微弱信号检测学-第2章-放大器的噪声与屏蔽接地技课件.ppt

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1、第第2章章 放大器的噪声与屏蔽接放大器的噪声与屏蔽接地技术地技术 第第2章章 放大器的噪声与屏蔽接地技术放大器的噪声与屏蔽接地技术 电子技术的发展，使目前大量信息的测量，最终都电子技术的发展，使目前大量信息的测量，最终都转换成电信号的测量。因被测信号一般较弱，几乎各种转换成电信号的测量。因被测信号一般较弱，几乎各种测量系统都具有电子放大器。对于弱信号测量，放大器、测量系统都具有电子放大器。对于弱信号测量，放大器、尤其是前置放大器噪声的大小，将是十分重要的，会影尤其是前置放大器噪声的大小，将是十分重要的，会影响测量的成败。响测量的成败。本章主要内容：本章主要内容：2-1 噪声系数、噪声因子和其它

2、噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量2-2 低噪声前置放大器低噪声前置放大器2-3 低噪声放大器匹配网络与变压器特性低噪声放大器匹配网络与变压器特性2-4 屏蔽、接地与布线屏蔽、接地与布线2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量 一、噪声系数（一、噪声系数（F）一个放大器的噪声性能好坏，不仅是看内部噪声源的大一个放大器的噪声性能好坏，不仅是看内部噪声源的大小及性质，更主要的是看在信号传递及放大过程中对信噪比小及性质，更主要的是看在信号传递及放大过程中对信噪比（SNR）的恶化程度。也就是，从微弱信号检测角度来看，更）的恶化程度。也就是，从微弱信

3、号检测角度来看，更关心放大器的噪声引起关心放大器的噪声引起SNR的降低程度。因此，引入放大器的的降低程度。因此，引入放大器的噪声系数这个十分重要的指标。噪声系数这个十分重要的指标。噪声系数噪声系数:表示一个有内部噪声源的放大器在信号传递表示一个有内部噪声源的放大器在信号传递时使信噪比恶化的程度，是用来衡量放大器噪声性能好坏的一时使信噪比恶化的程度，是用来衡量放大器噪声性能好坏的一个常用指标，无论在通信、雷达及信号检测系统中均占有重要个常用指标，无论在通信、雷达及信号检测系统中均占有重要地位。地位。放大器的噪声系数放大器的噪声系数定义为：定义为：（2-1）2-1 噪声系、噪声因子和其它噪声度量参

4、量噪声系、噪声因子和其它噪声度量参量一、噪声系数（一、噪声系数（F）注意注意：（：（1）无内部噪声源的放大器无内部噪声源的放大器，F=1；（2）有有内内部部噪噪声声源源的的放放大大器器，则则F1，且且F越越大大，放放大大器器的的噪噪声声越越严严重重，从从而而使使该该放放大大器器对对所所传传递递的的信信号号的的信信噪噪比比恶恶化化程度越严重。程度越严重。设设K为系统的功率增益为系统的功率增益，则有，则有 （2-2）式（式（2-2）说明，除）说明，除FP=1的情况外，输出的噪声功率一般不等于的情况外，输出的噪声功率一般不等于输入噪声功率的输入噪声功率的K倍。倍。2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声

5、度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量一、噪声系数（一、噪声系数（F）设设G为系统的电压增益为系统的电压增益，则有，则有 （2-3）式（式（2-3）说明，除）说明，除FV=1的情况外，输出的有效噪声电压一般不的情况外，输出的有效噪声电压一般不等于输入有效噪声电压的等于输入有效噪声电压的G倍。倍。二、噪声因子（二、噪声因子（NF）1 1噪声因子噪声因子（NF）的定义的定义 噪声因子（噪声因子（NF）定义为定义为 （2-4）FP表表示示用用功功率率测测定定的的噪噪声声系系数数；FV表表示示用用电电压压测测定定的的噪噪声声系系数数。噪噪声声因因子子NF 单单位位为为分分贝贝。当当NF=0=0分

6、分贝贝时时，是是为为无无噪噪声声放大器；噪声因子放大器；噪声因子NF越大，放大器的噪声性能越糟。越大，放大器的噪声性能越糟。2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（二、噪声因子（NF）1 1噪声因子（噪声因子（NF）的定义的定义 简化简化：假设信号源中无：假设信号源中无噪声，只考虑源电阻噪声，只考虑源电阻RS的噪的噪声，其热噪声电压为声，其热噪声电压为 ，图中图中R RS S是无噪声电阻；电压增益为是无噪声电阻；电压增益为A的实际的放大器可等效为一的实际的放大器可等效为一个电压增益为个电压增益为A A无噪声的放大器和一个等效噪声电压源无噪声

7、的放大器和一个等效噪声电压源VN及一个及一个等效噪声电流源等效噪声电流源IN。由图。由图2-12-1可写出输出端的总噪声电压，即可写出输出端的总噪声电压，即 （2-5）2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（二、噪声因子（NF）1 1噪声因子（噪声因子（NF）的定义的定义输出端的信噪比为输出端的信噪比为 （2-6）输入端的信噪比为输入端的信噪比为 （2-7）噪声因子噪声因子NF为为 （2-8）2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（二、噪声因子（NF）1 1噪声因子（噪声因子（NF）的定

8、义的定义 注注意意：式式中中V VN N、I IN N为为放放大大器器单单位位频频率率间间隔隔内内的的噪噪声声，实实际际常常与与频频率率有有关关，故故NFNF是是随随频频率率变变化化的的。上上式式也也表表明明，NFNF与与信信号号源源内内阻阻R RS S有有关关。因因此此，放放大大器器与与不不同同频频率率、不不同同内内阻阻信信号号源源连连接接使使用时，会具有不同的噪声性能。用时，会具有不同的噪声性能。若令若令 ，为输出端折算到输入端的噪声，为输出端折算到输入端的噪声则有则有 （2-92-9）或或 （2-102-10）上式表明，上式表明，可从测得的可从测得的NFNF值求得，而不必具体求值求得，而

9、不必具体求V VN N与与I IN N。2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（二、噪声因子（NF）2 2放大器放大器NFNF值的测量值的测量 NF值的测量方法值的测量方法有：有：（1 1）最简单的放大器最简单的放大器NF值的测量方法值的测量方法：是将输入端短路，测量：是将输入端短路，测量输出电压的有效值。输出电压的有效值。缺点缺点：此方法丢失了信号源：此方法丢失了信号源R RS S的影响，因的影响，因此所测噪声不够真实。此所测噪声不够真实。2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（二、噪

10、声因子（NF）2 2放大器放大器NFNF值的测量值的测量（2 2）噪噪声声发发生生器器法法：用用噪噪声声发发生生器器测测量量噪噪声声的的方方法法。NGNG是是一一噪噪声声发发生生器器，R Rg g是是NGNG的的阻阻抗抗，R Rs s是是源源电电阻阻。根根据据不不同同的的R Rs s测测量量各各NFNF值值。开开关关K K有有两两个个位位置置：A A和和B B。A A接接地地，B B接接NGNG的的输输出出。被被测测放放大大器器后后续续一一个个带带通通滤滤波波器器（BPFBPF），其其目目的的是是改改变变BPFBPF的的中中心心频频率率f f0 0，以以测量测量NFNF随随f f0 0的变化。

11、的变化。rmsrms表用以测量结果。表用以测量结果。当当K K处于处于A A位置时，选择固定位置时，选择固定R Rs s和和f f0 0，rmsrms表有一读数表有一读数V VN N；将；将K K拨至拨至B B位置时，调节位置时，调节NGNG的大小，使的大小，使rmsrms表表的读数为的读数为 ，这时，这时NGNG的输出即为的输出即为源电阻源电阻R Rs s的热噪声与放大器噪声折合的热噪声与放大器噪声折合到放大器输入端的到放大器输入端的 值。根据值。根据 2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（二、噪声因子（NF）2 2放大器放大器NFNF

12、值的测量值的测量 （2-102-10）即即可可计计算算出出器器NFNF值值。注注意意，此此时时的的BPFBPF的的带带宽宽为为已已知知值值。这这样样，改变改变R Rs s和和f f0 0，可获得一系列的，可获得一系列的NFNF测量数据。测量数据。噪噪声声发发生生器器法法是是根根据据噪噪声声的的不不相相干干原原理理，采采用用与与测测量量输输入入阻阻抗抗相相类类似似的的叠叠加加法法，因因而而比比较较简简单单。但但在在实实际际测测量量中中，有有一一些些困困难：难：NGNG需要有较宽的频率范围，使之能与放大器的工作频率相适应；需要有较宽的频率范围，使之能与放大器的工作频率相适应；NGNG需要精确定标，

13、因为真正的被测值需要精确定标，因为真正的被测值是从是从NGNG读出的刻度；读出的刻度；要要有有一一组组适适合合于于各各个个连连续续频频率率（或或间间隔隔很很小小的的跳跳点点频频率率）的的BPFBPF，且，且BPFBPF的带宽的带宽需要预先测定。需要预先测定。这些，都是实际测量这些，都是实际测量NFNF时的必要条件，但常常不易得到满足。时的必要条件，但常常不易得到满足。2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（二、噪声因子（NF）2 2放大器放大器NFNF值的测量值的测量（3 3）正正弦弦波波发发生生器器法法：用用正正弦弦波波发发生生器器（SG

14、SG）代代替替图图2-32-3中中的的NGNG，即即得得到到正正弦弦波波发发生生器器法法的的测测量量框框图图。测测量量时时，先先将将开开关关K K放放于于B B的的位位置置，使使SGSG输输出出V Vinin的的信信号号，在在rmsrms表表上上读读出出V Voutout的的值值，这这样样可可求求得得放放大大器器的的增增益益A A。然然后后，将将开开关关K K拨拨至至A A的的位位置置，此此时时rmsrms表表上上读读出出的的数数值值，是是一一定定R Rs s、f f0 0及及 条条件件下下的的输输出出噪噪声声。将将其其除除以以A A，则则得到折合到输入端的噪声得到折合到输入端的噪声。利用。利

15、用（2-102-10）式，可求得）式，可求得NFNF值。值。正弦波发生器法的主要问题与噪正弦波发生器法的主要问题与噪 声发生器法相同，需要一组可变声发生器法相同，需要一组可变f f0 0的的 BPFBPF，使其测量不甚方便。，使其测量不甚方便。2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（二、噪声因子（NF）2 2放大器放大器NFNF值的测量值的测量（4 4）LIALIA法法：LIALIA法是针对正弦波发生器法是针对正弦波发生器法的困难而设计的，是目前测量法的困难而设计的，是目前测量NFNF比较比较可靠而实用的方法。利用可靠而实用的方法。利用LI

16、ALIA的目的是的目的是解决一个可变中心频率解决一个可变中心频率f f0 0的窄带的窄带BPFBPF，以提高测量灵敏度。以提高测量灵敏度。LIALIA的另一个优点是的另一个优点是其输出为直流电压，因此，用于测量的其输出为直流电压，因此，用于测量的rmsrms表可用直流电压表、数字电压表或表可用直流电压表、数字电压表或X-YX-Y记录仪代替，它们都有很高的灵敏度。记录仪代替，它们都有很高的灵敏度。LIALIA法测量法测量NFNF的框图如图的框图如图2-42-4所示。所示。LIALIA代代替替BPFBPF，测量方法与正弦波发生器法相同。，测量方法与正弦波发生器法相同。2-1 噪声系数、噪声因子和其

17、它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（二、噪声因子（NF）3NF图及其应用图及其应用 对同一放大器，改变对同一放大器，改变Rs和和f0，可，可得到一系列的得到一系列的NF值，若以值，若以Rs和和f为为坐标，将所有坐标，将所有NF值（用值（用dB表示）表示）相等的点连接起来，就构成一幅相等的点连接起来，就构成一幅NF的等值线，叫作的等值线，叫作放大器的噪声放大器的噪声因子图（因子图（NF图）图）。不同的放大器不同的放大器有不同的有不同的NF图，放大器一经设计图，放大器一经设计完成，完成，NF图的结果是唯一的。图的结果是唯一的。图图2-5是是113型前置放大器的型前置放大

18、器的NF图，它充分图，它充分反映了放大器的噪声特性。反映了放大器的噪声特性。2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（二、噪声因子（NF）3NF图及其应用图及其应用 以以113型前置放大器的型前置放大器的NF图图为例进行分析：为例进行分析：（1 1）从从NFNF图图中中，可可选选择择NFNF值值最最小小的的R Rs s和和f f0 0的的范范围围。图图中中，NFNF值值最最小小为为0.05dB0.05dB，与与其其对对应应的的源源电电阻阻R Rs s约约在在500k500k-10M-10M、工工作作频频率率约约在在10Hz-1010Hz-10

19、3 3 HzHz之之间间。更更理理想想的的选选择择是是R Rs s=1M=1M和和f f0 0=100Hz=100Hz，说说明明此放大器适用于在高输入阻抗和低频下工作。此放大器适用于在高输入阻抗和低频下工作。如果此放大器所测量的是低源电阻的信号，如热电偶，如果此放大器所测量的是低源电阻的信号，如热电偶，R Rs s为为1010，工作频率在，工作频率在1Hz1Hz，则，则NFNF高大高大40dB40dB；若工作在；若工作在40Hz40Hz，则降至，则降至30dB30dB。由此可见，同一放大器，工作情况不同，放大器本身的噪。由此可见，同一放大器，工作情况不同，放大器本身的噪声也会不同。声也会不同。

20、2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（二、噪声因子（NF）3NF图及其应用图及其应用（2 2）在实际的微弱信号检测中，不同）在实际的微弱信号检测中，不同的检测对象，其源电阻和工作频率往往的检测对象，其源电阻和工作频率往往差别很大。例如，光电倍增管（差别很大。例如，光电倍增管（PMTPMT）输出信号一般是高阻输出信号一般是高阻R Rs s；热电偶的；热电偶的R Rs s却却是低阻值。又如，声学或生物医学的使是低阻值。又如，声学或生物医学的使用常在低频范围；而某些电检测又常常用常在低频范围；而某些电检测又常常避开避开1/f1/f噪声，选择中频

21、区；在结电容的噪声，选择中频区；在结电容的桥路检测中，又需要高频工作范围。桥路检测中，又需要高频工作范围。根据根据NFNF图可选择最适用的前置放大图可选择最适用的前置放大。图。图2-62-6是是不同类型的低噪声前置放大器各自的不同类型的低噪声前置放大器各自的NFNF=3dB=3dB等值线的比较，这等值线的比较，这些放大器基本覆盖了些放大器基本覆盖了R Rs s与与f f的全部范围。的全部范围。2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量二、噪声因子（二、噪声因子（NF）3NF图及其应用图及其应用（3 3）利利用用NFNF图图可可近近似似计计算算最最小小可可检

22、检测测信信号号（MDSMDS）的的大大小小。MDSMDS定定义义为为折折合合到到放放大大器器输输入入端端的的 ，以以其其作作为为检检测测极极限限，对对讨论放大器是合理的。讨论放大器是合理的。例例：若实验工作频率为：若实验工作频率为1kHz1kHz，源电阻为，源电阻为1010kk，从图从图2-52-5中查中查得得NFNF=1dB=1dB，由下式，由下式 （2-92-9）可计算可计算MDSMDS为为 若若R Rs s=1 M=1 M和和f f=40 Hz=40 Hz时，时，从图从图2-52-5中查得中查得NFNF=0.05dB=0.05dB，通过计算，通过计算得得 。尽管放大器工作在最佳匹配范围，

23、。尽管放大器工作在最佳匹配范围，NFNF只有只有0.05dB0.05dB，但由于源电阻，但由于源电阻R Rs s=1M=1M的热噪声增加，而使的热噪声增加，而使MDSMDS增大。增大。2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量三、三、其它噪声度量参量其它噪声度量参量1等效噪声电阻等效噪声电阻 前面讨论噪声因子时，是将放前面讨论噪声因子时，是将放大器的噪声等效为一个等效噪声电大器的噪声等效为一个等效噪声电压源压源VN及一个等效噪声电流源及一个等效噪声电流源IN。当然可以用一电阻当然可以用一电阻RV的热噪声电压，的热噪声电压，等效等效VN；用一电阻；用一电阻R

24、I的热噪声电流，的热噪声电流，等效等效IN。这样，就能用。这样，就能用RV电阻和电电阻和电阻阻RI，来表述，来表述NF值。这两个等效电阻之值为：值。这两个等效电阻之值为：（2-11）（2-12）2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量三、三、其它噪声度量参量其它噪声度量参量1等效噪声电阻等效噪声电阻故故 （2-82-8）可变为可变为 （2-132-13）上式可变形为上式可变形为 （2-142-14）分析：分析：（1 1）从从式式（2-132-13）可可看看出出：当当R RS S很很小小时时，对对NFNF起起主主要要贡贡献献的的是是R RV V，即即此此时

25、时噪噪声声电电压压源源起起主主要要作作用用；而而当当R RS S很很大大时时，对对NFNF起起主主要要贡献的是贡献的是R RI I，即此时噪声电流源起主要作用。，即此时噪声电流源起主要作用。2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量三、三、其它噪声度量参量其它噪声度量参量1等效噪声电阻等效噪声电阻（2 2）理想放大器的）理想放大器的V VN N和和I IN N都是白噪声，都是白噪声，所以，所以，R RV V和和R RI I均与频率无关。从式均与频率无关。从式（2-142-14）可知，对一定的）可知，对一定的R RV V和和R RI I，可，可解得两个解得两

26、个R RS S值，使值，使NFNF值相同。如此画值相同。如此画得的得的NFNF等值线，应是与横轴平行的两等值线，应是与横轴平行的两直线，与频率无关。而得不到类似图直线，与频率无关。而得不到类似图2-52-5的的NFNF图。实际放大器的图。实际放大器的V VN N和和I IN N，在低频、高频段是频率的函数。，在低频、高频段是频率的函数。原因原因：在低频区，由于：在低频区，由于1/f1/f噪声要起主要作用；在高频区，放大器输入阻抗中的电容，对噪声要起主要作用；在高频区，放大器输入阻抗中的电容，对高频有影响；只在中频段基本与频率无关。所以对不太小的高频有影响；只在中频段基本与频率无关。所以对不太小

27、的NFNF等等值线，它们基本有如图值线，它们基本有如图2-82-8的等值线。其中线段的等值线。其中线段1 1反映反映R RV V的大小；的大小；线段线段3 3反映反映R RI I的大小；线段的大小；线段2 2反映低频噪声；线段反映低频噪声；线段4 4反映输入阻抗中反映输入阻抗中电容的影响。电容的影响。2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量参量三、三、其它噪声度量参量其它噪声度量参量2等效噪声温度等效噪声温度 放放大大器器的的噪噪声声可可等等效效于于源源电电阻阻RS的的增增加加，同同样样，也也可可等等效效于源电阻温度于源电阻温度T的增加，这就是的增加，这就是

28、等效噪声温度等效噪声温度Te。放放大大器器的的NF都都是是在在T=290K的的室室温温下下测测定定的的，因因此此等等效效噪噪声温度声温度Te为为 （2-15）式（式（2-15）表示放大器的）表示放大器的NF可以用可以用Te来描述，来描述，NF与与Te相对应，相对应，如表如表2-1所示。因此，对于已经测定的所示。因此，对于已经测定的NF图的结果，完全适用图的结果，完全适用于于Te的表示，只要将的表示，只要将NF的的dB等值线换成相应的温度即可。等值线换成相应的温度即可。表表2-1 T=290K时，时，NF与等值噪声温度与等值噪声温度Te的对应值的对应值 NF（dB）10.50.20.10.050

29、.020.01Te（K）75.135.413.76.83.41.340.672-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量三、三、其它噪声度量参量其它噪声度量参量2等效噪声温度等效噪声温度分析：分析：（1 1）利用利用T Te e，可计算出放大器折合到输入端的总噪声电压，可计算出放大器折合到输入端的总噪声电压为为 （2-162-16）式式（2-162-16）中中，T T为为源源电电阻阻R RS S的的噪噪声声温温度度；T Te e为为放放大大器器的的等等效效噪噪声温度。放大器噪声的存在相当于源电阻的温度增加了声温度。放大器噪声的存在相当于源电阻的温度增加了T

30、Te e。（2 2）利利用用等等效效噪噪声声温温度度T Te e的的概概念念，可可以以测测定定放放大大器器的的低低NFNF值值。引引入等效噪声温度入等效噪声温度T Te e后，后，NFNF可表达为可表达为 （2-172-17）2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量三、三、其它噪声度量参量其它噪声度量参量2等效噪声温度等效噪声温度 对低噪声放大器，对低噪声放大器，T Te e相对相对T T很小，所以很小，所以NFNF测量误差很大。如测量误差很大。如果降低果降低T T，则，则T Te e相对增大，则相对增大，则NFNF测量误差就小。所以在测量低测量误差就小

31、。所以在测量低NFNF时，需要将源电阻致冷，甚至放入液时，需要将源电阻致冷，甚至放入液N N2 2或液或液HeHe中，使中，使T T降至降至77K77K或或4.2K4.2K，以突出，以突出T Te e的影响。的影响。例例：在在室室温温290K290K，T Te e=35.4K=35.4K时时，查查表表2-12-1可可知知，NFNF=0.5dB=0.5dB；但但如如果将源电阻果将源电阻R RS S放在液放在液HeHe中，这时，中，这时，T T=4.2K=4.2K，由式（，由式（2-172-17）计算）计算 这说明在室温（这说明在室温（T T=290K=290K）下测定的）下测定的NFNF=0.5

32、dB=0.5dB，相当于将，相当于将T T降至降至4.2K4.2K时测定时测定NFNF=9.74dB=9.74dB，这使测量低，这使测量低NFNF等值线成为可能。等值线成为可能。2-1 噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量噪声系数、噪声因子和其它噪声度量参量三、三、其它噪声度量参量其它噪声度量参量2等效噪声温度等效噪声温度 表2-2 源电阻RS的温度T与NF的关系 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.

33、78.96.43.692.232-2 低噪声前置放大器 一、低噪声前置放大器的设计原则一、低噪声前置放大器的设计原则 1放大器的主要设计指标放大器的主要设计指标 在在设设计计一一实实用用放放大大器器时时，会会受受到到许许多多限限制制，设设计计者者需需作作出出合合理理选选择择，使使放放大大器器的的多多种种指指标标达达到到要要求求。放放大大器器的的主主要要指指标标有有：增增益益、带带宽宽、输输入入及及输输出出阻阻抗抗、稳稳定定性性、经经济济性性和和噪噪声声特特性性。一一般般放放大大器器设设计计时时，是是先先考考虑虑满满足足增增益益和和带带宽宽要要求求，再再兼兼顾顾其其它它指指标标。指指标标的的确确

34、定定，应应据据输输入入条条件件和和输输出出要要求求来来考考虑虑。针针对对几几个个主主要指标作些说明。要指标作些说明。（1）根根据据输输入入和和输输出出电电平平，决决定定放放大大器器的的总总增增益益。按按一一般般单单级级放放大器增益，确定分级数。据各级放大器特点，作增益分配。大器增益，确定分级数。据各级放大器特点，作增益分配。（2）根根据据要要求求，确确定定放放大大器器的的工工作作频频率率范范围围。过过宽宽，将将使使经经济济指指标难以满足。标难以满足。（3）输出阻抗要很小于常用负载输出阻抗要很小于常用负载，以确保负载对放大器的影响较，以确保负载对放大器的影响较小。小。输入阻抗要很大于信号源内阻输

35、入阻抗要很大于信号源内阻，尽量减小对信号源的影响。，尽量减小对信号源的影响。2-2 低噪声前置放大器一、低噪声前置放大器的设计原则一、低噪声前置放大器的设计原则 1放大器的主要设计指标放大器的主要设计指标（4）稳稳定定性性是是放放大大器器的的一一个个重重要要指指标标。对对晶晶体体管管放放大大器器，稳稳定定系系数数 用用描描述述。一一般般S要要求求在在5-15之之间间，过过小小，虽虽稳稳定定性性好好，但增益小，直流损耗大。但增益小，直流损耗大。（5）噪声水平以测量精度或最低可检测水平决定噪声水平以测量精度或最低可检测水平决定。（6）经济指标经济指标，在满足技术指标前提下，越低越好。，在满足技术指

36、标前提下，越低越好。2.低噪声放大器设计时重点考虑内容低噪声放大器设计时重点考虑内容 对对低低噪噪声声前前置置放放大大器器，应应首首先先考考虑虑噪噪声声、稳稳定定性性，以以确确保保放放大大信信号号时时，引引入入噪噪声声小小和和漂漂移移小小；然然后后考考虑虑满满足足增增益益、带带宽宽要要求求；若若能能采采用用阻阻抗抗匹匹配配，输输入入、输输出出阻阻抗抗可可放放在在第第二二位位考考虑虑；最最后后兼兼顾经济指标。顾经济指标。作低噪声要求的放大器的设计时，应考虑如下几点：作低噪声要求的放大器的设计时，应考虑如下几点：2-2 低噪声前置放大器一、低噪声前置放大器的设计原则一、低噪声前置放大器的设计原则2

37、.低噪声放大器设计时重点考虑内容低噪声放大器设计时重点考虑内容（1）电路组态的选择电路组态的选择 放大器的电路组态的选择，是指对放大器的偏置电路、反馈放大器的电路组态的选择，是指对放大器的偏置电路、反馈电路、阻抗匹配网路、耦合电路及晶体管接地极等的选择。电路电路、阻抗匹配网路、耦合电路及晶体管接地极等的选择。电路组态的选择，对放大器的增益、带宽、输入及输出阻抗影响很组态的选择，对放大器的增益、带宽、输入及输出阻抗影响很大；对噪声有一定影响；常用于调整其它指标。但设计时，它总大；对噪声有一定影响；常用于调整其它指标。但设计时，它总是最先确定的。是最先确定的。（2）放大器工作点的选择放大器工作点的

38、选择 工作点的位置，不仅影响阻抗匹配，工作点的位置，不仅影响阻抗匹配，而且对噪声影响很大。晶体管集电极电而且对噪声影响很大。晶体管集电极电流越大，则可以与越小的源电阻匹配，流越大，则可以与越小的源电阻匹配，其调节范围是相当宽的。图其调节范围是相当宽的。图2-9给出了噪给出了噪声因子与源电阻的关系。曲线是以声因子与源电阻的关系。曲线是以Ic为参为参数的，从图中可以看出，不同的数的，从图中可以看出，不同的Ic和不同的和不同的RS，有不同的，有不同的NF值。值。2-2 低噪声前置放大器一、低噪声前置放大器的设计原则一、低噪声前置放大器的设计原则2.低噪声放大器设计时重点考虑内容低噪声放大器设计时重点

39、考虑内容（3）各级增益分配各级增益分配 若若前前放放需需要要几几级级，从从噪噪声声考考虑虑，总总是是令令输输入入级级功功率率增增益益较较大大，以以减减小小后后级级放放大大器器的的噪噪声声影影响响；输输入入级级常常不不用用或或用用小小的的负负反反馈馈，因因为为反反馈馈会会使使增增益益减减小小、反反馈馈电电阻阻会会引引入入噪噪声声；偏偏置置电电阻阻也也用用得得较较大大，因因为为输输入入级级的的偏偏置置会会引引入入附附加加噪噪声声电电流流，故故宜宜用用较较大大偏置电阻。偏置电阻。（4）优质元件的选择优质元件的选择选择放大器输入级元器件，选择放大器输入级元器件，是做好一个低噪声放大器是做好一个低噪声放

40、大器的关键之一。无源器件要的关键之一。无源器件要选择高质量的，使其噪声选择高质量的，使其噪声和稳定性好；有源器件的选择尤为关键，可选晶体三极管、场效和稳定性好；有源器件的选择尤为关键，可选晶体三极管、场效应管或集成元件。为使元件与信号源内阻匹配较好，可用图应管或集成元件。为使元件与信号源内阻匹配较好，可用图2-10作参考。作参考。2-2 低噪声前置放大器一、低噪声前置放大器的设计原则一、低噪声前置放大器的设计原则2.低噪声放大器设计时重点考虑内容低噪声放大器设计时重点考虑内容 如果源电阻在如果源电阻在501M区间，可选低噪声晶体三极管；如区间，可选低噪声晶体三极管；如果源电阻在果源电阻在1k1

41、G区间，可选结型场效应管；如果源电区间，可选结型场效应管；如果源电阻在阻在50M100G区间，可选绝缘栅型场效应管。由于绝区间，可选绝缘栅型场效应管。由于绝缘栅型场效应管的低频噪声比结型场效应管大缘栅型场效应管的低频噪声比结型场效应管大101000倍，倍，故一般除高阻或中频段放大器外，不选绝缘栅型场效应管。故一般除高阻或中频段放大器外，不选绝缘栅型场效应管。集成元件虽然体积小、使用简便，但一般噪声水平，要比晶集成元件虽然体积小、使用简便，但一般噪声水平，要比晶体管高体管高25倍，故常用于后级。倍，故常用于后级。二、最佳输入源电阻（二、最佳输入源电阻（）NFNF与信号源的内阻有关。从图与信号源的

42、内阻有关。从图2-92-9可看出，放大器应有一最佳可看出，放大器应有一最佳输入电阻输入电阻 ，源电阻为此值时，放大器的噪声最小，源电阻为此值时，放大器的噪声最小，称称为为放大器的最佳输入源电阻放大器的最佳输入源电阻。信号源与放大器有较好的阻抗。信号源与放大器有较好的阻抗匹配，才能使放大器有较小的噪声。匹配，才能使放大器有较小的噪声。2-2 低噪声前置放大器二、最佳输入源电阻（二、最佳输入源电阻（）下面计算下面计算 及最小噪声系数及最小噪声系数F FP Pminmin。比较下面两式。比较下面两式 （2-42-4）（2-82-8）有有 （2-182-18）当当R RS S为最佳源电阻时，为最佳源电

43、阻时，F FP P应为应为F FP Pminmin。令令 2-2 低噪声前置放大器二、最佳输入源电阻二、最佳输入源电阻得到得到 （2-192-19）所以有所以有 （2-202-20）2-2 低噪声前置放大器三、实用前置放大器举例三、实用前置放大器举例 1宽带低噪声前置放大器宽带低噪声前置放大器 采用分立元件可对元器件充分挑选，以期获得最小的噪声。其采用分立元件可对元器件充分挑选，以期获得最小的噪声。其基本框图如图基本框图如图2-11（a）所示。由两个放大器）所示。由两个放大器A1和和A2、一个输出、一个输出级、过载指示及去耦电路组成。放大器的频率范围为：级、过载指示及去耦电路组成。放大器的频率

44、范围为：DC-50MHz；输入、输出阻抗均为；输入、输出阻抗均为50；噪声；噪声50V50V；增益固定为；增益固定为1010和和100100两档。两档。2-2 低噪声前置放大器三、实用前置放大器举例三、实用前置放大器举例1宽带低噪声前置放大器宽带低噪声前置放大器 A1和和A2采用分立元件构成运算放大器，电原理图如图采用分立元件构成运算放大器，电原理图如图2-2-1111（b b）所示。选用高频低噪声晶体管）所示。选用高频低噪声晶体管T T1 1和和T T2 2构成差分对；中间构成差分对；中间级级T3对信号进一步放大，并将对信号进一步放大，并将T T1 1和和T T2 2的集电极双端输出变成单端

45、的集电极双端输出变成单端输出，推动射级跟随器输出，推动射级跟随器T T4 4以驱动负载。放大器的增益由反馈网以驱动负载。放大器的增益由反馈网络络R RF F和和R Rf f决定；决定；R R1 1、C C1 1、C CF F以补偿相位，使放大器稳定。以补偿相位，使放大器稳定。这种放大器由中科院物理所研制，并用于这种放大器由中科院物理所研制，并用于BOXCARBOXCAR积分器中，积分器中，性能基本与美性能基本与美PARCPARC的的115115型宽带低噪声放大器相同。型宽带低噪声放大器相同。2-2 低噪声前置放大器三、实用前置放大器举例三、实用前置放大器举例2FS-301低噪声前置放大器低噪声

46、前置放大器 这是这是FS-3锁相放大器的外接低噪声锁相放大器的外接低噪声前放，由中科院大连化物所研制，前放，由中科院大连化物所研制，可以单独使用，具有差分和单端两可以单独使用，具有差分和单端两种输入状态。其基本框图如图种输入状态。其基本框图如图2-12（a）所示。）所示。A、B和和C，无论是单，无论是单端还是差分输入，都能保证增益端还是差分输入，都能保证增益G=10。单端输入框图如图。单端输入框图如图2-12（b）所示；双端输入框图如图所示；双端输入框图如图2-12（c）所示。所示。BPF为一个高通滤波器为一个高通滤波器（HPF）和一个低通滤波器（）和一个低通滤波器（LPF）组成的简单的带通滤

47、波器，如图组成的简单的带通滤波器，如图2-13所示。所示。D和和E是后级放大，可是后级放大，可调节增益；调节增益；F为缓冲级，增益为为缓冲级，增益为1。2-2 低噪声前置放大器三、实用前置放大器举例三、实用前置放大器举例2FS-301低噪声前置放大器低噪声前置放大器 国内外的低噪声前放的类型很多，都可从它们的使用手国内外的低噪声前放的类型很多，都可从它们的使用手册中得到简要的介绍，具体电路大同小异，关键是第一级放册中得到简要的介绍，具体电路大同小异，关键是第一级放大器的器件性能。大器的器件性能。2-3 低噪声放大器匹配网络与变压器特性低噪声放大器匹配网络与变压器特性 一、常用匹配网络 常用的匹

48、配网常用的匹配网络，有如图络，有如图2-14所示所示的几种。第一种是纯的几种。第一种是纯变压器作阻抗变换的变压器作阻抗变换的匹配；后三种是利用匹配；后三种是利用L与与C的谐振回路，加的谐振回路，加抽头的方式，达到阻抗匹配。后三种有电感与电容，显然阻抗与抽头的方式，达到阻抗匹配。后三种有电感与电容，显然阻抗与频率有关，一般都是工作在与信号频率相近的窄频率区。图频率有关，一般都是工作在与信号频率相近的窄频率区。图2-14（b）适用于）适用于 ；图；图2-14（c）适用于）适用于 ；图；图2-14（d）适用于适用于 很小的情况。很小的情况。2-3 低噪声放大器匹配网络与变压器特性低噪声放大器匹配网络

49、与变压器特性二、理想变压器作匹配时的二、理想变压器作匹配时的SNIR 理想变压器理想变压器是指：是指：假定变压器的初、次级间的耦合系数为假定变压器的初、次级间的耦合系数为1；线；线圈电感为无穷大；线圈电阻为零；无寄生电容；次级将要接无圈电感为无穷大；线圈电阻为零；无寄生电容；次级将要接无限大的负载电阻；铁心无损耗的假想变压器限大的负载电阻；铁心无损耗的假想变压器。利利用用变变压压器器作作阻阻抗抗变变换换，使使与与 相相匹匹配配，假假设设变变压压器器是是理想的，变比理想的，变比 （2-21）2-3 低噪声放大器匹配网络与变压器特性低噪声放大器匹配网络与变压器特性二、理想变压器作匹配时的二、理想变

50、压器作匹配时的SNIR 变压器插入被测对象和放大器之间，如图变压器插入被测对象和放大器之间，如图2-15所示。所示。经匹配，希望经匹配，希望 （2-22）2-3 低噪声放大器匹配网络与变压器特性低噪声放大器匹配网络与变压器特性二、理想变压器作匹配时的二、理想变压器作匹配时的SNIR 将将SNIR的的定定义义略略作作扩扩展展，以以适适应应于于变变压压器器匹匹配配的的情情况况。定义为：定义为：（2-22）式中式中 SNRT接入变压器的信噪比；接入变压器的信噪比；SNRNT不接入变压器的信噪比。不接入变压器的信噪比。因此，因此，2-3 低噪声放大器匹配网络与变压器特性低噪声放大器匹配网络与变压器特性