低噪聲前置放大器電路的設(shè)計(jì)步驟

前置放大器在音頻系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。本文首先講解了在為家庭音響系統(tǒng)或PDA設(shè)計(jì)前置放大器時(shí)，工程師應(yīng)如何恰當(dāng)選取元件。隨后，詳盡分析了噪聲的來(lái)源，為設(shè)計(jì)低噪聲前置放大器提供了指導(dǎo)方針。最后，以PDA麥克風(fēng)的前置放大器為例，列舉了設(shè)計(jì)步驟及相關(guān)注意事項(xiàng)。

前置放大器是指置于信源與放大器級(jí)之間的電路或電子設(shè)備，例如置于光盤(pán)播放機(jī)與高級(jí)音響系統(tǒng)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(lái)自信源的微弱電壓信號(hào)而設(shè)計(jì)的，已接收的信號(hào)先以較小的增益放大，有時(shí)甚至在傳送到功率放大器級(jí)之前便先行加以調(diào)節(jié)或修正，如音頻前置放大器可先將信號(hào)加以均衡及進(jìn)行音調(diào)控制。無(wú)論為家庭音響系統(tǒng)還是PDA設(shè)計(jì)前置放大器，都要面對(duì)一個(gè)十分頭疼的問(wèn)題，即究竟應(yīng)該采用哪些元件才恰當(dāng)？

元件選擇原則

由于運(yùn)算放大器集成電路體積小巧、性能卓越，因此目前許多前置放大器都采用這類運(yùn)算放大器芯片。我們?yōu)橐繇懴到y(tǒng)設(shè)計(jì)前置放大器電路時(shí)，必須清楚知道如何為運(yùn)算放大器選定適當(dāng)?shù)募夹g(shù)規(guī)格。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常會(huì)面臨以下問(wèn)題。

1. 是否有必要采用高精度的運(yùn)算放大器？

   輸入信號(hào)電平振幅可能會(huì)超過(guò)運(yùn)算放大器的錯(cuò)誤容限，這并非運(yùn)算放大器所能接受。若輸入信號(hào)或共模電壓太微弱，設(shè)計(jì)師應(yīng)該采用補(bǔ)償電壓(Vos)極低而共模抑制比(CMRR)極高的高精度運(yùn)算放大器。是否采用高精度運(yùn)算放大器取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要達(dá)到多少倍的放大增益，增益越大，便越需要采用較高準(zhǔn)確度的運(yùn)算放大器。
   

2. 運(yùn)算放大器需要什么樣的供電電壓？

   這個(gè)問(wèn)題要看輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)電壓范圍、系統(tǒng)整體供電電壓大小以及輸出要求才可決定，但不同電源的不同電源抑制比(PSRR)會(huì)影響運(yùn)算放大器的準(zhǔn)確性，其中以采用電池供電的系統(tǒng)所受影響最大。此外，功耗大小也與內(nèi)部電路的靜態(tài)電流及供電電壓有直接的關(guān)系。
   

3. 輸出電壓是否需要滿擺幅？

   低供電電壓設(shè)計(jì)通常都需要滿擺幅的輸出，以便充分利用整個(gè)動(dòng)態(tài)電壓范圍，以擴(kuò)大輸出信號(hào)擺幅。至于滿擺幅輸入的問(wèn)題，運(yùn)算放大器電路的配置會(huì)有自己的解決辦法。由于前置放大器一般都采用反相或非反相放大器配置，因此輸入無(wú)需滿擺幅，原因是共模電壓(Vcm)永遠(yuǎn)小于輸出范圍或等于零(只有極少例外，例如設(shè)有浮動(dòng)接地的單供電電壓運(yùn)算放大器)。

4. 增益帶寬的問(wèn)題是否更令人憂慮？

   是的，尤其是對(duì)于音頻前置放大器來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常令人憂慮的問(wèn)題。由于人類聽(tīng)覺(jué)只能察覺(jué)大約由20Hz至20kHz頻率范圍的聲音，因此部分工程師設(shè)計(jì)音頻系統(tǒng)時(shí)會(huì)忽略或輕視這個(gè)“范圍較窄”的帶寬。事實(shí)上，體現(xiàn)音頻器件性能的重要技術(shù)參數(shù)如低總諧波失真(THD)、快速轉(zhuǎn)換率(slew rate)以及低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(shè)計(jì)低噪聲前置放大器之前，工程師必須仔細(xì)審視源自放大器的噪聲，一般來(lái)說(shuō)，運(yùn)算放大器的噪聲主要來(lái)自四個(gè)方面：

1. 熱噪聲 (Johnson)：由于電導(dǎo)體內(nèi)電流的電子能量不規(guī)則波動(dòng)產(chǎn)生的具有寬帶特性的熱噪聲，其電壓均方根值的正方與帶寬、電導(dǎo)體電阻及絕對(duì)溫度有直接的關(guān)系。對(duì)于電阻及晶體管(例如雙極及場(chǎng)效應(yīng)晶體管)來(lái)說(shuō)，由于其電阻值并非為零，因此這類噪聲影響不能忽視。

2. 閃爍噪聲(低頻)：由于晶體表面不斷產(chǎn)生或整合載流子而產(chǎn)生的噪聲。在低頻范圍內(nèi)，這類閃爍以低頻噪聲的形態(tài)出現(xiàn)，一旦進(jìn)入高頻范圍，這些噪聲便會(huì)變成“白噪聲”。閃爍噪聲大多集中在低頻范圍，對(duì)電阻器及半導(dǎo)體會(huì)造成干擾，而雙極芯片所受的干擾比場(chǎng)效應(yīng)晶體管大。

3. 射擊噪聲(肖特基)：肖特基噪聲由半導(dǎo)體內(nèi)具有粒子特性的電流載流子所產(chǎn)生，其電流的均方根值正方與芯片的平均偏壓電流及帶寬有直接的關(guān)系。這種噪聲具有寬帶的特性。

4. 爆玉米噪聲(popcorn frequency)：半導(dǎo)體的表面若受到污染便會(huì)產(chǎn)生這種噪聲，其影響長(zhǎng)達(dá)幾毫秒至幾秒，噪聲產(chǎn)生的原因仍然未明，在正常情況下，并無(wú)一定的模式。生產(chǎn)半導(dǎo)體時(shí)若采用較為潔凈的工藝，會(huì)有助減少這類噪聲。

此外，由于不同運(yùn)算放大器的輸入級(jí)采用不同的結(jié)構(gòu)，因此晶體管結(jié)構(gòu)上的差異令不同放大器的噪聲量也大不相同。下面是兩個(gè)具體例子。

雙極輸入運(yùn)算放大器的噪聲：噪聲電壓主要由電阻的熱噪聲以及輸入基極電流的高頻區(qū)射擊噪聲所造成，低頻噪聲電平大小取決于流入電阻的輸入晶體管基極電流產(chǎn)生的低頻噪聲；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聲所產(chǎn)生。

CMOS 輸入運(yùn)算放大器的噪聲：噪聲電壓主要由高頻區(qū)通道電阻的熱噪聲及低頻區(qū)的低頻噪聲所造成，CMOS放大器的轉(zhuǎn)角頻率(corner frequency)比雙極放大器高，而寬帶噪聲也遠(yuǎn)比雙極放大器高；噪聲電流主要由輸入門(mén)極漏電的射擊噪聲所產(chǎn)生，CMOS放大器的噪聲電流遠(yuǎn)比雙極放大器低，但溫度每升高10(C，其噪聲電流便會(huì)增加約40%。

工程師必須深入了解噪聲問(wèn)題及進(jìn)行大量計(jì)算，才可將這些噪聲化為數(shù)字準(zhǔn)確表達(dá)出來(lái)。為了避免將問(wèn)題復(fù)雜化，這里只選用音頻技術(shù)規(guī)格最關(guān)鍵的幾個(gè)參數(shù)。

輸入?yún)⒄赵肼暱偭?)：

其中，指信源電阻；指放大器的噪聲電壓；指信源電阻的熱噪聲；指放大器的噪聲電流

噪聲數(shù)字(NF)是指輸入信噪比與輸出信噪比之間的比率的對(duì)數(shù)，即：

上述方程式中的S及N均為功率。

PDA麥克風(fēng)前置放大器電路

在這里我們討論一下如何設(shè)計(jì)一款適合PDA采用的麥克風(fēng)前置放大器，正如上文所述，我們必須明白信源是輸入前置放大器的信號(hào)。首先，我們必須知道以下信息：

• 計(jì)劃采用的麥克風(fēng)類型

• 麥克風(fēng)輸出信號(hào)電平

• 麥克風(fēng)阻抗及指定阻抗的頻率

• 增益規(guī)定，有關(guān)增益可能受運(yùn)算放大器的增益帶寬積所限制

• 輸入信號(hào)頻率范圍

• 噪聲規(guī)定

例如某種陶瓷麥克風(fēng)的技術(shù)規(guī)格如下：

• 阻抗：2.2k((以1kHz的頻率操作)

• 輸出信號(hào)：200(Vpp

• 音頻輸入頻率范圍：100Hz至4kHz

• 熱噪聲：2nV/(Hz

• 前置放大器的增益指標(biāo)：500(非反相)，第一級(jí)可達(dá)5倍增益，第二級(jí)可達(dá)100倍增益。

我們引用公式1：

等量輸入噪聲(EIN)＝輸入?yún)⒄赵肼暱偭?)×輸入頻率范圍

輸出噪聲=等量輸入噪聲×增益=545.81nV×5=2.73uV(適用于1級(jí)增益)或545.81nV×100=54.58uV(適用于2級(jí)增益)。

兩個(gè)放大級(jí)的輸出噪聲總量

1伏輸出電壓的信噪比電平=20×log(1V÷54.58uV)≈85.3dB

電路輸出噪聲總量大約是每一噪聲源均方根的平均均方值總和的平方根，此外輸出噪聲通常絕大部分來(lái)自噪聲量最大的信源。實(shí)際電路如圖1所示。

請(qǐng)注意，這款電路只適用于單電源供電的設(shè)計(jì)，其中輸入及輸出電容器(C1及C4)只是選項(xiàng)，工程師可根據(jù)實(shí)際情況考慮選用。適用與否取決于用戶系統(tǒng)的輸入與輸出如何連接。若麥克風(fēng)輸出設(shè)有直流補(bǔ)償，那么便需要增設(shè)C1輸入電容器，以便阻塞直流電信號(hào)。輸出電容器也可發(fā)揮相同的作用。

目前市場(chǎng)上出售的麥克風(fēng)大部分以2k(左右的高阻抗麥克風(fēng)以及只有幾百(的低阻抗麥克風(fēng)為主，這兩類麥克風(fēng)都可采用上述前置放大器設(shè)計(jì)。高阻抗高輸出麥克風(fēng)前置放大器較為簡(jiǎn)單，可以采用非反相或反相放大器配置。由于其頻率響應(yīng)較為平坦，因此無(wú)需特別加以均衡，而且輸入電平較大，放大器對(duì)噪聲的要求很低，但高阻抗麥克風(fēng)對(duì)來(lái)歷不明的噪聲及磁場(chǎng)極為敏感。低阻抗低輸出麥克風(fēng)前置放大器也可采用非反相或反相放大器將輸入信號(hào)放大，頻率響應(yīng)及均衡等方面的要求都與高阻抗高輸出的前置放大器大致相同。如果麥克風(fēng)的輸出電平較低，工程師必須注意選用低噪聲的運(yùn)算放大器。如性能較好的低噪聲運(yùn)算放大器應(yīng)該產(chǎn)生較低的輸入?yún)⒄针妷涸肼?，而且噪聲不?yīng)超過(guò)10nV/((Hz)。