注意！電路噪聲原來是這麽回事！

噪聲的產（chǎn）生

   對於電（diàn）子線路中所標稱的噪聲，可以概括地認為，它是對目的信號以（yǐ）外的所有信號的（de）一個（gè）總稱。最初人們把（bǎ）造成收音機這類音響設備所發（fā）出噪聲的那些電子信號，稱為噪聲。但是，一（yī）些非目的的電（diàn）子信號對電（diàn）子線路造成的後果並非都和聲音有關，因而，後來人們逐步擴大了噪聲概念。

   例如，把造成視屏幕有白班呀條紋的那些電子信號也稱為噪聲。可能（néng）以說，電路中除目（mù）的的信號以外的一切信（xìn）號，不管它對電路是否造成影響，都可稱為噪聲。

   例如，電源電壓中的紋波或自激振（zhèn）蕩（dàng），可（kě）對電（diàn）路造成不良影響，使音響裝置發出交流聲或導致電路誤動（dòng）作（zuò），但有（yǒu）時（shí）也許並不導致上述後果。對於這種紋波或振蕩，都應稱為電路的一種噪聲。又有某一頻率的無線電波信號，對（duì）需要接收這種信號的接收機來講，它是正常（cháng）的目的信（xìn）號，而（ér）對另一接收機它就是一種非目的信號，即是噪聲。

   在電子學中常使用幹擾這個術語，有時會與（yǔ）噪（zào）聲的概念相混淆，其實，是有區（qū）別的。噪聲是一種（zhǒng）電子信號，而幹擾是指（zhǐ）的某種效應，是由於噪聲原因對電（diàn）路（lù）造成的一種不良反應。而電路中存在著噪聲，卻不一定就有（yǒu）幹擾。在數字電路中。往往（wǎng）可以用示波器觀（guān）察到在正常的脈衝信號上混有一些小的（de）尖（jiān）峰脈衝是所不期望（wàng）的，而是一種噪聲（shēng）。但（dàn）由於電路特性關係，這些小尖峰脈衝還不致（zhì）於使數字電路的邏輯受到影響而發生混亂，所以可以認為是沒有幹擾。

   當一個噪聲電壓大到足以使電路受到幹擾時，該噪聲電壓就稱為幹擾電壓。而一個電路或一個器件，當它還能保持正常（cháng）工（gōng）作時所加的最大噪聲電壓（yā），稱（chēng）為（wéi）該電（diàn）路（lù）或器（qì）件的抗幹（gàn）擾容限或抗擾度。一般說來，噪聲很難（nán）消除（chú），但可以（yǐ）設法降（jiàng）低噪聲的強（qiáng）度或提高電路的抗擾度，以使噪聲不（bú）致於形成（chéng）幹擾。

電子電路中噪聲的產（chǎn）生如何抑（yì）製（zhì）

   這個東西主要是由於電路中的數（shù）字電路和電源部分產生的（de）。在數字電路（lù）中，普（pǔ）遍存（cún）在高頻的數字電平，這些電平（píng）可以產（chǎn）生兩種噪聲：

• 電（diàn）磁輻射，就像電視（shì）的天線一樣，通過發射（shè）電（diàn）磁（cí）波來幹擾（rǎo）旁邊的電路，也就是你說的噪聲。
  

• 耦合噪聲，指數字（zì）電路和旁（páng）邊的電路存在一定的耦合，噪聲可以直（zhí）接在電器上直接影響其他的電路，這種噪聲更厲害。

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

   防（fáng）止方法：合理地接地、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容、采用電磁屏蔽技術（shù）、模擬數字地分開、信號線兩邊走底（dǐ）線、地線隔離等等。其實我說的這（zhè）些在去除噪聲的（de）方麵隻是冰山一角，就算是（shì）玩了30年電子的人也（yě）不會（huì）完（）全掌握所有的這類技術，因為理解掌（zhǎng）握這類東西需要很強的技術基（jī）礎和相當（dāng）豐富的經驗，不過我告訴你（nǐ）的這些在大體上已經足夠了。

   本底噪（zào）聲是由電路本身引起的（de），由於電源的不純淨，電路的相（xiàng）位裕度和增益裕度不合適等等（děng）電路（lù）本身和（hé）器件（jiàn）的原因。這（zhè）部分需要在電路（lù）設計時進行（háng）改進。

   其他噪聲是由於電路布局布線不合理等等（děng）認為因素，電磁兼容，導線間幹擾等等。

   模擬電路噪聲的消除更多地依賴（lài）於經驗而非（fēi）科學依據。設（shè）計人員經常遇到的（de）情（qíng）況是電路（lù）的模擬硬件部分設計出（chū）來（lái）以後，卻發現電路中的噪聲太大，而不得不重新進行設計和布線。這種（zhǒng）“試試看"的設計方法在幾經周折（shé）之後最終也（yě）能（néng）獲得成功。不過（guò），避免噪聲問（wèn）題的更好（hǎo）方法是在設計初期進行決策時就遵（zūn）循一些基本的（de）設計準則，並（bìng）運（yùn）用與噪聲相關的基本原理（lǐ）等知識。

低噪聲前置放大器電路的設計方法

   前置放大（dà）器在音頻係統中的作用至關重要。本文首先講解了在（zài）為家庭音響係統或（huò）PDA設（shè）計前置放（fàng）大器時，工程（chéng）師應如何恰當選取（qǔ）元件。隨後，詳盡分析了噪聲的，為設計低噪聲前置（zhì）放（fàng）大器提供了指導方針。最後，以PDA麥克風的前置放大（dà）器為例，列舉（jǔ）了設計步（bù）驟（zhòu）及相關（guān）注意事項。

   前置放大器是指置於信源與放（fàng）大器級之間的電（diàn）路（lù）或電（diàn）子設備，例如置於光盤（pán）播放機與高級音響係統功率放大器之間的音頻（pín）前（qián）置放大器。前置放大器是專為接收來（lái）自信源的（de）微弱電壓信號而設計的，已（yǐ）接收的信號先以較小的增益放大，有時甚至在傳送到功率（lǜ）放大器級之前便先行加以調節或修正，如音頻（pín）前（qián）置放大器可先將信號加以均衡及進行音調（diào）控製。無（wú）論為家庭音響係統還是PDA設（shè）計前置放大器，都要麵對一個十分頭疼的問題，即究竟應該（gāi）采（cǎi）用哪些元（yuán）件才恰當？

元件選擇原則

   由（yóu）於運算放（fàng）大器集（jí）成電（diàn）路體積小巧、性能（）卓（）越，因（yīn）此目前許多前置放（fàng）大器都采用（yòng）這類運算放大器芯片。我們為音響係統設計前置放大器電（diàn）路時，必須（xū）清楚知道如何為運算放大器選定適當的技術規格。在設計過程中，係統設計工程師經常會麵臨以下問題。

• 是否有必要采用高精度的運算放大器？

   輸（shū）入信號（hào）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（mó）電壓太（tài）微弱，設計（jì）師應該采用補償電壓(Vos)極低而共模（mó）抑（yì）製比(CMRR)極（）高的高精度運算放大器。是否采用高精度運算放大器取決於係統（tǒng）設計需（xū）要達（dá）到多少倍的放大增益，增益越大，便越需要采用較高準確度的運算放大器。

• 運算放大器需要（yào）什麽樣的供電電壓？

   這個問題要看（kàn）輸入（rù）信號的動態電壓範（fàn）圍、係（xì）統整體供電電（diàn）壓大小以及輸（shū）出要求才可決定，但不同電源的不同電（diàn）源抑製比（bǐ）(PSRR)會（huì）影響運算放大器的準確性，其中（zhōng）以采用電（diàn）池供電的係統所受影響最大。此外，功（gōng）耗大小也與內（nèi）部電路的靜態電流及供電（diàn）電壓有直接的關係。

• 輸出電（diàn）壓是否（fǒu）需要滿擺幅？

   低供電電壓設計通常都需要滿擺幅的輸出，以便充分利（lì）用整個動態電壓範圍，以擴大輸出（chū）信號擺幅。至（zhì）於滿擺幅輸入的問題，運算放大器電路的（de）配置會有自己的解決辦法。由於前置放大器一般（bān）都（dōu）采用反相或非反相放大器（qì）配置，因此輸入無需滿擺（bǎi）幅，原因（yīn）是共模電壓(Vcm)永遠小於輸出範圍或等於零(隻有極少例外，例如設（shè）有浮動（dòng）接（jiē）地的（de）單供電電壓運算放大器)。

• 增益帶寬的問題（tí）是否更令人憂慮？

   是的，尤其是對於音頻前置放大器來說，這是一（yī）個非常令人（rén）憂慮的（de）問題。由於（yú）人類（lèi）聽覺隻能察覺大約由20Hz至20kHz頻率範圍的聲音（yīn），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（yīn）頻器件性能的重要技術參數如低總諧波失真(THD)、快（kuài）速轉（zhuǎn）換率(slewrate)以及低噪聲等都是高增（zēng）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（qì）之前，工程師必須仔細（xì）審視源自放大器的噪聲，一般來說，運算放大器的噪聲主要來自四個方麵：

• 熱噪（zào）聲(Johnson)：由於電導體內電流（liú）的電子能量（liàng）不規則波動產生的具有寬帶特性的熱噪聲，其電壓均方根（gēn）值的正（zhèng）方與帶寬、電導體電阻及絕對溫度有直接的關係（xì）。對於電阻及晶體管（guǎn）(例如雙（shuāng）極及場效應晶體管)來說，由（yóu）於（yú）其電阻值並非為零，因此這類噪聲影（yǐng）響不能忽視。

• 閃爍噪聲(低頻)：由於晶體表麵不斷產生或整合載流子而產（chǎn）生的噪聲。在低頻範圍內，這類閃爍以低頻噪聲的形態出現，一（yī）旦進入高頻範圍，這些噪（zào）聲便會變成“白噪聲"。閃爍噪聲大（dà）多集中在（zài）低頻範圍，對電阻器及半導體會造成幹擾，而雙極芯片所受（shòu）的（de）幹擾比場效應晶體管大。

• 射擊噪（zào）聲(肖特基)：肖特基噪聲由半（bàn）導體內具有粒子特性的電（diàn）流載流子所產生，其電流的均方根值正方與芯片的（de）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。

• 爆玉米噪聲(popcornfrequency)：半導體的表麵若受到汙染（rǎn）便會產（chǎn）生這種噪聲，其影響長達幾毫秒至（zhì）幾秒，噪聲產生的原因仍然未明（míng），在正常情況下，並無一定的模式。生產半導（dǎo）體時若采用較為潔淨的工藝，會有助減少這（zhè）類噪聲。

此（cǐ）外，由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（bú）相同。下麵是兩（liǎng）個具體例子（zǐ）。

雙極輸入（rù）運算放大器的噪聲：噪聲電壓主要由電阻的熱噪聲以（yǐ）及輸入基極電流的高頻區射擊噪聲所造成，低頻噪聲（shēng）電平大小取決於流入電阻的輸入晶體管基極電流產生的低（dī）頻噪聲；噪聲電流主要由輸入基極電流的射擊噪聲及電阻的低頻噪（zào）聲所（suǒ）產生。

CMOS輸入運算放（fàng）大器（qì）的噪聲：噪聲電（diàn）壓主要由高頻（pín）區（qū）通道電阻的熱噪聲及低頻區的低頻噪聲所造成，CMOS放大器（qì）的轉角頻率(cornerfrequency)比（bǐ）雙極放大器高，而寬帶噪聲也遠比（bǐ）雙極放（fàng）大器高；噪聲電流主要由輸（shū）入門極漏電的射擊噪聲（shēng）所產生，CMOS放大器（qì）的噪聲（shēng）電流遠比雙極放大器低，但溫度每升高10(C，其噪（zào）聲電（diàn）流便會增加約40%。

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

上述方程式中的S及N均為功率。

運算放大器電路中固有噪聲的分（fèn）析與測（cè）量

我們可將噪聲（shēng）定義為電子係統中任何不需要的信號。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。板級與係統級電子設計工程（chéng）師希（xī）望能確定其設計方案在最（zuì）差條件下的噪聲到底有多（duō）大，並（bìng）找到降低噪聲的方法以及（jí）準確確認其設計方案可行性（xìng）的測量技術。

噪聲包括固有噪聲及外部（bù）噪聲，這兩種基本類型的噪聲均（jun1）會影響電子電路（lù）的性能。外部噪（zào）聲來自外部噪聲源，典型例子（zǐ）包括數字（zì）交（jiāo）換、60Hz噪聲以及電源交換等。固（gù）有噪聲由電路元件本身生成，最常見的例子包括寬帶（dài）噪聲、熱噪聲以及（jí）閃爍噪聲等。本係列文章將介紹如何通過計算來預測電路（lù）的固有噪聲大（dà）小，如何采（cǎi）用SPICE模擬技術，以及（jí）噪聲測量技術等。