下载文档原格式
低噪声放大器设计随着电子技术的不断发展，低噪声放大器（Low Noise Amplifier，简称LNA）在无线通信和微波领域的重要性不断提升。
低噪声放大器的主要作用是在前置放大器中放大微弱信号，同时将噪声压制到最小，以保证整个系统的性能。
低噪声放大器的噪声系数是衡量其性能的重要指标，通常用dB比值或者分贝数来表示，简称Nf。
低噪声放大器的设计要确保Nf足够低，才能在微弱信号中产生足够的增益且不引入过多的噪声。
因此，低噪声放大器的设计非常重要。
一、低噪声放大器设计的挑战在设计低噪声放大器时，需要面临几个挑战。
第一，如何处理噪声。
在放大器中，噪声来自于电阻、晶体管的温度、元器件的起伏等因素，噪声在传输信号时会被放大。
因此，设计低噪声放大器需要充分考虑噪声的来源，并采取合适的抑制措施，以保证系统的高效运作。
第二，如何改善热噪声。
热噪声是低噪声放大器中一个常见的问题，是由器件本身热引起的噪声。
为了减小热噪声，需要减小器件的温度，采用低噪声晶体管等高品质元器件来代替常规器件，并减小元器件之间的串扰。
第三，如何平衡增益和噪声。
低噪声放大器需要在增益和噪声之间进行权衡，在增益和噪声之间找到平衡点。
增加放大器的增益会对噪声产生影响，因此需要采用低失真、高效率的放大器设计来保证放大器的性能。
二、低噪声放大器的设计要点低噪声放大器的设计要点主要包括器件选择、电路结构、滤波器和匹配等。
器件选择是设计低噪声放大器时非常关键的一个方面，选择适当的低噪声、低电荷、高频率的晶体管材料，能提高系统的性能，也能减小噪声系数。
电路结构是设计低噪声放大器时的另外一个重要方面。
直接耦合放大器和共源放大器是常见的电路结构，其中直接耦合放大器简单、稳定，但增益和噪声系数会受到限制。
而共源放大器的增益和噪声系数的选择范围更大，但也更过程更为复杂。
此外，混频器的阻抗匹配和反馈网络设计也是设计低噪声放大器的重要方面。
滤波器也是设计低噪声放大器时需要重点考虑的方面之一。
ADS设计低噪声放大器详细步骤低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）是无线通信系统中一个重要的组成部分，其功能是将接收到的微弱信号放大，以便后续的处理和解调。
设计低噪声放大器需要考虑多个因素，包括噪声系数、增益、带宽、稳定性等。
下面是一个详细的设计步骤，用于设计低噪声放大器。
1.确定设计规格：a.确定工作频率范围：通常情况下，设计LNA需要确定工作频率的范围，以便选择合适的器件和电路结构。
b.确定增益和噪声系数要求：根据系统需求，确定LNA的增益和噪声系数的要求。
一般来说，增益越高，噪声系数越低，但二者之间存在一定的折衷关系。
2.选择器件：根据设计规格，选择适当的射频器件。
常见的射频器件包括双极性晶体管（BJT），高电子迁移率晶体管（HEMT），甲乙基氮化镓场效应晶体管（GaAsFET）等。
3.确定电路结构：根据选择的器件和设计规格，确定LNA的电路结构。
常见的LNA电路结构包括共源极结构、共栅极结构和共基极结构。
根据不同的结构，可以实现不同的增益和噪声系数。
4.进行器件参数提取：使用器件模型，从所选器件中提取器件的S参数（散射参数）、Y参数（混合参数）等。
这些参数将在后续的仿真和优化中使用。
5.进行电路仿真：使用电路仿真软件（如ADS，Spectre等），根据设计的电路结构和选取的器件参数，进行电路的仿真。
可以通过改变电路参数和器件参数，来优化电路的性能。
6.进行电路优化：在仿真过程中，可以进行电路参数的优化。
优化的目标可以是噪声系数、增益、带宽等。
通过反复地优化，寻找最佳的电路参数。
7.器件布局和仿真：根据优化后的电路参数，进行射频电路的布局设计。
布局需要考虑信号和功率的传输、射频电感和电容的布线、射频耦合以及射频接地等因素。
8.器件特性提取：根据布局后的射频电路，提取各个节点的特性参数，如增益、输入输出阻抗、稳定性等。
9.进行电路仿真验证：使用仿真软件进行电路的验证，比较仿真结果与设计目标的一致性。
低噪声放大器的设计与实现低噪声放大器是一种特殊的放大器，它主要用于在频率范围内放大微小信号，且尽可能地减小噪声干扰。
在现代电子通信、无线网络、雷达等领域都有广泛的应用。
本文将介绍低噪声放大器的设计与实现，同时探讨一些常见的优化方法。
一、低噪声放大器的设计基本原理低噪声放大器的实现需要满足多个条件，如宽带、低噪声、高增益、稳定性等，这些条件相互制约，需要在设计时进行平衡考虑。
首先，低噪声放大器需要使用低噪声信号源作为输入，这样才能尽可能减少噪声产生的影响。
其次，为了达到高增益的要求，可以使用多级放大器来实现。
不过，每一级放大器都会引入一些噪声，因此需要对每一级放大器进行优化，以达到低噪声的目标。
低噪声放大器的设计还要满足传输线和匹配网络的要求。
传输线的设计需要尽可能减少传输线的损耗和噪声，同时匹配网络的设计则需要将输出端的负载和输入端的驱动电路匹配，以保证信号传输的最大功率。
二、低噪声放大器的实现方法低噪声放大器的实现方法有很多种，这里我们介绍一种常用的方法：差分放大器。
差分放大器是一种基于差分放大器电路结构而形成的放大器，它有两个输入，每个输入通过独立放大的电路，输出相减。
差分放大器可以通过噪声消除的方式减少输入信号中的噪声干扰，同时也可以增加信号的线性范围和热稳定性。
差分放大器的实现需要使用两个宽带放大器，一个用于正向增益，一个用于反转增益。
为了保证放大器的相位稳定性和增益平衡，需要使用一些调节网络和补偿电路。
其中，调节网络可以在信号到达输入端时调整放大器的增益，从而保证放大器的线性度。
而补偿电路则可以减少放大器中信号反馈的影响，提高放大器的稳定性。
三、低噪声放大器的优化方法在低噪声放大器的设计中，需要综合考虑多种因素，如噪声、增益、速度、频率响应等。
针对这些因素，有几种常用的优化方法可以帮助提高低噪声放大器的性能。
1. 选择适当的放大器器件放大器的选型是影响低噪声放大器性能的重要因素。
选择合适的放大器器件可以大大提高低噪声放大器的增益和灵敏度。
《噪声温度计中低噪声低失真前置放大器研制》篇一一、引言在现代电子技术日新月异的今天，噪声温度计已成为各种科学实验、医疗诊断和工业生产等领域中不可或缺的测量工具。
而前置放大器作为噪声温度计的重要组成部分，其性能的优劣直接影响到整个系统的测量精度和稳定性。
因此，研制一款低噪声、低失真的前置放大器显得尤为重要。
本文将详细介绍低噪声低失真前置放大器的研制过程、原理及性能分析。
二、前置放大器的工作原理及设计思路前置放大器的主要作用是放大微弱的信号，同时抑制噪声和失真。
其工作原理主要基于晶体管的放大作用，通过合理的电路设计和元件选择，实现低噪声、低失真的放大效果。
设计思路主要包括以下几个方面：1. 选择合适的晶体管：晶体管的性能直接影响到前置放大器的性能。
因此，需要选择具有低噪声、高放大倍数的晶体管。
2. 设计合理的电路结构：电路结构应具有较高的信噪比和较低的失真度。
同时，要考虑电路的稳定性、抗干扰能力和散热性能。
3. 优化元件参数：通过优化电容、电阻等元件的参数，进一步提高前置放大器的性能。
三、前置放大器的研制过程1. 理论分析：根据前置放大器的工作原理和设计思路，进行理论分析，确定电路结构和元件参数。
2. 电路设计与仿真：利用电子设计软件进行电路设计和仿真，验证设计的可行性和性能。
3. 元件选择与制作：根据理论分析和仿真结果，选择合适的元件，制作出前置放大器电路板。
4. 测试与调试：对制作好的前置放大器进行测试与调试，包括噪声测试、失真度测试、信噪比测试等，确保其性能达到设计要求。
四、性能分析1. 噪声性能：低噪声是前置放大器的重要性能指标。
通过实际测试，我们发现该前置放大器的噪声系数较低，有效抑制了外界噪声的干扰。
2. 失真性能：失真度是衡量前置放大器性能的重要参数。
该前置放大器采用先进的电路设计和元件选择，实现了较低的失真度，保证了信号的准确性。
3. 信噪比：信噪比是评价放大器性能的重要指标。
该前置放大器具有较高的信噪比，有效提高了系统的测量精度。
第40卷第2期 2020年3月核电子学与探测技术Nuclear Electronics Detection TechnologyVol. 40 No. 2Mar. 2020新型低噪声电荷灵敏前置放大器设计熊思，高超嵩％黄光明，孙向明(华中师范大学物理科学与技术学院夸克与轻子物理教育部重点实验室，武汉430079)摘要：为满足T o p m etal-S芯片研制需求，设计了一种低噪声电荷灵敏前置放大器。
该电荷灵敏前置放大器在0. 35 p m商业标准工艺上完成设计,采用单端折叠共源共栅结构，其等效输人电荷噪声约为56.47 e_，电荷转换增益为223.40 m V/fC，上升时间为633.30 n s;开环增益为74.94 dB,线性度在3. 70%以内的输入电荷范围为0~6. 50 fC。
关键词：电荷灵敏前置放大器；低噪声；T opm etal-S;等效电荷噪声中图分类号：T L821 文献标志码：A文章编号：0258 — 0934(2020)2 — 0353 — 06寻找无中微子双卩衰变是近年来核物理与 粒子物理领域的研究热点之一，通过能谱测量 和径迹重建，能够提高对本底事件的抑制能力，进而提高对无中微子双P衰变确认的准确度。
以高压气体为媒介的时间投影室（TPC)配合低 噪声的电荷读出方法是最有潜力同时实现能谱 测量和径迹重建的探测器[1]。
传统的高压气体 T P C采用电致发光技术，能够获得优越的能量分辨率，但在电荷径迹和探测器规模扩展方面存在局限性，替代方案是微网格气体探测器，但 其涉及气体雪崩增益会严重降低探测器的能量 分辨率，因此，理想的方案是无气体雪崩放大的 像素电荷读出方法。
华中师范大学硅像素实验 *收稿日期：2019—12—17基金项目：国家自然科学基金青年项目（11805080)、国 家重点研发计划项目（2016Y FE0100900)资助。
作者简介：熊思（1996—），女，江西九江人，在读硕士生，攻读方向为模拟1C设计研究。
毕业论文（设计）题目名称：低噪声前置放大器的设计题目类型：毕业设计目录毕业设计(论文)任务书 (Ⅰ)毕业设计（论文）开题报告 (Ⅲ)毕业论文(设计)指导教师评审意见 (Ⅷ)毕业论文(设计)评阅教师评语 (Ⅸ)毕业论文（设计）答辩记录及成绩评定 (Ⅹ)中文摘要 (Ⅺ)英文摘要 (Ⅻ)1前言 (1)1.1 课题意义 (1)1.2 低噪声前置放大器的发展现状及趋势 (2)2 低噪声前置放大器的设计 (3)2.1差分电路，场效应管和三极管简介 (6)2.2第一级放大电路的设计 (7)2.3第二级放大电路设计 (10)3 仿真结果及分析 (15)3.1第一级放大电路仿真结果及分析 (15)3.2第二级放大电路仿真结果及分析 (16)4结束语 (16)参考文献 (17)致谢 (19)长江大学毕业论文(设计)任务书学院（系）物理学院专业应用物理学班级10602 学生姓名徐伟指导教师/职称李林/副教授1.毕业论文(设计)题目：低噪声前置放大器的设计2.毕业论文(设计)起止时间：2010 年1月5日～2010 年6月15 日3．毕业论文(设计)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）[1]Henry W.Ott著.电子系统中噪声的抑制与衰减技术[M].第2版.王培清，李迪译.北京:电子工业出版社.[2]张达.增益从1 到1000 倍可变的高精度低噪声放大器[J].电子报,2004-06 (A08).[3]郭玉,鲁永康,陈波.分立元件设计的低噪声前置放大器实用电路[J].电子器件,2005-12,28(4).[4]樊锡德.具有强抗干扰和低噪声的前置放大器[J].仪器仪表.1997,(5):8-10.[5]江月松.光电技术与实验[M].北京:北京理工大学出版社,2000:289-290.[6]Robert F.Pierret.半导体器件基础[M].北京:电子工业出版社,2004,第一版.[7]W.O.Henry.电子系统噪声抑制技术[M].北京:人民铁道出版社,1997.[8]李永平,董欣主编,蒋宏宇编著.PSpice 电路设计实用教程[M].北京:国防工业出版社,2004,第一版:3-5.[9]康光华.电子技术基础模拟部分[M].北京:高等教育出版社,2006,第五版.[10]Behzad Razavi.模拟CMOS 集成电路设计[M].西安:西安交通大学出版社,2003.[11]A.D.埃文斯.场效应晶体管电路设计[M].北京:人民邮电出版社,1988,第一版.[12]汪建民.PSpice 电路设计与应用[M].北京:国防工业出版社,2007,第一版.4．毕业论文(设计)应完成的主要内容查阅文献15篇以上，了解低噪声放大电路的发展动态。
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 min = -174+ NF+10㏒BW+S/N (1)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：对单级放大器而言，其噪声系数的计算为：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 2-1)/G 1+(NF 3-1)/G 1G 2+…… （4） 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。
《噪声温度计中低噪声低失真前置放大器研制》篇一一、引言随着现代电子技术的飞速发展，噪声温度计在科研、工业和军事等领域的应用越来越广泛。
其中，低噪声、低失真的前置放大器是影响噪声温度计性能的关键因素之一。
因此，研制一款具有低噪声、低失真特性的前置放大器，对于提高噪声温度计的测量精度和稳定性具有重要意义。
本文将详细介绍低噪声低失真前置放大器的研制过程、原理及性能分析。
二、前置放大器研制原理1. 电路设计前置放大器的电路设计是整个研制过程的核心。
在电路设计中，应采用低噪声、低失真的电路元件和结构，以降低信号传输过程中的噪声和失真。
同时，为了满足不同应用场景的需求，可采取不同的电路拓扑结构，如差分放大、共源极放大等。
2. 芯片选择芯片的选择对于前置放大器的性能至关重要。
应选择具有低噪声、低失真特性的芯片，并确保其具有较高的稳定性和可靠性。
此外，还需考虑芯片的功耗、封装等因素，以满足实际应用的需求。
三、前置放大器研制过程1. 理论分析在研制过程中，首先进行理论分析，包括电路原理、噪声模型、失真分析等。
通过理论分析，确定电路设计的可行性和优化方向。
2. 仿真验证利用仿真软件对电路设计进行验证，包括电路稳定性、噪声性能、失真性能等方面的仿真。
通过仿真结果，进一步优化电路设计。
3. 制作与测试根据仿真结果，制作出实际的前置放大器电路板。
然后，对制作出的电路板进行测试，包括噪声测试、失真测试、稳定性测试等。
根据测试结果，对电路进行进一步优化。
四、性能分析1. 噪声性能低噪声是前置放大器的重要性能指标之一。
通过实际测试，发现所研制的前置放大器具有较低的噪声性能，能够满足噪声温度计的应用需求。
2. 失真性能失真是评价前置放大器性能的另一个重要指标。
所研制的前置放大器具有较低的失真性能，能够保证信号传输的准确性。
3. 稳定性与可靠性所研制的前置放大器具有较高的稳定性和可靠性，能够在不同的应用场景下保持良好的性能。
同时，其功耗和封装等设计也满足了实际应用的需求。
低噪声放大器的两种设计方法与低噪声放大器设计实例低噪声放大器的两种设计方法低噪声放大器（LNA）是射频收发机的一个重要组成部分，它能有效提高接收机的接收灵敏度，进而提高收发机的传输距离。
因此低噪声放大器的设计是否良好，关系到整个通信系统的通信质量。
本文以晶体管ATF-54143为例，说明两种不同低噪声放大器的设计方法，其频率范围为2～2．2 GHz；晶体管工作电压为3 V；工作电流为40 mA；输入输出阻抗为50 Ω。
1、定性分析1.1、晶体管的建模通过网络可以查阅晶体管生产厂商的相关资料，可以下载厂商提供的该款晶体管模型，也可以根据实际需要下载该管的S2P文件。
本例采用直接将该管的S2P文件导入到软件中，利用S参数为模型设计电路。
如果是第一次导入，则可以利用模块S-Params进行S参数仿真，观察得到的S参数与S2P文件提供的数据是否相同，同时，测量晶体管的输入阻抗与对应的最小噪声系数，以及判断晶体管的稳定性等，为下一步骤做好准备。
1.2、晶体管的稳定性对电路完成S参数仿真后，可以得到输入／输出端的mu在频率2～2．2 GHz之间均小于1，根据射频相关理论，晶体管是不稳定的。
通过在输出端并联一个10 Ω和5 pF的电容，m2和m3的值均大于1，如图1，图2所示。
晶体管实现了在带宽内条件稳定，并且测得在2．1 GHz时的输入阻抗为16．827-j16．041。
同时发现，由于在输出端加入了电阻，使得Fmin由0．48增大到0．573，Γopt为0．329∠125．99°，Zopt=（30．007+j17．754）Ω。
其中，Γopt是最佳信源反射系数。
1.3、制定方案如图3所示，将可用增益圆族与噪声系数圆族画在同一个Γs平面上。
通过分析可知，如果可用增益圆通过最佳噪声系数所在点的位置，并根据该点来进行输入端电路匹配的话，此时对于LNA而言，噪声系数是最小的，但是其增益并没有达到最佳放大。
因此它是通过牺牲可用增益来换取的。
ADS设计低噪声放大器的详细步骤设计低噪声放大器的详细步骤:第1步：明确设计要求在设计低噪声放大器之前，首先需要明确设计要求。
这包括频率范围、放大增益、输入和输出阻抗、噪声系数等。
明确设计要求有助于确定设计流程和选择适当的元器件。
第2步：选择适当的放大器拓扑选择正确的放大器拓扑对于设计低噪声放大器至关重要。
常见的低噪声放大器拓扑包括共源极、共栅极和共漏极三种。
根据设计要求选择合适的放大器拓扑。
第3步：计算输入匹配电路在低噪声放大器中，输入匹配电路起到匹配输入信号源和放大器的作用。
输入匹配电路通常由电容、电感和微带线构成。
通过计算输入匹配电路可以保证输入信号最大的功率传输。
第4步：计算输出匹配电路类似于输入匹配电路，输出匹配电路也起到匹配放大器和负载的作用。
输出匹配电路也通常由电容、电感和微带线构成。
通过计算输出匹配电路可以使放大器输出功率最大化。
第5步：确定元器件参数在设计低噪声放大器时，需要确定各个元器件的参数。
这包括电容、电感、微带线的尺寸、负载电阻等。
选择合适的元器件参数可以满足设计要求，并使放大器具有较低的噪声。
第6步：模拟电路设计在模拟电路设计中，可以使用一些常见的电路设计软件，如ADS、CST等。
通过电路设计软件可以模拟和优化低噪声放大器的性能。
优化过程中需要注意输入和输出匹配、放大增益和噪声系数等指标。
第7步：布局设计和电磁兼容性完成模拟电路设计后，需要进行PCB布局设计。
布局设计需要考虑到电磁兼容性和噪声干扰等问题。
合理的布局设计可以降低噪声的干扰，提高放大器的性能。
第8步：制作和调试完成布局设计后，进行PCB板的制作和元器件的焊接。
完成后对放大器进行调试和测试。
调试可以通过信号源输入和示波器测量输出信号来进行。
第9步：优化和改进在进行测试后，可能发现放大器的性能还有待改进。
根据测试结果可以进行优化和改进。
可能需要对元器件进行更换或调整电路参数等。
第10步：测试验证最后对设计的低噪声放大器进行测试验证。
低噪声放大器设计与实现低噪声放大器的设计与实现在现代电子技术领域中，低噪声放大器是一项十分重要的技术，它广泛应用于射频通信、声学传感、医学诊断等领域。
然而，在实际设计中，由于各种噪声和干扰的影响，低噪声放大器的设计变得越来越具有挑战性。
本文旨在探讨低噪声放大器的设计与实现。
1. 噪声的来源和特征分析在放大器中，噪声主要由以下几个方面引起:(1) 热噪声：来自放大器中的电阻，其功率与阻值成正比，与温度成正比，其频率范围广泛，是影响低噪声放大器性能的主要因素之一。
(2) 磁场噪声：由于环境中存在着各种电器设备，它们所造成的磁场干扰也会对低噪声放大器的性能造成影响。
(3) 动态噪声：放大器工作的非线性特性，会使得输入信号的非线性失真增加，从而带来动态噪声。
(4) 人工噪声：来自电路环境中的人工干扰，如灯光、电视、电脑等等，也是影响低噪声放大器性能的因素之一。
2. 低噪声放大器设计的基本方法为了降低噪声，提高放大器的性能，低噪声放大器的设计方法可以从以下几个方面入手:(1) 滤波和去除干扰：利用滤波电路，去除磁场干扰和频率干扰，减少动态噪声和人工噪声。
(2) 降低输入阻抗：通过降低输入阻抗，使输入信号产生的噪声尽可能小。
(3) 降噪电路：采用降噪电路，如降噪电容、降噪电阻等，减少放大器内的噪声源。
(4) 选择合适的器件：选择低噪声、低损耗、高放大倍数的器件，如低噪声场效应晶体管、低噪声运算放大器等。
通过多种方法的综合应用，可以实现低噪声、高增益、高线性度的放大器。
3. 低噪声放大器的实现(1) 电路连接在低噪声放大器的实现中，合理的电路布局和连接是至关重要的。
在布局时，应尽量减少电缆的长度，减少线路杂散电容和电感的影响。
在电路连接中，应注意信号和地线的分离，减少地线回流的干扰。
(2) 调试和优化在放大器的调试和优化过程中，应根据实际情况对电路进行一些必要的调整。
如调整电路中的放大倍数，降低电阻值等，以达到最佳的放大效果。
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，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/f n (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V ni。
一般说，传感器的源电阻固定情况下，若V ni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，r b/b小及fα大，而结型场效应管要求g m大，C in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。
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V ni和噪声电流i ni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N Fmi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R t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，r b为基区电阻，I c为集电极电流，β为电流增益。
放大器的等效输入噪声电压E ni为其中Rs为源电阻。
由式(3)可见，E ni与工作电流有密切关系。
由式(1)—(3)可得使E ni最小的最佳集电极电流I cpt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；b、在T12的发射极串联电阻R2，可有效地减小偏置电流源T12的输出噪声电流；c、减小输人级器件发射极串联电阻Re，兼顾噪声性能和稳定性，Re设计为10Ω。
d、第一级采用双端输出形式，这样偏置电流源的噪声相当于共模信号，其影响完全可以忽略；e、采用电阻负载，避免噪声性能差的p—n—p管作有源负载。
2、中间级和输出级电路的设计中间级电路由T3—T0组成。
因为中间级对总噪声的影响小，该级电路设计主要考虑提高增益、频带和电压转换速率。
为保证这一点，电路中采用密勒电容补偿。
按频率为2MHz时输出最大电压幅度为7V计算，转换速率应大于88v/μs那.该电路转换速率的设计值为133V/μs。
输出级由互补的T10和T11组成，其中T11为纵向p—n—p管，T7射极跟随器是为增大负载能力而增加的。
3、偏置电路的设计T12和R2与主偏网络T13和R3组成电阻比例恒流源，如附图所示的这种连接方式使电路具有共模负反馈作用，例如，输入共模信号增加时，T1和T2的集电极电位下降，T18基极电位也下降，导致T12的电流减小，从而又使得T1和T2的集电极电位上升。
这一负反馈作用使电路的共模抑制比和温度稳定性提高。
四、低噪声前置放大器的电路设计考虑这种电路主要应考虑几点要求：(1)第一级要求功率增益大，以减少后级引人噪声。
一般采用共射电路，但为了提高电路工作的稳定性、加强频带可采用共射—共基形式或共射—共集形式。
(2)前置放大级不应有负反馈，因为反馈会使增益下降，从而使后级噪声加大。
此外，反馈电阻又会引入附加噪声。
为低噪声前置放大器考虑到频带问题而引入适当负反馈，也不可过强。
(3)低噪声前置放大级的偏置电阻也会引入附加噪声电流。
五、低噪声前置放大器应具有防止外部干扰措施传感器与低噪声前置放大器相连接，除了考虑最佳的噪声匹配以减少测量系统噪声外，但很多情况下杂波不完全来自内部噪声，还有外部干扰。
例如：电台干扰是调幅波、电火花是脉冲波，电源干扰是50Hz低频波等。
对于这些干扰应采取相应措一施。
譬如：电源干扰应采取进线滤波作用，或电源电压加之屏蔽；来自电磁场干扰(高频干扰)采用屏蔽盒抑制；信号之间寄生藕合抑制可采用滤波或供电分开；传感器和测量系统间相连接往往产生电场干扰，可采用单层或双层屏蔽传输线进行抑制等。
六、合理布局布线对基于低噪声运放的传感器前置放大器而言，元器件的布局布线也是影响其性能的重要因素，对元器件的布局布线有一些与普通电路不同的特殊要求。
这些特殊要求都是基于这类放大器自身特点和应用特点提出来的。
在布局布线时，有几个问题需要特别注意:传感器信号传输电缆的正确接地；放大器输入信号回路的正确接地;去耦电容的合理选用；漏电流的减小或消除。
目前一些超低噪声高精度运放的输入失调电流已由纳安(nA)降至皮安(pA)，使得电路板表面漏电流成为不可忽视的问题。
假若设电路板上运放的电源线与运放的输入引脚之间的电路板的绝缘电阻为R1。
对于FR-4电路板来说，R1最大约为1011Ω若运放的电源为15 V，则流入运放输入端的漏电流为150 pA。
这一电流可能大于运放的输入失调电流，而且这一电流还会随绝缘条件的变化(如温度变化)而变化。
解决这一问题的方法是增强绝缘，必要时还可使用保护环或保护电极。
七、结论基于低噪声运放的传感器前置放大器设计复杂,涉及很多理论与技术问题，且有些重要问题的解决方法相互矛盾,需要权衡后作出折衷。
实践证明，只要合理选择元器件、合理设计电路及合理布局布线,基于低噪声运放的传感器前置放大器，在很多情况下可以满足应用需要。
随着相关技术的不断发展，基于低噪声运放的传感器前置放大器必将逐步取代分立元件的传感器前置放大器。
若需要这类前置放大器的增益可变,可将前面讨论的设计方法与可变增益放大器的设计方法结合起来。
通过输入级最佳工作电流的设计、合理的电路设计和版图设计，并采取其它降低噪声的措施，利用p—n结隔离集成电路工艺研制的低噪声放大器，还具有频带宽和转换速率大等特点。
这对提高传感器的灵敏度和测量范围有重要意义。
以上是我对低噪声前置放大器设计方法提出的方案，也许还有许多不足，以后会加强改进的。
参考文献[1]OTT H W.电子系统中噪声的抑制与衰减技术.第2版.王培清,李迪,译.北京:电子工业出版社,2003:183-184.[2]江月松.光电技术与实验.北京:北京理工大学出版社,2000:289-290.[3]ISRAELSOHN J. Noise 101.http:∥/article/CA371088. html.2006-01-07.[4]ISRAELSOHN J. Noise 102.http:∥/article/CA402133. html? text=low%2Dnoise+and+design.2006-01-07.[5]ROTHE H, DAHLKE W. Theory of noisy fourpoles. Proceedings of the IRE. 1956, 44: 811-818.[6]秦世才,贾香鸾.模拟集成电子学.天津:天津科学技术学出版社,1996:187-191.[7]高晋占.微弱信号检测.北京:清华大学出版社,2004:93-96.[8]胡士凌,孔得人.光电电子线路.北京:北京理工大学出版社,1996:28-31.[9]童诗白,华成英.模拟分电子技术基础.第3版.北京:高等教育出版社,2001:273-275.[10]冈村迪夫.OP放大电路设计.王玲,徐雅珍,李武平,译.北京:科学出版社,2004:104.[11]Vishay Intertechnology, Inc. New PR series high-precision thin film re- sistorarrays./company/press/releases/2004/040716resistors/index.en.2006-01-10.[12]周胜海,王栋臣,马建中.可变增益放大器的实现方法.仪表技术与传感器,2001(7):32-34.[13] MotelenbacllerC D，FiteherFC.Low一noisee阮tron〔朗.Newyork:Jollnwiley&SonsInc，1979[14] 齐秋群.宽频带低噪声集成电路的版图设计.半导体技术，1987(2):37-41[15] Hande D P.A low-noise opretional amplifier .IEEE，Solid-state Ccruits, 1981(1):159-161[16]齐秋群.宽频带集成电路的设计.集成电路通讯，1986(l):l一7。
