基于噪声自激的链式自噪声测量电路及方法技术

本发明专利技术涉及噪声测量技术领域，具体公开了一种基于噪声自激的链式自噪声测量电路，包括多个前置放大器、供电电源和测量设备，多个所述前置放大器依次连接，多个所述前置放大器分别与供电电源连接，位于最后端的所述前置放大器与测量设备连接。本发明专利技术还公开了一种基于噪声自激的链式自噪声测量方法。本发明专利技术相较于传统测量方式未引入高倍放大器，结构简单，操作简便，并避免了复杂电路带来的噪声影响；采用链式测量结构，根据噪声量级选取合适放大级数，使得输出噪声淹没测量设备本底噪声，从而消除测量设备本底噪声的影响。消除测量设备本底噪声的影响。消除测量设备本底噪声的影响。

【技术实现步骤摘要】
基于噪声自激的链式自噪声测量电路及方法


[0001]本专利技术涉及噪声测量
，特别是一种基于噪声自激的链式自噪声测量电路及方法。

技术介绍

[0002]在精密信号链路设计领域中，噪声对于整个系统而言是一个至关重要的参数。一方面，噪声作为一种随机信号，易对电子线路造成尖峰脉冲、纹波或振荡等不良影响，严重可导致系统损坏；另一方面，噪声作为一种模拟小信号，以至于绝大多数的标准测量设备都无法对其准确测量。前置放大器作为精密信号链路的微弱信号接收端，很容易受到外界和内部一些无规则的辐射和干扰，其自噪声对于整个系统的高信噪比与高保真性能具有决定作用。
[0003]噪声的影响是特别广泛的，例如在移动通信技术应用中，噪声的存在会造成信号失真、信道环境恶劣，较高的丢包率和误码率将使得通信无法正确和有效的进行；又如在工业高精度仪器仪表测量应用中，被测信号很容易被噪声信号所淹没，噪声的存在会严重影响仪器的测量精度和分辨率；再如在水听器阵列领域的实际应用中，前置放大器作为微弱水声信号接收端，其噪声特性对水声采集、实时传输、波形还原等方面具有显著影响。
[0004]电路噪声制约着系统灵敏度、误触发率、分辨率等指标，且很难消除，但可以根据噪声测量结果分析噪声性质，从而设法降低噪声的强度或提高电路的抗扰度，以使噪声不至于形成干扰。因此，电路中的自噪声的测量是非常重要的。
[0005]伴随对噪声研究的深入发展，噪声测量技术也得到了明显的提升。早期噪声测量采用的方法主要为模拟测试，来获得电子器件特定频带的噪声。但是随着科技水平的不断提高，研究人员开始利用电路分析原理将实际电路转化为噪声等效模型做分析计算。近年来对精密信号链路高抗扰性能的要求，噪声这一指标在工程应用中愈发重要，噪声测量逐渐发展为将低噪声放大器、滤波器融合成具备滤波功能的高倍放大器，进而能够获得噪声时域以及频域测量结果，其成为主流的噪声测量方法。
[0006]现有噪声测量技术主要分为两类：等效噪声源分析法和外围电路测量法。前者需将实际电路转化为噪声等效模型进行分析计算，不仅需要考虑电压噪声源、电流噪声源和电阻热噪声源，还需考虑各噪声源之间的相关性，因此面对复杂电路时等效噪声源分析法建模困难、计算复杂度高。后者需利用如高倍放大器这样的外围电路，将被测噪声放大后进行测量，但此举会引入新的外围电路噪声，其值难以估量。
[0007]实际电路的自噪声与各种因素有关，比如所用芯片的电压噪声、电流噪声、电路电阻热噪声，以及供电电源噪声、空间电磁干扰噪声和地线环路噪声等。近年来研究人员对电路供电电源及其走线的不断优化，已取得了阶段性的降噪效果。因此在进行噪声分析时只需考虑电路中其余噪声源。
[0008]在论文“水声接收机前置放大电路噪声分析与改进”中基于噪声原理将现有电路转化为噪声等效模型，利用等效噪声源分析法针对水声接收机前置放大电路做了噪声分析
及计算。文中常见的放大电路噪声模型如图1所示。图1中放大器芯片的噪声电压密度为V
N
，同相端和反相端的电阻热噪声电压密度为V
N,R3
，V
N,R1
和V
N,R2
，其中电阻热噪声存在(k为玻尔兹曼函数，T为热力学温度)，电流噪声I
N
在输入端产生的噪声电压密度为V
N,I
。由噪声的叠加原理可知各独立噪声源的噪声电压密度的“方和根”即为总噪声电压密度。该论文中所用分析计算实例及噪声等效模型电路如图2和图3所示。
[0009]在论文“集成运算放大电路噪声谱矩阵计算及噪声性能分析”中考虑到前置放大器本身等效输入噪声电压源和电流源之间的相关性，提出使用噪声谱矩阵得到前置放大器电路的电压—电流噪声，使得前置放大器噪声源的相关性得到充分考虑。
[0010]上述方法均为将实际电路转化为噪声等效模型后分析计算，在科研领域应用广泛，而主流噪声测量以外围电路测量法为主。因噪声的幅度太低，若直接将被测电路的输出端接入测量设备，由于测量设备本底噪声的影响，难以在测量设备端得到精确的数据波形或数值。因此对电路噪声测量时，常需在被测电路和测量设备之间加入高倍放大器，一般地，高倍放大器的噪声底限应至少比所测电路输出噪声小三倍。
[0011]公开号为CN207780123U的中国专利中公开了一种低频噪声测量装置，由依次连接的高增益前置放大器和低增益后置滤波器构成。该装置代表了常见的噪声测量外围电路(即上述高倍放大器)的基本结构。以该装置为例，在对噪声进行测量时，将被测电路噪声放大至高于测量设备本底噪声且易于在设备端观测，从而使得被测电路噪声能在测量中反映出来。常见的噪声测量外围电路如4所示。
[0012]公开号为CN101945070B的中国专利针对通信
的噪声测量公开了一种噪声测量的方法。该方法包括：根据FFT(Fast Fourier transform,快速傅里叶变换)之后的频域数据进行第一次噪声测量；利用第一次噪声测量的结果进行信道估计；根据所述频域数据及信道估计结果进行第二次噪声测量，测量结果供后续处理。该方法在现有噪声测量方法之上再进行一次噪声测量，提高噪声测量结果的准确性，保证在各种信道条件下得到较优的性能。该方法的流程图如图5所示。
[0013]对于论文“水声接收机前置放大电路噪声分析与改进”中提出的方法，采用该方法对电路噪声进行分析计算，必须评估电路各部分的噪声贡献情况，并确定噪声主要类型。该方法针对图2所示的简单电路而言计算难度适中，而涉及复杂电路时，由于电路中元件较多、结构复杂、具有大量的噪声源，因此将其转化为噪声等效模型电路的难度和计算量大大增加。
[0014]对于论文“集成运算放大电路噪声谱矩阵计算及噪声性能分析”中提出的方法，该方法只考虑放大器本身等效输入电压和电流噪声源的相关性，已经提升了噪声分析计算难度。然而电路中各噪声源之间都具有相关性，可想而知，对于一个复杂电路而言，计算复杂度将呈指数式上升。此外计算过程中的读数误差和略去的相关影响(如温度)亦会导致结果误差增大。
[0015]对于公开号为CN207780123U的专利中提出的方法，采用该方法对噪声进行测量时要求高倍放大器的噪声底限低于被测电路的输出噪声，其缺陷表现在：首先，高倍放大器无规范选型标准，难以直接找到与被测电路噪声相差三倍的器件；其次，为保证高倍放大器自噪声低于被测电路噪声，需要对高倍放大器的自噪声进行测量，测量得到的高倍放大器自噪声未必准确可靠；再次，高倍放大器的自噪声也会成为测量过程中的一个噪声源，其自噪
声会给测量结果引入误差。
[0016]对于公开号为CN101945070B的专利中提出的方法，采用该方法实现噪声测量的每一个模块均需计算处理，因此结构复杂，且对每一个模块的要求较高。如：该方法涉及FFT模块及两个噪声测量模块等，在第一次测量之前需先由FFT模块对噪声作频域变换，且每个噪声测量模块都要求计算出噪声方差。另外，该方法只针对通信
的信道噪声进行测量，应用局限性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于噪声自激的链式自噪声测量电路，其特征在于，包括多个前置放大器、供电电源和测量设备，多个所述前置放大器依次连接，多个所述前置放大器分别与供电电源连接，位于最后端的所述前置放大器与测量设备连接。2.根据权利要求1所述基于噪声自激的链式自噪声测量电路，其特征在于，多个所述前置放大器采用相同的型号。3.根据权利要求2所述基于噪声自激的链式自噪声测量电路，其特征在于，多个所述前置放大器等距分布。4.根据权利要求4所述基于噪声自激的链式自噪声测量电路，其特征在于，位于最前端的所述前置放大器的差分输入端分别短接入地，其余的所述前置放大器的差分输入端分别与前一前置放大器的差分输出端对应连接，位于最后端的所述前置放大器的差分正输出端与测量设备连接，差分负输出端悬空。5.根据权利要求4所述基于噪声自激的链式自噪声测量电路的测量方法，包括如下步骤：搭建多级前置放大电路的链式结构，该结构包括多个前置放大器电路、供电电源和测量设备，多个所述前置放大器依次连接，多个所述前置放大器分别与供电电源连接，位于最后端的所述前置放大器与测量设备连接；测量得到测量设备的本底噪声N
osc
(f)；测量得到前置放大器的等效输入端噪声N
i
(f)；对多级放大电路中的每...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴子扬，王志华，宋鹏程，解延超，王骄，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：