噪聲的產(chǎn)生

   對(duì)于電子線路中所標(biāo)稱的噪聲，可以概括地認(rèn)為，它是對(duì)目的信號(hào)以外的所有信號(hào)的一個(gè)總稱。最初人們把造成收音機(jī)這類音響設(shè)備所發(fā)出噪聲的那些電子信號(hào)，稱為噪聲。但是，一些非目的的電子信號(hào)對(duì)電子線路造成的后果并非都和聲音有關(guān)，因而，后來人們逐步擴(kuò)大了噪聲概念。

   例如，把造成視屏幕有白班呀條紋的那些電子信號(hào)也稱為噪聲。可能以說，電路中除目的的信號(hào)以外的一切信號(hào)，不管它對(duì)電路是否造成影響，都可稱為噪聲。

   例如，電源電壓中的紋波或自激振蕩，可對(duì)電路造成不良影響，使音響裝置發(fā)出交流聲或?qū)е码娐氛`動(dòng)作，但有時(shí)也許并不導(dǎo)致上述后果。對(duì)于這種紋波或振蕩，都應(yīng)稱為電路的一種噪聲。又有某一頻率的無線電波信號(hào)，對(duì)需要接收這種信號(hào)的接收機(jī)來講，它是正常的目的信號(hào)，而對(duì)另一接收機(jī)它就是一種非目的信號(hào)，即是噪聲。

   在電子學(xué)中常使用干擾這個(gè)術(shù)語，有時(shí)會(huì)與噪聲的概念相混淆，其實(shí)，是有區(qū)別的。噪聲是一種電子信號(hào)，而干擾是指的某種效應(yīng)，是由于噪聲原因?qū)﹄娐吩斐傻囊环N不良反應(yīng)。而電路中存在著噪聲，卻不一定就有干擾。在數(shù)字電路中。往往可以用示波器觀察到在正常的脈沖信號(hào)上混有一些小的尖峰脈沖是所不期望的，而是一種噪聲。但由于電路特性關(guān)系，這些小尖峰脈沖還不致于使數(shù)字電路的邏輯受到影響而發(fā)生混亂，所以可以認(rèn)為是沒有干擾。

   當(dāng)一個(gè)噪聲電壓大到足以使電路受到干擾時(shí)，該噪聲電壓就稱為干擾電壓。而一個(gè)電路或一個(gè)器件，當(dāng)它還能保持正常工作時(shí)所加的最大噪聲電壓，稱為該電路或器件的抗干擾容限或抗擾度。一般說來，噪聲很難消除，但可以設(shè)法降低噪聲的強(qiáng)度或提高電路的抗擾度，以使噪聲不致于形成干擾。

電子電路中噪聲的產(chǎn)生如何抑制

   這個(gè)東西主要是由于電路中的數(shù)字電路和電源部分產(chǎn)生的。在數(shù)字電路中，普遍存在高頻的數(shù)字電平，這些電平可以產(chǎn)生兩種噪聲：

• 電磁輻射，就像電視的天線一樣，通過發(fā)射電磁波來干擾旁邊的電路，也就是你說的噪聲。
  

• 耦合噪聲，指數(shù)字電路和旁邊的電路存在一定的耦合，噪聲可以直接在電器上直接影響其他的電路，這種噪聲更厲害。

   電源上存在的噪聲：如果是線性電源，首先低頻的50Hz就是一個(gè)嚴(yán)重的干擾源。由于初級(jí)進(jìn)來的交流電本身就不純凈，而且是波浪的正弦波，容易對(duì)旁邊的電路產(chǎn)生電磁干擾，也就是電磁噪聲。如果是開關(guān)電源的話噪聲更嚴(yán)重，開關(guān)電源工作在高頻狀態(tài)，并且在輸出部分存在很臟的諧波電壓，這些對(duì)整個(gè)的電路都能產(chǎn)生很大的噪聲。

   防止方法：合理地接地、采用差分結(jié)構(gòu)傳輸模擬信號(hào)、在電路的電源輸出端加去耦電容、采用電磁屏蔽技術(shù)、模擬數(shù)字地分開、信號(hào)線兩邊走底線、地線隔離等等。其實(shí)我說的這些在去除噪聲的方面只是冰山一角，就算是玩了30年電子的人也不會(huì)完（）全掌握所有的這類技術(shù)，因?yàn)槔斫庹莆者@類東西需要很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)和相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)，不過我告訴你的這些在大體上已經(jīng)足夠了。

   本底噪聲是由電路本身引起的，由于電源的不純凈，電路的相位裕度和增益裕度不合適等等電路本身和器件的原因。這部分需要在電路設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行改進(jìn)。

   其他噪聲是由于電路布局布線不合理等等認(rèn)為因素，電磁兼容，導(dǎo)線間干擾等等。

   模擬電路噪聲的消除更多地依賴于經(jīng)驗(yàn)而非科學(xué)依據(jù)。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常遇到的情況是電路的模擬硬件部分設(shè)計(jì)出來以后，卻發(fā)現(xiàn)電路中的噪聲太大，而不得不重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和布線。這種“試試看"的設(shè)計(jì)方法在幾經(jīng)周折之后最終也能獲得成功。不過，避免噪聲問題的更好方法是在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行決策時(shí)就遵循一些基本的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并運(yùn)用與噪聲相關(guān)的基本原理等知識(shí)。

低噪聲前置放大器電路的設(shè)計(jì)方法

   前置放大器在音頻系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。本文首先講解了在為家庭音響系統(tǒng)或PDA設(shè)計(jì)前置放大器時(shí)，工程師應(yīng)如何恰當(dāng)選取元件。隨后，詳盡分析了噪聲的，為設(shè)計(jì)低噪聲前置放大器提供了指導(dǎo)方針。最后，以PDA麥克風(fēng)的前置放大器為例，列舉了設(shè)計(jì)步驟及相關(guān)注意事項(xiàng)。

   前置放大器是指置于信源與放大器級(jí)之間的電路或電子設(shè)備，例如置于光盤播放機(jī)與高級(jí)音響系統(tǒng)功率放大器之間的音頻前置放大器。前置放大器是專為接收來自信源的微弱電壓信號(hào)而設(shè)計(jì)的，已接收的信號(hào)先以較小的增益放大，有時(shí)甚至在傳送到功率放大器級(jí)之前便先行加以調(diào)節(jié)或修正，如音頻前置放大器可先將信號(hào)加以均衡及進(jìn)行音調(diào)控制。無論為家庭音響系統(tǒng)還是PDA設(shè)計(jì)前置放大器，都要面對(duì)一個(gè)十分頭疼的問題，即究竟應(yīng)該采用哪些元件才恰當(dāng)？

元件選擇原則

   由于運(yùn)算放大器集成電路體積小巧、性能（）卓（）越，因此目前許多前置放大器都采用這類運(yùn)算放大器芯片。我們?yōu)橐繇懴到y(tǒng)設(shè)計(jì)前置放大器電路時(shí)，必須清楚知道如何為運(yùn)算放大器選定適當(dāng)?shù)募夹g(shù)規(guī)格。在設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常會(huì)面臨以下問題。

• 是否有必要采用高精度的運(yùn)算放大器？

   輸入信號(hào)電平振幅可能會(huì)超過運(yùn)算放大器的錯(cuò)誤容限，這并非運(yùn)算放大器所能接受。若輸入信號(hào)或共模電壓太微弱，設(shè)計(jì)師應(yīng)該采用補(bǔ)償電壓(Vos)極低而共模抑制比(CMRR)極（）高的高精度運(yùn)算放大器。是否采用高精度運(yùn)算放大器取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要達(dá)到多少倍的放大增益，增益越大，便越需要采用較高準(zhǔn)確度的運(yùn)算放大器。

• 運(yùn)算放大器需要什么樣的供電電壓？

   這個(gè)問題要看輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)電壓范圍、系統(tǒng)整體供電電壓大小以及輸出要求才可決定，但不同電源的不同電源抑制比(PSRR)會(huì)影響運(yùn)算放大器的準(zhǔn)確性，其中以采用電池供電的系統(tǒng)所受影響最大。此外，功耗大小也與內(nèi)部電路的靜態(tài)電流及供電電壓有直接的關(guān)系。

• 輸出電壓是否需要滿擺幅？

   低供電電壓設(shè)計(jì)通常都需要滿擺幅的輸出，以便充分利用整個(gè)動(dòng)態(tài)電壓范圍，以擴(kuò)大輸出信號(hào)擺幅。至于滿擺幅輸入的問題，運(yùn)算放大器電路的配置會(huì)有自己的解決辦法。由于前置放大器一般都采用反相或非反相放大器配置，因此輸入無需滿擺幅，原因是共模電壓(Vcm)永遠(yuǎn)小于輸出范圍或等于零(只有極少例外，例如設(shè)有浮動(dòng)接地的單供電電壓運(yùn)算放大器)。

• 增益帶寬的問題是否更令人憂慮？

   是的，尤其是對(duì)于音頻前置放大器來說，這是一個(gè)非常令人憂慮的問題。由于人類聽覺只能察覺大約由20Hz至20kHz頻率范圍的聲音，因此部分工程師設(shè)計(jì)音頻系統(tǒng)時(shí)會(huì)忽略或輕視這個(gè)“范圍較窄"的帶寬。事實(shí)上，體現(xiàn)音頻器件性能的重要技術(shù)參數(shù)如低總諧波失真(THD)、快速轉(zhuǎn)換率(slewrate)以及低噪聲等都是高增益帶寬放大器所必須具備的條件。

深入了解噪聲

   在設(shè)計(jì)低噪聲前置放大器之前，工程師必須仔細(xì)審視源自放大器的噪聲，一般來說，運(yùn)算放大器的噪聲主要來自四個(gè)方面：

• 熱噪聲(Johnson)：由于電導(dǎo)體內(nèi)電流的電子能量不規(guī)則波動(dòng)產(chǎn)生的具有寬帶特性的熱噪聲，其電壓均方根值的正方與帶寬、電導(dǎo)體電阻及絕對(duì)溫度有直接的關(guān)系。對(duì)于電阻及晶體管(例如雙極及場(chǎng)效應(yīng)晶體管)來說，由于其電阻值并非為零，因此這類噪聲影響不能忽視。

• 閃爍噪聲(低頻)：由于晶體表面不斷產(chǎn)生或整合載流子而產(chǎn)生的噪聲。在低頻范圍內(nèi)，這類閃爍以低頻噪聲的形態(tài)出現(xiàn)，一旦進(jìn)入高頻范圍，這些噪聲便會(huì)變成“白噪聲"。閃爍噪聲大多集中在低頻范圍，對(duì)電阻器及半導(dǎo)體會(huì)造成干擾，而雙極芯片所受的干擾比場(chǎng)效應(yīng)晶體管大。

• 射擊噪聲(肖特基)：肖特基噪聲由半導(dǎo)體內(nèi)具有粒子特性的電流載流子所產(chǎn)生，其電流的均方根值正方與芯片的平均偏壓電流及帶寬有直接的關(guān)系。這種噪聲具有寬帶的特性。

• 爆玉米噪聲(popcornfrequency)：半導(dǎo)體的表面若受到污染便會(huì)產(chǎn)生這種噪聲，其影響長(zhǎng)達(dá)幾毫秒至幾秒，噪聲產(chǎn)生的原因仍然未明，在正常情況下，并無一定的模式。生產(chǎn)半導(dǎo)體時(shí)若采用較為潔凈的工藝，會(huì)有助減少這類噪聲。

此外，由于不同運(yùn)算放大器的輸入級(jí)采用不同的結(jié)構(gòu)，因此晶體管結(jié)構(gòu)上的差異令不同放大器的噪聲量也大不相同。下面是兩個(gè)具體例子。

雙極輸入運(yùn)算放大器的噪聲：噪聲電壓主要由電阻的熱噪聲以及輸入基極電流的高頻區(qū)射擊噪聲所造成，低頻噪聲電平大小取決于流入電阻的輸入晶體管基極電流產(chǎn)生的低頻噪聲；噪聲電流主要由輸入基極電流的射擊噪聲及電阻的低頻噪聲所產(chǎn)生。

CMOS輸入運(yùn)算放大器的噪聲：噪聲電壓主要由高頻區(qū)通道電阻的熱噪聲及低頻區(qū)的低頻噪聲所造成，CMOS放大器的轉(zhuǎn)角頻率(cornerfrequency)比雙極放大器高，而寬帶噪聲也遠(yuǎn)比雙極放大器高；噪聲電流主要由輸入門極漏電的射擊噪聲所產(chǎn)生，CMOS放大器的噪聲電流遠(yuǎn)比雙極放大器低，但溫度每升高10(C，其噪聲電流便會(huì)增加約40%。

工程師必須深入了解噪聲問題及進(jìn)行大量計(jì)算，才可將這些噪聲化為數(shù)字準(zhǔn)確表達(dá)出來。為了避免將問題復(fù)雜化，這里只選用音頻技術(shù)規(guī)格最關(guān)鍵的幾個(gè)參數(shù)。

上述方程式中的S及N均為功率。

運(yùn)算放大器電路中固有噪聲的分析與測(cè)量

我們可將噪聲定義為電子系統(tǒng)中任何不需要的信號(hào)。噪聲會(huì)導(dǎo)致音頻信號(hào)質(zhì)量下降以及精確測(cè)量方面的錯(cuò)誤。板級(jí)與系統(tǒng)級(jí)電子設(shè)計(jì)工程師希望能確定其設(shè)計(jì)方案在最差條件下的噪聲到底有多大，并找到降低噪聲的方法以及準(zhǔn)確確認(rèn)其設(shè)計(jì)方案可行性的測(cè)量技術(shù)。

噪聲包括固有噪聲及外部噪聲，這兩種基本類型的噪聲均會(huì)影響電子電路的性能。外部噪聲來自外部噪聲源，典型例子包括數(shù)字交換、60Hz噪聲以及電源交換等。固有噪聲由電路元件本身生成，最常見的例子包括寬帶噪聲、熱噪聲以及閃爍噪聲等。本系列文章將介紹如何通過計(jì)算來預(yù)測(cè)電路的固有噪聲大小，如何采用SPICE模擬技術(shù)，以及噪聲測(cè)量技術(shù)等。