實(shí)用噪聲放大器原理
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圖1 放大器噪聲模型
電壓噪聲規(guī)格在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，通常以兩種方式表示，分別是
和
。查看數(shù)據(jù)手冊(cè)中的噪聲特性時(shí)，必須了解它是被折合到輸入端還是輸出端。大部分放大器的噪聲特性被折合到輸入端，對(duì)于運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)，這幾乎是默認(rèn)的習(xí)慣算法。但對(duì)于其他類型的固定增益放大器（如差動(dòng)放大器），噪聲可能被折合到輸出端。請(qǐng)注意，這種輸入噪聲會(huì)被放大器放大。例如，對(duì)于同相增益為10的放大器，輸出端的噪聲將是指標(biāo)中給出的噪聲的10倍。一些電路配置的噪聲增益可能大于信號(hào)增益，反相配置就是一個(gè)很好的例子。信號(hào)增益為-1的反相配置，其噪聲增益實(shí)際上為2。為了確定實(shí)際噪聲增益，請(qǐng)將所有外部電壓源短路，同時(shí)可以將噪聲放大器的RTI噪聲看做出現(xiàn)在放大器正輸入端的噪聲，如果以這一假設(shè)分析電路，應(yīng)當(dāng)能夠確定噪聲所接受的增益。儀表放大器的噪聲特性與運(yùn)算放大器稍有不同，對(duì)于運(yùn)算放大器，所有內(nèi)部晶體管噪聲都可以折合到輸入端，換言之，所有噪聲源都會(huì)按增益比例縮放。儀表放大器則不然，電路中的一些噪聲會(huì)按增益比例進(jìn)行縮放，其他噪聲則與增益無(wú)關(guān)，這里與增益噪聲相關(guān)的噪聲量顯示為eNI，與增益無(wú)關(guān)的噪聲量顯示為eNO。數(shù)據(jù)手冊(cè)中有二者關(guān)系公式。
除電壓噪聲外，放大器還具有電流噪聲。如果輸入端有電阻，電流噪聲將與之相互作用，產(chǎn)生電壓噪聲。譬如，大多數(shù)源電壓具有一定的電阻。畢竟，將高阻抗信號(hào)源轉(zhuǎn)換為低阻抗信號(hào)源是使用運(yùn)算放大器的原因之一。電流噪聲流經(jīng)與放大器相連的電阻，產(chǎn)生電壓噪聲。一般來(lái)說(shuō)，放大器的輸入偏置電流越高，則電流噪聲越高。
圖2顯示具有一定源電阻的電壓跟隨器配置，運(yùn)算放大器的電流噪聲會(huì)與信號(hào)源電阻相互作用，在輸出端產(chǎn)生一定的額外噪聲。圖3顯示反饋路徑中的電阻如何與電流噪聲相互作用，電流噪聲流經(jīng)反饋電阻的并聯(lián)組合，在輸入端產(chǎn)生一個(gè)額外噪聲源，然后此噪聲源經(jīng)放大器放大到達(dá)輸出端。
圖2 具有一定源電阻的電壓跟隨器配置
圖3 反饋路徑中電阻與電流噪聲的相互作用
模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）噪聲
有時(shí)候模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）數(shù)據(jù)手冊(cè)以Vrms或VP-P的形式提供噪聲特性，但大多數(shù)情況下，該特性用噪聲相對(duì)于ADC最大滿量程的關(guān)系來(lái)表示，規(guī)定為信噪比（SNR）。數(shù)據(jù)手冊(cè)中的噪聲指標(biāo)，偶爾也包括失真特性及信納比。緊急情況下，可以使用文中提供的理想公式，但這是理論限值，永遠(yuǎn)比實(shí)際值要好。
這里的公式顯示ADC的SNR數(shù)值與Vrms數(shù)值之間的換算關(guān)系，以便比較ADC與放大器的噪聲。有一點(diǎn)必須注意，要確保使用ADC最大輸入范圍內(nèi)的均方根噪聲。
峰峰值噪聲和RMS噪聲
峰峰值噪聲Vrms指波形中波峰與波谷點(diǎn)之間的距離，它僅取決于兩個(gè)點(diǎn)，有利也有弊。有利的一面是非常容易計(jì)算，只需將最大點(diǎn)減去最小點(diǎn)；不利的一面是復(fù)驗(yàn)性不強(qiáng)，不太精確。噪聲是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，因此，這種測(cè)量實(shí)際上依賴于噪聲波形的極值。采集數(shù)據(jù)的時(shí)間越長(zhǎng)，則越有可能獲得極值。均方根值噪聲使用波形中的所有點(diǎn)，比峰峰值噪聲精確得多，測(cè)量的點(diǎn)越多，均方根數(shù)值越精確。不利的一面是，由于要使用所有點(diǎn)，因此計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。
關(guān)于峰峰值和均方根值測(cè)量有一點(diǎn)需要注意，它們會(huì)隨帶寬發(fā)生較大變化，對(duì)于同一放大器，帶寬越低，噪聲也越低。圖4清楚顯示了這一點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中，我們測(cè)量了儀表放大器AD8222在多個(gè)不同帶寬時(shí)的噪聲，可以清楚的看到帶寬對(duì)于噪聲的影響之大。帶寬每提高十倍，噪聲增加三倍。由于這些測(cè)量依賴于帶寬，因此有幾點(diǎn)需要注意：首先，需要了解電路的帶寬特性，需要確保測(cè)量?jī)x器的帶寬高于電路的帶寬，只有這樣，才能獲得精確的讀數(shù)。此外，使用數(shù)字萬(wàn)用表時(shí)，規(guī)定均方根值噪聲或峰峰值噪聲時(shí)，同時(shí)必須明確特定的帶寬。對(duì)于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，帶寬為0.1Hz至10Hz頻帶。
評(píng)論