電路噪聲
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(lái)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(shuō)，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(wú)線電波信號(hào)，對(duì)需要接收這種信號(hào)的接收機(jī)來(lái)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(yǔ)，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(méi)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(shuō)來(lái)，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：
1、電磁輻射，就像電視的天線一樣，通過(guò)發(fā)射電磁波來(lái)干擾旁邊的電路，也就是你說(shuō)的噪聲。
2、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(lái)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(shuō)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(guò)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(lái)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(guò)，避免噪聲問(wèn)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，詳盡分析了噪聲的來(lái)源，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(lái)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(wú)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(wèn)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(guò)程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常會(huì)面臨以下問(wèn)題。
1、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(guò)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。
2、運(yùn)算放大器需要什么樣的供電電壓？
這個(gè)問(wèn)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。
3、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(wèn)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(wú)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)。
4、增益帶寬的問(wèn)題是否更令人憂慮？
是的，尤其是對(duì)于音頻前置放大器來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常令人憂慮的問(wèn)題。由于人類聽覺(jué)只能察覺(jué)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(lái)說(shuō)，運(yùn)算放大器的噪聲主要來(lái)自四個(gè)方面：
1、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(lái)說(shuō)，由于其電阻值并非為零，因此這類噪聲影響不能忽視。
2、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。
3、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。
4、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(wú)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(wèn)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(lái)。為了避免將問(wèn)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。
PDA麥克風(fēng)前置放大器電路
在這里我們討論一下如何設(shè)計(jì)一款適合PDA采用的麥克風(fēng)前置放大器，正如上文所述，我們必須明白信源是輸入前置放大器的信號(hào)。首先，我們必須知道以下信息：
計(jì)劃采用的麥克風(fēng)類型
麥克風(fēng)輸出信號(hào)電平
麥克風(fēng)阻抗及指定阻抗的頻率
增益規(guī)定，有關(guān)增益可能受運(yùn)算放大器的增益帶寬積所限制
輸入信號(hào)頻率范圍
噪聲規(guī)定
例如某種陶瓷麥克風(fēng)的技術(shù)規(guī)格如下：
阻抗：2.2k((以1kHz的頻率操作)
輸出信號(hào)：200(Vpp
音頻輸入頻率范圍：100Hz至4kHz
熱噪聲：2nV/(Hz前置放大器的增益指標(biāo)：500(非反相)，第一級(jí)可達(dá)5倍增益，第二級(jí)可達(dá)100倍增益。
我們引用公式1：
等量輸入噪聲(EIN)＝輸入?yún)⒄赵肼暱偭?)×輸入頻率范圍
輸出噪聲=等量輸入噪聲×增益=545.81nV×5=2.73uV(適用于1級(jí)增益)或545.81nV×100=54.58uV(適用于2級(jí)增益)。
兩個(gè)放大級(jí)的輸出噪聲總量
1伏輸出電壓的信噪比電平=20×log(1V÷54.58uV)≈85.3dB
電路輸出噪聲總量大約是每一噪聲源均方根的平均均方值總和的平方根，此外輸出噪聲通常絕大部分來(lái)自噪聲量最大的信源。實(shí)際電路如圖2所示。
圖2MIC前置放大器電路圖
請(qǐng)注意，這款電路只適用于單電源供電的設(shè)計(jì)，其中輸入及輸出電容器(C1及C4)只是選項(xiàng)，工程師可根據(jù)實(shí)際情況考慮選用。適用與否取決于用戶系統(tǒng)的輸入與輸出如何連接。若麥克風(fēng)輸出設(shè)有直流補(bǔ)償，那么便需要增設(shè)C1輸入電容器，以便阻塞直流電信號(hào)。輸出電容器也可發(fā)揮相同的作用。
目前市場(chǎng)上出售的麥克風(fēng)大部分以2k(左右的高阻抗麥克風(fēng)以及只有幾百(的低阻抗麥克風(fēng)為主，這兩類麥克風(fēng)都可采用上述前置放大器設(shè)計(jì)。高阻抗高輸出麥克風(fēng)前置放大器較為簡(jiǎn)單，可以采用非反相或反相放大器配置。由于其頻率響應(yīng)較為平坦，因此無(wú)需特別加以均衡，而且輸入電平較大，放大器對(duì)噪聲的要求很低，但高阻抗麥克風(fēng)對(duì)來(lái)歷不明的噪聲及磁場(chǎng)極為敏感。低阻抗低輸出麥克風(fēng)前置放大器也可采用非反相或反相放大器將輸入信號(hào)放大，頻率響應(yīng)及均衡等方面的要求都與高阻抗高輸出的前置放大器大致相同。如果麥克風(fēng)的輸出電平較低，工程師必須注意選用低噪聲的運(yùn)算放大器。如性能較好的低噪聲運(yùn)算放大器應(yīng)該產(chǎn)生較低的輸入?yún)⒄针妷涸肼暎以肼暡粦?yīng)超過(guò)10nV/((Hz)。
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(lái)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(jiàn)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(guò)計(jì)算來(lái)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。 |
