工程師必須知道如何處理放大器噪聲等實(shí)用技巧知識(shí)點(diǎn)

　　噪聲是電子設(shè)計(jì)中必須處理等信號(hào)之一，我們都知道放大器的噪聲有兩種類型：一種是外部噪聲，來(lái)源于放大器外部；另一種是內(nèi)部噪聲，來(lái)源于器件本身，處理放大器的噪聲對(duì)于提升電子產(chǎn)品的性能至關(guān)重要，這里我們以問(wèn)答形式對(duì)放大器噪聲原理進(jìn)行闡述，并闡述一些如何處理放大器噪聲等實(shí)用技巧。

　　Q1 ［問(wèn)：］ 放大器的內(nèi)部噪音如何進(jìn)行精確測(cè)量？它和那些因素有關(guān)？在測(cè)試時(shí)需要注意那些問(wèn)題？

　?。鄞穑海?對(duì)于放大器的噪聲的測(cè)量，一般來(lái)講就是把放大器的輸入接0，輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，然后用高精度的ADC來(lái)采樣做FFT，或者示波器看輸出的情況。

　　Q2［問(wèn)：］ 在判斷放大器的性能時(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)。

　　Q3［問(wèn)：］ 可否詳細(xì)介紹下放大器等噪聲原理？謝謝！

　　［答：］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。

　　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。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(wú)關(guān)，這里與增益噪聲相關(guān)的噪聲量顯示為eNI，與增益無(wú)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(lái)說(shuō)，放大器的輸入偏置電流越高，則電流噪聲越高。

　　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。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。

　　運(yùn)算放大器電路圖：包含 單電源、低壓、低功耗運(yùn)算

　　Q4 ［問(wèn)：］ 用運(yùn)放設(shè)計(jì)放大器時(shí)，如何估算其輸入輸出阻抗？希望能用實(shí)用的一些指標(biāo)表達(dá)出來(lái)。其低噪跟放大倍數(shù)的關(guān)系？謝謝

　　［答：］ 通常，對(duì)于運(yùn)放器件，我們認(rèn)為其輸入阻抗無(wú)窮大，輸出阻抗為0，（可以參考具體型號(hào)的數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)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(gè)條件來(lái)計(jì)算。

　　噪聲方面，一般手冊(cè)里給出的都是RTI的指標(biāo)，就是從輸入端看到的噪聲，所以，輸出的噪聲都會(huì)被乘上放大倍數(shù)。

　　Q5［問(wèn)：］ 我用的事opa2350放大器，測(cè)輸入是干凈的，輸出波形伴有200mv的雜波，可能是從哪里傳入的？ 如果是旁邊的電阻或放大器本身產(chǎn)生的該如何避免。

　?。鄞穑海?原因可能很多，但一般情況下不會(huì)有這么大的雜波，建議你仔細(xì)檢查一下電路設(shè)置，尤其是增益配置，盡量將其配置成增益大于1，以提高電路的穩(wěn)定性，如果是電阻熱噪聲大的話，可以考慮適當(dāng)降低阻值，運(yùn)放本身的特性是無(wú)法改變的。

　　Q6［問(wèn)：］ 如何降低器件的內(nèi)部噪聲以及削弱外部噪聲？

　?。鄞穑海?器件的內(nèi)部噪聲改變不了，你可以通過(guò)選擇外部的帶寬來(lái)限制外部的噪聲

　?。跶7問(wèn)：］ 電容性傳感器和輸入放大器間的功率匹配和噪聲匹配低電容性傳感器工作在低頻時(shí)呈現(xiàn)很高的輸出阻抗，這就需要輸入放大器也具有高阻抗輸入特性，但高輸入阻抗又和低噪聲設(shè)計(jì)相矛盾，請(qǐng)問(wèn)怎樣合理解決這個(gè)問(wèn)題。

　　［答：］ 您好，容性傳感器本身會(huì)根據(jù)其容值的大小，改善信號(hào)噪聲（kT/C），而運(yùn)放輸入端本身沒(méi)有必要使用較大的阻抗，也可根據(jù)運(yùn)放的帶寬加輸入濾波以改善噪聲。

　　Q8［問(wèn)：］ 我有一款利用 ad620和op07組成的二階或者四階低通濾波器，模數(shù)轉(zhuǎn)換用的是AD7732，基準(zhǔn)電壓用的是AD7732數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦的芯片，采樣率在250Hz以內(nèi)，微處理控制器是ATMEGA128，輸出的波形會(huì)產(chǎn)生一秒鐘一次（1Hz）的向上脈沖噪聲，經(jīng)檢查肯定是內(nèi)部電路產(chǎn)生的噪聲，但不知道是什么引起的，請(qǐng)問(wèn)是什么原因產(chǎn)生這噪聲，如何消除？

　　［答：］ 這樣的問(wèn)題，首先要看一下是硬件的電路的問(wèn)題，還是ADC采樣的問(wèn)題。您可以先用示波器看一下AD7732輸入端的信號(hào)，看看是否正常。如果輸入沒(méi)有問(wèn)題，那么就要檢查ADC了，問(wèn)題可能會(huì)出在軟件上。

　　Q9［問(wèn)：］ 憑您的經(jīng)驗(yàn)，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濾波簡(jiǎn)單，但是濾波的效果不如有源的那么理想，而且有源的可以對(duì)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行放大，而無(wú)源的做不到這點(diǎn)。

　　Q10［問(wèn)：］ 請(qǐng)問(wèn)專家，知道了噪音的來(lái)源，如何有效地降低放大器的整體噪音？謝謝！

　?。鄞穑?知道了噪聲的來(lái)源，您需要分析，系統(tǒng)占主要部分的噪聲在哪里。針對(duì)這一部分噪聲，就可以想辦法通過(guò)濾波或者選擇更高精度的運(yùn)放來(lái)降低噪聲。

　　Q11［問(wèn)：］ 請(qǐng)問(wèn)目前最小噪聲，同時(shí)又要最大的增益帶寬積的集成運(yùn)算放大器是哪個(gè)型號(hào)？謝謝！

　　［答：］ 一般增益帶寬積和噪聲是很難同時(shí)達(dá)到最高性能的，取決于您系統(tǒng)精度和帶寬的需要，您可以看看AD8221和AD8228是否滿足您的需求。

　　Q12［問(wèn)：］ 噪聲分析、誤差分析中，什么類型的噪聲、誤差可以用均方根計(jì)算，什么類型的噪聲需要直接加在總噪聲中？

　?。鄞穑海?系統(tǒng)中任何部分的噪聲都要以矢量的形式疊加在總噪聲中。

　　Q13［問(wèn)：］ 了解這些噪聲參數(shù)，在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)，有啥具體意義？

　?。鄞穑海?可以對(duì)你處理系統(tǒng)的噪聲有幫助，對(duì)于高精度的設(shè)計(jì)，噪聲參數(shù)很重要。

　　Q14［問(wèn)：］ ADC的量化噪音如何考慮？

　?。鄞穑海?量化噪聲是理論上存在的，是無(wú)法去除的，這也是理論信噪比6.02N+1.76的來(lái)源。

　　Q15 ［問(wèn)：］ 放大器中還能應(yīng)用電容和電感器件，這兩種元件的噪音如考慮和描述？

　?。鄞穑海?這個(gè)問(wèn)題不太確定，電感和電容這兩種元件肯定是有噪聲的，但一般都不會(huì)考慮。

　　Q16 ［問(wèn)：］ 信號(hào)源的內(nèi)阻有500M歐，信號(hào)大小50mv左右，如何設(shè)計(jì)放大電路及設(shè)計(jì)PCB

　?。鄞穑海?這種情況下，要選擇輸入阻抗大，輸入偏置電流小的運(yùn)放，可以試一下AD549.

　　Q17［問(wèn)：］ 剛?cè)腴T(mén)，請(qǐng)問(wèn)射頻放大器一般都是功率放大（我理解為低供電電壓下放大的是電流，對(duì)嗎？），可是有些元件要求輸入射頻信號(hào)的電壓為5V，請(qǐng)問(wèn)如何實(shí)現(xiàn)？

　?。鄞穑?放大的是電壓還是電流與供電電壓無(wú)關(guān)，如果某些功率器件要求信號(hào)有一定的輸入功率的話，可以考慮用predriver， 比如ADL5323等。

　　Q18［問(wèn)：］ 溫度對(duì)噪聲的影響是否可以忽略？在做設(shè)計(jì)時(shí)，哪些對(duì)噪聲的影響是需要特別注意的？

　?。鄞穑海?在大多數(shù)的情況下是可以忽略溫度的影響的。在設(shè)計(jì)時(shí)，您要考慮電阻的噪聲性能。還要了解電路的帶寬特性，從而減小電壓噪聲。

　　Q19［問(wèn)：］ 請(qǐng)專家介紹放大器的噪聲源與溫度的關(guān)系。謝謝！

　?。鄞穑海?一般在放大器的芯片資料中，會(huì)給出在常溫下的電壓噪聲密度和電流噪聲密度，但不會(huì)給出噪聲隨溫度變化的關(guān)系。

　　Q20［問(wèn)：］ 差分信號(hào)進(jìn)入ADC芯片，怎樣才能保證兩差分信號(hào)自動(dòng)均衡呢？

　?。鄞穑海?ADC的driver芯片就可以保證差分信號(hào)均衡。

　　Q21［問(wèn)：］ 在電路設(shè)計(jì)中，實(shí)際調(diào)試時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)信號(hào)串?dāng)_的問(wèn)題，不知道這種問(wèn)題信號(hào)干擾的途徑一般是什么，怎么可以減少這種情況的發(fā)生？謝謝！

　?。鄞穑海?可以考慮用屏蔽體或加地屏蔽的方法來(lái)改善串?dāng)_的問(wèn)題。

　　Q22［問(wèn)：］ 高帶寬下，如何能降低噪聲呢？

　　［答：］ 帶寬盡量設(shè)計(jì)窄一點(diǎn)，否則噪聲沒(méi)法減小

　　Q23［問(wèn)：］ 差分放大器的噪音是否要比單端放大器的要低？為什么？

　?。鄞穑海?不能保證，噪聲跟運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)、增益、帶寬等相關(guān)，運(yùn)放噪聲大小沒(méi)有一定之規(guī)，應(yīng)用是還是依據(jù)datasheet上的等效輸入噪聲來(lái)衡量。