注意！電路噪聲原來（lái）是這麽回事！

噪聲（shēng）的產生

   對於電子線路（lù）中所標（biāo）稱的噪聲，可以概括地認為，它是對目的信號以（yǐ）外的所有信號的一個總稱（chēng）。最初人們把造成收音機這（zhè）類音響設備所發出噪聲的那些電子信號，稱為噪聲。但是，一些非（fēi）目的的電子信號對電子線路造成的後（hòu）果（guǒ）並非都和聲（shēng）音有關，因而，後來（lái）人們逐步擴大了噪聲概念（niàn）。

   例如，把造（zào）成視屏幕有白班呀條紋的那些電子信號也（yě）稱為噪聲。可能以（yǐ）說，電路中除目的的信號以外的一切信號，不管它對（duì）電路是否（fǒu）造成影響，都可（kě）稱為噪聲。

   例如，電源電壓中的紋波或自激振蕩，可對電路造成不良影響，使音（yīn）響裝置發出交流聲或導致電路誤動作，但有時（shí）也（yě）許（xǔ）並不導致上述後果。對於這種紋波或振蕩（dàng），都應稱為（wéi）電路的一種噪聲。又有某一頻率的無線電波信號，對需要接收這種信號的接收（shōu）機來講（jiǎng），它是正常的目（mù）的信號，而對另一接收機它就是一種（zhǒng）非目的信號，即是噪聲（shēng）。

   在電子學中常使用幹擾這個術語，有時會與噪聲的概念相（xiàng）混淆，其實，是有區別的。噪聲是一種電子信號，而幹（gàn）擾是指的某種（zhǒng）效應，是由於噪聲原因對電路造成的一種不良反應。而電（diàn）路中存在著噪聲，卻不（bú）一定（dìng）就有幹擾。在數字電路中。往往可以用示波器觀察到在正常的脈衝信號上混有一些小的尖峰脈衝是所不期望的，而是一種（zhǒng）噪聲。但由於電路特性關係，這些小尖峰脈衝還不致於使數字電路的邏輯受到影響（xiǎng）而發生混亂，所以可以認為（wéi）是沒有幹擾。

   當一個噪聲（shēng）電壓大到足以（yǐ）使電路受到幹擾時，該噪聲電壓就稱為（wéi）幹擾電壓。而一個電路或一（yī）個器件，當它還能保持（chí）正常工作時（shí）所加的最大噪聲電壓（yā），稱（chēng）為該電（diàn）路或器件的抗幹擾（rǎo）容限或抗擾度。一（yī）般說來（lái），噪聲很難消除，但可以設法降（jiàng）低噪聲的強度（dù）或提高電路的抗（kàng）擾度，以使噪聲不致於形成幹擾。

電子（zǐ）電（diàn）路中噪聲（shēng）的產生如何抑製

   這個東西主要（yào）是由於電路中的數（shù）字電路和電源部分產生的。在數字電（diàn）路中，普（pǔ）遍存在高頻的數字電平，這些電平可以產（chǎn）生（shēng）兩種噪聲：

• 電磁輻射，就像（xiàng）電視的（de）天線一樣（yàng），通過發射電磁波來幹擾旁邊的電路，也就是你說的（de）噪聲。
  

• 耦合噪聲，指數字電路和旁邊的電路存在（zài）一定的耦合（hé），噪聲可以直接（jiē）在電（diàn）器上直接影（yǐng）響其他的電路，這種噪聲更厲害。

   電（diàn）源上存在的噪聲：如果是線性電源，首先低頻（pín）的50Hz就是一個（gè）嚴重的幹擾源。由於（yú）初級進（jìn）來的交流電本身就（jiù）不純淨，而且是波浪的正弦波（bō），容易對旁邊的電路產生電磁幹擾（rǎo），也就是電（diàn）磁噪（zào）聲。如果是開關電源的（de）話噪聲更（gèng）嚴重，開關電源工作在高頻狀態，並且在輸（shū）出部分存在很髒的諧波電壓，這些對整個的電路都能產生很大的（de）噪聲。

   防（fáng）止方法：合理地（dì）接（jiē）地、采用差分結構傳輸模擬信號、在電路的電源輸出端加去耦電（diàn）容、采用電磁屏蔽技術、模擬（nǐ）數字地分開、信號線兩邊走底線、地線隔離等等。其實我說的這些在（zài）去除噪聲的方麵隻是冰山一（yī）角，就算（suàn）是（shì）玩了30年電子的人也不會完（wán）（）全掌握所有的這類技術，因為理解掌握（wò）這類東西需要很強（qiáng）的技術基礎和相當豐富的經驗，不過我（wǒ）告訴你的這些在（zài）大體上已經足夠了。

   本底噪聲是由電路本身引起的，由於電源的不純淨，電（diàn）路（lù）的相位裕度和增益裕度不合適等（děng）等電路本（běn）身和器件的原因。這部分需要在電路設計時進行改進。

   其他噪（zào）聲是由（yóu）於電（diàn）路布局布線不（bú）合理等等認為因素，電磁兼容，導線間幹擾等等。

   模擬電路噪聲的消（xiāo）除更（gèng）多地依賴於經驗而（ér）非科學依據。設計人員（yuán）經常遇到的情況是（shì）電（diàn）路的模擬硬件部分設計出來以後，卻發現電（diàn）路中（zhōng）的噪聲太大，而不得（dé）不重新進行設計（jì）和布（bù）線。這種（zhǒng）“試試看"的設計方法在幾經周折之後最終（zhōng）也能（néng）獲得成功。不過，避免噪聲問題的更好方法是在設計初期進行決策（cè）時就遵循一些基本的設計準則，並運用與（yǔ）噪聲相關的基本原理等知識。

低噪聲前置放大器電路的設計方法

   前置放大器在音頻係統中的作用至關（guān）重要。本文首先講解了在為家庭音響係統或PDA設計前置放（fàng）大器時（shí），工（gōng）程師應（yīng）如何恰當選取元件。隨後，詳（xiáng）盡分析了噪聲的，為設（shè）計低噪聲（shēng）前置放大器提供了指導方針。最後，以PDA麥克風的前置放大器為例（lì），列舉了設計步驟及相關注（zhù）意事項。

   前置放（fàng）大器（qì）是指（zhǐ）置於信源與放大器級之間的電路或（huò）電子設備，例如置於光盤播放機與高級音響（xiǎng）係統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自信源的微弱電（diàn）壓信號而設計的（de），已接收的信號先以較小的增益放大，有時甚至在（zài）傳送到功（gōng）率放大（dà）器級之前（qián）便先行加以調節或修正，如音頻前（qián）置放大器可先將信號加（jiā）以均衡及進（jìn）行音調控製。無論為家庭音響係統還（hái）是（shì）PDA設計前置放大器（qì），都要（yào）麵對一個十分頭疼的問題，即究竟應該采用哪（nǎ）些元件（jiàn）才恰當？

元件（jiàn）選擇原則

   由於運算放大器集成電路體積小巧、性能（）卓（）越，因此目前（qián）許多前（qián）置放大器（qì）都采用這類（lèi）運算放大器芯片。我們為音響係統設計前置（zhì）放大（dà）器電路（lù）時，必須清（qīng）楚知（zhī）道如何為運算放（fàng）大器選定適當的技術規格。在設計過程中（zhōng），係（xì）統設計工程師經常會麵臨以下問（wèn）題。

• 是否有必要（yào）采用高精度的運算放（fàng）大（dà）器？

   輸入信號電平振幅可能會超過運算放大器的錯誤容限，這並非運算放大器所能接受。若輸入信號或共模電壓太微弱，設計師應該采用補償電壓(Vos)極低而（ér）共模抑製比(CMRR)極（）高的高（gāo）精度運算放大器。是否采用高精（jīng）度運算放大器取決於係統設計需要達到多少倍的放大增益，增（zēng）益越大，便越需要采用較高準確度的運算放大器。

• 運算放大器需要什（shí）麽樣的供電電壓？

   這個問題要看輸入信號的動態電壓範圍、係統整體供電電壓大小以及輸出（chū）要求才可決定，但不同電源的不同電（diàn）源（yuán）抑（yì）製比(PSRR)會影響運算放大器的準（zhǔn）確性，其中以采（cǎi）用電池供電的係統所受影響最大。此外，功耗大小也與內部電路（lù）的（de）靜態電流及供電電壓有直接的關係。

• 輸出電壓是（shì）否需要滿擺幅？

   低供電電壓設計通常都（dōu）需要滿擺幅的輸出（chū），以便充分利用整個動態電壓範圍，以擴大輸出信號擺幅。至於滿擺幅輸入的問題，運算放大（dà）器電路的配置會有自己（jǐ）的解決辦法。由於前置放大器一般都采用反相或非反（fǎn）相放大器配置（zhì），因此輸入無需滿擺幅，原因是共模電壓(Vcm)永（yǒng）遠小於輸出範圍或等於零(隻有極少例外，例如設有浮動接地的單供電電壓運算放大器)。

• 增益帶（dài）寬的問題（tí）是否更令（lìng）人憂慮？

   是的，尤其是對於（yú）音頻前（qián）置放大器來說，這是一個非（fēi）常令人憂慮的問題。由於人類聽覺（jiào）隻能察覺大約由20Hz至20kHz頻率（lǜ）範圍的聲音，因此部分工程師設計音頻係統時會忽略或輕（qīng）視這個“範圍較窄"的帶（dài）寬。事實上，體現音頻器件性能的重要技術參數如低總諧波失真(THD)、快速轉換（huàn）率(slewrate)以（yǐ）及低（dī）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

   在設計低噪聲前置放大器之前，工程師必須仔細審（shěn）視源自放大器的噪聲，一般來說，運算放大（dà）器的噪聲（shēng）主要來自四（sì）個方麵：

• 熱噪（zào）聲(Johnson)：由於電（diàn）導體內電流的電子能量（liàng）不規則波動產生的具有（yǒu）寬帶特性的熱（rè）噪（zào）聲，其電壓均（jun1）方根值的正方與帶寬、電導（dǎo）體電阻及絕對溫度（dù）有直接的關（guān）係（xì）。對（duì）於電阻及晶體管(例如雙極及場效應晶體管)來說，由於其電阻值並非為零，因此（cǐ）這類（lèi）噪聲影響不能忽視。

• 閃爍（shuò）噪聲(低頻)：由於晶（jīng）體表麵不斷產生或整合載（zǎi）流子而產生的（de）噪聲。在低頻範（fàn）圍內，這類閃爍以低頻噪聲的形態出現，一旦進入高（gāo）頻範圍，這些噪聲便會變成“白噪聲"。閃爍噪聲大多集中在低頻範圍（wéi），對電阻器及（jí）半導體會造成幹擾，而雙極芯片所受的（de）幹擾比場效應晶體管大。

• 射擊噪聲(肖特基（jī）)：肖特基噪聲由（yóu）半導體內具有粒子（zǐ）特性的（de）電流載流子所（suǒ）產生，其電流的均（jun1）方根值正方與芯片的平均偏壓電流及帶寬有直接的關係。這種噪聲具有寬帶的特性（xìng）。

• 爆玉米噪聲（shēng）(popcornfrequency)：半導體（tǐ）的表麵若受到（dào）汙染便會產生這種噪聲（shēng），其影（yǐng）響長達幾毫秒（miǎo）至（zhì）幾秒（miǎo），噪聲產生的原因仍然（rán）未明，在正常情況下，並無一（yī）定的模式（shì）。生產半導體時若采用較為潔淨的工藝，會有助減少這類噪聲。

此外，由（yóu）於不同運算放大器的輸入級采用不同的結（jié）構，因此晶體管結構上的差異令不同放大器的噪聲量也大不相同。下麵是兩個具（jù）體例子。

雙（shuāng）極輸入（rù）運算放大器（qì）的噪聲：噪聲電壓（yā）主要由電阻的熱噪聲以及輸入基極電流的高（gāo）頻區射擊噪聲所造成（chéng），低頻（pín）噪聲（shēng）電平大小取決於流（liú）入電阻的輸入晶體（tǐ）管基極電流產生的（de）低頻噪聲（shēng）；噪聲電流主（zhǔ）要（yào）由（yóu）輸入基極電流的射擊噪聲及電阻的低頻噪聲所產生。

CMOS輸入運算放大器的噪聲：噪聲電壓主要（yào）由高頻區通道（dào）電阻的熱噪聲及低頻區的低頻噪聲（shēng）所造（zào）成，CMOS放大器的轉角頻率(cornerfrequency)比雙極放大器高，而寬帶噪聲也遠比雙極放大器高；噪聲電流主要由輸入門（mén）極漏電（diàn）的射擊噪聲所產生，CMOS放大器的噪聲電流遠比雙極放大器低（dī），但溫度每升高10(C，其（qí）噪聲電流便會增加約40%。

工程師必須深入了解噪聲問（wèn）題及進行大量計算，才可將這些噪聲化為數字準（zhǔn）確表達出來。為了避免將問題複雜（zá）化，這裏隻選用音頻技術（shù）規格最關鍵的幾個參數。

上述方程式中的S及N均為功率。

運算放（fàng）大器電路中固（gù）有噪聲的分（fèn）析（xī）與（yǔ）測量

我（wǒ）們可將噪聲定義為電子係統中任何不（bú）需要的信號。噪聲會導致音頻信號質量（liàng）下降以及精確測量方麵的錯誤（wù）。板級與係（xì）統級電子設計工程師希望能確定其設（shè）計方案在（zài）最（zuì）差（chà）條件下的噪聲到底有多大，並找（zhǎo）到降低噪聲的方法（fǎ）以及準確確（què）認其（qí）設計方案可行性的測量技術。

噪聲包括固（gù）有噪聲及外部噪聲，這兩種基本（běn）類型的噪聲均會影響電子電路的性能。外（wài）部噪聲來自外部噪聲（shēng）源，典型例子包括數字交換（huàn）、60Hz噪聲以及電（diàn）源交換等。固有（yǒu）噪聲由電路元件本身（shēn）生成，最常見的例子包括（kuò）寬帶噪聲、熱噪（zào）聲以及閃爍噪聲等。本係列文章將介紹如何通過計算來預測電路的固有（yǒu）噪聲大小，如何采用SPICE模擬技術，以及噪聲測（cè）量技術等。