放大器的噪聲有哪些

1、放大器的噪聲基礎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為外部噪聲不應該被稱為噪聲，因為它不是隨機產(chǎn)生的，使用干擾”一詞也許更恰當。首先，簡單談談三種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通常在目標帶寬以外，但器件的非線性有時會調(diào)整這些信號，將其帶入目標區(qū)域中。特別是連接傳感器的引線較長時，噪聲一般會從輸入引線進入電路。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的能力有限，尤其是頻率較高時，因此必須先消除電源線上的高頻干擾，使其無法到達低噪聲電路

2、?？梢詫﹄娫催M行適當濾波以及IC本身采取良好的旁路措施來實現(xiàn)。敏感模擬電路與數(shù)字邏輯應采用不同的電源，至少應深度濾波。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，但必須注意，在實際電路中任何兩點的電位都不可能完全相等，電流會流經(jīng)地線，從而產(chǎn)生電位差。必須考慮電流如何流動，并將高電流路徑與敏感電路隔離。例如，實用新型接地配置，或者將模擬地層與數(shù)字地層接在一個點上。內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲來源于信號鏈中的電路元件，IC數(shù)據(jù)手冊中相關(guān)的性能規(guī)格就是針對這種噪聲。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

3、帶寬，它與所施加的信號無關(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，一般認為其噪聲性能較差，在之后的討論中我們將假設在低噪聲設計中使用高質(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：嵋口了前發(fā)4可以看出，熱噪聲取決于溫度、電阻、帶寬和波爾茲曼常數(shù)。但在實際設計中，并不要求記住這個公式，因為我們有一個非常方便的速算法。討論噪聲時，平方根符號會一再出現(xiàn)，公式中含有一個常數(shù)項，即波爾茲曼常數(shù)ko第二項是溫度，請注意，噪聲隨溫度

4、升高而增大，此溫度的單位為k,因此溫度對噪聲的影響可能不如想象那般大。多數(shù)工程師會忽略溫度對噪聲的影響，請記住你所看到的噪聲規(guī)格僅針對室溫有效。第三項是電阻值，最后一項是帶寬。應該記住這個公式，1kQ電阻在室溫下的熱噪聲為加力師，即146一打岬門研無論從事何種噪聲相關(guān)工作，這一算式都將使您永遠受益。這個速算公式可以方便地應用于其他電阻值。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

5、冊中，通常以兩種方式表示，分別是依W/兩和查看數(shù)據(jù)手冊中的噪聲特性時，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，對于運算放大器數(shù)據(jù)手冊，這幾乎是默認的習慣算法。但對于其他類型的固定增益放大器（如差動放大器），噪聲可能被折合到輸出端。請注意，這種輸入噪聲會被放大器放大。例如,對于同相增益為10的放大器，輸出端的噪聲將是指標中給出的噪聲的10倍。一些電路配置的噪聲增益可能大于信號增益，反相配置就是一個很好的例子。信號增益為-1的反相配置，其噪聲增益實際上為2。為了確定實際噪聲增益，請將所有外部電壓源短路，同時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

6、聲，如果以這一假設分析電路，應當能夠確定噪聲所接受的增益。儀表放大器的噪聲特性與運算放大器稍有不同，對于運算放大器，所有內(nèi)部晶體管噪聲都可以折合到輸入端，換言之，所有噪聲源都會按增益比例縮放。儀表放大器則不然，電路中的一些噪聲會按增益比例進行縮放，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eNOo數(shù)據(jù)手冊中有二者關(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，將高阻抗信號源轉(zhuǎn)換為低阻抗信號源是使用運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

7、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，運算放大器的電流噪聲會與信號源電阻相互作用，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)生一個額外噪聲源，然后此噪聲源經(jīng)放大器放大到達輸出端。l(R1IIF2)L(R1|R2>Gwh»reG=(R14R2VR2圖3反饋路徑中電阻與電流噪聲的相互作用模數(shù)轉(zhuǎn)器（ADC）噪聲有時候模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）數(shù)據(jù)手冊以Vrms或VP-P的形式提供噪聲特性，但大多數(shù)情況下，該特性用噪聲相對于ADC最大滿量程的關(guān)系來表示，規(guī)定

8、為信噪比（SNR）。數(shù)據(jù)手冊中的噪聲指標，偶爾也包括失真特性及信納比。緊急情況下,值，永遠比實際值要好。可以使用文中提供的理想公式，但這是理論限Fuil立Qfr碑加小？?H，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與放大器的噪聲。有一點必須注意，要確保使用ADC最大輸入范圍內(nèi)的均方根噪聲。峰峰值噪聲Vrms指波形中波峰與波谷點之間的距離，它僅取決于兩個點，有利也有弊。有利的一面是非常容易計算，只需將最大點減去最小點；不利的一面是復驗性不強，不太精確。噪聲是一個隨機過程，因此，這種測量實際上依賴于噪聲波形的極值。采集數(shù)據(jù)的時間越長，則越有可能獲得極值。均方根值

9、噪聲使用波形中的所有點，比峰峰值噪聲精確得多，測量的點越多，均方根數(shù)值越精確。不利的一面是，由于要使用所有點，因此計算時間較長。關(guān)于峰峰值和均方根值測量有一點需要注意，它們會隨帶寬發(fā)生較大變化，對于同一放大器，帶寬越低，噪聲也越低。圖4清楚顯示了這一點。實驗中，我們測量了儀表放大器AD8222在多個不同帶寬時的噪聲，可以清楚的看到帶寬對于噪聲的影響之大。帶寬每提高十倍，噪聲增加三倍。由于這些測量依賴于帶寬，因此有幾點需要注意：首先，需要了解電路的帶寬特性，需要確保測量儀器的帶寬高于電路的帶寬，只有這樣，才能獲得精確的讀數(shù)。此外，使用數(shù)字萬用表時，規(guī)定均方根值噪聲或峰峰值噪聲時，同時必須明確特定

10、的帶寬。對于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊，帶寬為0.1Hz至10Hz頻帶。*ICOW>05*/豈圖4AD8222在多個不同帶寬時的噪聲頻譜密度圖使均方根測量更進一步，它實際上是將噪聲測量分為不同的區(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，顯示了許多測量的平均組合值。由于頻譜密度圖將測量分為許多區(qū)間，因此需要大量的數(shù)據(jù)才能獲得一張清晰的圖。noisecorner圖5AD8295的頻譜密度圖在較低頻率時，大多數(shù)放大器的噪聲曲線會斜升，噪聲密度與頻率成反比，因此將它稱為1/f噪聲。如果沿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。噪聲計算噪聲的加法

11、規(guī)則為噪聲的平方和，假設噪聲源不相關(guān)，這一假設在絕大多數(shù)情況下是成立的，聲的乘法和除法規(guī)則與一般信號相同。第一，在噪聲計算時，有幾點需要注意：室溫下，1kQ電阻對應于4月依/兩的噪聲，這一速算公式可以方便地應用于其他電阻值，只需乘以電阻的平方根。如果一個噪聲信號只有第二，在對信號源求和時，可以忽略較小的項。噪聲加法規(guī)則為平方和,主導噪聲彳t號的1/5,則其貢獻的額外噪聲只有1/25o第三點是對第一點的擴展，如果第一增益級的增益足夠大，則可以忽略其后的一切噪聲。低噪聲系統(tǒng)的設計技巧低噪聲系統(tǒng)設計的第一個竅門是在前級應用中盡可能多的增益，圖6顯示的是一個放大器前端的兩個例子，增益為10?？梢钥闯觯?/p>

12、將所有增益應用于第一級，比將增益分布于兩級要好得多。請注意，有時最佳帶寬性能的要求可能與最佳噪聲性能的要求相沖突。對于帶寬，我們希望每個增益級具有近似的增益，而對于噪聲，我們則希望第一級具有全部的增益。cx»fne«perforrMftee0-2>G=5>goodnertefforene*G=10>G»1>圖6放大器前端第二個竅門是注意源阻抗。這樣做有兩個原因：第一，源阻抗越大，則系統(tǒng)噪聲越大；第二，放大器必須與源阻抗匹配良好，如果源阻抗較高，電流噪聲噪聲特性可能比電壓噪聲特性更重要。第三個竅門是要注意反饋電阻，如果選擇超低噪聲運算放大器，

13、卻使用很大的反饋電阻，則不可能實現(xiàn)低噪聲電路，在同相（圖7）或反相配置中，注意反饋電阻相當于折合到輸出端的噪聲源。而其他電阻則相當于輸入端的電壓源，更準確的說，是反相配置輸入端的電壓源。前文已經(jīng)談到，設計低噪聲系統(tǒng)時，第一級應用有高增益，這種情況下Rg噪聲占主導地位。圖7同相運算放大器的噪聲模型放大器噪聲問題問答問：放大器的內(nèi)部噪音如何進行精確測量？它和哪些因素有關(guān)？在測試時需要注意那些問題？答：對于放大器的噪聲的測量，一般來講就是把放大器的輸入接0,輸出經(jīng)過一個低通濾波器，然后用高精度的ADC來采樣做FFT,或者用示波器看輸出的情況。問：在判斷放大器的性能時，主要應參考哪兒個噪聲參數(shù)呢？答：

14、要考慮傳感器、電阻、放大器和ADC的各個噪音參數(shù)。問：用運放設計放大器時，如何估算其輸入輸出阻抗？答：通常，對于運放器件，我們認為其輸入阻抗無窮大，輸出阻抗為0（可以參考具體型號的數(shù)據(jù)手冊來查詢具體的數(shù)值）。所以電路的輸入輸出阻抗可以基于這個條件來計算。問：如何降低器件的內(nèi)部噪聲以及削弱外部噪聲？答：器件的內(nèi)部噪聲改變不了，可以通過選擇外部的帶寬來限制外部的噪聲。問：LC電路濾波與運算放大器電路濾波各有什么特點，各用在哪些場合？答：LC濾波簡單，但是濾波的效果不如有源的那么理想。而且有源濾波可以對信號同時進行放大，而無源的做不到這點。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：如何測量噪聲才最準確，不會引入測量噪聲呢？答：如果想得到最準確的噪音，要利用均方根值測量方法。這樣的方法會將所有的噪音都計算在內(nèi)，但是缺點是測量時間較長，數(shù)據(jù)量大。問：如何通過單點接地或者多點接地來消除噪聲，它們有什么區(qū)別？答：單點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，也會用在