注意！電路噪聲原來是這麽回事（shì）！

噪聲的產（chǎn）生

   對於電子線（xiàn）路中所標稱的噪聲，可以概括（kuò）地認為，它是對目的信號以外的所有（yǒu）信號的一個總稱。最初人們（men）把造（zào）成收音機這類（lèi）音響設備所發出（chū）噪聲（shēng）的那些電子信號，稱為噪聲。但是，一些非目的的電子（zǐ）信號對電子線路造成（chéng）的後（hòu）果並（bìng）非都和聲音有關，因而，後（hòu）來（lái）人們（men）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（shēng）。可能以說，電路（lù）中除目的的信號以外的一切信號，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蕩，可對電路造成不良影響，使音響裝置發出交流聲或導致電路誤動作，但有時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，對需要接收（shōu）這種信號的接收機來講，它是（shì）正（zhèng）常的（de）目的信號，而對另一接收（shōu）機它就是一種非目的信號，即是噪聲。

   在電子（zǐ）學中常使用幹擾這個術語，有時會與噪聲的概念（niàn）相混淆，其實（shí），是有區別的。噪聲是一種電子信號（hào），而幹擾是指（zhǐ）的某種效應，是由於噪聲原因對電路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。往往可以用示波器觀察（chá）到在正常的脈衝信號上混有一些小的尖峰脈衝是所不期望的，而是一種噪聲。但由於電路特性關係，這（zhè）些小尖峰脈衝還不（bú）致於使（shǐ）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（gè）噪聲電壓大到足以使電路（lù）受到（dào）幹擾時，該（gāi）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（chí）正常工作時所加的最大噪聲（shēng）電壓，稱（chēng）為該電路（lù）或器件的抗幹擾容限或抗擾度。一般說來，噪聲很難（nán）消除，但可以設法降低噪聲的強度或提高電（diàn）路（lù）的抗擾度，以使噪聲不致於形（xíng）成幹擾。

電子電路中噪聲的產生如何抑製（zhì）

   這個東西主（zhǔ）要是由於電路中的數字電路和電源部分（fèn）產生的。在數字電路中，普遍存在高頻的數（shù）字電平，這些電平可以產生兩種噪聲（shēng）：

• 電磁輻射，就像電視的天（tiān）線一樣，通過（guò）發射電磁波來幹擾（rǎo）旁邊（biān）的電（diàn）路，也（yě）就是你說的噪聲。
  

• 耦合噪聲，指數（shù）字電路和旁邊的電路存在一定（dìng）的耦合，噪聲可以直接在（zài）電器上直接影響（xiǎng）其他（tā）的電路，這種噪聲更厲害。

   電源上存在的噪聲（shēng）：如果是線性電（diàn）源，首先低頻的50Hz就是一個嚴重的幹（gàn）擾源。由於初級進來的交流電本身就不純淨（jìng），而且是（shì）波浪的正（zhèng）弦（xián）波，容易對（duì）旁邊的電路產生電磁幹擾（rǎo），也就是電磁噪聲。如果（guǒ）是開關電源的話噪聲更嚴重（chóng），開關電源工作在高頻狀態（tài），並且在輸出部分存在很髒的諧波電壓（yā），這些對整（zhěng）個的電路都能產生很大的噪聲。

   防止方法：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、模擬數字地分開、信號線兩邊走底線、地線隔離等等。其實我說的這些在去除噪聲的方麵（miàn）隻是冰山一角，就算是玩了30年電子的（de）人也不會完（）全掌握所有（yǒu）的（de）這類技術，因為理解掌握這類東西需要很強的技術基礎和相當豐富的經驗（yàn），不過（guò）我（wǒ）告訴你的這些在大體上已經足夠了。

   本（běn）底噪聲是（shì）由電路（lù）本身引起的，由於電源的不純淨，電路的（de）相位裕度和（hé）增益裕度不合適等等電路（lù）本身和器件的原因。這部分需要在電路設計時進行（háng）改進。

   其（qí）他（tā）噪聲是由於電路布局布線不合理等等認為因素，電磁兼容，導線間幹（gàn）擾等等。

   模擬電路噪聲的消除更多地依賴於經驗而非科學依據（jù）。設計人員經常遇到的情況是電路的模擬硬件（jiàn）部分（fèn）設計（jì）出來以後，卻發現電路中的噪聲太大，而不得不重（chóng）新進行設計（jì）和布線。這種“試試看"的設計方法在幾經周折之後最終也能獲得成功。不過，避免噪聲問題的更好方法是在設計初期進行決策時就遵循一些基本的設計準則，並運用與噪聲相關的基本原理等知識。

低噪聲前置放大器（qì）電路的設（shè）計方法

   前置放大器在（zài）音頻係統中的作用至關重（chóng）要。本文首先講解了（le）在為家庭音響係統或PDA設計前置放大器時，工程師（shī）應如何恰當選取元件。隨後，詳盡分析了噪聲的，為設計低噪聲前置（zhì）放大器（qì）提供了指導方針。最後（hòu），以PDA麥克風的前置放大器為例，列（liè）舉了設計步驟及（jí）相關（guān）注意事項。

   前置放（fàng）大器是指置於信源與放大器級之間的電路或電子設（shè）備，例如置（zhì）於光盤播放機與高級音響係統功率放大（dà）器之間的音頻前置放大器。前置放大器是專為接收來自信源的微弱電壓信號而設（shè）計的，已接（jiē）收的（de）信號先以較小的增益放大，有時甚至（zhì）在傳（chuán）送到功率（lǜ）放（fàng）大器級之前便先行加以調節或修正，如音頻前（qián）置放大器（qì）可先將信號加以均衡及進行音調控製。無（wú）論為家庭音響係統還是PDA設計前置放大器，都要麵（miàn）對一個（gè）十分頭疼的問（wèn）題，即（jí）究竟（jìng）應該采用哪些元件才恰當？

元件選擇原則（zé）

   由於運算放大器集成電路體積小巧、性能（néng）（）卓（）越，因此目前許多前置放大器都采用這類運算放大器芯片。我們為音響係（xì）統設計前置放大器電路時，必須清楚知道如何為運算放大器選定適當的技術（shù）規格。在設計過程中，係統設（shè）計（jì）工程師經常會麵（miàn）臨以下問題。

• 是否有必要采用高精度的運算放大器？

   輸入信號電平振幅可能會超過運算放大器的錯誤容（róng）限，這（zhè）並非運算放（fàng）大（dà）器所能接受。若輸入信號或共模電壓太微（wēi）弱，設計師應該采用補償電壓(Vos)極（jí）低而共模抑製比(CMRR)極（）高的高精度運算放大器。是否采用高（gāo）精度（dù）運算放大器取決於係統設計需（xū）要達到多少倍的（de）放大增益，增益越大，便越需（xū）要采用較高準確度的運算放大器。

• 運算放大器需要什麽樣的供電電壓？

   這個問（wèn）題要看輸入信號的動態（tài）電壓範圍、係統整體供電電壓大小以及輸出要求才可決定（dìng），但不同電源的不同電源抑製比(PSRR)會影（yǐng）響運算放大器的準確性，其中以采用電池供電的係統所受影響（xiǎng）最大。此外（wài），功耗（hào）大小也與內部電路的靜態電流及供電電（diàn）壓有直接的關係。

• 輸出（chū）電壓是否需（xū）要滿擺幅？

   低供電（diàn）電壓設計通常都需要滿擺幅的輸出，以便充分利用整個動態電壓範圍，以擴大輸出信號擺幅。至於滿擺幅（fú）輸（shū）入（rù）的問題，運算放大器電路的配置（zhì）會有自己的解決辦法。由於前置放大器一（yī）般都采用反相或非反相放大器配置，因此輸入無需滿（mǎn）擺幅，原因是共模電（diàn）壓(Vcm)永遠小於輸出範圍（wéi）或等於零(隻有極少例外，例如設有（yǒu）浮動接地（dì）的（de）單供電電壓運算放（fàng）大器)。

• 增益帶寬的問題是否更令人憂慮？

   是的，尤其是對於音（yīn）頻前（qián）置放大器來說，這是一個非常令人憂（yōu）慮的問題。由於人類聽覺隻能察覺大約由20Hz至（zhì）20kHz頻率（lǜ）範圍的聲音，因此部（bù）分工程師（shī）設計音頻係統時會忽略或輕視這個（gè）“範圍較窄"的帶寬。事實上，體現音頻器件性能（néng）的重要技（jì）術參數如低總諧波失真(THD)、快速（sù）轉換（huàn）率(slewrate)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（zài）設計低噪聲前置放（fàng）大器之（zhī）前，工程（chéng）師必須仔細審視源自（zì）放大器的噪聲，一（yī）般（bān）來說，運算放大器的噪聲主要來自四個方麵：

• 熱噪聲(Johnson)：由於電導體內（nèi）電流的電子能量不規則波動產生的具有寬帶特性的（de）熱噪聲，其電壓均（jun1）方根值的正方與帶寬、電導體電阻及絕對溫度有直接的關係（xì）。對於（yú）電阻及（jí）晶體（tǐ）管(例如雙極及場效應晶體管)來說，由（yóu）於其電阻值並非為零，因此這類噪聲影響（xiǎng）不能忽視。

• 閃爍噪（zào）聲(低頻)：由於晶體表麵不斷產生或整合載流子而（ér）產生（shēng）的噪聲。在低（dī）頻範圍內，這類閃爍以低頻噪聲的形態出現，一旦進入高頻範圍，這些噪聲便會變成“白噪聲"。閃爍（shuò）噪聲大多集中在（zài）低頻範圍，對電阻器及半導體會造成幹擾，而雙極芯（xīn）片所（suǒ）受的幹擾比場效應晶體管大。

• 射擊噪聲(肖特基)：肖特基（jī）噪聲由半導體內具有粒子特性的（de）電流載流子所產生，其電流的（de）均方根值正方與芯片（piàn）的平均偏壓電（diàn）流及帶寬有直接的關係。這種噪（zào）聲具有寬帶的特（tè）性。

• 爆玉米（mǐ）噪聲（shēng）(popcornfrequency)：半導體的表麵（miàn）若（ruò）受到汙染（rǎn）便會產（chǎn）生這種噪聲，其影響長達幾毫秒至幾秒，噪聲產生的原因仍（réng）然未明，在正常情況下，並無一定的模式。生產半導體時若采（cǎi）用較為潔淨的工藝，會有助減少這類噪聲。

此外，由於（yú）不同運算放大（dà）器的輸入級采用不同的結構，因此晶體管結構上的差（chà）異令不同放大器的噪聲量也大不相同。下（xià）麵是兩個（gè）具體例子（zǐ）。

雙極輸入（rù）運算放大器的噪聲：噪聲電壓（yā）主要由電阻的熱噪聲以及輸入基極電流的高頻區射擊噪聲所造成，低頻噪聲電平（píng）大小取決（jué）於流（liú）入電阻的輸入晶體管基極（jí）電流產（chǎn）生的低頻噪聲；噪聲（shēng）電（diàn）流主要由輸入基（jī）極電（diàn）流（liú）的射（shè）擊噪聲及電阻的低頻噪聲所產生。

CMOS輸入運算放大器的噪聲：噪聲電壓主要由高頻區通道電阻的熱（rè）噪（zào）聲及低頻區（qū）的（de）低頻噪聲所造成，CMOS放（fàng）大器的轉角頻率(cornerfrequency)比雙極放大（dà）器高，而寬帶（dài）噪聲也遠比雙極放大器高；噪聲電流主要由輸入（rù）門（mén）極漏電的射擊噪聲所產生，CMOS放大器的噪聲電流遠比雙極放（fàng）大器低（dī），但溫度每升高10(C，其噪聲電流便會增加（jiā）約40%。

工程師必須（xū）深入了解噪聲問（wèn）題（tí）及進行大量計算，才可將這些噪聲化（huà）為數字準確表達出來。為了避免將問題複雜化，這裏隻選用音頻技術規格最關鍵的幾（jǐ）個參（cān）數。

上述方程式中的S及N均為功率。

運算放（fàng）大器電（diàn）路中固有噪聲的分（fèn）析與測量

我們可將噪聲定義為電子（zǐ）係統中任何不需要的信號。噪（zào）聲會（huì）導致音頻信號質量下降以（yǐ）及精確測量方麵的錯誤（wù）。板級與係統（tǒng）級電子設計工程（chéng）師希望（wàng）能確（què）定（dìng）其設計方案在最差條件下的（de）噪聲（shēng）到底有多大，並找到降低噪聲的方法以（yǐ）及準確確認其設計方案可行（háng）性的測量技術。

噪聲包括固有噪聲及外部噪聲，這兩種基本（běn）類型的噪聲均會影響電子電路的性能。外部噪（zào）聲來自外部噪聲源，典（diǎn）型例（lì）子包括數字交換、60Hz噪聲以及電源交換等（děng）。固有噪聲由電路元件本身（shēn）生成，最常見的例子包括寬帶噪聲、熱噪聲以及閃爍噪聲（shēng）等。本係列文章將介紹如何通過計算來預測電路的固有噪（zào）聲大小（xiǎo），如何（hé）采用SPICE模（mó）擬技（jì）術，以及噪聲測量技術等。