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书名：测量电子电路设计——模拟篇
定价：35.0
ISBN：9787030171610
作者：[日]远坂俊昭攻;彭军
版次：1
出版时间：2018-01
在线试读：
第1章 前置放大器的低噪声技术
检测微弱信号过程中*关键的部分就是传感器。而要充分发挥传感器的功效，并将检测信号放大为易于处理的信号电平，需要前置放大器完成此任务。
在进入具体的设计之前，首先介绍为了*大限度地获得S/N（Signal（信号）对Noise（噪声）之比）的电路技术。
1.1 前置放大器应该具备的性能
1.1.1 能够可靠地放大信号
在详细介绍电路技术之前，首先了解传感器用前置放大器的基本性能要求（图1.1）。
图1.1 前置放大器的工作环境及其必要的性能
①前置放大器内部的噪声小，也不易受外来噪声的影响。
②前置放大器的输入阻抗要比传感器的输出阻抗高得多。
③增益频率特性能够覆盖必要的频带。
④具有必要的增益，当温度等因素变化时具有良好的稳定性。
⑤具有良好的增益线性，失真小。
⑥为了能够获得必要的输出电压，输出阻抗要小，且不易受负载的影响。
在进行设计时应该满足以上各项要求。而且基于提高增益的稳定性、频率特性的平坦性和直线性的要求，还应该减少输入输出间的相位变化，减小输出阻抗，这就是图1.2所示的负反馈(Negative Feedback)技术所承担的重要任务。关于负反馈技术将在第4章作详细说明。
负反馈的作用：
①能够方便地设定增益（由β电路设定）。
②增益的变动小（基本上由β电路决定）。
③能够改善频率特性。
④能够实现任意的频率特性（β电路具有频率特性）。
⑤改善线性度，减少失真。
⑥输入输出阻抗可以按照负反馈的方法而改变。
图1.2 负反馈的作用
1.1.2 低频电路的输入阻抗要高
低频前置放大器要求能够无损失地获取传感器中发生的信号，并且尽量提高该信号与前置放大器中产生的噪声的比值。因此，需要提高前置放大器的输入阻抗，使它比信号源的阻抗高得多。
图1.3中，输出阻抗为1kΩ、输出10mV的传感器连接到增益为100倍、输入短路时噪声输出为1mV的前置放大器上，前置放大器的输入阻抗分别有1kΩ和1MΩ两种情况。我们看到，前置放大器A的输出是信号500mV/噪声1mV；前置放大器B的输出是信号999mV/噪声1mV。
图1.3 在低频情况下，信号源阻抗要满足
A的信号输出比B的输出小也是问题，更重要的是A的前置放大器输出信号S与噪声N的比值比B小。把这个信号与噪声之比称为信噪比，记为S/N。如果S/N一旦变小，那么不管后级连接性能怎么好的放大器也无法改善这个值。
因此，为了确保高的S/N，必须提高输入阻抗，无损失地获取传感器发生的信号，尽量减少前置放大器内部发生的噪声。这对于提高信噪比S/N非常重要。
而且，为了正确获取并放大传感器发生的电压，也需要尽可能提高输入阻抗。
但是这是对低频电路而言。在信号波长相对于传输电缆线长度不可忽略的高频电路中，当信号源阻抗与输入阻抗不同时，就会产生驻波，导致频率特性混乱。
在高频电路中，使信号源阻抗、电缆线阻抗以及前置放大器的输入阻抗三者相等，且要进行匹配是原则。
1.1.3 前置放大器中采用非反转放大电路
使用OP放大器的前置放大电路中，如图1.4所示，由于负反馈技术的运用，有反转放大电路和非反转放大电路两种熟知的电路形式。反转放大器的输入阻抗几乎与R1相当。因此，反转放大电路中为了提高输入阻抗，需要提高R1的值。
但是在低噪声前置放大器中，电阻R1的值成为问题的关键；之所以这样说，是因为电阻器会产生热噪声，电阻值越大，热噪声也就越大。
所以存低频低噪声前置放大器中，采用能够降低反馈电路的电阻值R1并且能够提高输入阻抗值的非反转放大器是有利的。
图1.4 两种典型的放大电路
从图1.4(b)也可以看出，非反转放大电路的输入阻抗由于负反馈作用能够比R1的值大很多。
1.2 热噪声(Thermal Noise)
1.2.1 电阻中产生的热噪声
前面已经提到电阻器产生热噪声的问题。在讨论噪声问题时，这种热噪声是各种噪声的基础。热噪声是南导体内部的自由电子做布朗运动引起的，其大小由下式决定：
(1.1)
式中，忌为玻尔兹曼常量(1. 38×10-23 J/K)；T为绝对温度(K)；R为电阻值(Ω)；B为带宽(Hz)。
为方便计算起见，令式中T=300K(27℃)，则有
(1.2)
由上式可得，电阻器产生的热噪声与温度、电阻值、带宽三个参数的平方根成比例。热噪声在频谱图中是均匀的。如图1.5所示，只要带宽相同，不论在什么频率范同内，其振幅值都是相等的。
例如，温度为27℃，1kΩ的电阻在以1kHz为中心的100Hz带宽中产生的噪声电压为40. 7nVrms，在以1MHz为中心的100Hz带宽中产生的噪声电压也是40. 7nVrms。
图1.5 如果带宽相同，在任何频率下热噪声都具有相等的振幅
图1.6示出不同带宽中热噪声产生量与电阻值的关系。
图1.6 热噪声与带宽及电阻值的关系
1.2.2 热噪声的性质
照片1.1是一例放大了的在限定带宽内测得的电阻器上产生的热噪声。可以看到热噪声的波形是无规则的。但是不可思议的是当测量波形瞬时值的产生频度时，看到如图1.7所示的规则分布（高斯分布）。就是说热噪声的*大瞬时电压是没有限度的，不过电压越大出现的频度越小。
因此，用示波器仔细观测可以发现有效值3倍的电压以0.1%的频度出现，表1.1所示为热噪声的峰值系数(Crest Factor或者Pcak Factor)与频度的关系。峰值系数是表示波形的峰值相对于有效值大小的参数，在正弦波的场合为，对于方波为1。若是脉冲状的噪声，峰值系数为更大。
照片1.1 热噪声的测定
图1.7 热噪声的振幅几率密度呈高斯分布
表1.1 热噪声的振幅频度与峰值系数
1.2.3 噪声的单位——（噪声密度）
热噪声的频率特性是平坦的噪声（处处都均匀地含有白色成分，所以叫做白噪声），如式(1.1)所示，它的产生量与频率带宽的平方根成比例。因此表示噪声大小时，噪声密度常常以（噪声电流的场合使用）作为单位。如果确定了1Hz带宽中产生的噪声量，就能够通过计算求得在希望使用的任意频带内的噪声量。
即使是具有不同频带、不同增益的放大器，如果用输入换算的
定价：35.0
ISBN：9787030171610
作者：[日]远坂俊昭攻;彭军
版次：1
出版时间：2018-01
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第1章 前置放大器的低噪声技术
检测微弱信号过程中*关键的部分就是传感器。而要充分发挥传感器的功效，并将检测信号放大为易于处理的信号电平，需要前置放大器完成此任务。
在进入具体的设计之前，首先介绍为了*大限度地获得S/N（Signal（信号）对Noise（噪声）之比）的电路技术。
1.1 前置放大器应该具备的性能
1.1.1 能够可靠地放大信号
在详细介绍电路技术之前，首先了解传感器用前置放大器的基本性能要求（图1.1）。
图1.1 前置放大器的工作环境及其必要的性能
①前置放大器内部的噪声小，也不易受外来噪声的影响。
②前置放大器的输入阻抗要比传感器的输出阻抗高得多。
③增益频率特性能够覆盖必要的频带。
④具有必要的增益，当温度等因素变化时具有良好的稳定性。
⑤具有良好的增益线性，失真小。
⑥为了能够获得必要的输出电压，输出阻抗要小，且不易受负载的影响。
在进行设计时应该满足以上各项要求。而且基于提高增益的稳定性、频率特性的平坦性和直线性的要求，还应该减少输入输出间的相位变化，减小输出阻抗，这就是图1.2所示的负反馈(Negative Feedback)技术所承担的重要任务。关于负反馈技术将在第4章作详细说明。
负反馈的作用：
①能够方便地设定增益（由β电路设定）。
②增益的变动小（基本上由β电路决定）。
③能够改善频率特性。
④能够实现任意的频率特性（β电路具有频率特性）。
⑤改善线性度，减少失真。
⑥输入输出阻抗可以按照负反馈的方法而改变。
图1.2 负反馈的作用
1.1.2 低频电路的输入阻抗要高
低频前置放大器要求能够无损失地获取传感器中发生的信号，并且尽量提高该信号与前置放大器中产生的噪声的比值。因此，需要提高前置放大器的输入阻抗，使它比信号源的阻抗高得多。
图1.3中，输出阻抗为1kΩ、输出10mV的传感器连接到增益为100倍、输入短路时噪声输出为1mV的前置放大器上，前置放大器的输入阻抗分别有1kΩ和1MΩ两种情况。我们看到，前置放大器A的输出是信号500mV/噪声1mV；前置放大器B的输出是信号999mV/噪声1mV。
图1.3 在低频情况下，信号源阻抗要满足
A的信号输出比B的输出小也是问题，更重要的是A的前置放大器输出信号S与噪声N的比值比B小。把这个信号与噪声之比称为信噪比，记为S/N。如果S/N一旦变小，那么不管后级连接性能怎么好的放大器也无法改善这个值。
因此，为了确保高的S/N，必须提高输入阻抗，无损失地获取传感器发生的信号，尽量减少前置放大器内部发生的噪声。这对于提高信噪比S/N非常重要。
而且，为了正确获取并放大传感器发生的电压，也需要尽可能提高输入阻抗。
但是这是对低频电路而言。在信号波长相对于传输电缆线长度不可忽略的高频电路中，当信号源阻抗与输入阻抗不同时，就会产生驻波，导致频率特性混乱。
在高频电路中，使信号源阻抗、电缆线阻抗以及前置放大器的输入阻抗三者相等，且要进行匹配是原则。
1.1.3 前置放大器中采用非反转放大电路
使用OP放大器的前置放大电路中，如图1.4所示，由于负反馈技术的运用，有反转放大电路和非反转放大电路两种熟知的电路形式。反转放大器的输入阻抗几乎与R1相当。因此，反转放大电路中为了提高输入阻抗，需要提高R1的值。
但是在低噪声前置放大器中，电阻R1的值成为问题的关键；之所以这样说，是因为电阻器会产生热噪声，电阻值越大，热噪声也就越大。
所以存低频低噪声前置放大器中，采用能够降低反馈电路的电阻值R1并且能够提高输入阻抗值的非反转放大器是有利的。
图1.4 两种典型的放大电路
从图1.4(b)也可以看出，非反转放大电路的输入阻抗由于负反馈作用能够比R1的值大很多。
1.2 热噪声(Thermal Noise)
1.2.1 电阻中产生的热噪声
前面已经提到电阻器产生热噪声的问题。在讨论噪声问题时，这种热噪声是各种噪声的基础。热噪声是南导体内部的自由电子做布朗运动引起的，其大小由下式决定：
(1.1)
式中，忌为玻尔兹曼常量(1. 38×10-23 J/K)；T为绝对温度(K)；R为电阻值(Ω)；B为带宽(Hz)。
为方便计算起见，令式中T=300K(27℃)，则有
(1.2)
由上式可得，电阻器产生的热噪声与温度、电阻值、带宽三个参数的平方根成比例。热噪声在频谱图中是均匀的。如图1.5所示，只要带宽相同，不论在什么频率范同内，其振幅值都是相等的。
例如，温度为27℃，1kΩ的电阻在以1kHz为中心的100Hz带宽中产生的噪声电压为40. 7nVrms，在以1MHz为中心的100Hz带宽中产生的噪声电压也是40. 7nVrms。
图1.5 如果带宽相同，在任何频率下热噪声都具有相等的振幅
图1.6示出不同带宽中热噪声产生量与电阻值的关系。
图1.6 热噪声与带宽及电阻值的关系
1.2.2 热噪声的性质
照片1.1是一例放大了的在限定带宽内测得的电阻器上产生的热噪声。可以看到热噪声的波形是无规则的。但是不可思议的是当测量波形瞬时值的产生频度时，看到如图1.7所示的规则分布（高斯分布）。就是说热噪声的*大瞬时电压是没有限度的，不过电压越大出现的频度越小。
因此，用示波器仔细观测可以发现有效值3倍的电压以0.1%的频度出现，表1.1所示为热噪声的峰值系数(Crest Factor或者Pcak Factor)与频度的关系。峰值系数是表示波形的峰值相对于有效值大小的参数，在正弦波的场合为，对于方波为1。若是脉冲状的噪声，峰值系数为更大。
照片1.1 热噪声的测定
图1.7 热噪声的振幅几率密度呈高斯分布
表1.1 热噪声的振幅频度与峰值系数
1.2.3 噪声的单位——（噪声密度）
热噪声的频率特性是平坦的噪声（处处都均匀地含有白色成分，所以叫做白噪声），如式(1.1)所示，它的产生量与频率带宽的平方根成比例。因此表示噪声大小时，噪声密度常常以（噪声电流的场合使用）作为单位。如果确定了1Hz带宽中产生的噪声量，就能够通过计算求得在希望使用的任意频带内的噪声量。
即使是具有不同频带、不同增益的放大器，如果用输入换算的