运算放大器的噪声集成运放的电磁干扰噪声分析

问：有关运算放大器的噪声我应该知道些什么?

答：首先，必须注意到运算放大器及其电路中元器件本身产生的噪声与外界干扰或无用信号并且在放大器的某一端产生的电压或电流噪声或其相关电路产生的噪声之间的区别。

干扰可以表现为尖峰、阶跃、正弦波或随机噪声而且干扰源到处都存在：机械、靠近电源线、射频发送器与接收器、计算机及同一设备的内部电路(例如，数字电路或开关电源)。认识干扰，防止干扰在你的电路附近出现，知道它是如何进来的并且如何消除它或者找到对付干扰的方法是一个很大的题目。

如果所有的干扰都被消除，那么还存在与运算放大器及其阻性电路有关的随机噪声。它构成运算放大器的控制分辨能力的终极限制。我们下面的讨论就从这个题目开始。

问：好，那就请你讲一下有关运算放大器的随机噪声。它是怎么产生的?

答：在运算放大器的输出端出现的噪声用电压噪声来度量。但是电压噪声源和电流噪声源都能产生噪声。运算放大器所有内部噪声源通常都折合到输入端，即看作与理想的无噪声放大器的两个输入端相串联或并联不相关或独立的随机噪声发生器。我们认为运算放大器噪声有三个基本来源：

·一个噪声电压发生器(类似失调电压，通常表现为同相输入端串联)。

·两个噪声电流发生器(类似偏置电流，通过两个差分输入端排出电流)。

·电阻噪声发生器(如果运算放大器电路中存在任何电阻，它们也会产生噪声。可把这种噪声看作来自电流源或电压源，不论哪种形式在给定电路中都很常见)。

运算放大器的电压噪声可低至3 nV/Hz。电压噪声是通常比较强调的一项技术指标，但是在阻抗很高的情况下电流噪声常常是系统噪声性能的限制因素。这种情况类似于失调，失调电压常常要对输出失调负责，但是偏置电流却有真正的责任。双极型运算放大器的电压噪声比传统的FET运算放大器低，虽然有这个优点，但实际上电流噪声仍然比较大。现在的FET运算放大器在保持低电流噪声的同时，又可达到双极型运算放大器的电压噪声水平。

问：电压噪声达到3nV/Hz的单位是怎么来的?它的含义如何?

答：让我们讨论一下随机噪声。在实际应用中(即在设计者关心的带宽内)许多噪声源都属于白噪声和高斯噪声。白噪声是指在给定带宽内噪声功率与频率无关的噪声。高斯噪声是指噪声指定幅度X出现的概率服从高斯分布的噪声。高斯噪声具有这样的特性：当来自两个以上的噪声有效值(rms)进行合成时，而且提供的这些噪声源都是不相关的(即一种噪声信号不能转换为另一种噪声信号)，这样合成的总噪声不是这些噪声的算术和而是它们平方和的平方根(rss)(这意味着

噪声功率线性叠加，即平方和相加)。例如有三个噪声源V 1，V2和V3，它的rms和为：

V0=V21+V22+V23

由于噪声信号的不同频率分量是不相关的，从而rss合成结果是：如果单位带宽(brick wall bandwidth)为Δf的白噪声为V，那么带宽为2Δf的噪声为V2+V2= 2V。更为普遍的情况，如果我们用系数K 乘以单位带宽，那么KΔf带宽的噪声为KV。因此在任何频率范围内将Δf=1Hz带宽的噪声有效值所定义的函数称作(电压或电流)噪声谱密度函数，单位为nV/Hz或pA/Hz。对于白噪声，噪声谱密度是一个常数，用带宽的平方根乘以谱密度便可得到总有效值噪声。

有关rss和的一个有用结果是：如果有两个噪声源都对系统噪声有贡献，而且一个比另一个大3或4倍，那么其中较小的那个常常被忽略，因为

42=16=4,但是42+12=17=4 12

两者之差小3%，或0 26 dB。

32=9=3，但是32+12=1 0=3 16

两者之差小6%，或0 5 dB。

因此较大的噪声源对噪声起主要作用。

问：那么电流噪声又如何呢?

答：简单(即不带偏置电流补偿)的双极型和JFET运算放大器的电流

噪声通常在偏置电流的散粒噪声(有时称为肖特基噪声)的1或2 dB 范围以内。在产品说明中一般不给出。散粒噪声是由于电荷载流子随机分布以电流形式通过PN结引起的电流噪声。如果流过的电流为I，那么在带宽B内的散粒噪声In可用下述公式来计算：

In=2IqB

其中q为电子电荷(1 6×10 -19 C)。应当注意2Iq为噪声谱密度，即这种噪声为白噪声。

从而告诉我们，简单双极型运算放大器的电流噪声谱密度在Ib=200 nA时大约为250 f A/Hz，而且随温度变化不大，而JFET输入运算放大器的电流噪声谱密度比较低(在Ib=50 pA时为4 fA/Hz)，并且温度每增加20 °C其噪声谱密度加倍，因为温度每增加10 °C其偏置电流加倍。

带偏置电流补偿的运算放大器的实际电流噪声比根据其输入电流预

测的电流噪声要大得多。理由是其净偏置电流是输入偏置电流与补偿电流源之差，而其噪声电流是从这两个噪声电流的rss和导出的。具有平衡输入的传统的电压反馈运算放大器，其同相输入与反相输入端的电流噪声总相等(但不相关)。而电流反馈或跨导运算放大器在两个输入端具有不同的输入结构，所以其电流噪声也不同。有关这两种运算放大器两个输入端电流噪声的详细情况请参考其产品说

明。

运算放大器的噪声服从高斯分布，在很宽的频带范围内具有恒定的谱密度，或“白”噪声，但当频率降低时，谱密度以3 dB/倍频程开始

上升。这种低频噪声特性称作“1/f噪声”，因为这种噪声功率谱密度与频率成反比。它在对数坐标上斜率为-1(噪声电压或电流1/ f 频谱密度斜率为-1/2)。-3 dB/倍频程谱密度直线延长线与中频带恒定谱密度直线的交点所对应的频率称作1/f转折频率(corner frequency)，它是放大器的品质因数。早期的单片集成运算放大器的1/f在500 Hz以上转折，但当今的运算放器在20～50 Hz转折是常见的，最好的放大器(例如AD OP 27和AD OP 37)转折频率低到2 7 Hz。1/f噪声对于等比率的频率间隔(如每倍频程或每十倍频程)具有相等的增量。

问：为什么你们不公布噪声系数?

答：放大器的噪声系数(NF)用来表示放大器噪声与源电阻热噪声之比，单位为dB ，可用下式表示：

NF＝20logVn(amp)+Vn(source)Vn(source)

其中Vn(amp)表示放大器噪声，Vn(source)表示源电阻热噪声。

NF对射频放大器来说是一项很有用的技术指标，一般总是使用相同的源电阻(50或75 Ω)来驱动射频放大器，但当这项指标用于运算放大器时容易引起误解，因为运算放大器在许多不同应用中其源阻抗(不一定是阻性的)变化范围很宽。

问：源阻抗对噪声有何影响?

答：当温度在绝对零度以上时所有电阻都是噪声源，其噪声随电阻、温度和带宽的增加而增加(随后我们将讨论基本电阻噪声或热噪

声)。电抗不产生噪声，但噪声电流通过电抗将产生噪声电压。

如果我们从某一个源电阻驱动一个运算放大器，那么等效输入噪声将是该运算放大器的噪声电压，源电阻产生的噪声电压和放大器的噪声电流In流过源电阻产生的噪声电压的 rss和。如果源电阻很低，那么源电阻产生的噪声电压和放大器的噪声电流通过源电阻产生的噪声电压对总噪声的贡献不明显。在这种情况下放大器输入端的总噪声只有运算放大器的电压噪声起主要作用。

如果源电阻很高，那么源电阻产生的热噪声对运算放大器的电压噪声和由电流噪声引起的电压噪声都起主要作用。但值得注意的是，由于热噪声只是随电阻的平方根增加，而由电流噪声引起的噪声电压直接与输入阻抗成正比，所以放大器的电流噪声对于输入阻抗足够高的情况下总是起主要作用。当放大器的电压噪声和电流噪声都足够高时，则不存在输入电阻为何值时热噪声起主要作用的问题。

图8 1 热噪声与源电阻的关系

通过图8.1来说明这一点，上图给出了ADI公司的几种典型运算放大器在某一源电阻范围内其电压噪声与电流噪声的比较。图中的对角线表示纵坐标热噪声与横坐标源电阻之间的关系。让我们看一下图中的AD OP 27：水平线表示约为3 nV/Hz的电压噪声对应小于500 Ω的源电阻。可以看出源阻抗减小100 Ω并没有使噪声减小，但源阻抗增加2 kΩ却使噪声增加。AD OP 27的垂直线表示，当源电阻大约在100 kΩ以上的情况下，放大器的电流噪声产生的噪声电压将超过源电阻产生的热噪声，所以电流噪声为主要噪声源。

应该记住，放大器同相输入端的任何电阻都具有热噪声，并且又把电流噪声转换成噪声电压。另外反馈电阻的热噪声在高电阻电路中非常突出。当评价运算放大器性能时所有可能的噪声源必须考虑。

问：请你介绍一下热噪声。

答：当温度在绝对零度以上，由于电荷载流子的热运动，所有电阻都具有噪声，这种噪声称为热噪声，又称约翰逊噪声。有时利用这种特性测量冷冻温度。在温度为T(开氏温度)，带宽为B Hz，电阻为R Ω的电压噪声Vn和电流噪声In由下式计算：

Vn=4kTRB 和 In=4kTB/R

其中k为波尔兹曼常数(1.38×10 -23 J/K)。经验规则表明，1 kΩ电阻在室温下具有的噪声为4 nV/Hz。

电路中所有电阻产生的噪声及其带来的影响是总要考虑的问题。实际

上，只有输入电路、反馈电路、高增益电路及前端电路的电阻才可能对总电路噪声有上述明显影响。

一般可通过减小电阻或带宽的方法减小噪声，但降低温度的方法通常没有很大作用，除非使电阻器的温度非常低，因为噪声功率与绝对温度成正比，绝对温度T= °C+273°。

问：什么是“噪声增益”?

答：到现在为止我们只讨论了噪声源，但还没有讨论出现噪声电路的增益。人们可能会想到，如果在放大器的指定输入端的噪声电压为Vn并且该电路的信号增益为G，那么输出端的噪声电压应为GVn。但实际并非总是这样。

现在请看图8 2所示的基本运算放大器增益电路。如果运算放大器接成反相放大器(接B 端)，同相输入端接地，将信号加到电阻Ri的自由端，那么这时增益为-Rf/Ri。反之，如果运算放大器接成同相放大器(接A端)，把信号加到同相输入端，并且电阻Ri的自由端接地，那么增益为(1+Rf/Ri)。

图8 2 信号增益与噪声增益

放大器本身的电压噪声总是以同相放大器的方式被放大。所以当运算放大器接成信号增益为 G的反相放大器时，其本身的电压噪声仍以噪声增益(G+1)被放大。对于精密衰减的情况(G＜ 1)，这种特性可能会出现疑问。这种情况一个常见的实例是有源滤波电路，其中阻带

增益可能很小，但阻带噪声增益至少为1。

只有放大器输入端产生的电压噪声和放大器同相输入端电流噪声流过该输入端的任何阻抗所产生的噪声(例如，偏置电流补偿电阻产生的噪声)才以噪声增益被放大。而电阻Ri产生的噪声(不论是热噪声还是由反相输入端噪声电流引起的电压噪声)以与输入信号相同的方法被放大G倍，但反馈电阻Rf产生的热噪声电压却没有被放大而以单位增益被缓冲送到输出端。

问：什么是“爆米花”噪声?

答：在20多年前人们曾花了很大的精力研究这个“爆米花”噪声(“popcorn” no is e)问题，它是一种偶然出现的典型低频噪声，表现为失调电压低幅度(随机)跳变。当通过扬声器讲话时，这种噪声听起来好像炒玉米花的声，由此而得名。

在没有形成集成电路工艺时，根本不存在这个问题，“爆米花”噪声是由集成电路表面工艺问题(如沾污)所致。当今对其产生原因已完全清楚，再不会有一个著名的运算放大器制造厂家会出现因产生“爆米花”噪声而成为用户关心的主要问题。

问：峰峰噪声电压是使我能知道噪声究竟是否有问题的最方便的方法。但是为什么放大器制造厂家不愿用这种方法来规定噪声呢? 答：正如前面所指出的，因为噪声一般服从高斯分布。对于高斯分布来说，噪声最大值的说法是没有意义的，即只要你等待足够长的时

间，理论上可超过任何值。另外，实际上常用噪声有效值这一概念。在某种程度上，它是一种不变量，即应用这种噪声的高斯概率分布曲线我们可以预测大于任何给定值噪声的

表8 1 大于规定噪声峰峰值概率

峰峰值大于规定峰峰值的概率

概率。假设给定噪声源有效值为 V，由于噪声电压任何给定值的概率都服从高斯分布，所以可以得到：噪声电压大于2 V峰峰值的概率为32%，大于3 V则为13%，依此类推，如表8 1所示。

如果我们使用噪声峰峰值出现的概率来定义峰峰值，那么使可采用峰

峰值这项技术指标，但使用有效值更合适，因为它容易测量。当规定峰值噪声电压时，它常常为6 6倍有效值(即6 6×rms)，它出现的时间概率小于0 1%。

问：如何测量通常规定带宽(0 1～10 Hz)范围内低频噪声的有效值?这一定要花费很长的时间。生产过程时间不是很宝贵的吗?

答：时间确实很宝贵。虽然在表征器件的特性期间进行许多精细的测量是很必要的，但以后在生产过程测量其有效值就不必花费那么多的时间。我们采用的方法是，在1/f 区域很低的频率(低至0 1～10 Hz)范围内，在1至3倍30 s周期范围内测量其峰值，而且它肯定低于某个规定值。理论上这虽然不是令人满意的好方法，因为某些好器件可能被排除，而且还有些噪声会被漏检，但实际上在可能做到的测试时间范围内这是一种最好的方法。而且如果它接近合适的阈值极限，那么这也是一种可接受的方法。从保守的眼光看来，这是测量噪声的可靠方法。不符合最高等级标准的那些器件仍然可以按照符合这项指标等级的器件来销售。

问：你还遇到过运算放大器其它噪声影响吗?

答：有一种常遇到的噪声影响，它通常表现为运算放大器噪声产生的失码现象。这种严重影响可能是由于模数转换器(ADC)的输入阻抗调制引起的。下面看一下这种影响是如何产生的。

许多逐次逼近式ADC都有一定的输入阻抗，它受转换器时钟的调制。

如果用一种精密运算放大器来驱动这种ADC，而且运算放大器的带宽比时钟频率低得多，那么这个运算放大器便不能产生充足的反馈为ADC的输入端提供一个非常稳定的电压源，从而可能出现失码。一般地，当使用OP 07这类运算放大器来驱动AD574时就会出现这种问题。

解决这个问题的办法是，使用频带足够宽的运算放大器以便在ADC时钟频率影响下仍具有低输出阻抗，或者选用内部含有输入缓冲器的ADC，或者选用输入阻抗不受其内部时钟调制的ADC(许多采样ADC都没有这个问题)。在运算放大器能够稳定地驱动容性负载，而且其系统带宽减小是不重要的情况下，在ADC输入端加一个旁路去耦电容完全可以解决这个问题。

问：在高精密模拟电路中还有其它重要的噪声现象吗?

答：高精密电路随时间漂移趋势是一种类似噪声现象(实际上可以证明，这种时间漂移至少与1/f噪声的低频端是相同的)。当我们规定长期稳定度时，通常以μV/1 000 h 或ppm/1 000 h为单位。又因为每年(Y)平均计算有8 766小时(h)，所以用户又假定x/1 000 h的不稳定度等于8 8x/Y。

事实并非如此。长期不稳定度(假定器件内部某个元件受损伤，其性能不是长期稳定退变 )好像是一种“醉汉走路”(drunkard’s walk)行为，即器件在前1 000小时的性能并不能代表后1 000小时的性能。这种长期不稳定度是按经历时间的平方根关系进行测定的。

这意味着，x/1 000 h的不稳定度，其年漂移实际上应乘以8 766 ，或者其年漂移大约乘以3，或每10年漂移大约乘以9。这项指标应该用μV/1 000 h来表示。

实际上，许多器件的长期稳定度比上述情况好一点儿。如上所述，这种“醉汉走路”方式假设器件的特性没有改变。实际上，当器件老化后，器件制造应力趋于减小，从而使性能变得更加稳定(原始故障源除外)。既然很难定量地描述器件的这种长期稳定度，不妨说假定器件工作在低应力环境下，在使用寿命范围内，其长期漂移速率趋于减小。这种漂移速率的极限值可能由1/f噪声决定，可用时间比率自然对数平方根公式来计算，例如时间比率为8 8 x/Y 对应的漂移速率为ln8 8=1 47,即一年漂移为1 47x。同理8 8年漂移为

2 94x，7 7年漂移为4 4x，依次类推n年漂移为xln(8 8n)/ln8 8。

读者信箱

问：有一位读者的来信由于直接引用篇幅太长，所以这里概括介绍来信内容，他对本栏目(Analog Dialogue 24 2,pp 20～21)中有关散粒噪声或肖特基噪声(肖特基首次正确解释了来自真空电子管中

的散粒效应)提出了看法。该读者特别反对将散粒噪声仅规定为一种结现象并且评论我们把运算放大器与其它半导体器件像兄弟关系一

样构成的完整器件所带来的问题。他特别提出了散粒噪声公式：

In=2qIB，单位 A

其中In为散粒噪声电流有效值，I为流过某一结区域的电流，q为电

子电荷，B为带宽。该公式似乎不包含依赖于特定结区域物理特性的任何物理量。因此他指出，散粒噪声是一种普遍现象，它与下述事实有关：任何电流都是一种电子流或空穴流，它携带离散电荷，从而由上述公式计算出的噪声恰恰表示了这种电流的粒子性。

他认为如果忽略承载电流的任何电路(包括纯阻性电路)中的这种噪声成分，都可导致严重的设计问题。他计算通过任一理想电阻器的直流电流产生的噪声来说明这种噪声电流的作用。如果对该电阻器仅施加52 mV电压，那么产生的噪声电流等于室温下热噪声电流；如果施加200 mV以上电压，那么这种噪声电流将成为主要电流噪声源。

答：因为低噪声运算放大器设计者已经不理睬这种主观推测，那么他错在哪里呢? 上述推理的假设是上述散粒噪声公式对导体有效。

实际上，散粒噪声公式产生于载流子相互独立的假设。尽管这种散粒噪声确实是由穿过( 由结二级管或真空电子管构成的)势垒的离散电荷形成的电流，但它并不是真正的金属导体。由于导体中的电流是由非常大量的载流子组成(单个载流子的流动非常慢)，所以与电流的流动有关的噪声相应地也非常小，因此电路中的热噪声一般都忽略不计。

这里引用Horowiz和Hill在其论文中的一段话：“电流是离散电荷的流动，而不是像流体一样的连续流动。根据电荷量子的有限性产生了电流的统计波动性理论。如果这些电荷的作用彼此独立，那么波动电流为：

In(rms)=I nR =(2 qI dc B) 1/2

其中q为电子电荷(1 60×10 -19 C)，B为测量带宽，rms表示有效值。例如1 A“稳定” 电流，波动电流的有效值为57 nA，测量带宽为10 kHz。这说明波动程度大约为0 000006% 。这种相对波动对小电流来讲比较大。例如在10 kHz带宽内，1 μA的“稳定”电流，实际上电流噪声有效值的波动为0 006%。即-85 dB。对于1 pA直流电流，同样带宽内其电流波动有效值为 56 fA，即相对波动为

5 6 %。可见，散粒噪声岂不微乎其微码?散粒噪声，类似电阻热噪声，属于高斯噪声和白噪声。”

“早期给出的散粒噪声公式假设电荷载流子具有独立地形成电流的作用。这实际上是电荷穿过势垒的过程，例如结二极管电流，通过扩散电荷形成。与此相反，散粒噪声在金属导体中的重要程度是不真实的，因为在金属导体中，在电荷载流子之间存在着大范围的相关性。因此简单阻性电路中的这种电流噪声远小于由散粒噪声公式的计算值。在标准晶体管电流源电路中我们提供了散粒噪声公式以外的又一个重要公式，在这里负反馈起到减小散粒噪声的作用。”

光纤放大器的调节方法

光纤放大器的调节方法 无线光通信是以激光作为信息载体，是一种不需要任何有线信道作为传输媒介的通信方式。与微波通信相比，无线光通信所使用的激光频率高，方向性强(保密性好)，可用的频谱宽，无需申请频率使用许可;与光纤通信相比，无线光通信造价低，施工简便、迅速。它结合了光纤通信和微波通信的优势，已成为一种新兴的宽带无线接人方式，受到了人们的广泛关注。但是，恶劣的天气情况，会对无线光通信系统的传播信号产生衰耗作用。空气中的散射粒子，会使光线在空间、时间和角度上产生不同程度的偏差。大气中的粒子还可能吸收激光的能量，使信号的功率衰减，在无线光通信系统中光纤通信系统低损耗的传播路径已不复存在。大气环境多变的客观性无法改变，要获得更好更快的传输效果，对在大气信道传输的光信号就提出了更高的要求，一般地，采用大功率的光信号可以得到更好的传输效果。随着光纤放大器(EDFA)的迅速发展，稳定可靠的大功率光源将在各种应用中满足无线光通信的要求。 1 、EDFA的原理及结构 掺铒光纤放大器(EDFA)具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高、连接损耗低和偏振不敏感等优点，直接对光信号进行放大，无需转换成电信号，能够保证光信号在最小失真情况下得到稳定的功率放大。 、 EDFA的原理 在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态，处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。由于 Er3+离子在亚稳态能级上寿命较长，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。当信号光子通过掺铒光纤时，与处于亚稳态的Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用。Er3+离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射(ASE)，它造成EDFA 的噪声。 、 EDFA的结构 典型的EDFA结构主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。掺铒光纤是EDFA的核心部件。它以石英光纤作为基质，在纤芯中掺人固体激光工作物质铒离子，在几米至几十米的掺铒光纤内，光与物质相互作用而被放大、增强。光隔离器的作用是抑制光反射，以确保放大器工作稳定，它必须是插入损耗低，与偏振无关，隔离度优于40 dB。 、EDFA的特性及性能指标 增益特性表示了放大器的放大能力，其定义为输出功率与输入功率之比： 式中：Pout,Pin分别表示放大器输出端与输入端的连续信号功率。增益系数是指从泵浦光源输入1 mW 泵浦光功率通过光纤放大器所获得的增益，其单位为dB/mW：

低噪声放大器

C题——低噪声放大器2011年苏州地区高校“AMD”杯电子设计竞赛 小组编号：11044

摘要 本系统使用TI公司的OPA842运算放大器，TH3091功率放大器为主要控制器，辅以电源、MSP430系列单片机，LCD显示等电路。实现了低噪声放大的目标。OPA842提供了单片运算放大器无法实现的速度和动态范围水平的要求。主机采用LCD显示，用户界面友好。在系统设计上，尽可能的降低功耗，低噪声。整个系统结构清晰，经测试，该系统较好的实现了题目所要求的基本和发挥功能。 0引言 放大器的应用在工业技术领域中得到了广泛的认可，在许多场合下需要将传感器得到的微弱电信号放大来驱动相应的执行机构。比如电子秤，压力传感器转化

得到的电信号十分微弱，不足以驱动相应的显示功能和准确的被辨识，所以需要放大器将此微弱的电信号进行放大。本文设计实现了一个宽带增益放大器，采用220V 交流电供电，核心部分采用TI 公司的高速运算放大器OPA842进行前级放大，中间采用射级电压跟随器，采用电流反馈型功率放大器THS3091作为末级放大部分，驱动50Ω阻性负载。最终输出增益达到43.5dB ，最大不失真输出电压峰峰值达到15V 。输出信号采用AD637进行峰值检测，经过A/D 转换接入MSP430F149型16位单片机微控制器LCD 显示出峰峰值大小，并且能够用普通220V 交流电进行供电。带宽为20HZ —3M ，在达到3MHZ 后以40dB 的速率衰减。 1 方案设计与论证 1.1 系统总体方案 经过仔细的分析和论证，此宽带放大器将分为五个模块：前级放大电路，中级电压跟随电路，后级功率放大电路，峰值检测电路和单片机显示模块。前级放大器OPA842和电压跟随器OPA692需±5V 直流供电，后级功率放大器THS3091需±15V 直流供电，故考虑采用电源模块专门进行电源的输出。输入电压经过两级OPA842放大后，增益能够达到20倍以上，满足带宽后输出信号进入功率放大，输出电压峰峰值达到15V 。峰值检测出电压值经过AD 转换后可实时显示在LCD 上。 系统的总体方案图： 图

低噪声放大器设计指南

低噪声放大器设计指南 1．低噪声放大器在通讯系统中的作用 随着通讯工业的飞速发展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求，这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求，我们知道，系统接收灵敏度的计算公式如下： S = -174+ NF+10㏒BW+S/N (1) min 由上式可见，在各种特定（带宽、解调S/N 已定）的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。 低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。 2． 低噪声放大器的主要技术指标： 2．1 噪声系数NF 噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即： out out in in N S N S NF //= 对单级放大器而言，其噪声系数的计算为： 222min |1)||1(||4opt s opt s n R NF NF Γ?Γ?Γ?Γ+= 其中 F min 为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子本身决定的， Γopt 、Rn 和Γs分 别为获得 F min 时的最佳源反射系数、 晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。 对多级放大器而言，其噪声系数的计算为： NF=NF 1+(NF -1)/G 1+(NF -1)/G 1G +…… （4） 232其中NF n 为第n级放大器的噪声系数，G n 为第n级放大器的增益。 在某些噪声系数要求非常高的系统，由于噪声系数很小，用噪声系数表示很不方便，常常用噪声温度来表示，噪声温度与噪声系数的换算关系为： T e = T 0 ( NF – 1 ) （5） 其中T e 为放大器的噪声温度，T 0 =2900 K，NF为放大器的噪声系数。 NF(dB) = 10LgNF （6） 2． 2 放大器增益G： 放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值： G=P out / P in （7） 从式（4）中可见，提高低噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围。 所以，一般来说低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑。

运算放大器电路固有噪声的分析与测量

运算放大器电路固有噪声的分析与测量 第三部分：电阻噪声与计算示例 作者：TI 高级应用工程师 Art Kay 在第二部分中，我们给出了将产品说明书上噪声频谱密度曲线转换为运算放大器噪声源模型的方法。在本部分中，我们将了解如何用该模型计算简单运算放大器电路的总输出噪声。总噪声参考输入 (RTI) 包含运算放大器电压源的噪声、运算放大器电流源的噪声以及电阻噪声等。上述噪声源相加，再乘以运算放大器的噪声增益，即可得出输出噪声。图 3.1 显示了不同噪声源及各噪声源相加再乘以噪声增益后的情况。 图 3.1：噪声源相结合

噪声增益是指运算放大器电路对总噪声参考输入 (RTI) 的增益。在某些情况下，这与信号增益并不相同。图 3.2 给出的实例显示了信号增益（1）与噪声增益（2）不同的情况。Vn 信号源是指不同噪声源的噪声影响。请注意，通常在工程设计中，我们会在非反向输入端将所有噪声源结合为单个的噪声源。我们的最终目标是计算出运算放大器电路的噪声参考输出 (RTO)。 图 3.2：噪声增益与信号增益 方程式 3.1：简单运算放大器电路的噪声增益 在上一篇文章中，我们了解到如何计算电压噪声输入，不过我们如何将电流噪声源转换为电压噪声源呢？一种办法就是对每个电流源进行独立的节点分析，并用叠加法将结果求和。这时我们要注意，要用和的平方根 (RSS) 对每个电流源的结果进行求和。通过方程式 3.2 和 3.3，我们可将简单运算放大器电路的电流噪声转换为等效电压噪声源。图 3.3 给出了有关图示。附录 3.1 给出了该电路的整个演算过程。 方程式 3.2与3.3：将简单运算放大器的电流噪声转换为电压噪声 (RTI)

光纤通信技术—光纤放大器概要

光纤通信技术—光纤放大器 光导纤维通信简称光纤通信，原理是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。实际应用中的光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件。 名称：光纤放大器 关键字：光纤放大器 EDFA 半导体放大器光纤曼放大器 摘要：光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光弧子通信以及全光网络的发展。顾名思义，光放大器就是放大光信号。在此之前，传送信号的放大都是要实现光电变换及电光变换，即O/E/O变换。有了光放大器后就可直接实现光信号放大。光放大器主要有3种：光纤放大器、拉曼放大器、半导体光放大器。光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子（如铒、镨、铥等）作为激光活性物质。每一种掺杂剂的增益带宽是不同的；掺铥光纤放大器的增益带是S波段；掺镨光纤放大器的增益带在1310nm附近。而喇曼光放大器则是利用喇曼散射效应制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纤后，会发生非线性效应?喇曼散射。在不断发生散射的过程中，把能量转交给信号光，从而使信号光得到放大。由此不难理解，喇曼放大是一个分布式的放大过程，即沿整个线路逐渐放大的。其工作带宽可以说是很宽的，几乎不受限制。这种光放大器已开始商品化了，不过相当昂贵。半导体光放大器（S0A）一般是指行波光放大器，工作原理与半导体激光器相类似。 1.引言 无线光通信是以激光作为信息载体，是一种不需要任何有线信道作为传输媒介的通信方式。与微波通信相比，无线光通信所使用的激光频率高，方向性强(保密性好)，可用的频谱宽，无需申请频率使用许可；与光纤通信相比，无线光通信造价低，施工简便、迅速。它结合了光纤通信和微波通信的优势，已成为一种新兴的宽带无线接人方式，受到了人们的广泛关注。但是，恶劣的天气情况，会对无线光通信系统的传播信号产生衰耗作用。空气中的散射粒子，会使光线在空问、时间和角度上产生不同程度的偏差。大气中的粒子还可能吸收激光的能量，使信号的功率衰减，在无线光通信系统中光纤通信系统低损耗的传播路径已不复存在。大气环境多变的客观性无法改变，要获得更好更快的传输效果，对在大气信道传输的光信号就提出了更高的要求，一般地，采用大功率的光信号可以得到更好的传输效果。随着光纤放大器(EDFA)的迅速发展，稳定可靠的大功率光源将在各种应用中满足无线光通信的要求。 2.光纤放大器的发展方向 由于超高速率、大容量、长距离光纤通信系统的发展，对作为光纤通信领域的关键器件——光纤放大器在功率、带宽和增益平坦方面提出了新的要

低噪声放大器设计 论文

低噪声放大器设计 摘要：微弱信号检测就是利用近代电子学和信号处理方法从噪声中提取有用信号，其关键在于抑制噪声。恢复、增加和提取有用信号。与普通放大器相比，低噪声放大器应具有低得多的噪声系数。欲使放大器获得良好的低噪声特性，除使用好的低噪声器件外，还要有周密的设计。本文将从低噪声放大器在通讯系统中的作用，低噪声放大器的主要技术指标以及低噪声放大器的设计方法来论述低噪声放大器，以获得最佳噪声性能的低噪声放大器。重点介绍了低噪声放大器的设计方法。 关键词：低噪声，微弱信号检测，噪声系数，放大器 0．引言 随着现代科学研究和技术的发展，人们越来越需要从强噪声中检测出有用的微弱信号，于是逐渐形成了微弱信号检测这门新兴的科学技术学科，其应用范围遍及光学、电学、磁学、声学、力学、医学、材料等领域。微弱信号检测技术是利用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比，从而提取有用信号。微弱信号检测所针对的检测对象，是用常规和传统方法不能检测到的微弱量。对它的研究是发展高新技术，探索及发现新的自然规则的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要的应用价值。目前，微弱信号检测的原理、方法和设备已经成为很多领域中进行现代科学技术研究不可缺少的手段。显然，对微弱信号检测理论的研究，探索新的微弱信号检测方法，研制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的一大热点。 1．低噪声放大器在通讯系统中的作用 随着通讯工业的飞速发展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的

低噪声放大器指标

第1节低噪声放大器指标 低噪声放大器 低噪声放大器（LNA）是射频接收机前端的主要部分。 它主要有四个特点。 1）它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，这要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不能过大。放大器在工作频段内应该是稳定的。 2）它所接收的信号是很微弱的，所以低噪声放大器必定是个小信号放大器。而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接收信号的同时又可能伴随着很多强信号的干扰，因此要求放大器有足够大的线性范围，而且增益最好是可以调节的。 3）低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或者天线的滤波器相连，放大器的输入端必须和它们很好的匹配，以达到功率最大传输或者最小的噪声系数，并能保证滤波器的性能。 4）低噪声放大器应该具有一定的选频功能，抑制带外和镜像频率干扰，因此它一般是频带放大器。 低噪声放大器的所有指标都是互相牵连的，甚至是相互矛盾的。这些指标不仅取决于电路的结构，对集成电路来说，还取决于工艺技术。在设计中如何采用折衷的原则，兼顾各项指标，是很重要的。 1）低功耗 LNA是小信号放大器，必须给它设置一个静态偏置。而降低功耗的根本办法是采用低电源电压、低偏置电流，但伴随的结果是晶体管的跨导减小，从而引起晶体管及放大器的一系列指标的变化。 2）工作频率 放大器所能允许的工作频率和晶体管的特征频率Ft有关。减小偏置电流的结果会使晶体管的特征频率降低。在集成电路中，增大晶体管的面积会使极间电容增加，这也降低了特征频率。 3）噪声系数 任何一个线性网络的噪声系数可以表示为： （4.1）

运算放大器电路中固有噪声的分析与测量一

运算放大器电路中固有噪声的分析与测量(一) 第一部分：引言与统计数据评论 我们可将噪声定义为电子系统中任何不需要的信号。噪声会导致音频信号质量下降以及精确测量方面的错误。板级与系统级电子设计工程师希望能确定其设计方案在最差条件下的噪声到底有多大，并找到降低噪声的方法以及准确确认其设计方案可行性的测量技术。 噪声包括固有噪声及外部噪声，这两种基本类型的噪声均会影响电子电路的性能。外部噪声来自外部噪声源，典型例子包括数字开关、60Hz 噪声以及电源开关等。固有噪声由电路元件本身生成，最常见的例子包括宽带噪声、热噪声以及闪烁噪声等。本系列文章将介绍如何通过计算来预测电路的固有噪声大小，如何采用 SPICE模拟技术，以及噪声测量技术等。 热噪声 热噪声由导体中电子的不规则运动而产生。由于运动会随温度的升高而加剧，因此热噪声的幅度会随温度的上升而提高。我们可将热噪声视为组件（如电阻器）电压的不规则变化。图 1.1 显示了标准示波器测得的一定时域中热噪声波形，我们从图中还可看到，如果从统计学的角度来分析随机信号的话，那么它可表现为高斯分布曲线。我们给出分布曲线的侧面图，从中可以看出它与时域信号之间的关系。 图 1.1: 在时间域中显示白噪声以及统计学分析结果

热噪声信号所包含的功率与温度及带宽直接成正比。请注意，我们可简单应用功率方程式来表达电压与电阻之间的关系（见方程式1.1），根据该表达式，我们可以估算出电路均方根 (RMS) 噪声的大小。此外，它还说明了在低噪声电路中尽可能采用低电阻元件的重要性。 方程式 1.1：热电压 方程式 1.1 中有一点值得重视的是，根据该表达式我们还可计算出 RMS 噪声电压。在大多数情况下，工程师希望了解“最差条件下噪声会有多严重？”换言之，他们非常关心峰峰值电压的情况。如果我们要将 RMS 热噪声电压转化为峰峰值噪声的话，那么必须记住的一点是：噪声会表现为高斯分布曲线。这里有一些单凭经验的方法即根据统计学上的关系，我们可将 RMS 热噪声电压转化为峰峰值噪声。不过，在介绍有关方法前，我想先谈谈一些数学方面的基本原理。本文的重点在于介绍统计学方面的基本理论，随后几篇文章将讨论实际模拟电路的测量与分析事宜。 概率密度函数： 构成正态分布函数的数学方程式称作“概率密度函数”（见方程式 1.2）。根据一段时间内测得的噪声电压绘制出相应的柱状图，从该柱状图，我们可以大致看出函数所表达的形状。图 1.2 显示了测得的噪声柱状图，并给出了相应的概率密度函数。

掺铒光纤放大器的设计..

东北石油大学课程设计 2014年3月7日

东北石油大学课程设计任务书 课程光电子技术课程设计 题目掺铒光纤放大器的设计 专业电子科学与技术姓名苗培梓学号100901240106 主要内容、基本要求、主要参考资料等 1、主要内容： 的掺铒光纤放通过学习光纤放大器的原理，设计一个能够对波长为1.55m 大器。 2、基本要求 要求在论文中写出掺铒光纤放大器的工作原理，结构与特性，以及优点与应用。 3、参考文献： [1] 刘增基，周洋溢著，光纤通信，西安电子科技大学出版社，2002.6. [2] 雷肇棣著，光纤通信基础，电子科技大学出版社，1999. [3] 马养武，包成芳，光电子学，浙江大学出版社，2003.3. 完成期限2014.3.3 ~2014.3.7 指导教师 专业负责人 年月日

第1章概述 掺铒光纤放大器，即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3 + 的光信号放大器，是1985年英国南安普顿大学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的光放大器件，在使用光纤的通信系统中，不需要将光信号转换为电信号，直接对光信号进行放大的一种技术。 1.1研究意义 众所周知，现今是信息时代，社会信息化进程正在逐渐的深入，整个社会受信息运行的影响也随之越来越大，随着因特网的普及和网上应用，使人们对一些新型信息服务的需求越来越迫切，例如家庭办公、远程教育、电子商务等，因此这就需要用到功能强大的通信网络，光纤通信作为一种理想的通信手段，具有了诸如较大的通信容量、较长的无中继通信距离、良好的保密性等许多的优点，这使得光纤通信取代其它通信手段是一种必然的趋势。 在光放大器中，掺铒光纤放大器，即EDFA，的技术比较成熟，自身性能较好，所以它的应用比较广泛。它具有高增益、低噪声、输出功率大、串话小，对温度偏振不敏感，藕合效率高，易与传输光纤藕合连接，损耗低，不易自激，对信号速率和格式透明，并具有几十纳米的放大带宽等优点。由于它几乎接近完美的特性及半导体泵浦源的使用，导致了它在波分复用系统中的广泛应用，随着光纤通信向速度更快、带宽更大方向的发展，随之对掺铒光纤放大器的性能也有着更高的要求。 1.2发展趋势及其前景 掺铒光纤放大器的研究始于60年代早期，E.Snitzer发现掺铒玻璃对1.50微米波长的激光有放大作用，提出了掺杂光纤放大器的设想，但由于当时未能解决热淬灭效应问题，而且随后出现了半导体光放大器，使得掺铒光纤放大器的研究停滞不前。直到80年代中期，南安普敦大学的研究人员通过改进的化学气相沉积法（MCVD）成功研制出了掺铒光纤，并在之后制作出了利用650nm波长50mW 的红染料激光器为泵浦的EDFA具有25dB的小信号增益；几乎同时贝尔实验室

GPS低噪声放大器的设计

NF(dB)=10lg ? 一个微波管的射频绝对稳定条件是K>1,S 11<1-S12S21,S22<1-S12S21。 低噪声放大器的设计 姓名：####学号：################班级：1######## 一、设计要求 1.中心频率为1.45GHz，带宽为50MHz，即放大器工作在1.40GHz- 1.50GHz频率段； 2.放大器的噪声系数NF<0.8dB，S11<-10dB，S22<-15dB，增益 Gain>15dB。 二、低噪声放大器的主要技术指标 低噪声放大器的性能主要包括噪声系数、合理的增益和稳定性等。 1.噪声系数NF 放大器的噪声系数（用分贝表示）定义如下： ?S in N in? ?S out N out? 式中NF为射频/微波器件的噪声系数；S in ，N in 分别为输入端的信号功率和噪 声功率；S out ，N out 分别为输出端的信号功率和噪声功率。 噪声系数的物理含义是，信号通过放大器后，由于放大器产生噪声，使得信噪比变坏，信噪比下降的倍数就是噪声系数。 2.放大器的增益Gain 在微波设计中，增益通常被定义为传输给负载的平均功率与信号源的最大资用功率之比： Gain=P L P S 增益的值通常是在固定的频率点上测到的，低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配进行设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益点，因此增益Gain要下降。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。通常，相关增益比最大增益大概低2～4dB. 3.稳定性 22

只有当3个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定的。 三、低噪声放大器的设计步骤 1.下载并安装晶体管的库文件 (1)由于ADS2008自带的元器件库里并没有ATF54143的元器件模型，所以 需要从Avago公司的网站上下载A TF54143.zap,并进入ADS主界面,点击【File】——【Unarchive Project】进行安装。 (2)新建工程A TF54143_LNA_1_prj,执行菜单命令【File】—— 【Include/Remove Projects】将A TF54143_prj添加到新建工程中，这样新建工程就能使用器件A TF54143了。 2.确定直流工作点 低噪声放大器的设计的第一步是设置晶体管的直流工作点。 (1)在ADS中执行菜单【File】——【New Design】，在弹出的对话框中的 Schematic Design Templates下拉列表中选择“DC_FET_T”模板，在Name文本框中输入DC_FET_T，单击【OK】，这样DC_FET控件就被 放置在原理图中了。 (2)在原理图中放置器件A TF54143,设置DC_FET控件的参数并连接原理图 如图1所示。 图1完整DC_FET_T原理图 (3)仿真得到A TF54143的直流特性图如图2所示。

实验十二 掺铒光纤放大器(EDFA)的性能测试(优.选)

实验十二掺铒光纤放大器（EDFA）的性能测试 一、实验目的 1. 了解掺铒光纤放大器（EDFA）的工作原理、基本结构及相关特性； 2. 测试掺铒光纤放大器（EDFA）的各种参数，并根据测量的参数计算增益、输出饱和功率和噪声系数； 二、实验原理 在光纤放大器实用化以前，为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离都要进行“再生”，即把传输后的弱光信号转换成电信号，经过放大、整形后，再去调制激光器，生成一定强度的光信号，即所谓的O—E—O光电混合中继。但随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，于是中继部分成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。光纤放大器的出现解决了这一难题，其不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件；由于这项技术不仅解决了损耗对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了C＋L波段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。 在目前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤喇曼放大器（FRA）等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV 网、军用系统（雷达多路数据复接、数据传输、制导等）等领域。在系统中EDFA有三种基本的应用方式：功率放大器（Power booster-Amplifier）、中继放大器（Line-Amplifier）和前置放大器（Pre-Amplifier）。它们对放大器性能有不同的要求，功放要求输出功率大，前放对噪声性能要求高，而中放两者兼顾。 1．掺铒光纤放大器的工作原理 Er3+能级图及放大过程：掺铒光纤放大器之所以能放大光信号的基本原理在于Er3＋吸收泵浦光的能量，由基态4I15/2跃迁至处于高能级的泵浦态，对于不同的泵浦波长电子跃迁到不同的能级，当用980nm波长的光泵浦时，如图15-1所示，Er＋3从基态跃迁至泵浦态4I11/2。由于泵浦态上的载流子的寿命只有1μs，电子迅速以非辐射方式由泵浦态豫驰至亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子不断累积，从而实现粒子数反转分布。当有1550nm的信号光通过已被激活的铒光纤时，在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以收集受激辐射的方式跃迁到基态，同时释放出一个与感应光子全同的光

运算放大器噪声关系1f噪声均方根(RMS)噪声与等效噪声带宽

MT-048TUTORIAL Op Amp Noise Relationships: 1/f Noise, RMS Noise, and Equivalent Noise Bandwidth "1/f" NOISE The general characteristic of op amp current or voltage noise is shown in Figure 1 below. LOG f NOISE nV / √Hz or μV / √Hz e n , i n k F C Figure 1: Frequency Characteristic of Op Amp Noise At high frequencies the noise is white (i.e., its spectral density does not vary with frequency). This is true over most of an op amp's frequency range, but at low frequencies the noise spectral density rises at 3 dB/octave, as shown in Figure 1 above. The power spectral density in this region is inversely proportional to frequency, and therefore the voltage noise spectral density is inversely proportional to the square root of the frequency. For this reason, this noise is commonly referred to as 1/f noise . Note however, that some textbooks still use the older term flicker noise . The frequency at which this noise starts to rise is known as the 1/f corner frequency (F C ) and is a figure of merit—the lower it is, the better. The 1/f corner frequencies are not necessarily the same for the voltage noise and the current noise of a particular amplifier, and a current feedback op amp may have three 1/f corners: for its voltage noise, its inverting input current noise, and its non-inverting input current noise. The general equation which describes the voltage or current noise spectral density in the 1/f region is f 1F k ,i ,e C n n =, Eq. 1 where k is the level of the "white" current or voltage noise level, and F C is the 1/f corner frequency.

低噪声放大器设计指南

低噪声放大器设计指南 文件标识：基础知识 当前版本： 1.0 作者：刘明宇 日期：2006.12.2 审阅\修改： 修改日期： 文件存放： 版本历史 版本作者日期修改内容 盖受控章 除非加盖文件受控章，本文一经打印或复印即为非

1．低噪声放大器在通讯系统中的作用 随着通讯工业的飞速发展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求，这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求，我们知道，系统接收灵敏度的计算公式如下： S = -174+ NF+10㏒BW+S/N (1) min 由上式可见，在各种特定（带宽、解调S/N 已定）的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。 低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。 2． 低噪声放大器的主要技术指标： 2．1 噪声系数NF 噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即： out out in in N S N S NF //= 对单级放大器而言，其噪声系数的计算为： 222min |1)||1(||4opt s opt s n R NF NF Γ?Γ?Γ?Γ+= 其中 F min 为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子本身决定的， Γopt 、Rn 和Γs分别为获得 F min 时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。 对多级放大器而言，其噪声系数的计算为： NF=NF 1+(NF -1)/G 1+(NF 3-1)/G 1G + (4) 22其中NF n 为第n级放大器的噪声系数，G n 为第n级放大器的增益。 在某些噪声系数要求非常高的系统，由于噪声系数很小，用噪声系数表示很不方便，常常用噪声温度来表示，噪声温度与噪声系数的换算关系为： T e = T 0 ( NF – 1 ) （5） 其中T e 为放大器的噪声温度，T 0 =2900 K，NF为放大器的噪声系数。 NF(dB) = 10LgNF （6） 2． 2 放大器增益G： 放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值： G=P out / P in （7） 从式（4）中可见，提高低噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪

低噪声放大器的设计

低噪声放大器的设计 参数： 低噪声放大器的中心频率选为2.4GHz，通带为8MHz 通带内增益达到11.5dB，波纹小于0.7dB 通带内的噪声系数小于3 通带内绝对稳定 通带内输入驻波比小于1.5 通带内的输出驻波比小于2 系统特性阻抗为50欧姆 微带线基板的厚度为0.8mm，基板的相对介电常数为4.3 步骤： 1.打开工程，命名为dzsamplifier。 2.新建设计，命名为dzsamplifier。设置框如下： 点击OK后，如下图。

模板为BJT_curve_traver，带有这个模板的原理图可以自动完成晶体管工作点扫描工作。 3.在ADS元件库中选取晶体管。单击原理图工具栏中的， 打开元件库，然后单击，在 搜索“32011”。其中sp开头的原件是S参数模型，可以用来作S参数仿真，但这种模型不能用来做直流工作点扫描。以pb开头的原件是封装原件，可以做直流工作点扫描，此处选择pb开头的。 4.按照下图进行连接

5.将参数扫描控制器中的 【Start】项修改为Start=0. 6.点击进行仿真，仿真结束后，数据显示窗自动弹出。 如下图： 7.晶体管S参数扫描。 （1）重新新建一个新的原理图S_Params，进行S参数扫描。如下图：

点击OK后，出现： （2）在ADS元件库中选取晶体管。单击原理图工具栏中 的，打开元件库，然后单击，在 搜索“32011”。此处选择sp 开头的。 （3）以如图的形式连接。 （4）双击S参数仿真空间SP，将仿真控件修改如下。

（5）点击仿真按钮，进行仿真。数据如下图所示： （6）双击S参数的仿真控件，选中其中的【Calculate Noise】，如图 执行后：

运算放大器电路固有噪声的分析与测量1

Analysis And Measurement Of Intrinsic Noise In Op Amp Circuits Part I: Introduction And Review Of Statistics by Art Kay, Senior Applications Engineer, Texas Instruments Incorporated Noise can be defined as any unwanted signal in an electronic system. Noise is responsible for reducing the quality of audio signals or introducing errors into precision measurements. Board and system level electrical design engineers are interested in determining the worst case noise they can expect in their design and design methods for reducing noise and measurement techniques to accurately verify their design. Intrinsic and extrinsic noise are the two fundamental types of noise that affect electrical circuits. Extrinsic noise is generated by external sources. Digital switching, 60 Hz noise and power supply switching are common examples of extrinsic noise. Intrinsic noise is generated by the circuit element itself. Broadband noise, thermal noise and flicker noise are the most common examples of intrinsic noise. This article series will describe how to predict the level of intrinsic noise in a circuit with calculations, and using SPICE simulations. Noise measurement techniques will be discussed also. Thermal Noise Thermal noise is generated by the random motion of electrons in a conductor. Because this motion increases with temperature so does the magnitude of thermal noise. Thermal noise can be viewed as a random variation in the voltage present across a component (eg a resistor). Fig. 1.1 shows what thermal noise looks like in the time domain (standard oscilloscope measurement). It also shows that if you look at this random signal statistically, it can be represented as a Gaussian distribution. The distribution is drawn sideways to help show its relationship with the time domain signal. Fig. 1.1: White noise Shown In Time Domain And Statistically

(完整版)低噪声放大器设计仿真及优化毕业设计

低噪声放大器设计仿真及优化 摘要 快速发展的无线通信对微波射频电路如低噪声放大器提出更高的性能。低噪声放大器(LNA)广泛应用于微波接收系统中，是重要器件之一，它作为射频接收机前端的主要部分，其主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据。它的噪声性能直接决定着整机的性能，进而决定接收机的灵敏度和动态工作范围。而近年来由于无线通信的迅猛发展也对其提出了新的要求，主要为：低噪声、低功耗、低成本、高性能和高集成度。所以本论文针对这一需求，完成了一个2.45GHz无线射频前端接收电路的低功耗低噪声放大器的设计。 本文从偏置电路、噪声优化、线性增益及输入阻抗匹配等角度分析了电路的设计方法，借助 ADS 仿真软件的强大功能对晶体管进行建模仿真，在这个基础上对晶体管的稳定性进行了分析，结合 Smith 圆图，对输入输出阻抗匹配电路进行了仿真优化设计，设计了一个中心频率为2.45GHz、带宽为100MHz、输入输出驻波比小于1.5、噪声系数小于2dB和增益大于15dB的低噪声放大器。 关键词：微波；低噪声放大器；噪声系数；匹配电路；ADS仿真

ABSTRACT Rapid growth of wireless data communications Microwave communication system receiver, as the main part of the RF front-end receiver, the function of the low noise amplifier is amplifying the faint signal which incepted from air by the antenna. It can reduce the noise jamming, so as to demodulate right information for the system. The noise performance of the LNA will affect the performance of the whole system directly, and then deciding the sensitivity and dynamic working scope of the receiver. From the aspect of bias circuit, noise optimization, linear gain, impedance match, and the design methodology for LNA is analyzed, This article carries on the modelling simulation with the aid of the ADS simulation software's powerful function to the transistor, the analysis in this foundation to transistor's stability, the simulation optimization design. a radio frequency power amplifier is designed, which 1.5, Noise coefficient less than 2dB and Wattandgain 15dB. Key Words：microwave;low-noise amplifier; noise figure; matching circuit; ADS simulation

运算放大器的噪声

运算放大器的噪声 运算放大器的噪声 问：有关运算放大器的噪声我应该知道些什么? 答：首先，必须注意到运算放大器及其电路中元器件本身产生的噪声与外界干扰或无用信号并且在放大器的某一端产生的电压或电流噪声或其相关电路产生的噪声之间的区别。干扰可以表现为尖峰、阶跃、正弦波或随机噪声而且干扰源到处都存在：机械、 靠近电源线、射频发送器与接收器、计算机及同一设备的内部电路(例如，数字电路或开关电源)。认识干扰，防止干扰在你的电路附近出现，知道它是如何进来的并且如何 消除它或者找到对付干扰的方法是一个很大的题目。 如果所有的干扰都被消除，那么还存在与运算放大器及其阻性电路有关的随机噪声。它构成运算放大器的控制分辨能力的终极限制。我们下面的讨论就从这个题目开始。 问：好，那就请你讲一下有关运算放大器的随机噪声。它是怎么产生的? 答：在运算放大器的输出端出现的噪声用电压噪声来度量。但是电压噪声源和电流噪声源都能产生噪声。运算放大器所有内部噪声源通常都折合到输入端，即看作与理想的无噪声放大器的两个输入端相串联或并联不相关或独立的随机噪声发生器。我们认为运 算放大器噪声有三个基本来源：·一个噪声电压发生器(类似失调电压，通常表现为同相输入端串联)。·两个噪声电流发生器(类似偏置电流，通过两个差分输入端排出电流)。·电阻噪声发生器(如果运算放大器电路中存在任何电阻，它们也会产生噪声。可把这种噪声看作来自电流源或电压源，不论哪种形式在给定电路中都很常见)。 运算放大器的电压噪声可低至3nV/Hz。电压噪声是通常比较强调的一项技术指标， 但是在阻抗很高的情况下电流噪声常常是系统噪声性能的限制因素。这种情况类似于失调，失调电压常常要对输出失调负责，但是偏置电流却有真正的责任。双极型运算放大 器的电压噪声比传统的FET运算放大器低，虽然有这个优点，但实际上电流噪声仍然比较大。现在的FET运算放大器在保持低电流噪声的同时，又可达到双极型运算放大器的电压噪声水平。 问：电压噪声达到3nV/Hz的单位是怎么来的?它的含义如何?答：让我们讨论一下随机噪声。在实际应用中(即在设计者关心的带宽内)许多噪声源都属于白噪声和高斯噪声。