1、2019年7月22日,微弱信号检测,运算放大器的相关知识 低噪声前置放大器的定义 低噪声前置放大器设计 滤波器设计原则 模拟滤波器设计,低噪声前置放大器设计、滤波器设计,1 运算放大器相关知识,从自然现象中获得的电信号基本上都是模拟信号。如果没有能放大微弱信号的物理元器件，也就没有当今的电子技术： 1906年，发明了三级真空管，使得微弱信号的放大变成了现实； 1948年，发明了晶体管，使得在放大功能中唱主角的真空管被晶体管取代，这种影响一直延续至今； 没有电路设计之类的专业知识，也能实现“放大功能”的是OP放大器。,运算放大器Operational Amplifier。 第二次世界大战以后，开
2、始了通过让雷达与高射炮联动来瞄准飞机的自动化设备和弹道计算（通过求解微分方程来计算子弹的轨迹）的研究。在这种自动化技术中发挥威力的是运算器，即模拟计算机。在这个模拟计算机中，使用了许多用作运算部件的放大器。这就是运算放大器使用的开端。,随着电子技术的进步，对模拟技术的要求也越来越高。OP放大技术既是模拟技术的基础，也是其核心。 OP放大器把众多的晶体管集成在一起，就像是一个黑匣子，接上电源就可以让它发挥放大的作用。,在OP放大器利用技术方面，表现出随着使用人数的增加、平均应用水平下降以及不能充分发挥其潜在性能的倾向。 模拟技术因人的才能不同有着很大差异。,问题（一）什么叫隔直电路？,一个电容可
3、以作成隔直电路！?,正确的答案是：所谓隔直电路的本质是截止频率比较低的高通滤波器如此而已! 也许某些隔直电路看起来只有一个电容那是因为电容后面的负载本身有一定的输入等效电阻,指标分类：第一类：影响信号变换性能的指标，或者称之为“电气指标” ； 第二类：使用性能； 第三类：噪声指标,电气指标极限参数,使用不当会损坏,1.输入失调电压Vio 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,2.输入失调电压温漂 dVio /dT,电气指标直流特性,4.输入失调电流 Iio ： 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不
4、对称的程度。,3.输入偏置电流IB ： 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,5.输入失调电流温漂dIio /dT,6.最大差模输入电压Vidmax,7.最大共模输入电压Vicmax,8.开环差模电压放大倍数 Aud ：无反馈时的差模电压增益。 一般Aud在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。,9.差模输入电阻rid ：双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。,10.共模抑制比 KCMR ：KCMR=20lg(Aud / Auc ) (dB) 其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,运算放大
5、器一般通过加接反馈电路来使用，输入电阻和输入电容的变化由附加电路常数来确定。 选择外部无源器件和PCB布局来维持放大器的性能是对设计工程师的重大挑战。,电气指标直流特性,上升时间：输入阶跃脉冲后，输出电压从稳定电压的10上升到90所需的时间称为上升时间。,电气指标交流特性,由此可以求得带宽 带宽的公式为,尖峰和振荡衰减（稳定时间）：,输出波形从上升到达稳定值所需的时间叫稳定时间。在高速模拟数字变换过程中必须重视这些参数。,电气指标交流特性,电气指标交流特性,转换速率（压摆率SR） 所谓转换速率是指输入阶跃信号时，输出电压随时间变化的最大速率：,一般单位为V/s，即大振幅脉冲响应。这个值并非越大
6、越好，冲击电流越大，电磁辐射越大。,结论：转换速率影响输入信号频率?转换速率影响输入信号电压? 提示 必须注意的是：转换速率会随运放供电电压的变化而变化！一般运放都有一个供电电压范围，datasheet会指出给定转换速率对应的供电电压，电路设计计算时要根据采用的输入电压进行修正！,电气指标交流特性,指标使用性能.封装形式,使用性能工作温度,民用（商业级）：070 产业用（工业级）：-2585 军用（军品）：-55125（美军标） 还可能有宇航级（耐高温/抗辐射）,储存温度：-65+150 焊接温度：因不同厂家而不同60s焊接300以下；10s焊接300以下；,使用性能储存/焊接温度,小型化、低
7、功耗设计必须考虑的问题 电池供电的设备如笔记本开始普及单电源供电。,使用性能功耗,为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，还有适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。,指标分类,一.高速型和宽带型,用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。例如：CF2520/2525 AD9620 AD9618 OP37
8、 CF357,二.高精度(低漂移型）,用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。 例如：OP177CF714,三.高输入阻抗型,用于测量设备及采样保持电路中。例如： AD549 CF155/255/355,四.低功耗型,用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。 例如：OP22 正常工作静态功耗可低至36 W。OP290 在0.8 V电压下工作，功耗为24 W 。CF7612 在5 V电压下工作，功耗为50 W 。,五. 功 率 型,这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。例如： LM12 TP1465,设计注意事项理想VS非理想,放大倍数
9、无限大； 带宽从DC到无限大频率； 输入阻抗无限大； 输出阻抗为零； 没有噪声、没有偏置电压、偏置电流； 可以稳定的加上负反馈（不故障振荡）；,具备这样特性的OP放大器确实存在吗？严格地讲是没有的。既然如此，为什么要这样定呢？因为在很多情况下，对特性要求的严格程度不同，在这个假设的基础上，在实际应用中的很多场合都可以得到十分满意的答案。,从哪里认为不是理想的放大器呢？有多大的裕量算足够呢？其界限如何呢？关键是要求的精度。如果允许精度为5，那么对10V信号而言即使只有一点裕量，100mV的噪声都没有关系。如果精度变成0.1，那么全部都要求在10mV以下，必须做到严格。,下面举几个实际应用中不能作
10、为理想的OP放大器的例子。 希望放大倍数在1k以上； 信号电平在10mV以下； 当输入端口间连接10k以下的电阻时； 信号频率高于数kHz时； 上升速度必须很高； 希望大电流、大振幅输出时。,设计注意事项反馈,集成运放自身的开环放大倍数是非常大的，往往需要把它限制在所需的范围内才好使用，限制这个放大倍数范围的方法就是“负反馈”。 集成运放根据不同的反馈方法，可以作成非线性放大电路，振荡电路等各式各样的应用电路。因此，反馈电路的研究通常被说成是放大器使用方法的研究。,所有信号处理手段都可以统一在放大器，更准确的将叫滤波器统一的框架之下，也就是说可以在频域讨论，同时要记住相位（信号的特征）。,设计
11、注意事项模型,2 低噪声前置放大器的定义,前置放大器是指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备（第一级放大器），是专为接收来自信源的微弱电压信号而设计的。 前置放大器在放大有用信号的同时也将噪声放大，低噪声前置放大器就是使电路的噪声系数达到最小值的前置放大器。,对于微弱信号检测仪器或设备，前置放大器是引入噪声的主要部件之一。 整个检测系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系数。 仪器可检测的最小信号也主要取决于前置放大器的噪声。,1）放大器的噪声系数放大器无噪声时的输出噪声功率指仅由输入噪声经放大引起的输出噪声功率。F值越大，说明放大器内部噪声源在输出端产生的噪声功率占输出总噪声功率的比重越
12、大。,噪声指标放大器的噪声系数,设放大器输入噪声功率为Pni，输出噪声总功率为Pno，放大器的放大倍数为Kp，有：设放大器的输入信号功率为Psi，输出信号功率为Pso，PsoKpPsi公式的物理含义？这里的信噪比不是电压比，而是功率比。 F=1 f1 ?,2）可检测的最小信号,对于微弱信号检测系统，必须输出信噪比SNRo达到一定的指标，否则无法从噪声中提取有用信号。,放大器可检测的最小信号为：,3）噪声因数（NF),噪声系数F常用dB表示为噪声因数NF:NF表征在不可避免的信号源噪声之上由放大器增加的噪声功率。,为简单计，设级数M=3，各级放大器本身产生的噪声功率分别为P1，P2，P3，第一级
13、放大器的输入噪声功率为Pi，则最后一级的输出噪声功率Po为,4）级联放大器的噪声系数,经推导，可得级联放大器总的噪声系数F,可推导出计算M级级联放大器总的噪声系数F的弗里斯公式,噪声指标放大器噪声特性,把所有噪声源折合到放大器的输入端，用输入端的等效噪声源表示 网络内部的噪声源等效为网络输入端的一个电压源en和一个电流源in,es是被测信号电压，Rs是传感器输出内阻；et:噪声电压源表示电阻的热噪声，en和in分别表示放大器等效到输入端的噪声电压和噪声电流,1）放大器的等效输入噪声与信号源内阻的关系：,有效值的平方表示：,设et，en和in互不相关，输入电路的总噪声功率：,以上的计算中，所有的
14、噪声源的总噪声都是按折合到输入端（RTI）加以表示的，因此它能直接与输入信号电平相比较，得出输入信噪比（思考题：运放的固有噪声RTI如何折算到输出端，从而可以计算出输出信噪比，最后得出信噪改善比SNIR。实际计算中要考虑运放反馈电路本身的滤波作用） 噪声模型一般由厂家提供，即噪声指标,需要指出的问题（I）,2）最佳源电阻及噪声匹配：,式中，Pno为放大器总的输出噪声功率；Pni为信号源电阻的热噪声功率；Kp为放大器的功率放大倍数。,将噪声系数表示为等效噪声源平方根谱密度的形式：,需要指出的问题（II）,由最佳源电阻Rso不一定得到最大的功率增益，Rso是能给出最大信噪比的源电阻阻值，选择源电阻
15、的目的不是达到功率匹配，而是噪声匹配,典型低噪声前置放大器的噪声,1、信号源电阻Rs产生的热噪声；,2、反馈电阻产生的热噪声；,3、输入等效电压噪声；,4、输入等效电流噪声流过信号源电阻产生的电压噪声；,5、输入等效电流噪声流过反馈电阻产生的电压噪声.,3 低噪声前置放大器设计,设计原则：只有在放大器的最佳源电阻等于信号源输出电阻的情况下，才能使电路的噪声系数最小。,噪声产生原因,低噪声半导体器件的选择 确定电路级数和工作电路组态 确定低噪声工作点 噪声匹配 确定抑制外来干扰的技术措施,抑制措施,元器件不理想（内因）放大电路的工作条件不理想（外因）,放大器的最佳源电阻为,式中， 和 分别为放大
16、器的等效输入电压噪声和等效 输入电流噪声的平方根谱密度。K:玻尔兹曼常数，T为电阻的绝对温度。,这时可以达到的最小噪声系数为,3.1 低噪声半导体器件的选择,（2）式表明，低噪声放大器应该尽可能选用小的器件，使最小噪声系数 较小。 此外，器件的 ，以及噪声系数都是频率 的函数，各种低噪声器件只是在一定的频率范围 内才能达到其最小噪声系数。 根据信号源电阻 的大小 ，可以选用合适类型 的器件，以使器件的最佳源电阻 ，以便在直 接耦合方式下达到噪声分配，使电路的噪声系数达到 最小值,3.2低噪声直流工作点的选择,对于直接耦合方式的放大器，中间不加入任何其他网络的放大电路，在选定有源器件以后，必须选
17、择合适的工作点，使放大器的最佳源电阻等于信号源电阻，以使放大器的噪声系数达到最小值。通过调整放大器的工作点来减少噪声系数，其根据是式（1）所表达的关系式。,3.3 噪声匹配,利用变压器来进行阻抗变换，有效的改变源电阻，实现噪声匹配。1）附加电阻对噪声的影响（串联、并联）；2）变压器进行噪声匹配的限制条件？,4 滤波器定义,为了将信息从信号中取出，必须进行取出相应频率成分的操作，将其称为滤波；能实现滤波的系统就是滤波器。滤波器是频率选择电路，用于让指定频段的信号顺利通过，阻断或衰减其它频段的信号。,经典滤波器,X(n) 中的有用成分和希望去除的成分各自占有不同的频带, 通过一个线性系统可将欲去除
18、的成分有效去除.滤波的方法 可以有频域滤波和时域滤波。,现代滤波器,从含有噪声的数据记录(又称时间序列)中估计出信号的某些特征或信号本身.以提高信噪比,包括维纳滤波器、卡尔曼滤波器、线性预测、自适应滤波器,4.1 经典滤波器的分类,模拟滤波器（连续信号）,数字滤波器（离散信号）,由硬件电路构成，直接对模拟信号进行滤波操作；,对信号的处理是依靠微处理器的运算进行的。在此 之前需要AD对模拟信号进行采样和量化，在此之后 需要把处理过后的数字信号变为连续模拟量。,4.2 信号的时域和频域特征,假设信号x(t)满足以下条件，则其傅立叶变换存在： x(t)在整个过程中的最大值和最小值的个数是有限的 在整
19、个时域内，只有有限个不连续点,傅立叶变换：,傅立叶逆变换：,4.3 模拟滤波基本原理,设原始信号u(t)由有用信号s(t)和无用信号d(t)组成；经过傅立叶变换后，s(t)和d(t)均转换成频域信号S(jw)和D(jw)。通过滤波器的频域作用将无用信号D(jw)从频域上剔除。具体原理如下图所示：,上面的例子中u(t)=s(t)+d(t)，进行傅立叶变换后信号分别变成u(jw)、S(jw)和D(jw)；对于称为特定截止频率的 来说，假设满足下述条件：,在上面的情况下，若将信号u(t)输入到具有以下理想频特性 的线性时不变系统中：,输出信号y(t)的傅立叶变换Y()可以表示为：,将Y(jw)进行傅
20、立叶逆变换后得到：y(t)=S(t) 即输出只包含所需要的信号，完成滤波功能,噪声与滤波器的带宽 1）如果希望检出的信号与希望去除的噪声的频率成分很明确，则很容易确定滤波特性； 2）去除噪声对象不明确，例如白噪声（电阻的热噪声、二极管的噪声，放大器的噪声等）,很难用“某种特性的滤波器具有怎样的效果”定量评价，重要的是“频谱均匀的噪声的振动与带宽的平方根成比例”。,4.4 模拟滤波器分类,如上面的例子，H(jw)称为模拟滤波器的频率特性函数。H(jw) 一般是复数，|H(jw)|称为幅频特性； |H(jw)|1的频域区域称为通频带（pass band）， |H(jw)|0的频域区域称为阻带区域（
21、stop band）。根据这种频域选择特性，滤波器可以分为： 低通滤波器（low pass filter） 高通滤波器 （high pass filter） 带通滤波器（band pass filter） 带阻滤波器（band stop filter）,根据模拟滤波器的电路实现方式的不同，可以分为： 运算放大器滤波器 有源RC滤波器 开关电容(SC)滤波器 无源RLC滤波器 运算跨导放大器(OTA)滤波器 电流传输器(CC)滤波器,无源滤波器由无源宏观器件组成，包括电阻、电容和电感，不需要电源。不足： 经常表现出明显的通带损耗 电感不能达到现代应用所要求的小型化有源滤波器一般由集成运放和RC网
22、络实现。 好处：集成运放可加电压串联负反馈，是输入阻抗高，输出阻抗低，输入输出间有良好的隔离，高阶滤波时，不用考虑级间干扰； 不足之处： 需要电源 一般带宽较窄 有源器件会产生额外失真,4.5 模拟滤波器指标,根据不同的应用要求和系统设计，需要设计不同的 滤波器，在选择设计滤波器时下述指标是关键： 频域：截止频率、3dB带宽、中心频率、带外抑制度、通频带纹波等 时域：冲激响应、阶越响应、群时延等,在进行滤波器设计时，需要确定其性能指标。 理想滤波器物理不可实现的。（由于从一个频带到另一个频带之间的突变） 要物理可实现：应从一个带到另一个带之间设置一个过渡带且在通带和止带内也不应该严格为1或零。
23、应给以较小容限。,4.6 低通滤波器性能指标,fs ws,fp wp,2,1-1,1,Ap,As,f w,|H(ejw)|或|H(f),1:通带的容限,2：阻带容限,通带截止频率：fp(wp)又称为通带上限频率。 通带衰减：Ap 阻带截止频率：fs(ws)又称阻带下限截止频率。 阻带衰减：As,4.7 高通滤波器性能指标,fs ws,fp wp,1,Ap,As,f w,|H(ejw)|或|H(f),通带截止频率：fp(wp)又称为通带下限频率。 通带衰减：Ap 阻带截止频率：fs(ws)又称阻带上限截止频率。 阻带衰减：As,4.8 带通滤波器性能指标,fs1 ws1,fp1 wp1,1,Ap
24、,As,f w,|H(ejw)|或|H(f),通带截止频率：上限截止频率fp2(wp2)，下限截止频率fp1(wp1)。 通带衰减：Ap 阻带截止频率：上限截止频率fs2(ws2)，下限截止频率fs1(ws1)。 阻带衰减：As,fp2 wp2,fs2 ws2,4.9 带阻滤波器性能指标,fs1 ws1,fp1 wp1,1,Ap,As,f w,|H(ejw)|或|H(f),通带截止频率：上限截止频率fp2(wp2)，下限截止频率fp1(wp1)。 通带衰减：Ap 阻带截止频率：上限截止频率fs2(ws2)，下限截止频率fs1(ws1)。 阻带衰减：As,fp2 wp2,fs2 ws2,5 模拟
25、滤波器设计,模拟滤波器设计是构造电子电路的过程，电路 应该满足给定的技术指标。设计从技术指标开 始，包括两个基本步骤： 函数逼近 电路实现 由于模拟滤波器的硬件实现方式的多样性，因 此模拟滤波器的设计方案并不是唯一的。,滤波器的主要技术参数 1）谐振频率； 2）通带增益； 3）带宽； 4）品质因数和阻尼系数； 5）通带内增益波动和带外波动； 6）滤波器的元件变化灵敏度,函数逼近： 根据应用背景的要求，滤波器转移函数H(jw)的拉普拉斯变换H(s)可 以用下式来表示：其中，K是实常数， 是H(s)的零点， 是H(s)的极 点。,电路实现 从上面的讨论可以知道，滤波器转移函数是复频域s的有理函数，为了减小转移函数对元件值偏差的灵敏度和简化滤波器的调节过 程，最好使用一阶与二阶滤波器级联实现滤波器。,级联方法的优点是把较高阶次转移函数的实现简化成多个较简单的一阶和二阶滤波器的设计。每个低阶滤波器是独立的，这用其中一个滤波器的任何变化都不会影响到与其级联的其他滤波器. 具体的模拟滤波器实现可以是有源滤波器也可以是无源滤波器,作业,给出一个低噪声前置放大器的应用实例； 给出一个高通滤波器的应用实例。,谢 谢 ！,
