1、噪音放大器原理及知識(shí)問答 一些工程師認(rèn)為外部噪聲不應(yīng)當(dāng)被稱為噪聲，由于它不是隨機(jī)產(chǎn)生的，用法“干擾”一詞大概更恰當(dāng)。首先，容易談?wù)勅N外部噪聲的主要來源： rfi耦合環(huán)境中充斥著各種電磁波，雖然這些干擾信號(hào)通常在目標(biāo)帶寬以外，但器件的非線性有時(shí)會(huì)調(diào)節(jié)這些信號(hào)，將其帶入目標(biāo)區(qū)域中。特殊是銜接的引線較長時(shí)，噪聲普通會(huì)從輸入引線進(jìn)入。抑制射頻干擾的方法包括：輸入端濾波、屏蔽和采納雙絞線輸入。電源噪聲電路抑制電源線信號(hào)的能力有限，尤其是頻率較高時(shí)，因此必需先消退電源線上的高頻干擾，使其無法到達(dá)低噪聲電路。可以對(duì)電源舉行適當(dāng)濾波以及ic本身實(shí)行良好的旁路措施來實(shí)現(xiàn)。敏感與數(shù)字規(guī)律應(yīng)采納不同的電源，起碼應(yīng)

2、深度濾波。接地環(huán)路我們常常可以從原理圖上看到無數(shù)的接地符號(hào)，但必需注重，在實(shí)際電路中任何兩點(diǎn)的電位都不行能徹低相等，會(huì)流經(jīng)地線，從而產(chǎn)生電位差。必需考慮電流如何流淌，并將高電流路徑與敏感電路隔離。例如，有用新型接地配置，或者將模擬地層與數(shù)字地層接在一個(gè)點(diǎn)上。內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲來源于信號(hào)鏈中的電路元件，ic數(shù)據(jù)手冊(cè)中相關(guān)的性能規(guī)格就是針對(duì)這種噪聲。典型的內(nèi)部噪聲源包括傳感器、和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。電阻噪聲電阻噪聲分為兩類：一是內(nèi)部熱噪聲，這種噪聲與電阻構(gòu)造無關(guān)，僅取決于總電阻、溫度和帶寬，它與所施加的信號(hào)無關(guān)；二是附加電流噪聲，通常被稱為過量噪聲，它取決于電阻的構(gòu)造，與熱噪聲不同，電阻電流噪聲與所施加的有

3、關(guān)。薄膜電阻和繞線電阻具有精彩的電流噪聲性能，其噪聲主要是內(nèi)部熱噪聲。炭核電阻則不然，普通認(rèn)為其噪聲性能較差，在之后的研究中我們將假設(shè)在低噪聲設(shè)計(jì)中用法高質(zhì)量薄膜電阻，因此可以忽視電流噪聲，只專注于熱噪聲。抱負(fù)電阻的熱噪聲公式為：可以看出，熱噪聲取決于溫度、電阻、帶寬和波爾茲曼常數(shù)。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，并不要求記住這個(gè)公式，由于我們有一個(gè)十分便利的速算法。研究噪聲時(shí)，平方根符號(hào)會(huì)再三浮現(xiàn)，公式中含有一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，即波爾茲曼常數(shù)k。其次項(xiàng)是溫度，請(qǐng)注重，噪聲隨溫度上升而增大，此溫度的單位為k，因此溫度對(duì)噪聲的影響可能不如想象那般大。多數(shù)工程師會(huì)忽視溫度對(duì)噪聲的影響，請(qǐng)記住你所看到的噪聲規(guī)格僅針對(duì)室溫有

4、效。第三項(xiàng)是電阻值，最后一項(xiàng)是帶寬。應(yīng)當(dāng)記住這個(gè)公式，1k電阻在室溫下的熱噪聲為，即無論從事何種噪聲相關(guān)工作，這一算式都將使您永久受益。這個(gè)速算公式可以便利地應(yīng)用于其他電阻值。放大器噪聲圖1所示為放大器噪聲模型。放大器噪聲分為兩類：一種是電壓噪聲（vx），另一種是電流噪聲（ix）。在實(shí)際電路中，放大器由許多晶體管組成，全部這些晶體管都有噪聲。幸運(yùn)的是，全部晶體管的噪聲都可以折合到放大器的輸入端。圖1 放大器噪聲模型電壓噪聲規(guī)格在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，通常以兩種方式表示，分離是和。查看數(shù)據(jù)手冊(cè)中的噪聲特性時(shí)，必需了解它是被折合到輸入端還是輸出端。大部分放大器的噪聲特性被折合到輸入端，對(duì)于數(shù)據(jù)手冊(cè)，這幾乎是

5、默認(rèn)的習(xí)慣算法。但對(duì)于其他類型的固定增益放大器（如差動(dòng)放大器），噪聲可能被折合到輸出端。請(qǐng)注重，這種輸入噪聲會(huì)被放大器放大。例如，對(duì)于同相增益為10的放大器，輸出端的噪聲將是指標(biāo)中給出的噪聲的10倍。一些電路配置的噪聲增益可能大于信號(hào)增益，反相配置就是一個(gè)很好的例子。信號(hào)增益為-1的反相配置，其噪聲增益事實(shí)上為2。為了確定實(shí)際噪聲增益，請(qǐng)將全部外部電壓源短路，同時(shí)可以將噪聲放大器的rti噪聲看做浮現(xiàn)在放大器正輸入端的噪聲，假如以這一假設(shè)分析電路，應(yīng)該能夠確定噪聲所接受的增益。儀表放大器的噪聲特性與運(yùn)算放大器稍有不同，對(duì)于運(yùn)算放大器，全部內(nèi)部晶體管噪聲都可以折合到輸入端，換言之，全部噪聲源都會(huì)按

6、增益比例縮放。儀表放大器則不然，電路中的一些噪聲會(huì)按增益比例舉行縮放，其他噪聲則與增益無關(guān)，這里與增益噪聲相關(guān)的噪聲量顯示為eni，與增益無關(guān)的噪聲量顯示為eno。數(shù)據(jù)手冊(cè)中有二者關(guān)系公式。除電壓噪聲外，放大器還具有電流噪聲。假如輸入端有電阻，電流噪聲將與之互相作用，產(chǎn)生電壓噪聲。譬如，大多數(shù)源電壓具有一定的電阻。究竟，將高阻抗信號(hào)源轉(zhuǎn)換為低阻抗信號(hào)源是用法運(yùn)算放大器的緣由之一。電流噪聲流經(jīng)與放大器相連的電阻，產(chǎn)生電壓噪聲。普通來說，放大器的輸入偏置電流越高，則電流噪聲越高。圖2顯示具有一定源電阻的電壓尾隨器配置，運(yùn)算放大器的電流噪聲會(huì)與信號(hào)源電阻互相作用，在輸出端產(chǎn)生一定的額外噪聲。圖3顯示

7、反饋路徑中的電阻如何與電流噪聲互相作用，電流噪聲流經(jīng)反饋電阻的并聯(lián)組合，在輸入端產(chǎn)生一個(gè)額外噪聲源，然后此噪聲源經(jīng)放大器放大到達(dá)輸出端。圖2 具有一定源電阻的電壓尾隨器配置圖3 反饋路徑中電阻與電流噪聲的互相作用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（）噪聲有時(shí)候模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）數(shù)據(jù)手冊(cè)以vrms或vp-p的形式提供噪聲特性，但大多數(shù)狀況下，該特性用噪聲相對(duì)于adc最大滿量程的關(guān)系來表示，規(guī)定為信噪比（snr）。數(shù)據(jù)手冊(cè)中的噪聲指標(biāo)，間或也包括失真特性及信納比。緊張狀況下，可以用法文中提供的抱負(fù)公式，但這是理論限值，永久比實(shí)際值要好。這里的公式顯示adc的snr數(shù)值與vrms數(shù)值之間的換算關(guān)系，以便比較adc與放大器

8、的噪聲。有一點(diǎn)必需注重，要確保用法adc最大輸入范圍內(nèi)的均方根噪聲。峰峰值噪聲和rms噪聲峰峰值噪聲vrms指波形中波峰與波谷點(diǎn)之間的距離，它僅取決于兩個(gè)點(diǎn)，有利也有弊。有利的一面是十分簡(jiǎn)單計(jì)算，只需將最大點(diǎn)減去最小點(diǎn)；不利的一面是復(fù)驗(yàn)性不強(qiáng)，不太精確。噪聲是一個(gè)隨機(jī)過程，因此，這種測(cè)量事實(shí)上依靠于噪聲波形的極值。采集數(shù)據(jù)的時(shí)光越長，則越有可能獲得極值。均方根值噪聲用法波形中的全部點(diǎn)，比峰峰值噪聲精確得多，測(cè)量的點(diǎn)越多，均方根數(shù)值越精確。不利的一面是，因?yàn)橐梅ㄈ奎c(diǎn)，因此計(jì)算時(shí)光較長。關(guān)于峰峰值和均方根值測(cè)量有一點(diǎn)需要注重，它們會(huì)隨帶寬發(fā)生較大變幻，對(duì)于同一放大器，帶寬越低，噪聲也越低。圖4

9、清晰顯示了這一點(diǎn)。試驗(yàn)中，我們測(cè)量了儀表放大器ad8222在多個(gè)不同帶寬時(shí)的噪聲，可以清晰的看到帶寬對(duì)于噪聲的影響之大。帶寬每提高十倍，噪聲增強(qiáng)三倍。因?yàn)檫@些測(cè)量依靠于帶寬，因此有幾點(diǎn)需要注重：首先，需要了解電路的帶寬特性，需要確保測(cè)量儀器的帶寬高于電路的帶寬，惟獨(dú)這樣，才干獲得精確的讀數(shù)。此外，用法數(shù)字時(shí)，規(guī)定均方根值噪聲或峰峰值噪聲時(shí)，同時(shí)必需明確特定的帶寬。對(duì)于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，帶寬為0.1hz至10hz頻帶。圖4 ad8222在多個(gè)不同帶寬時(shí)的噪聲頻譜密度圖使均方根測(cè)量更進(jìn)一步，它事實(shí)上是將噪聲測(cè)量分為不同的區(qū)間，這樣便可以明確哪些頻率具有較多的噪聲成分。圖5來自ad8295數(shù)據(jù)手冊(cè)，

10、顯示了許多測(cè)量的平均組合值。因?yàn)轭l譜密度圖將測(cè)量分為許多區(qū)間，因此需要大量的數(shù)據(jù)才干獲得一張清楚的圖。圖5 ad8295的頻譜密度圖在較低頻率時(shí)，大多數(shù)放大器的噪聲曲線會(huì)斜升，噪聲密度與頻率成反比，因此將它稱為1/f噪聲。假如沿1/f斜率畫一條直線，與水平噪聲線相交，就可以得到1/f轉(zhuǎn)折頻率。噪聲計(jì)算噪聲的加規(guī)矩則為噪聲的平方和，假設(shè)噪聲源不相關(guān)，這一假設(shè)在絕大多數(shù)狀況下是成立的，噪聲的乘法和除規(guī)矩則與普通信號(hào)相同。第一，在噪聲計(jì)算時(shí)，有幾點(diǎn)需要注重：室溫下，1k電阻對(duì)應(yīng)于的噪聲，這一速算公式可以便利地應(yīng)用于其他電阻值，只需乘以電阻的平方根。其次，在對(duì)信號(hào)源求和時(shí)，可以忽視較小的項(xiàng)。噪聲加規(guī)矩

11、則為平方和，假如一個(gè)噪聲信號(hào)惟獨(dú)主導(dǎo)噪聲信號(hào)的1/5，則其貢獻(xiàn)的額外噪聲惟獨(dú)1/25。第三點(diǎn)是對(duì)第一點(diǎn)的擴(kuò)展，假如第一增益級(jí)的增益足夠大，則可以忽視其后的一切噪聲。低噪聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技巧低噪聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一個(gè)竅門是在前級(jí)應(yīng)用中盡可能多的增益，圖6顯示的是一個(gè)放大器前端的兩個(gè)例子，增益為10。可以看出，將全部增益應(yīng)用于第一級(jí)，比將增益分布于兩級(jí)要好得多。請(qǐng)注重，有時(shí)最佳帶寬性能的要求可能與最佳噪聲性能的要求相矛盾。對(duì)于帶寬，我們希翼每個(gè)增益級(jí)具有近似的增益，而對(duì)于噪聲，我們則希翼第一級(jí)具有所有的增益。圖6 放大器前端其次個(gè)竅門是注重源阻抗。這樣做有兩個(gè)緣由：第一，源阻抗越大，則系統(tǒng)噪聲越大；其次，

12、放大器必需與源阻抗匹配良好，假如源阻抗較高，電流噪聲噪聲特性可能比電壓噪聲特性更重要。第三個(gè)竅門是要注重反饋電阻，假如挑選超低噪聲運(yùn)算放大器，卻用法很大的反饋電阻，則不行能實(shí)現(xiàn)低噪聲電路，在同相（圖7）或反相配置中，注重反饋電阻相當(dāng)于折合到輸出端的噪聲源。而其他電阻則相當(dāng)于輸入端的電壓源，更精確的說，是反相配置輸入端的電壓源。前文已經(jīng)談到，設(shè)計(jì)低噪聲系統(tǒng)時(shí)，第一級(jí)應(yīng)用有高增益，這種狀況下rg噪聲占主導(dǎo)地位。圖7 同相運(yùn)算放大器的噪聲模型問答選編問： 放大器的內(nèi)部噪音如何舉行精確測(cè)量？它和哪些因素有關(guān)？在測(cè)試時(shí)需要注重那些問題？答：對(duì)于放大器的噪聲的測(cè)量，普通來講就是把放大器的輸入接0，輸出經(jīng)過

13、一個(gè)低通，然后用高精度的adc來采樣做fft，或者用看輸出的狀況。問：在推斷放大器的性能時(shí)，主要應(yīng)參考哪兒個(gè)噪聲參數(shù)呢？答：要考慮傳感器、電阻、放大器和adc的各個(gè)噪音參數(shù)。問：用運(yùn)放設(shè)計(jì)放大器時(shí)，如何估算其輸入輸出阻抗？答：通常，對(duì)于運(yùn)放器件，我們認(rèn)為其輸入阻抗無窮大，輸出阻抗為0（可以參考詳細(xì)型號(hào)的數(shù)據(jù)手冊(cè)來查詢?cè)敿?xì)的數(shù)值）。所以電路的輸入輸出阻抗可以基于這個(gè)條件來計(jì)算。問：如何降低器件的內(nèi)部噪聲以及減弱外部噪聲？答：器件的內(nèi)部噪聲轉(zhuǎn)變不了，可以通過挑選外部的帶寬來限制外部的噪聲。問：lc電路濾波與運(yùn)算放大器電路濾波各有什么特點(diǎn)，各用在哪些場(chǎng)合？答： lc濾波容易，但是濾波的效果不如有源的那么抱負(fù)。而且有源濾波可以對(duì)信號(hào)同時(shí)舉行放大，而無源的做不到這點(diǎn)。問：adc的量化噪音如何考慮？答：量化噪聲是理論上存在的，是無法去除的，這也是理論信噪比6.02n+1.76的來源。問：如何測(cè)量噪聲才最精確，不會(huì)引入測(cè)量噪聲呢？答：假如想得到最精確的噪音，要利用均方根值測(cè)量辦法。這樣的辦法會(huì)將全部的噪音都計(jì)算在內(nèi)，但是缺點(diǎn)是測(cè)量時(shí)光較長，數(shù)據(jù)量大。問：如何通過單點(diǎn)接地或者多點(diǎn)接地來消退噪聲，它們有什么區(qū)分？答：?jiǎn)吸c(diǎn)接地指的是只在芯片電源腳處將地接在一塊，這是為了防止數(shù)字電源的地回流影響模擬電路的地，也會(huì)用在模擬數(shù)字芯片在一塊板子上的狀況下，由于兩個(gè)地