噪声干扰PCB布线与微小信号的放大

电路中干扰、噪声的应对与微弱信号的测量

摘要：微弱信号常常被混杂在大量的噪音中。噪声的来源多种多样，有来自电路之间的，有电子元器件本身所具有的，也有来自外部环境的。这其中，又分为了好多不同种类，比如电子元器件的噪声，有低频时的1/f噪声，有高频的热噪声等等。本文中分别对其进行介绍。为了消除这些噪声，从而获得正确的信号，就需要对电路采取一些措施。在PCB布局布线时，就有好多细节非常值得我们注意。当然，元器件的选择也是很有讲究的。当然，仅仅对噪声干扰进行抑制并不足以达到检测微弱信号的目的，为此，在设计检测微弱信号的电路时，又有很多重要的方法和注意点值得参考。只有做好这些，才能从噪声中得到可靠、稳定的信号。关键词：噪声；PCB布线；微弱信号检测

一、电路中的干扰与噪声

噪声是电路中相对于信号而言的一些干扰、无用的信号噪声干扰的产生原因有许多,如雷击、周边负载设备的开关机、发电机、无线电通讯等。在对微弱信号处理时，噪声的影响非常重要，必须对其采取措施，否则有用信号将淹没其中，而无法被检测到。具体到噪声来源、噪声特点等方面，噪声有许许多多的类别，下面分别简要对其进行介绍。

1.1低频噪声

低频噪声主要是由于内部的导电微粒不连续造成的。特别是碳膜电阻，其碳质材料内部存在许多微小颗粒，颗粒之间是不连续的，在电流流过时，会使电阻的导电率发生变化引起电流的变化，产生类似接触不良的闪爆电弧。另外，晶体管也可能产生相似的爆裂噪声和闪烁噪声，其产生机理与电阻中微粒的不连续性相近，也与晶体管的掺杂程度有关。

1.2半导体器件产生的散粒噪声

由于半导体PN结两端势垒区电压的变化引起累积在此区域的电荷数量改变，从而显现出电容效应。当外加正向电压升高时，N区的和P区的空穴向耗尽区运动，相当于对电容充电。当正向电压减小时，它又使电子和空穴远离耗尽区，相当于电容放电。当外加反向电压时，耗尽区的变化相反。当电流流经势垒区时，这种变化会引起流过势垒区的电流产生微小波动，从而产生电流噪声。其产生噪声的大小与温度、频带宽度△f成正比。

1.3高频热噪声

高频热噪声是由于导电体内部电子的无规则运动产生的。温度越高，电子运动就越激烈。导体内部电子的无规则运动会在其内部形成很多微小的电流波动，因其是无序运动，故它的

平均总电流为零，但当它作为一个元件(或作为电路的一部分)被接入放大电路后，其内部的电流就会被放大成为噪声源，特别是对工作在高频频段内的电路高频热噪声影响尤甚。

通常在工频内，电路的热噪声与通频带成正比，通频带越宽，电路热噪声的影响就越大。以一个1kΩ的电阻为例，如果电路的通频带为1MHz，则呈现在电阻两端的开路电压噪声有效值为4μV(设温度为室温T=290K)。看起来噪声的电动势并不大，但假设将其接入一个增益为106倍的放大电路时，其输出噪声可达4V，这时对电路的干扰就很大了。

1.4电路板上的电磁元件的干扰

许多电路板上都有、线圈等电磁元件，在电流通过时其线圈的电感和外壳的分布电容向周围辐射能量，其能量会对周围的电路产生干扰。像继电器等元件其反复工作，通断电时会产生瞬间的反向高压，形成瞬时浪涌电流，这种瞬间的高压对电路将产生极大的冲击，从而严重干扰电路的正常工作。

1.5晶体管的噪声

晶体管的噪声主要有热噪声、散粒噪声、闪烁噪声。

热噪声是由于载流子不规则的热运动通过BJT内3个区的体电阻及相应的引线电阻时而产生。其中rb所产生的噪声是主要的。

通常所说的BJT中的电流，只是一个平均值。实际上通过发射结注入到基区的载流子数目，在各个瞬时都不相同，因而发射极电流或集电极电流都有无规则的波动，会产生散粒噪声。

由于半导体材料及制造工艺水平使得晶体管表面清洁处理不好而引起的噪声称为闪烁噪声。它与半导体表面少数载流子的复合有关，表现为发射极电流的起伏，其电流噪声谱密度与频率近似成反比，又称1/f噪声。它主要在低频(kHz以下)范围起主要作用。

1.6电阻器的噪声

电阻噪声的来源分为两大类----热噪声与过剩噪声

1.热噪声

电阻的机构以及在电路中的工作状态模式，决定了电阻在通电的的过程中必然会产生热效应，所有的元器件都会发热。这种热效应表现为，当温度升高时候，电阻中的电导流子会做无规则的热运动，使电流的定向流动产生起伏变化，从而形成了热噪声电流，此噪声电流将通过电阻产生噪声电压，称为电阻的热噪声。

2.过剩噪声

现阶段业界常常使用的电阻为：A.插件电阻，B.晶圆电阻，C.贴片电阻等特殊电阻产品。电阻在电路的运行过程中除了会产生热噪声之外还会产生另外一种噪声就是过剩噪声。

过剩噪声的来源：

（1）电阻在有电流通过的情况下，由于电阻薄膜并不均匀，所以电流就不会均匀的流经电阻的每一个区域，其中必然某一个区域会较为密集，所以会产生过剩噪声。

（2）电阻柱体实质上是由无数个导电微粒组合而成，在外加电压的作用下产生不规则没有定性的运动，阻值就会发生相应的变化，对电流起限制作用从而产生过剩电流

过剩电流=电阻的电流噪声，他与阻值、流过的电流、电流强度有关。

1.7集成电路的噪声

集成电路的噪声干扰一般有两种：一种是辐射式，一种是传导式。这些噪声尖刺对于接在同一交流电网上的其他电子设备会产生较大影响。噪声频谱扩展至100MHz以上。在实验室中，可以用高频示波器(100MHz以上)观察一般系统板上某个集成电路与地引脚之间的波形，会看到噪声尖刺峰- 峰值可达数百毫伏甚至伏级。

1.8电源的干扰

大多数电子电路的直流电源是由电网交流电源经滤波、稳压后提供的。如果电源系统没有经过净化，会对测试系统产生干扰。同时，在传感器测试系统附近的大型交流设备的启停将产生频率很高的浪涌电压叠加在电网电压上。此外，雷电感应也会在电网上产生幅值很高的高频浪涌电压。如果这些干扰信号沿着交流电源线进入传感器接口电路内部，将会干扰其正常工作，影响系统的测试精度。

1.9地线的干扰

传感器接口各电路往往共用一个直流电源，或者虽然不共用一个电源，但不同电源之间往往共一个地，因此，当各部分电路的电流均流过公共地电阻(地线导体阻)时便会产生电压降，该电压降便成为各部分之间相互影响的噪声干扰信号。同时，在远距离测量中，传感器和检测仪表在两处分别接地，于是在两“地” 之间就存在较大的接地电位差，在仪表的输入端易形成共模干扰电压。共模干扰的来源一般是设备对地漏电、地电位差、线路本身具有对地干扰等。由于线路的不平衡状态，共模干扰会转换成常模干扰，较难除掉。

对于很长的信号传输线，信号在传输的过程中很容易受到干扰，导致所传输的信号发生畸变或失真。长线信号传输所遇到的干扰有：

（1）周围空间电磁场对长线的电磁感应干扰。

（2）信号线间的串扰。当强信号线(或信号变化速度很快的线)与弱信号线靠得很近时，通过线间分布电容和互感产生线间干扰。

（3）长线信号的地线干扰。信号线越长，则信号地线也越长，即地线电阻较大，形成较大的电位差。

二、干扰与噪声的抑制

对于一直电路中的噪声与干扰，可以从以下几个方面进行考虑：

2.1根据不同工作频率合理选择噪声低的半导体元器件

在低频段，晶体管由于存在势垒电容和扩散电容等问题，噪声较大。而结型场效应管因为是多数载流子导电，不存在势垒区的电流不均匀问题。而且栅极与导电沟间的反向电流很小，产生的散粒噪声很小。故在中、低频的前级电路中应采用场效应管，不但可以降低噪声还可以有较高的输入阻抗。另外如果需要更换晶体管等半导体元件，一定要经过对比选择，即使型号相同的半导体器件参数也是有差别的。同样，电路中的碳膜电阻与金属膜电阻的噪声系数也是不一样的，金属膜电阻的噪声比碳膜的要小，特别是在前级小信号输入时，可以考虑用噪声小的金属膜电阻。

2.2根据不同的工作频段、参数选择适当的放大电路

选择适当的放大电路不仅对本级电路有直接影响，对整个电路的工作参数、工作状态都会产生重要影响。如共射组态连接时，电路有较高的放大增益，同时它的噪声对后级的影响较小。而共集组态时有较高的输入阻抗同时也有较好的频响。因此根据不同的电路对参数应有不同要求，选择好的电路，不仅可以简化线路结构，同时也可以减少噪声对整个电路的干扰。在电路性能参数允许的条件下，尽可能采用抗干扰能力较好的数字电路。

2.3 PCB板的布局需注意

（1）要有合理的走向：如输入/输出，交流/直流，强/弱信号，高频/低频，高压/低压等...，它们的走向应该是呈线形的(或分离)，不得相互交融。其目的是防止相互干扰。最好的走向是按直线，但一般不易实现，最不利的走向是环形，所幸的是可以设隔离带来改善。对于是直流，小信号，低电压PCB设计的要求可以低些。所以“合理”是相对的。

（2）选择好接地点：小小的接地点不知有多少工程技术人员对它做过多少论述，足见其重要性。一般情况下要求共点地，如：前向放大器的多条地线应汇合后再与干线地相连等等...。现实中，因受各种限制很难完全办到，但应尽力遵循。这个问题在实际中是相当灵活的。每个人都有自己的一套解决方案。如能针对具体的电路板来解释就容易理解。

（3）合理布置电源滤波/退耦电容：一般在原理图中仅画出若干电源滤波/退耦电容，但未指出它们各自应接于何处。其实这些电容是为开关器件(门电路)或其它需要滤波/退耦的部件而设置的，布置这些电容就应尽量靠近这些元部件，离得太远就没有作用了。有趣的是，当电源滤波/退耦电容布置的合理时，接地点的问题就显得不那么明显。

（4）线条有讲究：有条件做宽的线决不做细；高压及高频线应园滑，不得有尖锐的倒角，拐弯也不得采用直角。地线应尽量宽，最好使用大面积敷铜，这对接地点问题有相当大的改善。

（5）有些问题虽然发生在后期制作中，但却是PCB设计中带来的，它们是：过线孔太多，沉铜工艺稍有不慎就会埋下隐患。所以，设计中应尽量减少过线孔。同向并行的线条密度太大，焊接时很容易连成一片。所以，线密度应视焊接工艺的水平来确定。焊点的距离太小，不利于人工焊接，只能以降低工效来解决焊接质量。否则将留下隐患。所以，焊点的最小距离的确定应综合考虑焊接人员的素质和工效。

焊盘或过线孔尺寸太小，或焊盘尺寸与钻孔尺寸配合不当。前者对人工钻孔不利，后者对数控钻孔不利。容易将焊盘钻成“c”形，重则钻掉焊盘。导线太细，而大面积的未布线区又没有设置敷铜，容易造成腐蚀不均匀。即当未布线区腐蚀完后，细导线很有可能腐蚀过头，或似断非断，或完全断。所以，设置敷铜的作用不仅仅是增大地线面积和抗干扰。以上诸多因素都会对电路板的质量和将来产品的可靠性大打折扣。

（6）金属化过孔镀层厚度只有20几到几微米，经不起大电流！因此电源线、地线、有大电流的线非得通过过孔到另一面时可在此处多加几个过孔，或通过一个穿过两面的原件。

（7）脚较粗且多的器件如CD型插座，应尽可能少从原件面出线。如非出不可有条件可在器件脚边加一过孔。固为多个插脚同时插下时容易破坏孔中的金属化镀层。

（8）因为孔化层很薄，所以如果条件允许，过孔的内径设为0.5~0.7mm为好，这样过波峰焊时，焊锡会填充过孔，对孔化层起保护作用(抗氧化)而且提高过流性能。

（9）电路元件和信号通路的布局必须最大限度地减少无用信号的相互耦合：

(a) 低电子信号通道不能靠近高电平信号通道和无滤波的电源线，包括能产生瞬态过程的电路。

(b) 将低电平的模拟电路和数字电路分开，避免模拟电路、数字电路和电源公共回线产生公共阻抗耦合。

(c) 高、中、低速逻辑电路在PCB上要用不同区域。

(d) 安排电路时要使得信号线长度最小。

(e) 保证相邻板之间、同一板相邻层面之间、同一层面相邻布线之间不能有过长的平行信号线。

(f) 电磁干扰（EMI）滤波器要尽可能靠近EMI源，并放在同一块线路板上。

(g) DC/DC变换器、开关元件和整流器应尽可能靠近变压器放置，以使其导线长度最小。

(h) 尽可能靠近整流二极管放置调压元件和滤波电容器。

(i) 印制板按频率和电流开关特性分区，噪声元件与非噪声元件要距离再远一些。

(j) 对噪声敏感的布线不要与大电流，高速开关线平行。

三、微弱信号的放大

测量技术中的一个综合性的技术分支就是微弱信号检测放大，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号。这门技术研究的重点是如何从强噪声中提取有用信号，从而探索采用新技术和新方法来提高检测输出信号的信噪比。

微弱信号检测放大目前在理论方面重点研究的内容有：

a.噪声理论和模型及噪声的克服途径；

b.应用功率谱方法解决单次信号的捕获；

c.少量积累平均，极大改善信噪比的方法；

d.快速瞬变的处理；

e.对低占空比信号的再现；

f.测量时间减少及随机信号的平均；

g.改善传感器的噪声特性；

h.模拟锁相量化与数字平均技术结合。

3.1微弱信号检测放大的原理

微弱信号检测技术就是研究噪声与信号的不同特性，根据噪声与信号的这些特性来拟定检测方法，达到从噪声中检测信号的目的。微弱信号检测放大的关键在于抑制噪声恢复、增强和提取有用信号即提高其信噪改善比SNIR SNIR）定义

即输出信噪比（S/N）0与输入信噪比（S/N）i之比。（SNIR）越大即表示处理噪声的能力越强，检测的水平越高。

3.2微弱信号检测放大的特点

1）在较低的信噪比中检测微弱信号。造成信噪比低的原因，一方面是因为特征信号本身十分微弱；另一方面是因为强噪声干扰使得信噪比降低。如在机械设备处于故障早期阶段时，往往以某种方式与其它信源信号混合的故障对应的各类特征信号，使得特征信号相当微弱；在设备在工作时，又有强噪声干扰。因此，特征信号基本为低信噪比的微弱信号。

2）要求检测具有实时性和快速性。工程实际中所采集的数据长度或持续时间一般会受到限制，这种在较短数据长度下的微弱信号检测在诸如雷达、通讯、地震、工业测量、声纳、机械系统实时监控等领域具有着广泛的需求。

3.3微弱信号检测的方法研究

微弱特征信号检测方法各种各样，从传统的相关检测、频谱分析、取样积分和时域平均方法到新近发展起来的神经网络、小波分析理论、混沌振子、随机共振、高阶统计量等方法，在微弱特征信号检测中有着广泛的应用。具体来说，用的较多的有以下几种：

3.3.1时域检测法

微弱特征信号的时域检测方法主要有相关检测、取样积分与数字式平均、时域平均等方法。

（1）相关检测：相关检测主要是对信号和噪声进行相关性分析，主要物理量是相关函数

R(τ)。确定性信号的不同时刻取值有较强的相关性；而对干扰噪声，因为其随机性较强，不同时刻取值的相关性一般较差。利用这一差异，把确定性信号和干扰噪声区分开来。相关检测包括互相关法和自相关法，互相关法用互相关函数来度量两个随机过程间的相关性；而自相关法通过自相关函数度量同一个随机过程前后的相关性。相比自相关法，互相关法提取信号能力越强，对噪声抑制得较彻底。一般，互相关是根据接收信号的重复周期或已知频率，在接收端发出与待测信号频率相同的参考信号，将参考信号与混有噪声的输入信号进行相关。

（2）取样积分与数字式平均

这两种方法的工作原理是根据恢复信号的精度要求，将各个信号周期分为若干的时间间隔，再对这些分隔信号进行取样，并将各周期中处于相同位置的取样信号进行平均或积分。用模拟电路来实现取样积分的过程，用计算机的数字处理方式来实现数字式平均的过程。取样积分技术含有取样和积分两个连续过程，其基本原理如下图所示，待测信号x(t)= S(t)+ n(t)经过放大输入到取样开关，r(t)是与待测信号同频的参考信号或待测信号本身。触发电路根据参考信号波形情况（如幅度或是上升速率）形成脉冲信号，再经过延时后，生成一定宽度的取样脉冲，在取样开关K的控制下，来完成对输入信号x(t)的取样，但是积分仅在取样时间内进行，它其余时间积分结果处于保持状态。

（3）时域平均：

信号时域平均处理，这一过程是从混有噪声干扰的复杂周期信号中提取有效周期分量的过程，作用是可以抑制混杂于信号中的随机干扰，消除与给定频率无关的信号分量，比如噪声和无关的周期信号，提取与给定频率有关的周期信号。因此，这种方法能在噪声环境下工作，提高分析信号的信噪比。

3.3.2频域检测法

这是最常用的一种频域检测法，它用于从背景噪声中提取出信号的特征频率成分，较多地用于微弱周期信号的检测。应用傅立叶变换的频谱分析将时域问题转换为频域问题，其原理是把复杂的时间形成波形，经傅立叶变换为若干单一的谐波分量后来研究，以获得信号的频率结构与各谐波幅值、相位、功率及能量和频率之间的关系。这是用于研究平稳随机过程性能的一种信号处理技术。常用的频谱分析方法有多种，主要包括幅值谱分析、功率谱分析和相位谱分析等。分辨率Δf在频谱分析中是个很重要的参数，它取决于所分析信号的时间长度T(T?Δf = 1)，微弱信号检测放大性能与观测时间成正比。举个例子，假定观测的正弦信号S(t)=Asin(ωt)，淹没在方差为σ2的白噪声中，则检测性能正比于A2/(2σ2Δf )，频域分辨率Δf将全频带分成了以Δf为带宽的小频带。当噪声为白噪声时，每个小带内的噪声能量相等，并且随着Δf的减小而下降，并不依赖于Δf。所以，时间长度T越长，Δf 就越小，频率分辨率越高，这就可以将很小的频率确定的正弦信号成功检测出来。

3.3.3时频分析法

因为时域检测和频域检测无法表述信号的时间- 频率的局部性质，而这种性质是非平稳信号最根本的性质。时频分析是非平稳信号处理的重要手段。时频分析运用时间－频率联合表示信号，将一维的时间信号映射到一个二维的时频平面，全面反映观测信号的时间- 频率

联合特征，在时频域内对信号进行分析，从而掌握信号的时域及频域信息，而且可以清楚地了解信号的频率随时间有规律的变化。时频分析的基本要求是建立一个分布函数，要求这个函数能够同时用时间和频率描述信号能量密度，并且还可以用来计算特定频率和时间范围内的能量分布，以及特定时刻的频率密度和该分布函数的不同阶矩，比如平均条件频率等。在常用的时频分析工具中，小波变换和短时Fourier变换应用最为广泛。这是因为短时Fourier变换采用了信号的线性变换方法，而小波变换具有多分辨率分析的特点，在分析包含有多个分量的信号时，不仅能够抑制交叉项的产生，同时也具有较小的计算量；小波变换在时频两域都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口大小固定不变，其形状可改变，时间窗、频率窗都可以改变的时频局部化分析的一种方法；在高频部分具有较高时间分辨率和较低频率分辨率，在低频部分具有较高频率分辨率和较低时间分辨率。

3.3.4基于非线性理论的检测法

传统的频域、时域或时频分析方法通常以线性理论为主，在滤去噪声后，信号有所失真。近年来，随着非线性理论的发展，利用非线性系统特有性质来检测不稳定、非平衡的状态中微弱信号成为了可能。现在，基于非线性理论的微弱信号检测放大方法主要包括高阶谱分析、经验模式分解、神经网络、差分振子法、混沌理论方法、随机共振方法等。高阶谱分析法可以有效抑制信号中的非高斯、非相关噪声，并保留了信号中的相位信息。经验模式的分解能将复杂的非线性、非平稳信号分解成为固有模态函数，来获得了完整的时频信息。混沌理论法、差分振子法则是利用非线性动力学对初值的敏感性、噪声免疫力来进行的微弱信号检测，在抑制噪声的同时，信号却未被削弱，能有效降低噪声干扰，来进行高灵敏度测量。待测微弱信号频率已知的情况下，可用特定的微弱信号检测对应的特定的检测系统。与其他微弱信号检测方法相比，随机共振是利用噪声，而不是抑制噪声。作用于某一类非线性系统噪声干扰下的信号，它和噪声在非线性系统的共同作用下，就会发生噪声能量向信号能量的转移，信号幅值增大，产生了类似力学中的共振输出，提高了系统信噪比。一般的随机共振系统结构框图如下图所示

常规的随机共振系统结构框图

3.4微弱信号放大的具体实现方式

传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路，在这种应用中，一个典型的问题是传感器提供的电流非常低，在这种情况下，如何完成信号放大？对于微弱信号的放大，只用单个放大器难以达到好的效果，必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段，而使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大器结构，包括传感器的方波激励，电流转电压放大器，和同步解调三部分。他表示，需要注意的是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。另外同步解调需选用双路的SPDT模拟开关。

工程师们建议，在运放、电容、电阻的选择和布板时，要特别注意选择高阻抗、低噪声运算和低噪声电阻。此外，还需注意以下几点：

（1）电路设计时注意平衡的处理，尽量平衡，对于抑制干扰有效，这些在美国国家半导体、BB(已被TI收购)、ADI等公司关于运放的设计手册中均可以查到。

（2）推荐加金属屏蔽罩，将微弱信号部分罩起来(开个小模具)，金属体接电路地，可以大大改善电路抗干扰能力。

（3）对于传感器输出的nA级，选择输入电流pA级的运放即可。如果对速度没有多大的要求，运放也不贵。仪表放大器当然最好了，就是成本高些。

（4）若选用非仪表运放，反馈电阻就不要太大了，M欧级好一些。否则对电阻要求比较高。后级再进行2级放大，中间加入简单的高通电路，抑制50Hz干扰。

在双电源运放在接成单电源电路时，在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选择，比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好？可以用参考电压源，理由是精度高，此外还能提供较低的交流旁路，也可以用电阻，理由是成本低而且方便，对此，难以评判何种方式，不过对于双电源运放改成单电源电路时，如果采用基准电压的话，效果最好。这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的PSRR。但若采用电阻分压方式，必须考虑电源纹波对系统的影响，这种用法噪声比较高，PSRR比较低。

一般压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换，可是在传感器动态工作时，电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生。对此，有几种可能性会导致零漂：（1）反馈电容ESR特性不好，随电荷量的变化而变化；（2）反馈电容两端未并上电阻，为了放大器的工作稳定，减少零漂，在反馈电容两端并上电阻，形成直流负反馈可以稳定放大器的直流工作点；（3）可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高，造成电荷泄露，导致零漂。

从数学分析的角度对造成零漂的原因进行了详细分析，认为除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大，运放的开环输入阻抗要高、运放的反馈电阻要小，即反馈电阻的作用是为了防止漂移，稳定直流工作点。但是反馈电阻太小的话，也会影响到放大器的频率下限。所以必须综合考虑。

对于电荷放大器输出电压不归零的现象，一般采用如下办法来解决：

（1）采用开关电容电路的技巧，使用CDS采样方式可以有效消除offset电压；（2）采用同步检测电路结构，可以有效消除offset电压。

3.5微弱信号检测放大与处理的研究方向

近几年来，随着信号检测与处理中引入了基于非线性动力学系统的数学理论，如混沌理论、神经网络、随机共振原理等，在微弱信号检测放大领域，利用非线性动力学系统独有性质的检测微弱信号的方法渐渐显现出优势。比如混沌测量法，它具有极高的测量灵敏度，以及对任何零均值噪声都具有极强的免疫力的特征，很好的解决了关于任何零均值噪声背景下微弱信号的参数难以估计的问题；早期，机械设备故障预示和诊断中应用随机共振的方法，用噪声的部分能量转化为信号能量来检测微弱特征信号，从而提高了诊断的准确率。随着信号检测与处理中非线性理论和方法的广泛应用，非线性分析法已经成为未来微弱信号检测研究的主要趋势之一。

由于微弱信号噪声的种类较多，如微弱脉冲信号、微弱周期信号、微弱非周期信号、冲击信号，噪声有如限带噪声、窄带噪声、白噪声、高斯噪声等，由于不同特性的信号和噪声混合，造成了待测信号的复杂。而采用单一的检测方法，检测门限过高，有限地改善信噪比。在实际检测中，充分利用，结合多种检测方法检测微弱信号已逐渐成为一种趋势。如将小波方法与频谱分析方法结合，先利用小波变换，来对信号进行相干积累，随后用周期谱方法对积累信号进行估计，可以有效的改善信号的检测能力。

四、结论

本文中介绍了电路中噪声的来源，并且介绍了一些实用的去噪、抗干扰以及微弱信号放大的措施。但随着计算机技术、微电子技术、信息理论的发展，微弱信号检测放大在医疗、军事、生物、航空、生产等领域的广泛应用促进了人们不断研究与探索微弱特征信号检测放大的新理论、新方法，期望能更加快速、更加准确地从复杂噪声背景中检测出微弱特征信号。

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设计一个射频小信号放大器[1]要点

射 频 课 程 设 技 论 文 院系：电气信息工程学院 班级：电信2班 姓名：贾珂 学号：541101030211

1射频小信号放大器概述 射频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，所谓小信号,一是信号幅度足够小,使得所有有源器件(晶体三极管,场效应管或IC)都可采用二端口Y参数或线性等效电路来模型化;二是放大器的输出信号与输入信号成线性比例关系.从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。 小信号放大器的分类：按元器件分为：晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器; 按频带分为：窄带放大器、宽带放大器; 按电路形式分为：单级放大器、多级放大器; 按负载性质分为：谐振放大器、非谐振放大器;. 小信号谐振放大器除具有放大功能外,还具有选频功能,即具有从众多信号中选择出有用信号,滤除无用的干扰信号的能力.从这个意义上讲,高频小信号谐振放大电路又可视为集放大,选频一体,由有源放大元件和无源选频网络所组成的高频电子电路.主要用途是做接收机的高频放大器和中频放大器. 其中射频小信号调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。本文以理论分析为依据，以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。2电路的基本原理 图2-1所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号单级单调谐回路谐振放大器。它不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此，晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放大器输出信号的频率或相位。晶体管的静态工作点由电阻R b1、R b2及Re决定，其计算方法与低频单管放大器相同。

噪声、干扰与抗干扰

白噪声、粉红噪声、褐色声：是由光波的谱线图就是光谱图类比而来区分这些噪声的。 [白噪声] 所谓白噪声是指一段声音中的频率分量的功率在整个可听范围（0～20KHZ）内都是均匀的。由于人耳对高频敏感一点这种声音听上去是很躁耳的沙沙声。白噪声是一种无规噪声，它的瞬时值是随机变化的。它的幅值对时间的分布满足正态分布。它具有连续的噪声谱，包含有各种频率成分的噪声。它的功率谱密度与频率无关，几个频率能量的分布是均匀的。它的等带宽输出的能量是相等的。它在线性坐标中，输出是一根平行与横坐标的直线。在对数坐标中，输出是按每倍频程带宽增加3dB的斜率而上升的。在人耳可听的频率范围内，具有相同能量的噪声称为白噪声。白噪声广泛用于环境声学测量中。所以从频谱仪的图形上看，白噪声在全频谱内是一条平直的线 [粉红噪声] 粉红噪声是自然界最常见的噪音，简单说来，粉红噪声的频率分量功率主要分布在中低频段。粉红噪声从人耳中听到的是平直的频率响应——“非常悦耳的一种噪声”最常用于进行声学测试的声音。从波形角度看，粉红噪声是分形的，在一定的范围内音频数据具有相同或类似的能量。粉红噪声的电平从低频向高频不断衰减，其幅度与频率成反比(1/f)。其幅度每倍频程(一个8度)下降3dB。噪声能量在每倍频程内是相等的。所以从频谱仪的图形上看，粉红噪声是在一个小段频谱内平直的线，并且以其倍数频率向下衰减。即1倍频，2倍频……频率越高谱线高度越低。 [褐色噪声] 褐色噪声的频率分量功率主要集中在低频段。其能量下降曲线为1/f^2，其波形是非常自相似的。整体来说有点跟工厂里面的“轰轰隆隆”的背景声相似。煲机就是运用收音机的白噪声和粉红噪声，根据他们的特性进行间断的煲机。新耳塞耳机初期可以采用调到无台状态下，音量偏小为宜。保持5小时以上8小时以上的连续煲机，根据耳塞耳机的不同，一般来说3天到5天时间就足够了。然后是调到有清楚的台进行第二阶段的煲机这个过程可能持续的比较长，控制在正常音量或稍大音量，有可能是一个星期或者两个星期，甚至一个月的时间。完成两阶段以后，耳塞耳机在你手里基本上已经煲的差不多。这样操作下来，新耳塞耳机已经可以保持比较好的状态了，能尽心尽力为用户服务了.

通信电子电路课程设计小信号放大器

通信电子线路课程设计-- 高频小信号谐振放大器 学校： 姓名: 学号: 班级: 指导老师:

目录 一、刖言 (3) 二、电路基本原理................................................. .3 三、主要性能指标及测量方法....................................... .5 1谐振频率 (7) 2、电压增益 (7) 3、通频带 (8) 4、矩形系数 (9) 四、设计方案 (10) 1设置静态工作点 (10) 2、计算谐振回路参数 (10) 3、电路图、仿真图和PCB图 (11) 五、电路装调与测试.......................................... ??13 六、心得体会................................................. ??14 七、参考文献............................................... ???15

一、前言高频调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现问题是自激震荡，同时频率选择和各级建阻抗匹配也恶化你难实现。 Protel DXP 软件能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证、和设计数据管理。今天的Protel DXP 软件已不是单纯的PCB 设计工具，而是一个系统，它覆盖了以PCB 为核心的全部物理设计。使用Protel、等计算机软件对产品进行辅助 设计在很早以前就已经成为了一种趋势，这类软件的问世也极大地提高了设计人员在机械、电子等行业的产品设计质量与效率。 通过《通信电子线路》的学习，使用Protel DXP 软件设计了一个高频小信号放大器。 二、电路的基本原理高频小信号放大器的功用就是五失真的放大某一频率范围内的信号。按其频带宽度可以分为窄带和宽带放大器。高频小信号放大器是通信电子设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫。高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。

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。

噪声调幅与调频干扰信号仿真分析

噪声调幅与调频干扰信号仿真分析 一、噪声调幅干扰信号时域表达式和功率谱仿真分析 噪声调幅干扰信号的时域表达式为： [][] ?ω++=t t U U t U j n j cos )()(0 其中，调制噪声)(t U n 为零均值，方差为2n σ，在区间[]∞-,0U 分布的广义平稳随机过程，?为[]π2,0均匀分布，且为与)(t U n 独立的随机变量，0U ，j ω为常数。 噪声调幅定理： [] τωττj n j B U B cos )(2 1)(2 0+= 式中，)(t B n 为调制噪声)(t U n 的相关函数。 噪声调幅信号的总功率为： 2 2)0(21 2)0(2 2 02 0n n j t U B U B P σ+=+== 它等于载波功率(2/20U )与调制噪声功率(2n σ)一半的和。其又可改写为： )1(122 02020Ae n t m P U U P +=? ?? ????????? ??+=σ 式中，2/200U P =，为载波功率；0/U m n Ae σ=，为有效调制系数。 噪声调幅信号的功率谱可由噪声调幅定理经傅立叶变换求得：

)(4 1)(41)(22cos )(4)(200 j n j n j j j f f G f f G f f U d f B f G -+-+-==?∞ δτ τπτ 式中，)(f G n 为调制噪声的功率谱，第一项代表载波的功率谱，后两项代表调制噪声功率谱的对称平移。 用MATLAB 仿真分析： 程序： %噪声调幅干扰 function y=noiseAM(u0,N,wpp); if nargin==0 wpp=0;u0=1; end fj=35e6;fs=4*fj; Tr=520e-6; t1=0:1/fs:3*Tr-1/fs; N=length(t1); u=wgn(1,N,wpp); df1=fs/N;n=0:N/2;f=n*df1; wp=10e6; ws=14e6; rp=1; rs=60; [n1,wn1]=buttord(wp/(fs/2),ws/(fs/2),rp,rs); [b,a]=butter(n1,wn1); u1=filter(b,a,u); p=0.1503*mean((u1.^2)) ; figure subplot(2,2,1),plot(t1,u1),title('噪声调制波形'); axis([0,0.05e-4,-2,2]) subplot(2,2,2), j2=fft(u1);plot(f,10*log10(abs(j2(n+1)*2/N))) title('调制噪声功率谱'); rand('state', 0); y=(u0+u1).*cos(2*pi*fj*t1+2); p=(1/N)*sum(y.^2); subplot(2,2,3), plot(t1,y),title('噪声调幅干扰时域波形'); axis([0,0.05e-4,-2,2]) subplot(2,2,4), J=fft(y);plot(f,10*log10(abs(J(n+1)))) title('已调波功率谱'); 结果：

调谐某小信号放大器分析报告设计与仿真

实验室 时间段 座位号 实验报告 实验课程 实验名称 班级 姓名 学号 指导老师

小信号调谐放大器预习报告 一．实验目的 1.熟悉电子元器件和高频电子线路实验系统； 2.掌握单调谐和双调谐放大器的基本工作原理； 3.掌握测量放大器幅频特性的方法； 4.熟悉放大器集电极负载对单调谐和双调谐放大器幅频特性的影响； 5.了解放大器动态范围的概念和测量方法。 二．实验内容 调谐放大器的频率特性如图所示。 图1-1 调谐放大器的频率特性 调谐放大器主要由放大器和调谐回路两部分组成。因此，调谐放大器不仅有放大作用，而且还有选频作用。本章讨论的小信号调谐放大器，一般工作在甲类状态，多用在接收机中做高频和中频放大，对它的主要指标要求是：有足够的增益，满足通频带和选择性要求，工作稳定等。 二．单调谐放大器 共发射极单调谐放大器原理电路如图1-2所示。 放大倍数f o f 1f K 0.7o K o K 2o f ?通频带f ?2o f ?2o f ?

图1-2 图中晶体管T 起放大信号的作用，R B1、R B2、R E 为直流偏置电阻，用以保证晶体管工作于放大区域，从而放大器工作于甲类。C E 是R E 的旁路电容，C B 、C C 是输入、输出耦合电容，L 、C 是谐振回路作为放大器的集电极负载起选频作用，它采用抽头接入法，以减轻晶体管输出电阻对谐振回路Q 值的影响，R C 是集电极（交流）电阻，它决定了回路Q 值、带宽。 三．双调谐回路放大器 图中，R B1、R B2、R E 为直流偏置电阻，用以保证晶体管工作于放大区域，且放大器工作于甲类状态，E C 为E R 的旁通电容，B C 和C C 为输入、输出耦合电容。图中两个谐振回路：11L C 、组成了初级回路，22L C 、组成了次级回路。两者之间并无互感耦合（必要时，可分别对12L L 、加以屏蔽），而是由电容3C 进行耦合，故称为电容耦合。

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

高频小信号放大器的设计

高 频 小 信 号 放 大 器 设 计 学号:320708030112 姓名:杨新梅 年级:07电信本1班 专业:电子信息工程 指导老师:张炜 2008年12月3日

目录 一、选题意义 (3) 二、总体方案 (4) 三、各部分设计及原理分析 (7) 四、参数选择 (11) 五、实验结果 (17) 六、结论 (18) 七、参考文献 (19)

一、选题的意义 高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。 高频小信号放大器的分类： 按元器件分为：晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器; 按频带分为：窄带放大器、宽带放大器; 按电路形式分为：单级放大器、多级放大器; 按负载性质分为：谐振放大器、非谐振放大器; 其中高频小信号调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。本文以理论分析为依据，以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。

二、总体方案 高频小信号调谐放大器简述： 高频小信号放大器的功用就是无失真的放大某一频率范围内的信号。按其频带宽度可以分为窄带和宽带放大器，而最常用的是窄带放大器，它是以各种选频电路作负载，兼具阻抗变换和选频滤波功能。对高频小信号放大器的基本要求是： （1）增益要高，即放大倍数要大。 （2）频率选择性要好，即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强，通常用Q值来表示，其频率特性曲线如图-1所示,带宽BW=f2-f1= 2Δf0.7，品质因数Q=fo/2Δf0.7. 图-1频率特性曲线

噪声干扰PCB布线与微小信号的放大

电路中干扰、噪声的应对与微弱信号的测量 摘要：微弱信号常常被混杂在大量的噪音中。噪声的来源多种多样，有来自电路之间的，有电子元器件本身所具有的，也有来自外部环境的。这其中，又分为了好多不同种类，比如电子元器件的噪声，有低频时的1/f噪声，有高频的热噪声等等。本文中分别对其进行介绍。为了消除这些噪声，从而获得正确的信号，就需要对电路采取一些措施。在PCB布局布线时，就有好多细节非常值得我们注意。当然，元器件的选择也是很有讲究的。当然，仅仅对噪声干扰进行抑制并不足以达到检测微弱信号的目的，为此，在设计检测微弱信号的电路时，又有很多重要的方法和注意点值得参考。只有做好这些，才能从噪声中得到可靠、稳定的信号。关键词：噪声；PCB布线；微弱信号检测 一、电路中的干扰与噪声 噪声是电路中相对于信号而言的一些干扰、无用的信号噪声干扰的产生原因有许多,如雷击、周边负载设备的开关机、发电机、无线电通讯等。在对微弱信号处理时，噪声的影响非常重要，必须对其采取措施，否则有用信号将淹没其中，而无法被检测到。具体到噪声来源、噪声特点等方面，噪声有许许多多的类别，下面分别简要对其进行介绍。 1.1低频噪声 低频噪声主要是由于内部的导电微粒不连续造成的。特别是碳膜电阻，其碳质材料内部存在许多微小颗粒，颗粒之间是不连续的，在电流流过时，会使电阻的导电率发生变化引起电流的变化，产生类似接触不良的闪爆电弧。另外，晶体管也可能产生相似的爆裂噪声和闪烁噪声，其产生机理与电阻中微粒的不连续性相近，也与晶体管的掺杂程度有关。 1.2半导体器件产生的散粒噪声 由于半导体PN结两端势垒区电压的变化引起累积在此区域的电荷数量改变，从而显现出电容效应。当外加正向电压升高时，N区的和P区的空穴向耗尽区运动，相当于对电容充电。当正向电压减小时，它又使电子和空穴远离耗尽区，相当于电容放电。当外加反向电压时，耗尽区的变化相反。当电流流经势垒区时，这种变化会引起流过势垒区的电流产生微小波动，从而产生电流噪声。其产生噪声的大小与温度、频带宽度△f成正比。 1.3高频热噪声 高频热噪声是由于导电体内部电子的无规则运动产生的。温度越高，电子运动就越激烈。导体内部电子的无规则运动会在其内部形成很多微小的电流波动，因其是无序运动，故它的

高频小信号放大器——典型例题分析

高频小信号放大器——典型例题分析 1．集成宽带放大器L1590的内部电路如图7.5所示。试问电路中采用了什么方法来扩展通频带的？答：集成宽放L1590是由两级放大电路构成。第一级由V1、V2、V3、V6构成；第二级由V7~V10构成，三极管V11~V16、二极管V17~V20和有关电阻构成偏置电路。其中第一级的V1、V3和V2、V6均为共射－共基组合电路，它们共同构成共射－共基差动放大器，这种电路形式不仅具有较宽的频带，而且还提供了较高的增益，同时，R2、R3和R4引入的负反馈可扩展该级的频带。V3、V6集电极输出的信号分别送到V7、V10的基极。第二级的V7、V8和V9、V10均为共集－共射组合电路，它们共同构成共集－共射差动放大器，R18、R19和R20引入负反馈，这些都使该级具有很宽的频带，改变R20可调节增益。应该指出，V7、V10的共集组态可将第一级和后面电路隔离。由于采取了上述措施，使L1590的工作频带可达0~150MHZ。顺便提一下，图中的V4、V5起自动增益控制（AGC）作用，其中2脚接的是AGC电压。图7.5 集成宽放L1590的内部电路2．通频带为什么是小信号谐振放大器的一个重要指标？通频带不够会给信号带来什么影响？为什么？答：小信号谐振放大器的基本功能是选择和放大信号，而被放大的信号一般都是已调信号，包含一

定的边频，小信号谐振放大器的通频带的宽窄直接关系到信号通过放大器后是否产生失真，或产生的频率失真是否严重，因此，通频带是小信号谐振放大器的一个重要指标。通频带不够将使输入信号中处于通频带以外的分量衰减，使信号产生失真。3．超外差接收机（远程接收机）高放管为什么要尽量选用低噪声管？答：多级放大器的总噪声系数为由于每级放大器的噪声系数总是大于1，上式中的各项都为正值，因此放大器级数越多，总的噪声系数也就越大。上式还表明，各级放大器对总噪声系数的影响是不同的，第一级的影响最大，越往后级，影响就越小。因此，要降低整个放大器的噪声系数，最主要的是降低第一级（有时还包括第二级）的噪声系数，并提高其功率增益。综上所述，超外差接收机（远程接收机）高放管要尽量选用低噪声管，以降低系统噪声系数，提高系统灵敏度。4．试画出图7.6所示放大器的交流通路。工作频率f=465kHZ。答：根据画交流通路的一般原则，即大电容视为短路，直流电源视为短路，大电感按开路处理。就可以很容易画出其交流通路。对于图中0.01μF电容，因工作频率为465kHZ，其容抗为，相对于与它串联 和并联的电阻而言，可以忽略，所以可以视为短路。画出的交流通路如图7.7所示。图7.6 图7.75．共发射极单调谐放大器如图7.2所示，试推导出 谐振电压增益、通频带及选择性（矩形系数）公式。解：单

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。

小信号放大器设计

摘要 关键词：差动放大、低通滤波、共模抑止比、信噪比、输入电阻 电路的设计： 根据本次设计的要求，是放大倍数为1000倍，所以用3级放大，由第一级放大的是小信号，所以将第一级放大定为5倍，第二次放大倍数为20倍，第三级放大倍数为10倍。由输入 阻抗为10M Ω，所以第一级放大采用同相放大。考虑到共模抑止比的关系所以第二级放大采用差动放大。由于本次设计的是小信号为了保证信号的纯真度和频率响应范 围所以最后设计一个100HZ 的有源低通滤波器，并设计放大倍数为10倍。系统框图如下： 无源低通滤波器： 由RC f π21 = ，取C=0.1uf 得R=16k R1 16kΩ C1R216kΩ 13 同向放大器： 根据2 /1 11Rr R Av + =得到同相放大器放大倍数，根据同相端放大 5倍。取R1=10K ，则Rr=2K,因为考虑到放大倍数可调的目的所以将Rr 修改为滑动变阻器，并取值5K 。

5kΩ Key=A 差动放大器： 3 4 2R R Av - =得到差动放大器的放大倍数，根据差动放大级放大20倍。取R3=10K ，则R4=200K 。 R610k|?R710k|? C489 有源低通滤波器： 根据有源二阶低通滤波器的快速设计方法，首先由截止频率Fc=100HZ 得到确定一个电容C=1uF ，和K=7并根据放大倍数为20确定R1=470Ω，R2=2.7K ，C1=2.2uF 。在由有源二阶低通滤波器的放大倍数为10，取R3=3.6K ，则R4=36K,考虑到放大倍数的可调性，则将R4用滑动变阻器来代替，并取值为50K.

系统完整图： 系统PCB图：

设计一个射频小信号放大器

题目:设计一个射频小信号放大器 概述 高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，所谓小信号,一是信号幅度足够小,使得所有有源器件(晶体三极管,场效应管或IC)都可采用二端口Y参数或线性等效电路来模型化;二是放大器的输出信号与输入信号成线性比例关系.从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。 高频小信号放大器的分类： 按元器件分为：晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器; 按频带分为：窄带放大器、宽带放大器; 按电路形式分为：单级放大器、多级放大器; 按负载性质分为：谐振放大器、非谐振放大器;. 高频小信号谐振放大器除具有放大功能外,还具有选频功能,即具有从众多信号中选择出有用信号,滤除无用的干扰信号的能力.从这个意义上讲,高频小信号谐振放大电路又可视为集放大,选频一体,由有源放大元件和无源选频网络所组成的高频电子电路.主要用途是做接收机的高频放大器和中频放大器. 其中高频小信号调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。高频信号放大器理论非常简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。本文以理论分析为依据，以实际制作为基础，用LC振荡电路为辅助，来消除高频放大器自激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放大器与前后级的阻抗匹配。 2电路的基本原理 图2-1所示电路为共发射极接法的晶体管高频小信号单级单调谐回路谐振放大器。它不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此，晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放大器输出信号的频率或相位。晶体管的静态工作点由电阻R b1、R b2及Re决定，其计算方法与低频单管放大器相同。

高频小信号放大器练习题

高频小信号放大器练习题 一、选择题 1、小信号谐振放大器的主要技术指标不包含（） A、谐振电压增益 B、失真系数 C、通频带 D、选择性 2、高频小信号调谐放大器主要工作在（） A．甲类B．乙类C．甲乙类D．丙类 3、在高频放大器中，多用调谐回路作为负载，其作用不包括（） A．选出有用频率B．滤除谐波成分C．阻抗匹配D．产生新的频率成分4、下列不属于单调谐放大器主要技术指标的是( ) A．谐振电压增益B．通频带C．选择性D．纹波系数 F是指（） 5、放大器的噪声系数 n A．输入端的信噪比/输出端的信噪比B．输出端的信噪比/输入端的信噪比C．输入端的噪声功率/输出端的噪声功率D．输出端的噪声功率/输入端的噪声功率6、如图所示调谐放大器，接入电阻R4的目的是（） A．提高回路的Q值B．提高谐振频率C．加宽通频带D．减小通频带 7、放大器的通频带是指其电压增益下降到谐振时的（）所对应的频率范围，用 2f 表 7.0 示。 A、1/2 B、1/3 C、1/3 D、1/2 8、多级单调谐放大器，可以提高放大器的增益并改善矩形系数，但通频带（）。 A、变窄 B、变宽 C、不变 9、随着级数的增加，多级单调谐放大器（各级的参数相同）的通频带变，选择性变 。 A、大、好 B、小、好 C、大、差 D、小、差 10、高频电子电路中常采用（）参数等效电路进行分析。 A、X B、Y C、Z D、S

11、多级调谐回路放大器的通频带是单调谐回路放大器的 倍。 A n B 121 -n C 2 D 、1/2 二、填空题 1、单向化是提高谐振放大器稳定性的措施之一，单向化的方法有 和 。 2、某小信号放大器共有三级，每一级的电压增益为10dB, 则三级放大器的总电压增益为 。 3、在小信号谐振放大器中，三极管的集电极负载通常采用 ，它的作用是 。 4、信噪比等于 与 之比。 5、噪声系数等于 与 之比。 6、为了抑制不需要的频率分量，要求输出端的带通滤波器的矩形系数 。 7、晶体管的截止频率f ?是指当电流放大倍数|β|下降到低频0β的 时所对应的工作频率。 8、矩形系数是表征放大器 好坏的一个物理量。 9、消除晶体管yre 的反馈作用的方法有 和 。 10、在单调谐放大器中，矩形系数越接近于1、其选择性越 ；在单调谐的多级放大器中，级数越多，通频带越 （宽或窄），其矩形系数越 （大或小） 11、小信号谐振放大器的主要特点是以 作为放大器的交流负载，具有 和 功能。 12、小信号调谐放大器按调谐回路的个数分 和 。 13、高频小信号放大器的主要性能指标有 、 、 和稳定性。为了提高稳定性，常用的措施有 和 。 14、两级高频小信号放大器的功率增益和噪声系数分别为1PH A 、1n F 和2PH A 、2n F ，总的噪声系数n F = 。 15、放大电路直流通路和交流通路画法的要点是：画直流通路时，把 视为开路；画交流通路时，把 视为短路。 16、高频小信号调谐放大器一般工作在 （甲类，乙类，丙类）状态，它的主要技术指标有 和选频性能，选频性能通常用 和 两个指标衡量。 三、判断题 1、小信号谐振放大器的矩形系数大于1，且越大越好。 （ ） 2、谐振放大器是采用谐振回路作负载的放大器。 （ ） 3、谐振放大器处在谐振时其增益最大。 （ ） 4、小信号谐振放大器抑制比越大，其选择性越好。 （ ） 5、谐振放大器的Kr 0.1愈大于1，则放大器的选择性愈好。 （ ） 6、多级耦合的调谐放大器的通频带比组成它的单级单调谐放大器的通频带宽。 （ ） 7、调谐放大器兼有放大和选频功能。 （ ） 8、高频小信号谐振放大器不稳定的主要原因是谐振曲线太尖锐。 （ ） 9、小信号调谐放大器单调谐回路的选择性比双调谐回路的选择性好。 （ ） 10、双调谐回路放大器在弱耦合状态下，其谐振特性曲线会出现双峰。 （ ） 四、计算题

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

高频小信号调谐放大器设计-

《高频电子线路》课程设计说明书高频小信号调谐放大器设计与制作 院、部：电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师：职称副教授 专业：通信工程 班级：通信1103班 完成时间：2013年12月16日

摘要 高频小信号调谐放大器是为了对一些幅度比较小的高频信号进行有目的放大，在广播和通信设备中有广泛的应用,通常用于各种发射机的接收端。 本设计围绕高频小信号调谐放大器设计工作进行研究和实现，详细介绍了高频小信号调谐的整体结构，硬件设计，系统方案，单元电路模块和仿真情况的具体实现，介绍了一种利用三极管放大，LC并联谐振选频将特定的信号进行放大和选出相对应频率的信号，达到了设计要求，该设计适用于高频电路发射机的接收端。 关键词高频小信号； LC谐振；放大器；谐振电压放大倍数

ABSTRACT High frequency small signal for some smaller amplitude tuned amplifier is to have a purpose on high frequency signal amplification, widely used in radio and communication equipment. This design around the high frequency small signal tuned amplifier design work for research and implementation, introduces in detail the overall structure of the high frequency small signal tuning, hardware design, system solutions, unit circuit module and the concrete realization of the simulation conditions, the paper introduces a using triode amplifier, LC parallel resonant frequency selective specific signal amplification and to select the corresponding frequency of the signal, meet the design requirements, the design is suitable for hf transmitter circuit at the receiving end. Keywords triode High frequency small signal; LC resonance; Amplifier; Resonant voltage magnification

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：

MESFET功率放大器设计：小信号法要点

第七讲功率放大器设计 MESFET 功率放大器设计：小信号法 基本工程问题: 没有大信号器件模型,怎样设计功率放大器? *许多器件供应商不提供其器件的大信号模型. *通常提供的唯一设计数据是器件的小信号S参数和静态IV曲线. *利用前面STEVE CRIPPS 介绍的负载线法,根据这些数据足以设计第一类的功率放大器. 功率放大器是大信号器件，因为在接近功率饱和时其特性呈现非线性。但许多场合，设计师仅有一组小信号S参数，在电路仿真时，作为表示有源器件的根据。由于这些S参数只适用于小信号，在大信号时怎样设计最大射频输出功率和线性，并不清楚。Steve Cripps 提出一种方法，可以用器件的静态IV曲线确定大信号负载线阻抗（RL），设计第一类放大器。RL用做目标阻抗，即用输出匹配电路表示的管子漏极负载。用该方法设计师可以对RF 最大输出功率优化输出电路，同时对最佳输入匹配和最大增益优化输入电路。通常输出匹配较差，这是因为为了输出最大RF功率，有意造成一定失配（即：输出匹配对RL优化，而不是对器件的S22优化）。 该方法的局限性 *仅对最大Psat优化 *仅对A类和AB类工作状态有效 *无法计算交调产物：IM3，IMR5，IP3 *无法计算谐波电平 *无法计算ACPR（对数字调制） 小信号设计技术有其局限性。输出电路对最大RF饱和功率优化，但不一定对最大线性功率。就是说无法直接计算1dB压缩点输出功率。而且也无法直接计算放大器的二音交调性能：IM3，IM5，IP3和IP5。为了计算这些重要参数，设计师必须依靠测量法或“经验（rules of thumb）”。MESFET放大器的两个重要“经验”是： *P-1dB比Psat约低1dB。 *IP3比P-1dB约高10—12dB。 论题： 用小信号法求解最大功率 *设计流程图（步骤） *指标 *选择器件 *由IV曲线计算负载线电阻 *匹配网络 *分布参数与集总参数 *仿真：增益，输入匹配和输出匹配 *提取封装参数