低噪声前置放大器的装调与测试
实验目的
(1)通过实验了解放大器的内部噪声和放大器外界干扰对信号放大的影响；
(2)了解组装简单低噪声放大器的原则。
实验内容
(1)用低噪声集成运算放大器LF353装调一个光电二极管用的低噪声前置放大器；
(2)测试低噪声前置放大器的性能指标，求其噪声系数，并与器件给定参数值作比较。
实验设备及器材
(1)正弦波信号发生器 1台
(2)示波器 1台
(3)直流稳压电源 1台
(4)毫伏表 1台
(5)万用表 1只
(6)LF353集成运算放大器 1只
(7)实验电路中所需的阻容等元件若干只。
实验基本原理
由教材中知，与光电探测器连接的第一级放大器称为前置放大器。这种放大器，一般采用低噪声放大器，它比一般放大器有低得多的噪声系数。在光电系统中，这一级放大器噪声性能的优劣，通常会影响到整个系统的品质。因此，虽然不同系统对放大器的质量指标会各不相同，但必须优先考虑对前置放大器进行低噪声设计。一般，从低噪声要求出发，主要应考虑如下几点：
1．应选择内部噪声低，信号源电阻合适的管子
前置放大器可由晶体管、结型场效应管、绝缘栅场效应管和集成电路组成。晶体管适合于信号源电阻在几十欧姆至一兆欧姆范围内；结型场效应管适合于较高的源电阻；绝缘栅场效应管可工作于更高的信号源电阻情况，但因其1/f噪声较大，所以用得较少，只有在高阻状态才用。这些管子的工作范围，由下图表示。
2．应选择优质电阻、电容
组装低噪声放大器除了要求放大管自身噪声低以外，还需要电容、电阻的噪声也很低，因电阻自身都存在固有的热噪声，热噪声电压的均方值为
=4kTR△f (16-1)
式中，k为波耳兹曼常数(1.38×10-23J/K)；R为电阻阻值；T为电阻的热力学温度；△f为测量系统的通频带宽度。除此以外，电阻还产生与电阻品质有关的电流噪声(也称过剩噪声)。电流噪声的均方电压为
(16-2)
K是与材料工艺有关的常数；idc是流过电阻的直流电流；f是频率；R是电阻阻值。这种噪声有与频率成反比，与所加直流电流idc的平方成正比的特性。这种噪声的大小与产生过程有密切关系。通常，合成碳质电阻噪声最大，金属膜电阻噪声比较小，精密金属膜电阻噪声更小，线绕电阻噪声最小(但体积较大)，所以最常用的是金属膜电阻。
3．采用良好的电磁屏蔽措施
因为前置放大器输入信号很弱，外界干扰相对来说显得很强，它们可通过分布电容或磁场耦合把干扰引入放大器，如下图所示。
因为平行导线就可构成电容，若外电路的导线A中有交变电流流过时，就可通过线间形成的分布电容CAB耦合到放大器的导线B上去，产生干扰电压，如图(a)所示。如果导线A和B之间有金属板隔开，则感应电荷主要在金属板上，金属板可靠接地，电荷由地与导线A中和，导线B就得到了屏蔽，如图(b)所示。因此，用金属壳把放大器包围起来，并使用金属壳接地，就能很好地屏蔽外界电场干扰，如图(c)所示。
一般，屏蔽壳除了屏蔽外界电场干扰外，同时也能屏蔽外界磁场干扰。例如，通常用导磁率较高的材料(铁、铍、膜合金)做屏蔽壳，以屏蔽外界低频磁场(如市电50Hz)干扰。屏蔽壳磁阻小，空间磁力线引向屏蔽壳中，壳内感应减小。对于高频磁场干扰，通常用铜、铝导电率高的材料做屏蔽壳。高频磁场在壳上感应为涡流，把它接地，以减小对电路影响。通常，屏蔽壳采用铁壳再镀银或镀锌，就已达到电磁屏蔽。此外，放大器的信号输入线应尽可能短，且采用屏蔽线。
4．根据En、In与NF选用低噪声运算放大器
采用晶体管或结型场效应管组成的低噪声集成运算放大器，其体积小、使用方便。在噪声要求不很高的情况下，用它组装的前置放大器是方便易得的。所以，本实验就采用低噪声集成运算放大器组装前置放大器，来进行实验。
由教材可知，放大器的噪声模型，是由无噪声的理想放大器输入端等效噪声电压源En和等效噪声电流源In组成。而信号源是由信号源电阻Rs、信号电压Us和噪声均方根电压
组成，如下图所示。
通常，低噪声集成运算放大器都会给出En和In值。由此可得最佳源电阻
(16-3)
也可以得到等效输入噪声电压
(16-4)
并得到最小噪声系数
(16-5)
但是，一般En和In都给出1Hz带宽中的值，所以最小噪声系数也定义在1Hz带宽中，
即
(16-6)
取对数值(dB)得
NF=10l0gF (16-7)
值得指出的是，有的集成运算放大器给出En，In值，但有的给出的是NF值。
例如，“LF353”即为结型场效应管组成的低噪声集成运算放大器，其en=16nV/
，in=0.01pA/。
又如，“5006，，是晶体管组成的集成运算放大器，其噪声系数等值图，如下图所示。
如果工作频率在100～30kHz范围，信号源电阻Rs在100k～1MΩ之间，噪声系数可低至0.05dB。如果源电阻在一定范围内偏离最佳值，引起噪声系数的增大也不多。
一般，最佳源电阻愈低的低噪声集成运算放大器，当源电阻偏离最佳值时，噪声系数增大也缓慢。但这种器件相对来说，价格也较高。
本实验采用“LF353”，并建立一个简单的反相放大器，如下图所示。这种简单的反相放大器，等效于光电二极管放大电路，如第二个图所示。
在第一个图中，其Rs就是第二个图中的RL，也就是放大器的源电阻Rs。
在第一个图电路中，放大器输出噪声除了集成电路噪声外，还有RF电阻噪声，它的影响可以由下图得出。可考虑为反馈本身不引入噪声，而反馈电阻RF自身有热噪声引入。
它的影响可近似这样考虑，即把放大器输出端接地(不考虑放大器负载的影响)。这时RF的噪声电流将直接引入放大器的输入端，从而得到上图所示的噪声等效电路。
在图中，InF为Rf电阻产生的热噪声电流。若考虑这些噪声源是独立不相关的，在放大器输出端的等效输出噪声为
(16-8)
从信号源到放大器输入端的传递系数为
(16-9)
于是，放大器的等效输入噪声为
+
(16-10)
由此可以看出，RF电阻阻值愈大，式(16-10)愈接近式(16-4)。
LF353的开环频率特性如下图所示。当闭环增益取图示虚线，则其放大器带宽的fh如虚线所示。
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