噪聲的特點及低噪聲設計

1、神經(jīng)電記錄儀的輸入短路噪聲實測值（微伏）（成都儀器廠生產(chǎn)）,II 系統(tǒng)的噪聲 （Noise),概念：與外部干擾相區(qū)別，把測量系統(tǒng)內(nèi)部由器件、材料、部件的物理因素產(chǎn)生的自然擾動稱為噪聲（電壓或電流）。噪聲是電路內(nèi)固有的，不能用諸如屏蔽、合理接地等方法予以消除。,一、噪聲的一般性質(zhì),噪聲電壓或噪聲電流是隨機的，噪聲的隨機過程不可能用一個確定的時間函數(shù)來描述 。它服從于一定的統(tǒng)計規(guī)律，能通過表示噪聲過程的概率密度P(u)而得知噪聲電壓落在

2、某一范圍內(nèi)的概率。隨機噪聲為一平穩(wěn)隨機過程，概率密度與時間t無關(guān)。,一、噪聲的一般性質(zhì),噪聲電壓或噪聲電流是隨機的，噪聲的隨機過程不可能用一個確定的時間函數(shù)來描述 。它服從于一定的統(tǒng)計規(guī)律，能通過表示噪聲過程的概率密度P(u)而得知噪聲電壓落在某一范圍內(nèi)的概率。隨機噪聲為一平穩(wěn)隨機過程，概率密度與時間t無關(guān)。,隨機噪聲（熱噪聲和散粒噪聲 ）,Gaussian distribution of noise amplitude rm

3、s: root mean square,Ths7002_buffer_preamp_gain-1_in-_short to_Gnd+/-12v_battery_power_buffer_noise-outpup,測量中的校正系數(shù),(1)全波整流后的平均值,(2)均方根值（有效值rms，root-mean-square),測量中的校正系數(shù),測量中的校正系數(shù),測量噪聲應用熱效應定義的均方根值電壓表。正弦波全波整流的平均值是峰值的0.636

4、，而它的均方根值是峰值的0.707，所以常用的交流電壓表（平均值電壓表）測量正弦波的均方根值應作修正，修正系數(shù)為1.11。而且噪聲波形并不是正弦波，是由大量尖脈沖組成，噪聲電壓均方根值是峰值的0.798倍，均方根值與平均值之比為0.798/0.636=1.255，所以均方根值正弦響應的電壓表測量到的噪聲電壓須乘以1.13（0.798/0.707 ）的修正系數(shù)才得到噪聲電壓的均方根值。,噪聲的頻域描述方法,噪聲服從一定的統(tǒng)計規(guī)律，無法用頻

5、譜描述，而用功率譜表示它的頻域特性。噪聲電壓（或噪聲電流）的均方值是它在一歐姆電阻上產(chǎn)生的平均功率。此功率是各頻率分量功率之和，功率譜密度S（f）為:S(f)=U2/ R /△f = U2/△f ; S(f)= I2*R/△f= I2/△f,功率譜密度U2/△f or I2/△f,S（f）為功率譜密度，它表示單位頻帶內(nèi)噪聲的功率及隨頻率的變化情況。單位：W/Hz,噪聲的相關(guān)性,小結(jié)：噪聲描述的方法,噪聲的基本特性可以用統(tǒng)

6、計平均量來描述1）均方值表示噪聲的強度，2）概率密度表示噪聲在幅度域里的分布密度；3）功率譜密度表示噪聲在頻域里的特性；4）通常認為兩種噪聲源為完全不相關(guān)，噪聲電壓瞬時值之間沒有關(guān)系，噪聲總均方電壓等于各噪聲源均方電壓之和。(功率相加）,二、生物醫(yī)學測量系統(tǒng)中的主要噪聲,1/f噪聲（低頻噪聲）熱噪聲散粒噪聲,1/f 噪聲（閃爍噪聲或低頻噪聲） Flicker Noise,電子系統(tǒng)中，1/f噪聲是普遍存在的。凡兩種材料之間不

7、完全接觸，形成起伏的導電率便產(chǎn)生1/f噪聲。 它發(fā)生在兩個導體連接的地方，如開關(guān)、繼電器或晶體管、二極管的不良接觸，以及電流流過合成碳質(zhì)電阻的不連續(xù)介質(zhì)等。各有源器件在制作工藝過程中，材料表面特性及半導體器件結(jié)點中的缺陷等，是1/f噪聲的主要成因。,數(shù)學描述,K是頻率為1Hz時的譜密度值,熱噪聲（Thermal Noise),熱噪聲是由導體中載流子的隨機熱運動引起的。任何處于絕對零度以上的導體中，電子都在作隨機熱運動。 192

8、7年約翰遜（Johnson）首先在實驗中觀察到導體上熱噪聲電壓的存在，1928年乃奎斯特進行了理論分析。熱噪聲又常稱為約翰遜噪聲或乃奎斯特噪聲。,數(shù)學描述,k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，R為阻值,散粒噪聲 （Shot Noise),在半導體器件中，載流子產(chǎn)生與消失的隨機性，使得流動著的載流子數(shù)目發(fā)生波動，時多時少，由此而引起電流瞬時漲落稱為散粒噪聲。 散粒噪聲與流過半導體PN結(jié)位壘的電流有關(guān)，所以三極管、二極管中，都存在產(chǎn)生散粒噪聲

9、電流的單元。在簡單的導體中沒有位壘，因此沒有散粒噪聲。,數(shù)學描述,測量系統(tǒng)中的主要噪聲類型小結(jié),1/f噪聲、熱噪聲、散粒噪聲,Un和In參數(shù)噪聲系數(shù),三、描述放大器噪聲性能的參數(shù),Signal to Noise Ratio（SNR),信噪比：表示信號與噪聲的相對大小，間接反映了噪聲對信號的影響程度和信號的精度水平。SNR=10Lg（Ps/Pn）=20Lg（Us/Un）；（分貝） 式中：Ps為信號功率；Pn為噪聲功率；Us為信

10、號有效值；Un為噪聲有效值。 在一定的輸出信噪比的要求之下，輸出噪聲折合到輸入端，可以判斷放大器可能放大多弱的信號。為此，通常把放大器的噪聲等效到輸入端。,,放大器的Un和In參數(shù),,,假設Un、In不相關(guān)，C=0，各噪聲源的噪聲電壓的均方值相加，得到輸出噪聲電壓的均方值 放大器對信號Uns的電壓增益A′為,結(jié) 論,放大器的等效輸入噪聲為三個噪聲電壓發(fā)生器的均方值的和，用位于Us處的一個噪聲源來等效系

11、統(tǒng)中的所有噪聲源。此方程式適用于任何有源器件的系統(tǒng)，是分析噪聲問題中的重要公式。 源電阻不同（高、低）時的器件選擇。,等效輸入端噪聲 Refered-to-input (RTI),Rs=0時：可以測得Un值,Rs較大時：可以估測In,（二）噪聲系數(shù)Noise Factor(NF),NF,噪聲系數(shù)是放大器引起的信號質(zhì)量（信噪比）惡化程度的量度。理想狀態(tài)，放大器在源熱噪聲的基礎(chǔ)上不再增加噪聲，即放大器本身無噪聲，這時F=1或NF

12、=0。實際上總是NF＞0dB。低噪聲設計的目的是使NF值盡可能小。,噪聲系數(shù)結(jié)論,噪聲系數(shù)結(jié)論,當信號源電阻等于最佳源電阻時，可以獲得最小的噪聲系數(shù)。調(diào)整信號源電阻使噪聲系數(shù)最小，稱為電路的噪聲匹配。,NF VS SNR,由此可知，最大的輸出信噪比發(fā)生在Rs=0處。所以，最小的噪聲系數(shù)并不一定有最大的輸出信噪比或最小噪聲。,,,Un，In*Rs Uns,信號,圖2-44 等效輸入噪聲與源電阻Rs的關(guān)系,Rs,Uni

13、,Uni,兩級放大的噪聲,F2AP2Pn2,（三）多級放大器的噪聲,第一級放大的噪聲系數(shù)對總噪聲系數(shù)的貢獻最大，努力降低第一級噪聲，是實現(xiàn)低噪聲設計的原則。,如果第一級功率增益足夠大，則第二級的噪聲影響可忽略，總的噪聲系數(shù)主要決定于第一級的噪聲系數(shù)。,四、器件的噪聲,1、電阻：熱噪聲;串并聯(lián)等效,,,金屬膜的1/f小，碳膜電阻的1/f大,,,,,,,,,,,,,,,,,,,四、器件的噪聲,2、電容：1/f噪聲和漏電阻的熱噪聲。

14、 鉭（Tantalum)電容、瓷片電容和云母電容的噪聲較??；鋁電解電容的噪聲較大。3、場效應管和雙極晶體管的噪聲 熱噪聲；散粒噪聲；1/f噪聲；,4、三極管和運放的噪聲Un,In,圖2-51 三種器件的等效噪聲電壓曲線1—雙極型晶體管； 2—結(jié)型場效應晶體管； 3—集成運放器件,根據(jù)總增益、頻率響應、動態(tài)范圍、穩(wěn)定性等指標設計后級電路，決定放大級數(shù)及電路結(jié)構(gòu)等，應注意后級電路不能破壞總的噪聲性能。,根據(jù)噪聲要求、源阻抗

15、特性、輸入耦合網(wǎng)絡選擇電路結(jié)構(gòu)形式和器件、確定工作點并進行噪聲匹配。,III、低噪聲放大器設計,一、噪聲性能指標,放大器輸入端對地短路時的固有噪聲折合到輸入端（RTI噪聲），作為放大器的性能指標，它基本反映了放大器能區(qū)分的最小信號。,體表心電圖＜10μV（0~250Hz）體表希氏束電圖＜0.5μV （80~300Hz）頭皮電極腦電圖＜1μV（0~100Hz）針電極肌電圖＜1μV（2~10000H

16、z）腦誘發(fā)電位＜0.7μV （0~10KHz）眼電生理信號＜0.5μV （0~1KHz）,輸入級器件選用參考,10 100 1k 10k100k1M 10M 100M 1G 10G 100GRso Ω,,噪聲匹配的過程：,傳感器阻抗不同,選擇可匹配的器件,調(diào)節(jié)器件參數(shù),,傳感器的阻抗特點,靜態(tài)參數(shù)噪聲等值圖,輸入級器件選用參考,放大電路的噪聲

17、分析,1、電路基本分析方法；2、噪聲源不相關(guān)，輸出端功率相加；3、分為外圍電路及放大器本身的噪聲兩部分；采用疊加原理。,,,,R1在輸出端產(chǎn)生的噪聲E1,,R2在輸出端產(chǎn)生的噪聲E2,,R3在輸出端產(chǎn)生的噪聲E3,,ep在輸出端產(chǎn)生的噪聲Ep,,inp在輸出端產(chǎn)生的噪聲Enp,,inn在輸出端產(chǎn)生的噪聲Enn,輸出端總噪聲疊加計算,二、低噪聲 設計原則,根據(jù)噪聲要求和源的性質(zhì)，確定輸入電路的結(jié)構(gòu)形式和器件篩選,根據(jù)放大倍

18、數(shù)和電路的帶寬，給第一級分配盡可能高的放大倍數(shù)；,選擇后級電路，以不破壞總的噪聲性能為依據(jù),電阻阻值盡量小，金屬膜；有極性電容選鉭電容，無極性電容選瓷片或云母電容,三、低噪聲設計實例,理論分析、仿真模擬挑戰(zhàn)極限-高精度-高增益-模擬,阻容元件的參數(shù),帶寬、增益、輸入級,ina110_g10_2M_gbw.pdf,Fast-Settling FET-InputINSTRUMENTATION AMPLIFIER(IA),INA110,

19、APPLICATIONSMULTIPLEXED INPUT DATA ACQUISITIONFAST DIFFERENTIAL PULSE AMPLIFIERHIGH SPEED GAIN BLOCKAMPLIFICATION OF HIGH IMPEDANCE SOURCES,INA110,FEATURESLOW BIAS CURRENT: 50pA maxFAST SETTLING: 4ms to 0.01%HIGH

20、CMR: 106dB min; 90dB at 10kHzINTERNAL GAINS: 1, 10, 100, 200, 500VERY LOW GAIN DRIFT: 10 to 50ppm/°CLOW OFFSET DRIFT: 2mV/°CLOW COSTLOW NOISEPINOUT SIMILAR TO AD524 AND AD624,DESCRIPTION The INA110

21、is a versatile monolithic FET-input instrumentation amplifier. Its current-feedback circuit topology and laser trimmed input stage provide excellent dynamic performance and accuracy. The INA110 settles in 4ms to 0.01%, m

22、aking it ideal for high speed or multiplexed-input data acquisition systems. Internal gain-set resistors are provided for gains of 1,10, 100, 200, and 500V/V. Inputs are protected for differential and common-mode v

23、oltages up to ±VCC. Its very high input impedance and low input bias current make the INA110 ideal for applications requiring input filters or input protection circuitry. The INA110 is available in 16-pin plastic an

24、d ceramic DIPs, and in the SOL-16 surface-mount package. Military, industrial and commercial temperature range grades are available.,INA110：Noise,INPUT NOISEVoltage: fO = 10kHz 10nV/ fB

25、 = 0.1Hz to 10Hz 1 μVp-pCurrent:fO = 10kHz 1.8 fA/,OUTPUT NOISEVoltage: fO = 10kHz 65 nV/ 白噪聲 fB = 0.1Hz to 10Hz 8 μVp-p 1/f,,,,,三、低噪

26、聲設計實例,理論分析、仿真模擬挑戰(zhàn)極限-高精度-高增益-模擬,阻容元件的參數(shù),帶寬、增益、輸入級,ina110_g10_2M_gbw.pdf,結(jié)構(gòu)：放大＋濾波方法：理論分析 仿真實驗 實測驗證,增益2000精度1μV噪聲1μV(帶寬2.5KHz),高增益高精度低噪聲放大器設計,仿真結(jié)構(gòu)示意圖,電路功能示意圖,理論分析:頻帶確定,等效輸入端噪聲與放大器的噪聲性能、外圍電阻的熱噪聲、頻

27、帶寬度及工作溫度均有關(guān)系。本系統(tǒng)的低通濾波器最高截止頻率為2500Hz，因濾波器的過渡帶和阻帶特性并非完全理想，所以系統(tǒng)的真正帶寬并非2500Hz，在如下計算中取系統(tǒng)的帶寬為截止頻率的4倍頻，即10KHz。,理論分析：電阻的熱噪聲,,理論計算表明，1KΩ電阻在室溫（20度）條件下，其熱噪聲電壓譜密度約為4.02nV/ 。本系統(tǒng)中，放大器至少需要7只電阻，阻值均按10KΩ計算；四階低通濾波器最少需要10只電阻，阻值平均按20KΩ計

28、算，忽略源電阻和電容的噪聲，不失一般性，假設各電阻的熱噪聲不相關(guān)，按照噪聲功率相加的原則，估算出熱噪聲譜密度約為66.06nV/ 。,理論分析：運放的熱噪聲,,前置增益級的噪聲密度取理論極限值1nV/ ，差分放大器、4階濾波器中的2個運放及輸出緩沖級均視為極低噪聲運算放大器（如OP27），噪聲密度取3nV/ 。源電阻較小時，忽略各放大器的等效輸入端電流噪聲。增益為1時，輸出噪聲譜密度 帶寬10KH

29、z時，總輸出噪聲有效值為：6.63μV等效輸入噪聲有效值為：6.63μV增益為2000時（假設全部由前置增益級提供），輸出噪聲譜密度為：總輸出噪聲有效值為：等效輸入噪聲有效值為：0.14μV,,,,理論分析：結(jié)論,,盡管上述假設中已忽略了其他一些噪聲源，但在低增益時，輸入端噪聲有效值已經(jīng)大于6μV，而高增益時（增益為2000 ），等效輸入端噪聲小于1μV。因此，從理論上分析有可能實現(xiàn)設計目標。,GAIN VS FREQUENC

30、Y仿真：三種放大器的幅頻特性曲線（輸入1mV,增益2000）,PHASE VS FREQUENCY仿真：三種放大器的相頻特性曲線（增益2000）,增益2000時三種放大器的輸出噪聲電壓譜密度（μV/ ）,A）仿真結(jié)果與理論計算的增益2000倍時的輸出噪聲電壓譜密度 在同一水平,B）INA103的噪聲電壓譜密度最小，增益2000倍、頻帶10KHz時，其等效輸入端噪聲約為0.062μV (不包含濾波器

31、的噪聲),高增益高精度低噪聲放大器實現(xiàn),放大器采用INA103，固定增益設計為2000（實測增益為1925倍），濾波部分采用4階Chebysheve低通濾波器，其截止頻率為3KHz，通帶紋波0.01dB，通帶增益為1。,實驗室環(huán)境，室溫20度，模塊通電預熱10分鐘后測量。數(shù)據(jù)采集卡為PCI6034E，輸入量程范圍+/-50mV，16bit，最小分辨率1.525μV，采集速率從1Hz到200KHz。計算均值（Mean）和標準差(Sd)。輸

32、入信號由HP33250A任意波形發(fā)生器產(chǎn)生。,數(shù)據(jù)采集卡輸入端短接時本底噪聲,數(shù)據(jù)采集卡輸入端短接時采集到的PCI6034E的本底噪聲。采樣頻率100Hz，100次疊加。其均值為11.57μV，相當于采集卡的靜態(tài)直流漂移，標準差為10.06μV，相當于采集卡的本底噪聲的有效值。,,,放大器輸入端短接時，在濾波器的輸出端采集到的噪聲電壓和直流失調(diào)電壓,放大濾波模塊在增益2000時，輸出端直流失調(diào)電壓為19.4mV,輸出噪聲電壓有效值為15

33、7.95μV，忽略數(shù)據(jù)采集卡的本底噪聲時，該模塊的等效輸入端噪聲電壓有效值約為0.08μV。,,,,放大器輸入2mVp_p的1kHz和3kHz正弦信號時，濾波器的輸出信號,濾波器輸出1放大器輸入 1kHz,2mVp_p,,,濾波器輸出2放大器輸入3kHz,2mVp_p,,,放大器輸入1μVp_p 和5μVp_p 的1kHz正弦小信號時，濾波器的輸出信號,濾波器輸出1放大器輸入：1kHz, 1μVp_p ，2mVp_p衰減1/20

34、00得到,濾波器輸出2放大器輸入：1kHz, 5μVp_p （10mVp_p衰減1/2000得到 ）,信噪比較差的原因除放大模塊本底噪聲外，主要因信號源在輸出小信號時信噪比本身較低。,輸出信號：頻率1kHz，約10mVp_p,,,放大器直流分辨率測試，濾波器的輸出信號,放大器輸入端直流變化量分別為0, 1,2,3,4,5,0,-1,-2,0μV時的輸出信號,,低噪聲設計實例 結(jié)論,理論分析的結(jié)論與仿真實驗結(jié)論相符,外圍阻容元件的參數(shù),

35、帶寬、增益、輸入級,高增益（1925倍）、低噪聲（帶寬3KHz時RTI噪聲0.08μV）、高精度（1μV交流）、高分辨率（1μV直流）放大濾波模塊是可以實現(xiàn)的,救命稻草！,自 殺….,考前突擊？！,答案，您在哪里？,作 業(yè)1.簡述噪聲的概念及特性2.簡述生物醫(yī)學電子測量中的主要噪聲類型及特點3.放大器等效輸入端噪聲的源有哪幾類？有何影響？4. 分析噪聲匹配的原理。5.簡述低噪聲放大器設計的原則。6