微弱信号检测：噪声与低噪声设计.ppt

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1、上海理工大学,光电信息与计算机工程学院,微弱信号检测,微弱信号检测概述,微弱信号不仅指信号的幅度小，主要指被噪声淹没的信号。“微弱”是相对于噪声而言的。,环境噪声很大时（军工路）。”静得连一根针掉下来都能听到”分贝计算公式10*lg(P/Pref)，其中Pref=20mPa，P为声功率例：两个60分贝的声音合成。60=10*lg(P/Pref)，所以P=20000两个60分贝的声音合成，P=2*20000=40000，所以总的分贝是：10*lg(40000*1000/20）=63dB,研究抑制噪声和提高信噪比。,常规的方法：滤波；调制解调,11 噪声的基本概念一.干扰与噪声的定义：扰乱有用信号

2、的任何不期望的内部产生的扰动称为内部噪声或噪音，外部产生的扰动称干扰。但无论内部噪声还是外部干扰，这里统称噪声。二.噪声的统计规律（意义）,1.符合统计规律的正态分布,概率密度:,均方值:,均方根值:,平均值:,a:数学期望，在这里是噪声电压的平均值，等于0。,2.噪声测量,交流电测量 i=I m sin t 整流后测平均值：,而有效值：,I效/I平 1.11 I效1.11 I平,因而修正刻度，即将测得的I平 再乘以1.11后，最后得到I效。,由于噪声不是正弦波，而是短尖脉冲，故测量方法相同，但不是乘上1.11修正刻度，而是通过经验得到修正值是1.13。现有的噪声表都是将噪声整流后测平均值，再

3、用1.13修正得到噪声的有效值。,三 随机噪声的功率谱密度及相关函数,1自相关函数,表示随机过程在二个不同时间上的相关性。（照片）定义：,3）=0，()最大，(0)代表噪声的均方值(噪声功率)。4）对实信号，自相关函数是的偶函数，Rx()=Rx(-)5）互不相关的两个随机噪声之和的自相关函数等于两个随机噪声自相关函数之和。Z(t)=x(t)+y(t)，则Rz(t)=Rx()+Ry(),()有三个重要特性：1）()与起点无关，仅与有关；（平稳随机噪声，环境噪声，路上车流。各态历经性。）2）由于噪声是独立随机的，故上升，()下降，趋向无穷，（=），（）趋向0，（）=0）；当-时，自相关函数反映随机

4、噪声直流分量的功率，即,2功率谱密度：均方根值 用来衡量噪声电压幅值的大小，功率谱密度S（）用来分析噪声功率随频率的分布情况。,：角频率，f：频率，P（，）处带宽之间噪声的平均功率。,定义：,已知S()或S(f),就可求得噪声得平均功率（均方值）：,特点：1）频带增加，PN 上升，欲使PN下降，减少通频带减少噪声带宽；2）S（）所覆盖的面积，在数值上等于噪声的总功率。3）S（）是的实偶函数。,4功率谱密度与自相关函数的关系（维纳-辛钦定量）,自相关函数和功率谱密度的形状都与随机噪声变化的速度有关,例1-1 随机噪声x(t)的自相关函数,求其功率谱密度函数和功率,五.噪声源的相关性,相关系数:设

5、二随机噪声u1(t)、u2(t),则定义相关系数C为：,两噪声相加得：u2=u12+u22+2C u1 u2 当C0，u1，u2独立，互不相关，u2=u12+u22 当C1，完全相关。C1,u=u1+u2 C1,u=u1u2当/C/1，部分相关。实际计算时，C一般取C0，则对于多个噪声源，u2=u12+u22+u32+u42+-,六、信噪比（SNR）及信噪改善比（SNIR）,定义：SNR=S/N=信号有效值/噪声有效值1/测量误差。SNIR输出信噪比/输入信噪比 反映系统噪声是否得到改善得情况。,2几种典型噪声的 S（）:,白噪声：S（）C 红噪声：1/f 噪声直流噪声兰噪声：低频小，高频大。

6、,限带白噪声：S（）N0/2,一 电阻的热噪声(电子随机热运动),1-2 电阻的热噪声,功率谱密度函数：,在室温下（17），4kT1.610-20,等效功率：,开路热噪声电压有效值：,适用范围：频率不是很高（1012Hz）。,开路热噪声电流有效值：,串联等效电压有效值：Et串2=4KTB（R1R2）,et1和et2互不相关,Et串2=4KTB（R1R2）,并联 Et并2=4KTB（R1/R2）,二 电阻的接触噪声（1/f）原因：电导率不均匀，材料不同。大小：Uex2=KIDC2R2/f 红噪声,碳膜电阻、金属膜电阻、绕线电阻变小。措施：选高质量电阻，减少IDC.,三.PN结的散弹噪声原因：电子

7、或空穴的随机发射导致流过势垒的电流在其平均值附近随机起伏。,肖特基于1918年在热阴极电子管中发现了散弹噪声，证明其是一种白噪声，其功率谱密度函数：,电流有效值：,平方根谱密度：,给定电流的频带宽度：,四.爆裂噪声,流过半导体PN结电流的突然变化，原因是半导体材料中的杂质。,五.结论,f 1,热噪声为主；f1，接触噪声为主。少用直流放大器，多用交流放大器，采用调制方法将直流变成交流。低温或恒温减少fN.,1-3 有源器件的噪声,噪声系数(F):描述系统或放大器的噪声情况。“输出总噪声情况”与“放大器无噪声时的输出噪声功率”之比。,信噪改善比,结论：F越小，说明系统越好，能检测到的信号也越小，检

8、测灵敏度越高。,系统或放大器,噪声系数F的用途：可检测的最小信号,输出最小信噪比SNR0=Pso/Pno达到一定的指标。,例：放大器的输入噪声只有信号源电阻Rs=1K欧的热噪声，温度为17，放大器等效噪声带宽B=1KHz，噪声系数F=2，要求SNR0=10，试求系统可检测的最小信号Ei。,最小信号Ei，F，B，Rs有关。,如何得到En和In,Eni2=En2+In2 Rs2当Rs0，Eni2=En2，测出Eno,得EnEno/Kv取Rs较大（En2 In2 Rs2）时，Eni2=In2 Rs2，测得Eno，得EniEno/Kv=In Rs；In=Eno/(KvRs),放大器的噪声模型,放大器的

9、等效输入噪声与信号源内阻的关系,高噪声放大器,低噪声放大器,最佳源电阻与噪声匹配,不同放大器的NF随Rs/Rso变化的曲线,噪声因子NF,NF=0,即F=1，为理想无噪声放大器。NF越大，放大器性能越差,考虑3级放大器，总得输出噪声功率Po为：,级联放大器的噪声系数,结论：1第一 级放大器噪声对系统影响最大，重点要减少前置放大器的噪声系数；2.放大倍数分配原则先大后小；3以上公式和结论适合于线性电路中。,弗里斯公式：,运算放大器的噪声特性,大量晶体管（PN结产生散弹噪声），一定数量的电阻（热噪声），引脚（1/f噪声）,返回幻灯片 48,低噪声前置放大器的设计,放大器的主要指标有：增益，带宽，输

10、入、输出阻抗，稳定性，经济性和噪声特性。,1.放大器的设计指标,（1）根据输入和输出电平，决定放大器的总增益。然后，按一般单级放大器增益，确定分级效。据各级放大器特点，作增益分配。,（5）噪声水平以测量精度或最低可检测水平决定。（6）经济指标，当然是在满足技术指标前提下，越低越好。,（2）应据要求，确定放大器的工作频率范围。,（3）输出阻抗要很小于常用负载，以确保负载对放大器影购较小。输入阻抗要很大于信号源内阻，尽量减低对信号源的影响。,（4）稳定性是放大器酌一个重要指标。对晶体管放大器，稳定系数用SIcIc0来描述。一般要求在515之间。,2.低噪声前置放大器的设计,（2）从Fmin出发选择

11、最佳的源电阻Rso.,A 首先考虑噪声、稳定性，以确保放大信号时，引入噪声小和漂移小。B 满足增益、带宽要求。若能采用阻抗匹配，输入、输出阻抗可放在第二位考虑。C 经济指标。,(1)低噪声放大器应该尽可能选用 小的器件,这样才能使最小噪声系数Fmin较小。另外，由于 都是频率f的函数，因此各种低噪声器件只是在一定的频率范围内才能达到其最小噪声系数；,放大器的等效输入噪声与信号源内阻的关系,最佳源电阻与噪声匹配,阻抗匹配,器件的选择,MOS场效应管,根据信号源大小选用合适类型的器件，使器件的最佳源电阻等于负载电阻，实现噪声匹配下的最小噪声系数。,半导体三极管,集成运算放大器,结型场效应管,金属氧

12、化物(MOS)场效应管,阻抗匹配网络,由于Rs Rso，可用阻抗匹配网络来改变等效输入阻抗。1.变压器匹配,例：信号源输出电阻Rs=10欧，工作频率f=1KHz。前置放大器OP07。求匹配变压器的圈数比和信噪改善比SNIR的提高倍数K。(),OP07在f=1KHz时，等效输入噪声平方根谱密度为,实际变压器的误差：线圈圈数有限，磁蕊磁导率不会无限大，因此其电感为有限值；有漏磁，因此耦合系数不到1；变压器匹配的限制：必须是频率较高的交流信号。,变压器匹配的限制,有源器件并联法,15 抑止干扰和噪声的外部方法,环境干扰噪声,1.电力线噪声：尖峰脉冲，工频干扰50Hz，电网波动,2.电气设备噪声：辉光

13、放电，火花放电（插座）,3.射频噪声手机，广播、电视,4.地电位差噪声电路板,5.雷电,6.天体噪声 2012,7.机械起源的噪声：摩擦电效应，导体中磁场中的运动，压电效应，颤噪效应,8.其他噪声：电化学噪声，温度变化引起的噪声（铜-镉/锡合金接点热电势0.3uV/，铜-铅/锡1-3 uV/），触头噪声,1-5 抑止干扰和噪声的外部方法,电子系统受到外部电磁干扰,电力线,雷电,电台电视台,交流供电电路,电动机,移动通信设备,天体电磁辐射,干扰噪声的频谱分布,屏蔽：对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。,静电屏蔽,用完整的金属屏蔽体将带正电

14、导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，如果将金属屏蔽体接地，则外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。,屏蔽,对于电场和平面波，反射损耗很大,对于低频磁场，反射损耗一般较小；磁场比电场更难于屏蔽；对于电场、平面波和高频磁场要用良导体材料进行屏蔽；对于低频磁场要用磁性材料进行屏蔽；3.厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约9dB的吸收损耗；,集肤深度：导体中电流密度减小到导体截面表层电流密度的1/e(自然底数e=2.71828183）处的深度。,屏蔽,对于电场和平面波，反射损耗很大,对于低频磁场，反射损

15、耗一般较小；磁场比电场更难于屏蔽；对于电场、平面波和高频磁场要用良导体材料进行屏蔽；对于低频磁场要用磁性材料进行屏蔽；3.厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约9dB的吸收损耗；4.实际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接缝情况，而不取决于屏蔽材料本身的屏蔽效果；漏磁场的量取决于屏蔽层上开孔的最大尺寸，而不取决于开孔的面积；大量的小孔比同样面积的一个大孔漏磁要少。,一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大，而以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。,电磁场屏蔽,

16、电路接地,1.单点串联接地,布线简单方便适用于噪声要求不高的电路中，以及脉冲数字电路,不适用各部分功率差异较大的情况（地电流差异大），微弱信号检测电路,2.单点并联接地,引线较长，常会带来较大的布线电容和电感，最适用于频率低于1MHz的低频小信号。当频率为1-10MHz时，最长接地线不超过波长1/20，当频率超过10MHz时，必须考虑多点接地法。,3.多点接地（适用于高频电路10MHz以上，低频性能较差）,地板可以是金属条，也可以是金属机板。,4.混合接地（既能用于高频，又能用于低频）,系统的地回路电流,共模源,共模干扰电压在前置放大器输入端产生的干扰电压：,隔离,变压器隔离,适用于信号源内阻较小的检测电路。由于变压器的带宽较窄，不可能用一个变压器覆盖整个放大器的工作频率范围。,光电耦合隔离（两部分完全绝缘，隔离效果最好）,由于信号传输关系是非线性的，所以一般只能用于数字信号。,