噪音放大器原理及基礎(chǔ)知識(shí)問答

IC的噪聲有兩種類型：

一種是外部噪聲，來源于IC外部；

另一種是內(nèi)部噪聲，來源于器件本身。

外部噪聲

一些工程師認(rèn)為外部噪聲不應(yīng)該被稱為噪聲，因?yàn)樗皇请S機(jī)產(chǎn)生的，使用“干擾”一詞也許更恰當(dāng)。首先，簡(jiǎn)單談?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，雖然這些射頻干擾信號(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)整這些信號(hào)，將其帶入目標(biāo)區(qū)域中。特別是連接傳感器的引線較長(zhǎng)時(shí)，噪聲一般會(huì)從輸入引線進(jìn)入電路。

抑制射頻干擾的辦法包括：輸入端濾波、屏蔽和采用雙絞線輸入。

電源噪聲

電子電路抑制電源線信號(hào)的能力有限，尤其是頻率較高時(shí)，因此必須先消除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)電源進(jìn)行適當(dāng)濾波以及IC本身采取良好的旁路措施來實(shí)現(xiàn)。敏感模擬電路與數(shù)字邏輯應(yīng)采用不同的電源，至少應(yīng)深度濾波。

接地環(huán)路

我們經(jīng)常可以從原理圖上看到很多的接地符號(hào)，但必須注意，在實(shí)際電路中任何兩點(diǎn)的電位都不可能完全相等，電流會(huì)流經(jīng)地線，從而產(chǎn)生電位差。必須考慮電流如何流動(dòng)，并將高電流路徑與敏感電路隔離。例如，實(shí)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、電阻、放大器和模數(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電壓有關(guān)。薄膜電阻和繞線電阻具有出色的電流噪聲性能，其噪聲主要是內(nèi)部熱噪聲。炭核電阻則不然，一般認(rèn)為其噪聲性能較差，在之后的討論中我們將假設(shè)在低噪聲設(shè)計(jì)中使用高質(zhì)量薄膜電阻，因此可以忽略電流噪聲，只專注于熱噪聲。

理想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，因?yàn)槲覀冇幸粋€(gè)非常方便的速算法。

討論噪聲時(shí)，平方根符號(hào)會(huì)一再出現(xiàn)，公式中含有一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，即波爾茲曼常數(shù)k。第二項(xiàng)是溫度，請(qǐng)注意，噪聲隨溫度升高而增大，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)忽略溫度對(duì)噪聲的影響，請(qǐng)記住你所看到的噪聲規(guī)格僅針對(duì)室溫有效。第三項(xiàng)是電阻值，最后一項(xiàng)是帶寬。

應(yīng)該記住這個(gè)公式，1kΩ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遠(yuǎn)受益。這個(gè)速算公式可以方便地應(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，所有這些晶體管都有噪聲。幸運(yùn)的是，所有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，分別是和。查看數(shù)據(jù)手冊(cè)中的噪聲特性時(shí)，必須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)于運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)，這幾乎是默認(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)注意，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，其噪聲增益實(shí)際上為2。為了確定實(shí)際噪聲增益，請(qǐng)將所有外部電壓源短路，同時(shí)可以將噪聲放大器的RTI噪聲看做出現(xiàn)在放大器正輸入端的噪聲，如果以這一假設(shè)分析電路，應(yīng)當(dāng)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，所有內(nèi)部晶體管噪聲都可以折合到輸入端，換言之，所有噪聲源都會(huì)按增益比例縮放。儀表放大器則不然，電路中的一些噪聲會(huì)按增益比例進(jìn)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。如果輸入端有電阻，電流噪聲將與之相互作用，產(chǎn)生電壓噪聲。譬如，大多數(shù)源電壓具有一定的電阻。畢竟，將高阻抗信號(hào)源轉(zhuǎn)換為低阻抗信號(hào)源是使用運(yùn)算放大器的原因之一。電流噪聲流經(jīng)與放大器相連的電阻，產(chǎn)生電壓噪聲。一般來說，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跟隨器配置，運(yùn)算放大器的電流噪聲會(huì)與信號(hào)源電阻相互作用，在輸出端產(chǎn)生一定的額外噪聲。圖3顯示反饋路徑中的電阻如何與電流噪聲相互作用，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跟隨器配置

圖3 反饋路徑中電阻與電流噪聲的相互作用

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）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)情況下，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)，偶爾也包括失真特性及信納比。緊急情況下，可以使用文中提供的理想公式，但這是理論限值，永遠(yuǎn)比實(shí)際值要好。