噪音放大器原理及知识问答

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

问答选编

问： 放大器的内部噪音如何进行精确测量？它和哪些因素有关？在测试时需要注意那些问题？

答：对于放大器的噪声的测量，一般来讲就是把放大器的输入接0，输出经过一个低通滤波器，然后用高精度的ADC来采样做FFT，或者用示波器看输出的情况。

问：在判断放大器的性能时，主要应参考哪儿个噪声参数呢？

答：要考虑传感器、电阻、放大器和ADC的各个噪音参数。

问：用运放设计放大器时，如何估算其输入输出阻抗？

答：通常，对于运放器件，我们认为其输入阻抗无穷大，输出阻抗为0（可以参考具体型号的数据手册来查询具体的数值）。所以电路的输入输出阻抗可以基于这个条件来计算。

问：如何降低器件的内部噪声以及削弱外部噪声？

答：器件的内部噪声改变不了，可以通过选择外部的带宽来限制外部的噪声。

问：LC电路滤波与运算放大器电路滤波各有什么特点，各用在哪些场合？

答： LC滤波简单，但是滤波的效果不如有源的那么理想。而且有源滤波可以对信号同时进行放大，而无源的做不到这点。

问：ADC的量化噪音如何考虑？

答：量化噪声是理论上存在的，是无法去除的，这也是理论信噪比6.02N+1.76的来源。

问：如何测量噪声才最准确，不会引入测量噪声呢？

答：如果想得到最准确的噪音，要利用均方根值测量方法。这样的方法会将所有的噪音都计算在内，但是缺点是测量时间较长，数据量大。

问：如何通过单点接地或者多点接地来消除噪声，它们有什么区别？

答：单点接地指的是只在芯片电源脚处将地接在一块，这是为了防止数字电源的地回流影响模拟电路的地，也会用在模拟数字芯片在一块板子上的情况下，因为两个地必须最终连在一起，所以一般选在模拟和数字地的交界处。多点接地指的是芯片的接地脚应采用就近接地，不需要引很长的线再接到地上。

问：A/D转换器的模拟地和数字地如何分割才能更好的降低噪声？

答：关于模拟地与数字地是否需要分割的问题，业界没有定论。有的就是一个地平面，有的则分为两个区域在ADC下面用短线连接，方法多样。要注意模拟和数字部分器件尽量分开，保持一定距离，模拟信号和数字信号不要交叉走线，电源的滤波电容要尽量靠近芯片。