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1、测试系统的第1页，此课件共40页哦噪声的一些基本特性：噪声的一些基本特性：噪声是电路内固有的，不能用接地或屏蔽等方式消除噪声是电路内固有的，不能用接地或屏蔽等方式消除内部噪声成为测量精度的限制性因素内部噪声成为测量精度的限制性因素各种生物电放大器输入端短路噪声限制了放大器能够检测各种生物电放大器输入端短路噪声限制了放大器能够检测的最小生物电信号的最小生物电信号第2页，此课件共40页哦一、噪声的一般性质噪声电压或噪声电流是随机的，噪声的随噪声电压或噪声电流是随机的，噪声的随机过程不可能用一个确定的时间函数来描机过程不可能用一个确定的时间函数来描述，不能准确地预测未来某时刻的噪声电述，不能准确地预
2、测未来某时刻的噪声电压的幅度或波形。但是它服从于一定的统压的幅度或波形。但是它服从于一定的统计规律，能通过表示噪声过程的概率密度计规律，能通过表示噪声过程的概率密度P P（u)u)而得知噪声电压落在某一范围内的概而得知噪声电压落在某一范围内的概率。率。第3页，此课件共40页哦S S（f)f)为功率谱密度，为功率谱密度，它表示单位频带内它表示单位频带内噪声功率随频率的变化噪声功率随频率的变化。噪声功率谱密度。噪声功率谱密度曲线所覆盖的面积在数值上等于噪声的总曲线所覆盖的面积在数值上等于噪声的总功率。功率。第4页，此课件共40页哦a a：白噪声：白噪声 b:b:粉红色噪声粉红色噪声 c:c:蓝噪声
3、蓝噪声第5页，此课件共40页哦两种噪声作用于系统时，设噪声电压均方值分别为两种噪声作用于系统时，设噪声电压均方值分别为U U1 12 2和和U U2 22 2,总噪声均方电压总噪声均方电压U U2 2 为为C C称为相关系数。取包括零在内的称为相关系数。取包括零在内的1 1-1-1间的任何间的任何值，值，C C0 0时，两噪声源为完全不相关，噪声电压瞬时，两噪声源为完全不相关，噪声电压瞬时值之间没有关系，总均方电压等于各噪声源均方时值之间没有关系，总均方电压等于各噪声源均方电压之和；电压之和；C=1C=1，为完全相关，两相关噪声线性，为完全相关，两相关噪声线性相加；相加；C=-1C=-1，两相
4、关噪声相减。两相关噪声相减。第6页，此课件共40页哦二、生物医学测量系统中的主要噪声类型二、生物医学测量系统中的主要噪声类型(一）一）1/f1/f噪声（低频噪声）噪声（低频噪声）(Low Frequency Noise)(Low Frequency Noise)产生机理：产生机理：凡两种材料之间凡两种材料之间不完全接触不完全接触，形成起伏的导电率便产生，形成起伏的导电率便产生1/f1/f噪声。噪声。定义及特性：定义及特性：1 1f f噪声功率谱密度服从噪声功率谱密度服从1 1f f 规律规律.这这种噪声，其噪声电压随频率的降低而增加。种噪声，其噪声电压随频率的降低而增加。第7页，此课件共40页
5、哦由由f1-f2f1-f2带带宽宽内内噪噪声声的的平平均均功功率率得得到到相相应应此此频段内噪声电压均方值为频段内噪声电压均方值为第8页，此课件共40页哦减小低频噪声措施减小低频噪声措施1 1、在噪声性能要求高的放大器中尽量使用分立元、在噪声性能要求高的放大器中尽量使用分立元件件2 2、尽量使用金属膜电阻而不使用碳膜、水泥等有不连续、尽量使用金属膜电阻而不使用碳膜、水泥等有不连续介质的电阻介质的电阻第9页，此课件共40页哦(二二)热噪声热噪声(Heat Noise)(Heat Noise)热噪声是由导体中载流子的随机热运动引起热噪声是由导体中载流子的随机热运动引起的。任何处于绝对零度以上的导体
6、中，电子的。任何处于绝对零度以上的导体中，电子都在作随机热运动。都在作随机热运动。第10页，此课件共40页哦电阻电阻R R中的热噪声电压均方值中的热噪声电压均方值U Ut t2 2为为 S(f)=4kTRS(f)=4kTR可见热噪声的谱密度与工作频率可见热噪声的谱密度与工作频率f f无关，属于无关，属于白噪声。白噪声。f f为测量系统的频带宽度为测量系统的频带宽度(Hz(Hz）。）。第11页，此课件共40页哦热噪声特性：热噪声特性：热噪声电压均方值与绝对温度热噪声电压均方值与绝对温度T T成正比成正比热噪声电压还与工作频带成正比热噪声电压还与工作频带成正比.与电阻阻值成正比。与电阻阻值成正比。
7、第12页，此课件共40页哦减小热噪声的措施1 1、在微弱信号检测的低噪声电子设备中，、在微弱信号检测的低噪声电子设备中，常利用超低温技术来减小噪声。常利用超低温技术来减小噪声。2 2、在保证信号不失真传递的条件下，应尽、在保证信号不失真传递的条件下，应尽量减小系统的频带。量减小系统的频带。3 3、提取信号的传感器电阻应尽可能小，避、提取信号的传感器电阻应尽可能小，避免增加额外的串联电阻。免增加额外的串联电阻。第13页，此课件共40页哦（三）散粒噪声（三）散粒噪声（Shot NoiseShot Noise）在半导体器件中，载流子产生与消失的在半导体器件中，载流子产生与消失的随机性，使得流动着的载
8、流子数目发生随机性，使得流动着的载流子数目发生波动，时多时少，由此而引起电流瞬时波动，时多时少，由此而引起电流瞬时涨落称为散粒噪声。散粒噪声电流的均涨落称为散粒噪声。散粒噪声电流的均方值为方值为 其中其中q q为电子电荷为电子电荷,q=1.5910,q=1.5910-19-19C C；I IDCDC为为器件的平均直流电流（器件的平均直流电流（A A）；）；f f为测量系为测量系统的频带宽度。统的频带宽度。第14页，此课件共40页哦散粒噪声特性：散粒噪声特性：散粒噪声属于白噪声，其谱密度为散粒噪声属于白噪声，其谱密度为2qI2qIDCDC。散粒噪声与流过半导体散粒噪声与流过半导体PNPN结位垒的
9、电流有结位垒的电流有关，所以三极管、二极管中，都存在散粒关，所以三极管、二极管中，都存在散粒噪声的电流噪声机构。在简单的导体中没噪声的电流噪声机构。在简单的导体中没有位垒，因此没有散粒噪声。有位垒，因此没有散粒噪声。第15页，此课件共40页哦三、描述放大器噪声性能的参数（一）等效噪声定义：放大器内部的所有噪声源（包括外围电路），用与放大器输入放大器内部的所有噪声源（包括外围电路），用与放大器输入端串联的阻抗为零的噪声电压源端串联的阻抗为零的噪声电压源UnUn和与放大器输入端并联的阻和与放大器输入端并联的阻抗为无穷大的噪声电流源抗为无穷大的噪声电流源InIn以及二者的相关系数以及二者的相关系数C
10、 C来等效，而放来等效，而放大器（或任何二端网络）本身便可视为无噪声的大器（或任何二端网络）本身便可视为无噪声的。第16页，此课件共40页哦Uni=Uns+Un+InRs第17页，此课件共40页哦Un意义用于表示放大器能够测量的最小生物电信用于表示放大器能够测量的最小生物电信号的大小，作为放大器设计的性能指标参号的大小，作为放大器设计的性能指标参数数Uni=Uns+Un+In Rs 第18页，此课件共40页哦（二）噪声系数定义：放大器总的输出噪声功率和源电定义：放大器总的输出噪声功率和源电阻在放大器输出端产生的阻在放大器输出端产生的热噪声热噪声功率的功率的比值比值意义：表示信号经放大器后，信号
11、质量意义：表示信号经放大器后，信号质量（即信噪比）恶化程度的度量（即信噪比）恶化程度的度量第19页，此课件共40页哦第20页，此课件共40页哦例:某放大器噪声系数为6dB,其通频带为10kHz,若要求输出信噪比为10，则此放大器的输入信号功率最小是多少？第21页，此课件共40页哦噪声系数与Un、In关系噪声匹配：调整信号源的电阻使噪声系数最小第22页，此课件共40页哦F=Unini/Unsns=1+Un n/4kTRS Sf+In nRS S/4kT fRSOSO=Un n/In nFminmin=1+Un nIn n/2kTfSOO/NOO=4kTRSf+Un+InRSUS第23页，此课件共
12、40页哦结论1 1、最大的信噪比发生在、最大的信噪比发生在Rs=0Rs=0，因此最小的噪声系，因此最小的噪声系数并不一定有最大的输出信噪比。数并不一定有最大的输出信噪比。2 2、噪声系数的价值在于比较不同放大器的噪声，根据、噪声系数的价值在于比较不同放大器的噪声，根据噪声匹配的要求噪声匹配的要求,进行有源器件的选择进行有源器件的选择.第24页，此课件共40页哦（三）多级放大器的噪声第25页，此课件共40页哦结论：第一级放大器的噪声系数对总噪结论：第一级放大器的噪声系数对总噪声系数的贡献最大，努力降低第一级的声系数的贡献最大，努力降低第一级的噪声，是实现低噪声设计原则噪声，是实现低噪声设计原则第
13、26页，此课件共40页哦实际设计原则：实际设计原则：1 1、使第、使第2 2级及以后各级的等效输入噪声与第一级的级及以后各级的等效输入噪声与第一级的噪声相比很小。噪声相比很小。2 2、在满足其他噪声条件下，第一级增益应尽可能高、在满足其他噪声条件下，第一级增益应尽可能高.3 3、在有源器件负载允许的条件下，尽量选择低阻值的、在有源器件负载允许的条件下，尽量选择低阻值的外回路电阻（尤其是输入级）外回路电阻（尤其是输入级）.第27页，此课件共40页哦 基本要求基本要求 高输入阻抗高输入阻抗 高共模抑制比高共模抑制比 低噪声、低漂移低噪声、低漂移 设置保护电路设置保护电路1 生物电放大器前置级原理第
14、三章：信号放大第28页，此课件共40页哦29高输入阻抗和高共模抑制比高输入阻抗和高共模抑制比高CMRR高Ri？第29页，此课件共40页哦30电极放大器名称参数名称ECG-AmpEEG-AmpVEP-AmpEMG-Amp输入阻抗1M5M200M100M输入端短路噪声（p-p）10V3V0.7V8V共模抑制比60dB80dB100dB80dB频带0.05-250Hz0.5-70Hz0.5Hz-3kHz2Hz-10kHz 板电极片状或针电极几种体表电位测量时输入阻抗指标几种体表电位测量时输入阻抗指标第30页，此课件共40页哦高共模抑制比第31页，此课件共40页哦32 低噪声低漂移措施：措施：差动输入
15、形式差动输入形式 电路对称结构，严格挑选器件电路对称结构，严格挑选器件 采用调制式直流放大器采用调制式直流放大器 设置设置“复零复零”电路，将基线在特电路，将基线在特殊情况下复零殊情况下复零第32页，此课件共40页哦33保护电路人体安全保护电路人体安全保护电路 放大器输入保护电路放大器输入保护电路 校准电路校准电路第33页，此课件共40页哦34差动放大器的分析方法分析参数分析参数 共模抑制能力共模抑制能力 输入阻抗输入阻抗第34页，此课件共40页哦第35页，此课件共40页哦36得出：以上为理想情况下所得以上为理想情况下所得,实际中外回实际中外回 路不可能达到完全的对称平衡路不可能达到完全的对称
16、平衡.第36页，此课件共40页哦371 由电阻失配所造成的CMRRR影响差动放大器共模抑制能力的因素2 器件本身共模抑制比CMRRD D第37页，此课件共40页哦38结论在同时考虑电阻失配和器件本身的在同时考虑电阻失配和器件本身的CMRRCMRRD D的的影响时，放大器总的影响时，放大器总的CMRRCMRR将进一步下降将进一步下降 差动放大器的共模抑制能力受到放大电路闭差动放大器的共模抑制能力受到放大电路闭环增益、外电路电阻匹配精度以及放大器本环增益、外电路电阻匹配精度以及放大器本身共模抑制比等因素影响身共模抑制比等因素影响 差动放大器的输入阻抗差动放大器的输入阻抗 R Ri i=2R=2R1 1 第38页，此课件共40页哦39 基本差动放大器这一电路形式不能满足生物电放大器前置级高输入阻抗要求的 第39页，此课件共40页哦例题差动放大器电路所用的差动放大器电路所用的ICIC器件的共模抑制比器件的共模抑制比CMRRD=100dBCMRRD=100dB，放大电路闭环差动增益，放大电路闭环差动增益Ad=20Ad=20，电阻误差，电阻误差=0.1%=0.1%，求放大器的，求放大器的总共模抑制比。当总共模抑制比。当Ad=1Ad=1时，放大器的总共时，放大器的总共模抑制比又是多少？模抑制比又是多少？第40页，此课件共40页哦