低噪声前置放大器设计方法

低噪声前置放大器设计方法

一、 研究的目的与意义

随着科研和生产的发展，越来越需要测量微弱信号。这些微弱信号常常埋在噪声中，特别是各种物理量(非电量)是通过传感器变换为等效电压信号而进行量测的，这种测昆需要恢复及记录其变化，甚至在生产流程当中还要进行过程控制。因此，要求设计检测仪器必须具育高灵敏度、能抑制噪声，使信噪比改善的良好性能，以满足检测出埋在噪声中的微弱信号的需要。木文着重讨论对信号提取后如何设计前置放大器问题。随着传感器应用的日益广泛，为能检测到由传感器转换来的微弱电信号，要求放大器具有极低的噪声。低噪声放大器对提高传感器测量弱信号的能力、测量范围和灵敏度都是极其重要的，也是很有必要的。本文论述的低噪声放大器除噪声低、频带宽这些特点外，还具有较强的输出能力，特别适于声传感器，当然也适于其它需要低噪声放大器的场合。要求放大器有较强的负载能力这一特点是由声传感器本身的特点以及测量范围的要求而决定的。实际要求当频率低于2MHZ时，输出电压幅值应达到7V(18V电源)，负载为500时的输出电流应大于70InA。

二、 处理前置放大器的噪声

由传感器变换为等效电压信号，其中可能包括部分噪声(无用信号)。所以，在讨论前置放大器设计前，简单回顾一下放大器的噪声问题。

测量中噪声出现是一个所不希望的扰动和杂乱的随机信号，它是被测信号的自然背景和限制仪器性能的一个极其重要的因素。

由传感器测出非电量转换为电量信号是极其微弱的量。例如：核磁共振、顺磁共振的共振信号是以微伏级计的信号源等。对类似这种信号进行放大和传递过程中影响最大的是热噪声和器件内部固有噪声，这些正是要克服的对象。

所谓热噪声是由于电荷的无规则运动和导体中电子密度和热涨落而产生的一种噪声。由于传感器存在内阻，在达到热平衡情况下，其噪声电压与带宽具有正比关系。即当前置放大器的带宽增加时，所引起的噪声电压随之增加。因此，

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对设计前置放大器的带宽应以满足检测信号能通过即可，过宽的频带对信号放大和传递并没有意义，反而会使噪声增加。

弹散噪声也是由于电子器件不均匀结构的电子流的统计特性或载流子的发射、复合速度不均匀而产生不规则的脉冲电流等原因产生的一种噪声。上述这两种噪声仅与测量频带宽度有关，而与频率无关，可以通过压缩频带，进行积分来减少。至于器件的另一种，它是产生于导电物质内部，是频率函数，称之闪烁噪声或称为1/f噪声。这种噪声的分布与1/fn (n从0.8—1.35)成正比，几乎每种电子元件和器件具有这种噪声。频率越低(尤其100Hz以下)，1/f噪声越大。它与半导体表面状态有关，因为半导体中一部分载流子要在表面产生和复合，若表面处理不好，1/f噪声就会很大。因此，l/f噪声在低频带时影响比较严重，使噪声系数在低频带显著上升，对设计应用时尽量选择不在这频带范围之内。

三、 低噪声前置放大器的设计原则

设计低噪声前置放犬器应遵循一些基本原则，以期待获得最小的噪声系数或最小有噪声电压Vni。一般说，传感器的源电阻固定情况下，若Vni最小，则F也最小。

1.低噪声器件的选择原则

选择低噪声器件不仅考虑噪声系数小，‘亩且同时考虑保证最佳源电阻与信号源电阻匹配。一般晶体管具育较小约源电阻，可以用于低源电阻前置放大器;结型的场效应管的噪声电流较小，具有较大的源电阻，可作为高源电阻前置放大器。

在没计前置放大器时，大都采用低噪声晶体管，要求β大，rb/b小及fα大，而结型场效应管要求gm大，Cin小的器件。往往后者噪声系数比前者要小，很适合于作低噪声前置放大器的器件。

传感器通常需要放大器或有关器件，以便进行缓冲、隔离、放大、电平转换、电压—电流转换、电流—电压转换等处理。除上面所说的选用低噪声管子外，又常用运算放大嚣(OP、AmP)来设计前置放大器级，从而实现了传感器及其接口电路处理，不仅抑制噪声，而且提高测量精度。

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2、最佳工作点时选择

对于给定电阻的前置放大器，要得到最小噪声系数，则应满足Rs0=Rs (Rs0为最佳电阻。由于Rs一定，不可改变。当有原器件确定态，必须改变直流工作点，使噪击电压Vni和噪声电流ini改变来满足噪声匹配。

3、噪声匹配网络

在不同源电阻(Rs)时，最佳工作电流Ico是不同的，也就是说最小噪声系数NFmi是不同的。所以提出一个很实际问题，即什么样源电阻时有最佳(即最小)的噪声系数，这就是设计低噪声前置放大器(换言之：最低噪声电子设备)要掌握的关键。

四、 线路设计

该放大器由两级差分放大器和输出级构成，如附图所示。线路设计除考虑降低噪声外，还应采取增大频带和负载能力的措施。

1、输入级的设计

输人级由附图中的T1和T2组成，图中Rt使第一级建立合适的直流工作点，T12为输入级提供恒流偏置。因为整个电路的噪声性能主要由第一级的噪声性能决定，所以输入级电路的设计是降低放大器噪声的关键。输人级的噪声与其工作电流有关，在一定源电阻情况下存在最佳集电极电流，使放大器噪声最小，故设计最佳工作电流是降低噪声的一项主要措施。

中频时单位频带内噪声电压式和In分别为

式中k，q和T为常数，rb为基区电阻，Ic为集电极电流，β为电流增益。放大器的等效输入噪声电压Eni为

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其中Rs为源电阻。由式(3)可见，Eni与工作电流有密切关系。由式(1)—(3)可得使Eni最小的最佳集电极电流Icpt为

附图 低噪声放大器电路图

考虑到晶体管低频噪声的影响，输人级工作电流设计为1.25mA。为减小输入级噪声所采取的措施为：

a、降低输入级晶体管T1和T2的噪声，主要是减小基区电阻，这一点通过版图设计实现；

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