工程师必须知道如何处理放大器噪声等实用技巧知识点

工程师必须知道如何处理放大器噪声等实用技巧知识点噪声是电子设计中必须处理等信号之一，我们都知道放大器的噪声有两种类型：一种是外部噪声，来源于放大器外部；另一种是内部噪声，来源于器件本身，处理放大器的噪声对于提升电子产品的性能至关重要，这里我们以问答形式对放大器噪声原理进行阐述，并阐述一些如何处理放大器噪声等实用技巧。Q1［问：］放大器的内部噪音如何进行精确测量？它和那些因素有关？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，或者示波器看输出的情况。Q2［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。Q3［问：］可否详细介绍下放大器等噪声原理？谢谢！［答：］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。电压噪声规格在数据手册中，通常以两种方式表示。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。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。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。运算放大器电路图：包含单电源、低压、低功耗运算Q4［问：］用运放设计放大器时，如何估算其输入输出阻抗？希望能用实用的一些指标表达出来。其低噪跟放大倍数的关系？谢谢［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。噪声方面，一般手册里给出的都是RTI的指标，就是从输入端看到的噪声，所以，输出的噪声都会被乘上放大倍数。Q5［问：］我用的事opa2350放大器，测输入是干净的，输出波形伴有200mv的杂波，可能是从哪里传入的？如果是旁边的电阻或放大器本身产生的该如何避免。［答：］原因可能很多，但一般情况下不会有这么大的杂波，建议你仔细检查一下电路设置，尤其是增益配置，尽量将其配置成增益大于1，以提高电路的稳定性，如果是电阻热噪声大的话，可以考虑适当降低阻值，运放本身的特性是无法改变的。Q6［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，你可以通过选择外部的带宽来限制外部的噪声［Q7问：］电容性传感器和输入放大器间的功率匹配和噪声匹配低电容性传感器工作在低频时呈现很高的输出阻抗，这就需要输入放大器也具有高阻抗输入特性，但高输入阻抗又和低噪声设计相矛盾，请问怎样合理解决这个问题。［答：］您好，容性传感器本身会根据其容值的大小，改善信号噪声（kT/C），而运放输入端本身没有必要使用较大的阻抗，也可根据运放的带宽加输入滤波以改善噪声。Q8［问：］我有一款利用ad620和op07组成的二阶或者四阶低通滤波器，模数转换用的是AD7732，基准电压用的是AD7732数据手册推荐的芯片，采样率在250Hz以内，微处理控制器是ATMEGA128，输出的波形会产生一秒钟一次（1Hz）的向上脉冲噪声，经检查肯定是内部电路产生的噪声，但不知道是什么引起的，请问是什么原因产生这噪声，如何消除？［答：］这样的问题，首先要看一下是硬件的电路的问题，还是ADC采样的问题。您可以先用示波器看一下AD7732输入端的信号，看看是否正常。如果输入没有问题，那么就要检查ADC了，问题可能会出在软件上。Q9［问：］凭您的经验，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，而且有源的可以对信号同时进行放大，而无源的做不到这点。Q10［问：］请问专家，知道了噪音的来源，如何有效地降低放大器的整体噪音？谢谢！［答］知道了噪声的来源，您需要分析，系统占主要部分的噪声在哪里。针对这一部分噪声，就可以想办法通过滤波或者选择更高精度的运放来降低噪声。Q11［问：］请问目前最小噪声，同时又要最大的增益带宽积的集成运算放大器是哪个型号？谢谢！［答：］一般增益带宽积和噪声是很难同时达到最高性能的，取决于您系统精度和带宽的需要，您可以看看AD8221和AD8228是否满足您的需求。Q12［问：］噪声分析、误差分析中，什么类型的噪声、误差可以用均方根计算，什么类型的噪声需要直接加在总噪声中？［答：］系统中任何部分的噪声都要以矢量的形式叠加在总噪声中。Q13［问：］了解这些噪声参数，在实际设计电路时，有啥具体意义？［答：］可以对你处理系统的噪声有帮助，对于高精度的设计，噪声参数很重要。Q14［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。Q15［问：］放大器中还能应用电容和电感器件，这两种元件的噪音如考虑和描述？［答：］这个问题不太确定，电感和电容这两种元件肯定是有噪声的，但一般都不会考虑。Q16［问：］信号源的内阻有500M欧，信号大小50mv左右，如何设计放大电路及设计PCB［答：］这种情况下，要选择输入阻抗大，输入偏置电流小的运放，可以试一下AD549.Q17［问：］刚入门，请问射频放大器一般都是功率放大（我理解为低供电电压下放大的是电流，对吗？），可是有些元件要求输入射频信号的电压为5V，请问如何实现？［答：放大的是电压还是电流与供电电压无关，如果某些功率器件要求信号有一定的输入功率的话，可以考虑用predriver，比如ADL5323等。Q18［问：］温度对噪声的影响是否可以忽略？在做设计时，哪些对噪声的影响是需要特别注意的？［答：］在大多数的情况下是可以忽略温度的影响的。在设计时，您要考虑电阻的噪声性能。还要了解电路的带宽特性，从而减小电压噪声。Q19［问：］请专家介绍放大器的噪声源与温度的关系。谢谢！［答：］一般在放大器的芯片资料中，会给出在常温下的电压噪声密度和电流噪声密度，但不会给出噪声随温度变化的关系。Q20［问：］差分信号进入ADC芯片，怎样才能保证两差分信号自动均衡呢？［答：］ADC的driver芯片就可以保证差分信号均衡。Q21［问：］在电路设计中，实际调试时经常会出现信号串扰的问题，不知道这种问题信号干扰的途径一般是什么，怎么可以减少这种情况的发生？谢谢！［答：］可以考虑用屏蔽体或加地屏蔽的方法来改善串扰的问题。Q22［问：］高带宽下，如何能降低噪声呢？［答：］带宽尽量设计窄一点，否则噪声没法减小Q23［问：］差分放大器的噪音是否要比单端放大器的要低？为什么？［答：］不能保证，噪声跟运放内部结构、增益、带宽等相关，运放噪声大小没有一定之规，应用是还是依据datasheet上的等效输入噪声来衡量。Q24［问：］您好！给一个放大器加入一个直流电平来调节放大器的offset，且该直流电平通过一个dac产生。dac离该放大器有一定的距离，所以从dac的output到放大器的输入端大概2000mil的距离。在这个过程中，该长线会引入一些噪声。请问有什么好的建议来减小该噪声！谢谢！［答：］这种情况，一般导线并不会引入太大的噪声，不知道您的DAC是什么精度的DAC，我认为，DAC的噪声应该远比导线引入的噪声大得多，所以不必太多考虑导线的问题。Q25［问：］带宽性能要求与噪声性能要求冲突时，应该如何取舍呢？［答：］根据你的系统的要求，在二者之间找一个平衡点Q26［问：］对于噪声的指标有没有统一的标准？是否可以不去考虑这么多繁复的计算公式，直接选择？［答：］对于噪声的标准，都是一样的，如果您不想考虑太多的公式，那就挑数字小的就可以。低频信号就挑Voffset小的，高速一点的就挑噪声谱密度小的。Q27［问］如何消除电源线的高频干扰？谢谢专家［答：］对于电源，最好在接入芯片紧贴管脚的位置使用2个电容滤波，一般数据手册都会有推荐电路。Q28［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？谢谢！［答：］单点接地：指的是只在芯片电源脚处将地接一块，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，因为两块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，不要引很长的线再接到地上。Q29［问：］对于噪声现在我很头疼，大师能不能就一个具体的电路算一下她的噪声水平？比如一个同向放大器她在电路中的输出噪声究竟是多少mV？后面我接一个比较器的话，那么这个虚警概率是多少呢？［答：］对于运放噪声的计算其实跟电路应用中有很大差别，建议根据datasheet中的参考噪声进行估计，并根据评估板和标准测试方法评估运放的实际噪声水平。Q30［问］能否介绍一下来自传感器方面的噪音？谢谢！［答：］不同的传感器会有不同的噪声功率，包括其内部的固有噪声和外部的干扰噪声，包括工频干扰，射频干扰，你可以针对具体的传感器看具体的噪声Q31［问：］对于5V供电及参考的8bit或10bit的AD模块，20KHz信号放大100倍左右，单电源的轨至轨、低噪声运放比双电源方案差多少？请列举出一些满足要求的单电源、双电源运放？［答：］用单电源还是双电源供电对于运放的特性是没有什么影响的，比如一个标称5V供电的运放，也可以用+/-2.5V供电。对于您提的要求，要选择增益带宽积大于等于20KHz*100的运放，建议用ADI网站上提供的参数搜索功能来选择合适的运放，满足带宽要求的运放有AD8672，AD8605，AD8519等很多。Q32［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，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。Q33［问：］前级放大器和容性传感器的功率和噪声匹配问题，从功率匹配需要高的输入阻抗，从噪声匹配又需要和源阻抗匹配，这两项如何折中考虑？［答：Nicolle］请问传感器的输出是什么样的信号？能否请举一个具体应用的例子来说明这个问题。Q34［问：］能推荐一款简单可调（例如用电位器调节放大倍率）的射频低噪声放大器新片吗？［答：］不确定你的频率是多少，高频的放大器（如ADL5521）一般是固定增益的，当然如果频率不是太高（几百MHz以下），也可以考虑AD8331，不推荐采用电位器，电位器的有效带宽一般不大于1MHzQ35［问］运算放大器的输入级有JFET，MOSFET和