实用噪声放大器原理
时间：2010-06-23 12:14:46
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[导读]放大器噪声分为两类：一种是电压噪声（VX），另一种是电流噪声（IX）。在实际电路中，放大器由许多晶体管组成，所有这些晶体管都有噪声。幸运的是，所有晶体管的噪声都可以折合到放大器的输入端。
IC的噪声有两种类型：一种是外部噪声，来源于IC外部；另一种是内部噪声，来源于器件本身。
外部噪声
一些工程师认为外部噪声不应该被称为噪声，因为它不是随机产生的，使用“干扰”一词也许更恰当。首先，简单谈谈三种外部噪声的主要来源：
RFI耦合
环境中充斥着各种电磁波，虽然这些射频干扰信号通常在目标带宽以外，但器件的非线性有时会调整这些信号，将其带入目标区域中。特别是连接传感器的引线较长时，噪声一般会从输入引线进入电路。
抑制射频干扰的办法包括：输入端滤波、屏蔽和采用双绞线输入。
电源噪声
电子电路抑制电源线信号的能力有限，尤其是频率较高时，因此必须先消除电源线上的高频干扰，使其无法到达低噪声电路。可以对电源进行适当滤波以及IC本身采取良好的旁路措施来实现。敏感模拟电路与数字逻辑应采用不同的电源，至少应深度滤波。
接地环路
我们经常可以从原理图上看到很多的接地符号，但必须注意，在实际电路中任何两点的电位都不可能完全相等，电流会流经地线，从而产生电位差。必须考虑电流如何流动，并将高电流路径与敏感电路隔离。例如，实用新型接地配置，或者将模拟地层与数字地层接在一个点上。
内部噪声
内部噪声来源于信号链中的电路元件，IC数据手册中相关的性能规格就是针对这种噪声。典型的内部噪声源包括传感器、电阻、放大器和模数转换器。
电阻噪声
电阻噪声分为两类：一是内部热噪声，这种噪声与电阻构造无关，仅取决于总电阻、温度和带宽，它与所施加的信号无关；二是附加电流噪声，通常被称为过量噪声，它取决于电阻的构造，与热噪声不同，电阻电流噪声与所施加的电压有关。薄膜电阻和绕线电阻具有出色的电流噪声性能，其噪声主要是内部热噪声。炭核电阻则不然，一般认为其噪声性能较差，在之后的讨论中我们将假设在低噪声设计中使用高质量薄膜电阻，因此可以忽略电流噪声，只专注于热噪声。
理想电阻的热噪声公式为：
可以看出，热噪声取决于温度、电阻、带宽和波尔兹曼常数。但在实际设计中，并不要求记住这个公式，因为我们有一个非常方便的速算法。
讨论噪声时，平方根符号会一再出现，公式中含有一个常数项，即波尔兹曼常数k。第二项是温度，请注意，噪声随温度升高而增大，此温度的单位为k，因此温度对噪声的影响可能不如想象那般大。多数工程师会忽略温度对噪声的影响，请记住你所看到的噪声规格仅针对室温有效。第三项是电阻值，最后一项是带宽。
应该记住这个公式，1kΩ电阻在室温下的热噪声为，即
无论从事何种噪声相关工作，这一算式都将使您永远受益。这个速算公式可以方便地应用于其他电阻值。
放大器噪声
图1所示为放大器噪声模型。放大器噪声分为两类：一种是电压噪声（VX），另一种是电流噪声（IX）。在实际电路中，放大器由许多晶体管组成，所有这些晶体管都有噪声。幸运的是，所有晶体管的噪声都可以折合到放大器的输入端。
图1 放大器噪声模型
电压噪声规格在数据手册中，通常以两种方式表示，分别是和。查看数据手册中的噪声特性时，必须了解它是被折合到输入端还是输出端。大部分放大器的噪声特性被折合到输入端，对于运算放大器数据手册，这几乎是默认的习惯算法。但对于其他类型的固定增益放大器（如差动放大器），噪声可能被折合到输出端。请注意，这种输入噪声会被放大器放大。例如，对于同相增益为10的放大器，输出端的噪声将是指标中给出的噪声的10倍。一些电路配置的噪声增益可能大于信号增益，反相配置就是一个很好的例子。信号增益为-1的反相配置，其噪声增益实际上为2。为了确定实际噪声增益，请将所有外部电压源短路，同时可以将噪声放大器的RTI噪声看做出现在放大器正输入端的噪声，如果以这一假设分析电路，应当能够确定噪声所接受的增益。
仪表放大器的噪声特性与运算放大器稍有不同，对于运算放大器，所有内部晶体管噪声都可以折合到输入端，换言之，所有噪声源都会按增益比例缩放。仪表放大器则不然，电路中的一些噪声会按增益比例进行缩放，其他噪声则与增益无关，这里与增益噪声相关的噪声量显示为eNI，与增益无关的噪声量显示为eNO。数据手册中有二者关系公式。
除电压噪声外，放大器还具有电流噪声。如果输入端有电阻，电流噪声将与之相互作用，产生电压噪声。譬如，大多数源电压具有一定的电阻。毕竟，将高阻抗信号源转换为低阻抗信号源是使用运算放大器的原因之一。电流噪声流经与放大器相连的电阻，产生电压噪声。一般来说，放大器的输入偏置电流越高，则电流噪声越高。
图2显示具有一定源电阻的电压跟随器配置，运算放大器的电流噪声会与信号源电阻相互作用，在输出端产生一定的额外噪声。图3显示反馈路径中的电阻如何与电流噪声相互作用，电流噪声流经反馈电阻的并联组合，在输入端产生一个额外噪声源，然后此噪声源经放大器放大到达输出端。
图2 具有一定源电阻的电压跟随器配置
图3 反馈路径中电阻与电流噪声的相互作用
模数转换器（ADC）噪声
有时候模数转换器（ADC）数据手册以Vrms或VP-P的形式提供噪声特性，但大多数情况下，该特性用噪声相对于ADC最大满量程的关系来表示，规定为信噪比（SNR）。数据手册中的噪声指标，偶尔也包括失真特性及信纳比。紧急情况下，可以使用文中提供的理想公式，但这是理论限值，永远比实际值要好。
这里的公式显示ADC的SNR数值与Vrms数值之间的换算关系，以便比较ADC与放大器的噪声。有一点必须注意，要确保使用ADC最大输入范围内的均方根噪声。
峰峰值噪声和RMS噪声
峰峰值噪声Vrms指波形中波峰与波谷点之间的距离，它仅取决于两个点，有利也有弊。有利的一面是非常容易计算，只需将最大点减去最小点；不利的一面是复验性不强，不太精确。噪声是一个随机过程，因此，这种测量实际上依赖于噪声波形的极值。采集数据的时间越长，则越有可能获得极值。均方根值噪声使用波形中的所有点，比峰峰值噪声精确得多，测量的点越多，均方根数值越精确。不利的一面是，由于要使用所有点，因此计算时间较长。
关于峰峰值和均方根值测量有一点需要注意，它们会随带宽发生较大变化，对于同一放大器，带宽越低，噪声也越低。图4清楚显示了这一点。实验中，我们测量了仪表放大器AD8222在多个不同带宽时的噪声，可以清楚的看到带宽对于噪声的影响之大。带宽每提高十倍，噪声增加三倍。由于这些测量依赖于带宽，因此有几点需要注意：首先，需要了解电路的带宽特性，需要确保测量仪器的带宽高于电路的带宽，只有这样，才能获得精确的读数。此外，使用数字万用表时，规定均方根值噪声或峰峰值噪声时，同时必须明确特定的带宽。对于绝大多数数据手册，带宽为0.1Hz至10Hz频带。
图4 AD8222在多个不同带宽时的噪声
频谱密度图使均方根测量更进一步，它实际上是将噪声测量分为不同的区间，这样便可以明确哪些频率具有较多的噪声成分。图5来自AD8295数据手册，显示了许多测量的平均组合值。由于频谱密度图将测量分为许多区间，因此需要大量的数据才能获得一张清晰的图。
图5 AD8295的频谱密度图
在较低频率时，大多数放大器的噪声曲线会斜升，噪声密度与频率成反比，因此将它称为1/f噪声。如果沿1/f斜率画一条直线，与水平噪声线相交，就可以得到1/f转折频率。
噪声计算
噪声的加法规则为噪声的平方和，假设噪声源不相关，这一假设在绝大多数情况下是成立的，噪声的乘法和除法规则与一般信号相同。
第一，在噪声计算时，有几点需要注意：室温下，1kΩ电阻对应于的噪声，这一速算公式可以方便地应用于其他电阻值，只需乘以电阻的平方根。
第二，在对信号源求和时，可以忽略较小的项。噪声加法规则为平方和，如果一个噪声信号只有主导噪声信号的1/5，则其贡献的额外噪声只有1/25。
第三点是对第一点的扩展，如果第一增益级的增益足够大，则可以忽略其后的一切噪声。
低噪声系统的设计技巧
低噪声系统设计的第一个窍门是在前级应用中尽可能多的增益，图6显示的是一个放大器前端的两个例子，增益为10。可以看出，将所有增益应用于第一级，比将增益分布于两级要好得多。请注意，有时最佳带宽性能的要求可能与最佳噪声性能的要求相冲突。对于带宽，我们希望每个增益级具有近似的增益，而对于噪声，我们则希望第一级具有全部的增益。
图6 放大器前端
第二个窍门是注意源阻抗。这样做有两个原因：第一，源阻抗越大，则系统噪声越大；第二，放大器必须与源阻抗匹配良好，如果源阻抗较高，电流噪声噪声特性可能比电压噪声特性更重要。
第三个窍门是要注意反馈电阻，如果选择超低噪声运算放大器，却使用很大的反馈电阻，则不可能实现低噪声电路，在同相（图7）或反相配置中，注意反馈电阻相当于折合到输出端的噪声源。而其他电阻则相当于输入端的电压源，更准确的说，是反相配置输入端的电压源。前文已经谈到，设计低噪声系统时，第一级应用有高增益，这种情况下Rg噪声占主导地位。
图7 同相运算放大器的噪声模型
外部噪声
一些工程师认为外部噪声不应该被称为噪声，因为它不是随机产生的，使用“干扰”一词也许更恰当。首先，简单谈谈三种外部噪声的主要来源：
RFI耦合
环境中充斥着各种电磁波，虽然这些射频干扰信号通常在目标带宽以外，但器件的非线性有时会调整这些信号，将其带入目标区域中。特别是连接传感器的引线较长时，噪声一般会从输入引线进入电路。
抑制射频干扰的办法包括：输入端滤波、屏蔽和采用双绞线输入。
电源噪声
电子电路抑制电源线信号的能力有限，尤其是频率较高时，因此必须先消除电源线上的高频干扰，使其无法到达低噪声电路。可以对电源进行适当滤波以及IC本身采取良好的旁路措施来实现。敏感模拟电路与数字逻辑应采用不同的电源，至少应深度滤波。
接地环路
我们经常可以从原理图上看到很多的接地符号，但必须注意，在实际电路中任何两点的电位都不可能完全相等，电流会流经地线，从而产生电位差。必须考虑电流如何流动，并将高电流路径与敏感电路隔离。例如，实用新型接地配置，或者将模拟地层与数字地层接在一个点上。
内部噪声
内部噪声来源于信号链中的电路元件，IC数据手册中相关的性能规格就是针对这种噪声。典型的内部噪声源包括传感器、电阻、放大器和模数转换器。
电阻噪声
电阻噪声分为两类：一是内部热噪声，这种噪声与电阻构造无关，仅取决于总电阻、温度和带宽，它与所施加的信号无关；二是附加电流噪声，通常被称为过量噪声，它取决于电阻的构造，与热噪声不同，电阻电流噪声与所施加的电压有关。薄膜电阻和绕线电阻具有出色的电流噪声性能，其噪声主要是内部热噪声。炭核电阻则不然，一般认为其噪声性能较差，在之后的讨论中我们将假设在低噪声设计中使用高质量薄膜电阻，因此可以忽略电流噪声，只专注于热噪声。
理想电阻的热噪声公式为：
可以看出，热噪声取决于温度、电阻、带宽和波尔兹曼常数。但在实际设计中，并不要求记住这个公式，因为我们有一个非常方便的速算法。
讨论噪声时，平方根符号会一再出现，公式中含有一个常数项，即波尔兹曼常数k。第二项是温度，请注意，噪声随温度升高而增大，此温度的单位为k，因此温度对噪声的影响可能不如想象那般大。多数工程师会忽略温度对噪声的影响，请记住你所看到的噪声规格仅针对室温有效。第三项是电阻值，最后一项是带宽。
应该记住这个公式，1kΩ电阻在室温下的热噪声为，即
无论从事何种噪声相关工作，这一算式都将使您永远受益。这个速算公式可以方便地应用于其他电阻值。
放大器噪声
图1所示为放大器噪声模型。放大器噪声分为两类：一种是电压噪声（VX），另一种是电流噪声（IX）。在实际电路中，放大器由许多晶体管组成，所有这些晶体管都有噪声。幸运的是，所有晶体管的噪声都可以折合到放大器的输入端。
图1 放大器噪声模型
电压噪声规格在数据手册中，通常以两种方式表示，分别是和。查看数据手册中的噪声特性时，必须了解它是被折合到输入端还是输出端。大部分放大器的噪声特性被折合到输入端，对于运算放大器数据手册，这几乎是默认的习惯算法。但对于其他类型的固定增益放大器（如差动放大器），噪声可能被折合到输出端。请注意，这种输入噪声会被放大器放大。例如，对于同相增益为10的放大器，输出端的噪声将是指标中给出的噪声的10倍。一些电路配置的噪声增益可能大于信号增益，反相配置就是一个很好的例子。信号增益为-1的反相配置，其噪声增益实际上为2。为了确定实际噪声增益，请将所有外部电压源短路，同时可以将噪声放大器的RTI噪声看做出现在放大器正输入端的噪声，如果以这一假设分析电路，应当能够确定噪声所接受的增益。
仪表放大器的噪声特性与运算放大器稍有不同，对于运算放大器，所有内部晶体管噪声都可以折合到输入端，换言之，所有噪声源都会按增益比例缩放。仪表放大器则不然，电路中的一些噪声会按增益比例进行缩放，其他噪声则与增益无关，这里与增益噪声相关的噪声量显示为eNI，与增益无关的噪声量显示为eNO。数据手册中有二者关系公式。
除电压噪声外，放大器还具有电流噪声。如果输入端有电阻，电流噪声将与之相互作用，产生电压噪声。譬如，大多数源电压具有一定的电阻。毕竟，将高阻抗信号源转换为低阻抗信号源是使用运算放大器的原因之一。电流噪声流经与放大器相连的电阻，产生电压噪声。一般来说，放大器的输入偏置电流越高，则电流噪声越高。
图2显示具有一定源电阻的电压跟随器配置，运算放大器的电流噪声会与信号源电阻相互作用，在输出端产生一定的额外噪声。图3显示反馈路径中的电阻如何与电流噪声相互作用，电流噪声流经反馈电阻的并联组合，在输入端产生一个额外噪声源，然后此噪声源经放大器放大到达输出端。
图2 具有一定源电阻的电压跟随器配置
图3 反馈路径中电阻与电流噪声的相互作用
模数转换器（ADC）噪声
有时候模数转换器（ADC）数据手册以Vrms或VP-P的形式提供噪声特性，但大多数情况下，该特性用噪声相对于ADC最大满量程的关系来表示，规定为信噪比（SNR）。数据手册中的噪声指标，偶尔也包括失真特性及信纳比。紧急情况下，可以使用文中提供的理想公式，但这是理论限值，永远比实际值要好。
这里的公式显示ADC的SNR数值与Vrms数值之间的换算关系，以便比较ADC与放大器的噪声。有一点必须注意，要确保使用ADC最大输入范围内的均方根噪声。
峰峰值噪声和RMS噪声
峰峰值噪声Vrms指波形中波峰与波谷点之间的距离，它仅取决于两个点，有利也有弊。有利的一面是非常容易计算，只需将最大点减去最小点；不利的一面是复验性不强，不太精确。噪声是一个随机过程，因此，这种测量实际上依赖于噪声波形的极值。采集数据的时间越长，则越有可能获得极值。均方根值噪声使用波形中的所有点，比峰峰值噪声精确得多，测量的点越多，均方根数值越精确。不利的一面是，由于要使用所有点，因此计算时间较长。
关于峰峰值和均方根值测量有一点需要注意，它们会随带宽发生较大变化，对于同一放大器，带宽越低，噪声也越低。图4清楚显示了这一点。实验中，我们测量了仪表放大器AD8222在多个不同带宽时的噪声，可以清楚的看到带宽对于噪声的影响之大。带宽每提高十倍，噪声增加三倍。由于这些测量依赖于带宽，因此有几点需要注意：首先，需要了解电路的带宽特性，需要确保测量仪器的带宽高于电路的带宽，只有这样，才能获得精确的读数。此外，使用数字万用表时，规定均方根值噪声或峰峰值噪声时，同时必须明确特定的带宽。对于绝大多数数据手册，带宽为0.1Hz至10Hz频带。
图4 AD8222在多个不同带宽时的噪声
频谱密度图使均方根测量更进一步，它实际上是将噪声测量分为不同的区间，这样便可以明确哪些频率具有较多的噪声成分。图5来自AD8295数据手册，显示了许多测量的平均组合值。由于频谱密度图将测量分为许多区间，因此需要大量的数据才能获得一张清晰的图。
图5 AD8295的频谱密度图
在较低频率时，大多数放大器的噪声曲线会斜升，噪声密度与频率成反比，因此将它称为1/f噪声。如果沿1/f斜率画一条直线，与水平噪声线相交，就可以得到1/f转折频率。
噪声计算
噪声的加法规则为噪声的平方和，假设噪声源不相关，这一假设在绝大多数情况下是成立的，噪声的乘法和除法规则与一般信号相同。
第一，在噪声计算时，有几点需要注意：室温下，1kΩ电阻对应于的噪声，这一速算公式可以方便地应用于其他电阻值，只需乘以电阻的平方根。
第二，在对信号源求和时，可以忽略较小的项。噪声加法规则为平方和，如果一个噪声信号只有主导噪声信号的1/5，则其贡献的额外噪声只有1/25。
第三点是对第一点的扩展，如果第一增益级的增益足够大，则可以忽略其后的一切噪声。
低噪声系统的设计技巧
低噪声系统设计的第一个窍门是在前级应用中尽可能多的增益，图6显示的是一个放大器前端的两个例子，增益为10。可以看出，将所有增益应用于第一级，比将增益分布于两级要好得多。请注意，有时最佳带宽性能的要求可能与最佳噪声性能的要求相冲突。对于带宽，我们希望每个增益级具有近似的增益，而对于噪声，我们则希望第一级具有全部的增益。
图6 放大器前端
第二个窍门是注意源阻抗。这样做有两个原因：第一，源阻抗越大，则系统噪声越大；第二，放大器必须与源阻抗匹配良好，如果源阻抗较高，电流噪声噪声特性可能比电压噪声特性更重要。
第三个窍门是要注意反馈电阻，如果选择超低噪声运算放大器，却使用很大的反馈电阻，则不可能实现低噪声电路，在同相（图7）或反相配置中，注意反馈电阻相当于折合到输出端的噪声源。而其他电阻则相当于输入端的电压源，更准确的说，是反相配置输入端的电压源。前文已经谈到，设计低噪声系统时，第一级应用有高增益，这种情况下Rg噪声占主导地位。
图7 同相运算放大器的噪声模型
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