噪音放大器原理及知识问答

2010-07-12 15:35:51来源: 中电网 关键字:放大器  量化噪声  ADC

    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。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

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。

关键字:放大器  量化噪声  ADC

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/0712/article_2383.html
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