電磁波。這些高頻電磁波噪聲，最容易進(jìn)入放大器中的電感器件；

2-4屏蔽、接地與布線

（3）純電場(chǎng)作用或純磁場(chǎng)的作用（稱為橫向干擾）：放大器旁若有強(qiáng)電場(chǎng)，例如高壓線，其中的波動(dòng)（緩慢變化），將會(huì)通過電容耦合進(jìn)入信號(hào)傳輸線。外界磁場(chǎng)的波動(dòng)，對(duì)放大器中的變壓器、線圈等最易發(fā)生影響；（4）從地進(jìn)入（稱為縱向干擾）：如果前后兩部件（如傳感器與放大器），接地點(diǎn)不在同一處，則兩處地間電位差的起伏噪聲，也會(huì)被引入放大器，這就是縱向干擾。

干擾是無處不在、無孔不入。抑制干擾的方法主要有屏蔽、接地與布線三種措施。

2-4屏蔽、接地與布線一、屏蔽對(duì)于從空間進(jìn)入放大器的干擾，通過對(duì)放大器作良好的屏蔽，可起到很好的隔離效果。屏蔽的對(duì)象，可以是高頻電磁干擾，也可以是緩慢電或磁的干擾。不同的干擾，采用不同的物理屏蔽效應(yīng)。1．利用趨膚效應(yīng)，屏蔽高頻電磁干擾是很有效的。趨膚效應(yīng)指出：高頻電磁場(chǎng)難于深入導(dǎo)體內(nèi)部，其能進(jìn)入的深度，用穿透深度d穿描述，且有d穿=λ材/（2π）。其中，λ材是指該種頻率的電磁波，在屏蔽材料中的波長(zhǎng)。此波長(zhǎng)與材料的導(dǎo)磁系數(shù)μ、介電常數(shù)ε有關(guān)。μ與ε越大，d穿越??；頻率越低，λ材越長(zhǎng)，d穿則越大。要想把放大器，用一導(dǎo)體盒密封，而使高頻電磁場(chǎng)不進(jìn)入，則導(dǎo)體片厚度，必須大于d穿。2-4

屏蔽、接地與布線一、屏蔽例如，對(duì)于f=5×105Hz的電磁波，若用銅皮作為屏蔽盒，其厚度必須大于0.1mm；若用鐵皮，則只需大于0.001mm。對(duì)于f=50Hz的情況，則銅皮的厚度，需近10mm；鐵皮厚度，需近1mm。當(dāng)前較高μ的材料是坡莫合金，用于作高頻電磁波的屏蔽是最好的。

2．利用靜電屏蔽抗緩變外電場(chǎng)干擾。即外電場(chǎng)變化，而處于屏蔽盒內(nèi)的放大器，所處的電勢(shì)不變。因此，可防止干擾進(jìn)入。當(dāng)然，靜電屏蔽，也可屏蔽干擾源，而使干擾無法傳到屏蔽空間之外。

2-4

屏蔽、接地與布線一、屏蔽3．利用靜磁屏蔽抗緩變外磁場(chǎng)干擾。注意：（1）屏蔽時(shí)，屏蔽盒必須與內(nèi)電路地線相連，否則分布電容C1，C2，C3會(huì)引起寄生反饋，如圖2-19；（2）屏蔽盒不能與干擾源的地線相連，以避免干擾電流流入內(nèi)部。

2-4

屏蔽、接地與布線

二、接地

常見的接地方式有：就近接統(tǒng)一地線法；各自獨(dú)立接同點(diǎn)地法；就近接多點(diǎn)地法；浮點(diǎn)接地法。

1．就近接統(tǒng)一地線法：圖2-20中三個(gè)部件A、B、C，各自就近與統(tǒng)一地線連接，地線再在某一點(diǎn)，與大地相連。這是在一般系統(tǒng)中常見的方式，但不適用于低噪聲系統(tǒng)。原因如下：假設(shè)三部件，各自的地電流為IA、IB、IC，而RA、RB、RC是如圖所示各點(diǎn)間的連線電阻，則有

2-4

屏蔽、接地與布線二、接地1．就近接統(tǒng)一地線法：

（2-29）

（2-30）

（2-31）即

（2-32）若IA、IB、IC中，任一有變化，都將使VA、VB、VC變化，即將相互影響、相互干擾。干擾的大小，決定于各接線電阻和各電流的大小。若設(shè)RA=0.1Ω，IC有1mA的變化，則VA有10-4V的變化，這對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)而言，是十分大的。

2-4

屏蔽、接地與布線二、接地2．各自獨(dú)立接同點(diǎn)地法：圖2-21中三個(gè)部件A、B、C，各自獨(dú)立接同點(diǎn)地。在低噪聲電路中，是一種較好的接地方法。它們各自對(duì)地的電位VA、VB、VC，只與自身的接地電阻和地電流有關(guān)，互不干擾。滿足

（2-33）不足：這種接地方法，引線較長(zhǎng)，常會(huì)帶來較大的引線電容和電感，對(duì)排除空間外來的干擾不利。在高頻工作時(shí)，尤為嚴(yán)重。只適用于數(shù)MHz以下的情況。

2-4

屏蔽、接地與布線二、接地3．就近接多點(diǎn)地法：圖2-22所示的接地方式，其分布電感可減小。但各接地點(diǎn)間的電位差，造成共模噪聲較大。適于在10MHz以上工作。

2-4

屏蔽、接地與布線二、接地4．浮點(diǎn)接地法：圖2-23是放大器通常的接地連接，它有兩個(gè)接地點(diǎn)：源地和放大器地。信號(hào)線用雙芯屏蔽電纜。圖（a）是實(shí)際連接，圖（b）和（c）則分別是它的等效電路與簡(jiǎn)化形式。

圖中Es、Rs——信號(hào)源及信號(hào)源電阻；

Rcs——電纜電阻；

Rcg——屏蔽線電阻；

Zin

——放大器輸入阻抗；

2-4

屏蔽、接地與布線二、接地4．浮點(diǎn)接地法：

Rg——地電阻；

Ecm——由于源地與放大器地之間的電位差造成的共模源（噪聲源）從圖（c）可求出放大器輸入端A、B間的噪聲電壓VN。在的情況下，有（2-34）