噪音放大器原理及知識問答
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這里的公式顯示ADC的SNR數(shù)值與Vrms數(shù)值之間的換算關系，以便比較ADC與放大器的噪聲。有一點必須注意，要確保使用ADC最大輸入范圍內的均方根噪聲。
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之間的距離，它僅取決于兩個點，有利也有弊。有利的一面是非常容易計算，只需將最大點減去最小點；不利的一面是復驗性不強，不太精確。噪聲是一個隨機過程，因此，這種測量實際上依賴于噪聲波形的極值。采集數(shù)據(jù)的時間越長，則越有可能獲得極值。均方根值噪聲使用波形中的所有點，比峰峰值噪聲精確得多，測量的點越多，均方根數(shù)值越精確。不利的一面是，由于要使用所有點，因此計算時間較長。
關于峰峰值和均方根值測量有一點需要注意，它們會隨帶寬發(fā)生較大變化，對于同一放大器，帶寬越低，噪聲也越低。圖4清楚顯示了這一點。實驗中，我們測量了儀表放大器AD8222在多個不同帶寬時的噪聲，可以清楚的看到帶寬對于噪聲的影響之大。帶寬每提高十倍，噪聲增加三倍。由于這些測量依賴于帶寬，因此有幾點需要注意：首先，需要了解電路的帶寬特性，需要確保測量儀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)字萬用表時，規(guī)定均方根值噪聲或峰峰值噪聲時，同時必須明確特定的帶寬。對于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊，帶寬為0.1Hz至10Hz頻帶。
圖4 AD8222在多個不同帶寬時的噪聲
頻譜密度圖使均方根測量更進一步，它實際上是將噪聲測量分為不同的區(qū)間，這樣便可以明確哪些頻率具有較多的噪聲成分。圖5來自AD8295數(shù)據(jù)手冊，顯示了許多測量的平均組合值。由于頻譜密度圖將測量分為許多區(qū)間，因此需要大量的數(shù)據(jù)才能獲得一張清晰的圖。
圖5 AD8295的頻譜密度圖
在較低頻率時，大多數(shù)放大器的噪聲曲線會斜升，噪聲密度與頻率成反比，因此將它稱為1/f噪聲。如果沿1/f斜率畫一條直線，與水平噪聲線相交，就可以得到1/f轉折頻率。
噪聲計算
噪聲的加法規(guī)則為噪聲的平方和，假設噪聲源不相關，這一假設在絕大多數(shù)情況下是成立的，噪聲的乘法和除法規(guī)則與一般信號相同。
第一，在噪聲計算時，有幾點需要注意：室溫下，1kΩ電阻對應于
的噪聲，這一速算公式可以方便地應用于其他電阻值，只需乘以電阻的平方根。第二，在對信號源求和時，可以忽略較小的項。噪聲加法規(guī)則為平方和，如果一個噪聲信號只有主導噪聲信號的1/5，則其貢獻的額外噪聲只有1/25。
第三點是對第一點的擴展，如果第一增益級的增益足夠大，則可以忽略其后的一切噪聲。
低噪聲系統(tǒng)的設計技巧
低噪聲系統(tǒng)設計的第一個竅門是在前級應用中盡可能多的增益，圖6顯示的是一個放大器前端的兩個例子，增益為10。可以看出，將所有增益應用于第一級，比將增益分布于兩級要好得多。請注意，有時最佳帶寬性能的要求可能與最佳噪聲性能的要求相沖突。對于帶寬，我們希望每個增益級具有近似的增益，而對于噪聲，我們則希望第一級具有全部的增益。
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