Ｅ２ ｎｉ
＝
Ｅ２ ｎｓ
＋Ｅｎ２
＋Ｉｎ２ Ｒｓ２
（１）
１ 前 置 放 大 器 噪 声 分 析
放大器噪声主要有热噪声、闪烁 噪 声（低 频）、射 击 噪 声（肖特基）、爆玉米噪声。在一 个 具 体 的 电 路 中，通 常 是 这些噪声的综合作用在放大器上。 １．１ Ｅｎ－Ｉｎ 噪声模型及测试方法
前置放大器是指置于光电探测器与放大器级之间的
级为ｎ 级并联输入，则 信 号 输 出 电 压 将 提 高ｎ 倍，而 放 大
器的噪声电压经第二级求和后的输出仅为单级放大器的
槡ｎ倍 ，所 以 放 大 电 路 的 信 噪 比 约 提 高槡ｎ倍 ，电 路 如 图 ２。
２．１ 元 器 件 选 择 １）有源器件的选取主要通过选 取 不 同 的 有 源 器 件 来
Ｅｎ
（ ） Ｚｉ

２ １－
１ ｎ
Ｅｎ Ｉｎ
则 有Ｒ′ｓｏｐｔ
＝ ｎ
Ｉｎ ，因 而 可 以
＝
Ｒｓｏｐｔ ｎ
适当选择级数ｎ，使 Ｒ′ｓｏｐｔ ＝ Ｒｓ，实现放大器与探测器噪声 匹 配 。 ［９－１０］
设有ｎ 个集成运放（ＯＰ０７）构 成 的 同 相 放 大 电 路 并 联
作 为 放 大 器 第 一 级 ，而 第 二 级 采 用 反 相 求 和 电 路 。 若 输 入
由于信号的增加取决于取样总数而随机白噪声的增 加 却 仅 由 取 样 数 的 平 方 根 决 定 。设 有ｎ 个 相 同 的 放 大 器 并 联连接，各放大器的噪声模型为Ｅｎ、Ｉｎ，Ｚｉ 为各放大器的输 入阻抗，Ｒｓｏｐｔ 为单个放 大 器 时 的 最 佳 源 电 阻，Ｒ′ｓｏｐｔ 为 并 联 放 大 器 的 最 佳 源 电 阻 ，若 满 足 ：
参考文献
图 ３ 同 相 放 大 电 路 硬 件 电 路
电路板通±１２Ｖ 驱动电源后，用毫伏表测试： １）输 入 端 短 路 ＵＳ ＝０ 时，用 毫 伏 表 测 得 单 级 同 相 放 大 器 输 出 噪 声 ３．０ ｍＶ，电 路 总 的 输 出 噪 声 电 压 ９．５ ｍＶ； ２）输 入 端 加 信 号ＵＳ ＝０～１０ｍＶ，频 率ｆＳ ＝１ｋＨｚ时 ， 用毫伏表测得单级 同 相 放 大 器 输 出、电 路 最 终 的 输 出，如
电路，放大器本身就 是 一 个 噪 声 源，一 般 把 放 大 器 内 所 有
的噪声源都折 算 到 输 入 端，即 一 个 阻 抗 为 零 噪 声 电 压 源
Ｅｎ 串入放大器输入端，一 个 阻 抗 为 无 穷 大 电 流 源Ｉｎ 并 入 放大器输入端，这个噪声模型如图１所 示，图 中Ｕｓ 为 信 号 源电压，Ｒｓ 为信号源内 阻，Ｅｎｓ 为 信 号 源 内 阻 热 噪 声 电 压， Ａｕ 放大器增益，Ｚｉ 放大器阻抗，Ｕｓｏ 放大器输出信号，Ｅｎｏ 为 放大器输出噪 声 电 压 。由 ［２－５］ 放 大 器 的 Ｅｎ－Ｉｎ 模 型，可 得 放 大器所有噪声等效为：
表１所示。
表 １ 理 论 和 测 试 数 据
Ｕｓ
０ｍＶ ２ｍＶ ４ｍＶ ６ｍＶ ８ｍＶ １０ｍＶ
Ｕｏ１实测值 ３．０ｍＶ ２６ｍＶ ４０ｍＶ ７０ｍＶ ８５ｍＶ １１５ｍＶ
Ｕｏ１理论值 ０ｍＶ ２２ｍＶ ４４ｍＶ ６６ｍＶ ８８ｍＶ １１０ｍＶ
Ｕｏ 实测值 ０．０１Ｖ０．２４Ｖ０．４２Ｖ０．６５Ｖ０．９０Ｖ １．１２Ｖ
图 １ 放 大 器 噪 声 模 型
收 稿 日 期 ：２０１２－３
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２０１２ 年 ６ 月 第 ３１ 卷 第 ６ 期
应用天地
式（１）表明，如 Ｒｓ 为零，则 Ｅｎ，Ｉｎ２ Ｒｓ２ 均 为 零，电 路 实 际的等效噪声输入 为 Ｅｎ。也 就 是 说 放 大 器 的 源 电 压 噪 声 Ｅｎ 可以 通 过 输 入 端 短 路 （Ｒｓ ＝ ０），测 得 放 大 电 路 的 输 出 Ｅｓｏ 除以电路电压增益Ａｕ 即得Ｅｎ。要测放大器的源电压噪 声Ｉｎ 可以通过输入端开路，测得放大电路 的 输 出 Ｅｓｏ 除 以 电路电压增益Ａｕ 和源电阻Ｒｓ。 １．２ 噪 声 系 数 和 最 佳 源 电 阻
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｆａｉｎｔ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅｓ ｆｒｏｍ ａ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｓｏｕｒｃｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗｈｅｎ ａｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｇａｉｎｓ ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ ｎｏｉｓｅｓ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｉｔ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｒｅｖｅｒｓｅ ｐａｒ－ ａｌｌｅｌ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｎｄ ｎｏｉｓｅｓ－ｍａｔｃｈｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅｓ ｏｆ ｓｏｕｒｃｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｔｏ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅｓ ｆｒｏｍ ｐｒｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ ａｍ－ ｐｌｉｆｉｅｒｓ．Ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ １０ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ３ｔｉｍｅｓ．Ｉｔ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｈｏｗ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｐａｓｓｉｖｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｔｏ ａｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｐｒｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｎｏｉｓｅｓ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｅｓｔｉｎｇ
Ｒ ：Ｒ ｓｏｐｔ ｓｏｐｔ
＝
Ｒｓ
＝
Ｅｎ Ｉｎ
Ｆｍｉｎ ＝１＋２ ＫＥＴｎＩΔｎｆ 这种噪声系数最小的情况，称做噪声匹 配 。 ［４－５］
２ 低 噪 声 放 大 器 设 计 的 措 施
多点接地为单点接地 。 ［８］
３ 低 噪 声 放 大 器 的 设 计
低噪声前置放大器的设计，主要是满 足放大器的噪声 指 标 。 要 使 前 置 放 大 器 获 得 最 佳 噪 声 性 能 ，必 须 满 足 信 号 源阻抗等于最佳源 电 阻，即 实 现 噪 声 匹 配，这 样 放 大 器 噪 声系数才 最 小 。 ［８］ 实 现 噪 声 匹 配，从 以 下 几 下 几 个 角 度 考虑。 ３．１ 并 联 放 大 器 法 实 现 噪 声 匹 配
０ 引 言
在光电探测中经常涉及微弱光电信号的检测，这些 信 号非常微弱甚至比噪声 小 几 个 数 量 级。例 如，恒 星 等 天 体 的 探 测 ，生 物 超 微 弱 发 光 ，物 质 吸 收 光 谱 的 弱 谱 线 等 。 所 有 这些都需要从噪声中提 取，恢 复 和 放 大 被 测 信 号。在 光 电 检 测 系 统 中 ，与光 电 探 测 器 紧 密 连 接 的 低 噪 声 前 置 放 大 器， 其任务是：放大光电探测器输出的微弱电信号，匹配放大器与 光电探测器之间的阻抗。光电检测器电路的噪声主要来自 前置放大器的噪声、偏置电路噪声以及探测器本身的噪声［１］。
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设 计 上 （包 括 元 器 件 的 选 择 上 ，电 源 接 地 的 处 理 上 ）降 低 噪
声，提出 了 １０ 级 并 联 输 入，使 得 放 大 器 噪 声 降 低 槡１０倍。 该方案可以使前置放大器与前端探测器之间能够很好的 衔接以减小放大器 噪 声 系 数，降 低 噪 声，提 高 前 置 放 大 器 的信噪比。
带 宽 Δｆ有关。Ｆ ＝１时，放大器为理想无噪声放大器；Ｆ ＞ １时，放大器为有噪声放大器，Ｆ 越大，放大器噪声越高。
由式（２）知噪声系数 Ｆ 与Ｒｓ 有关，选择适当 的 Ｒｓ，可使噪声系数 Ｆ 最小，此时对应的 Ｒｓ 称为最佳 源 电 阻Ｒｓｏｐｔ。
可通过 式 （２）求 导 得 到 最 佳 源 电 阻
为了衡量前 置 放 大 器 噪 声 性 能 好 坏，引 入 噪 声 系 数
Ｆ，其定义为放大器总 的 等 效 输 入 噪 声 功 率 除 以 输 入 端 源
电阻噪声功率。即：
Ｆ
＝ＥＥｎｎ２２ｓｉ
＝Ｅｎ２ｓ
＋Ｅｎ２ ＋Ｉｎ２Ｒｓ２ Ｅ２
ｎｓ
＝１＋４ ＫＴＥＲｎ２ｓΔｆ＋４ ＫＩＴｎ２ＲΔｓｆ
（２）
式中：Ｋ 为波尔兹 曼 常 数，Ｔ 是 材 料 绝 对 温 度，Δｆ 是 热 噪 声频谱带宽。式（２）表明：放大器的噪声系数 Ｆ 与源电阻，
获取最佳源电阻，因 最 佳 源 电 阻 Ｒｓｏｐｔ是 频 率 的 函 数，低 频 段时，当较小 Ｒｓ 较小时，采用集成运 放 或 晶 体 管 构 成 的 前 置放大 器，最 佳 源 电 阻 Ｒｓｏｐｔ在 １００ Ω～１ ＭΩ；当 Ｒｓ 较 大 时，选采用场效应 管 构 成 的 前 置 放 大 器，最 佳 源 电 阻 Ｒｓｏｐｔ 在１ｋΩ～１０ ＭΩ；高 频 段 时，场 效 应 管、ＰＮＰ 管 适 合 源 电 阻较小情况，而 ＮＰＮ 管适合源电阻较大情况。
２．２ 电 源 、接 地 的 处 理 １）电 源 的 处 理，电 路 用 正 负 双 电 源 供 电，电 压 取
±１２Ｖ，稳定性要好。 为 了 消 除 电 源 影 响，可 在 正 负 电 源 引入端增加退耦电容，各并联两０．０１μＦ、０．３３μＦ 电 容以 消除电源对电路的影响。
２）接地的处 理，电 路 由 于 两 接 地 点 间 或 接 地 点 与 大 地间有一定的阻抗，地 回 路 中 的 电 流，使 它 们 形 成 一 定 的
２）减小偏 置 电 路 的 影 响，注 意 无 源 器 件 的 选 择。 电 路 无 源 器 件 主 要 是 指 电 阻 、电 容 的 确 定 ，在 低 噪 声 电 路 中 ，