注意！電路（lù）噪（zào）聲原來是這麽回（huí）事！

噪聲的產生

   對於電（diàn）子線路中所標稱的噪聲，可以概括地認為，它是對（duì）目的信號以（yǐ）外的所有信號（hào）的一個總稱。最初人們把造成收音機這類音響設備所發出噪聲的那些電（diàn）子信號，稱為噪聲。但（dàn）是，一些非目的的電子信號對（duì）電子線路造成的後果並非都（dōu）和聲音有關，因而，後來人們逐（zhú）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（chēng）為噪聲。可能以說，電路中除目（mù）的的信號以外的一切信號，不管（guǎn）它對電路是（shì）否（fǒu）造成影（yǐng）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（xiǎng），使音響裝（zhuāng）置發出交（jiāo）流聲或導致電路（lù）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，對需要接收這種信號的接收機來講，它是正常的目的信（xìn）號，而對另（lìng）一接收機它（tā）就是一種非（fēi）目的信號，即是（shì）噪聲。

   在電子學中常（cháng）使用幹（gàn）擾這個術語，有時會（huì）與噪聲的概念相混淆，其實，是有區別的。噪聲是一種電子信號，而幹（gàn）擾是指的某種效應（yīng），是由（yóu）於噪聲原因對電路造成的一種不良反應。而（ér）電路中存在著噪聲，卻不一定就（jiù）有（yǒu）幹擾（rǎo）。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（fēng）脈衝是所（suǒ）不期望的，而是一種噪聲。但由於電路特性關係，這（zhè）些小（xiǎo）尖峰脈衝還不致於使數字電路的（de）邏輯受到影響（xiǎng）而發生混亂，所以（yǐ）可以認（rèn）為（wéi）是（shì）沒有幹擾。

   當一個噪聲電壓大到足以使（shǐ）電路（lù）受到幹擾時，該噪聲電壓就稱為幹擾電（diàn）壓。而一個電路或一個器件，當它還能保持正常工作（zuò）時所加的最大噪聲（shēng）電壓，稱為該電路或器件的抗幹擾（rǎo）容限或抗擾度（dù）。一般（bān）說（shuō）來（lái），噪聲很難消除（chú），但可以設法降低噪聲的強度或提高電路的抗擾度，以（yǐ）使（shǐ）噪聲不致於形成幹擾。

電子電路中噪聲的產生如何抑製

   這個東西主要是由於電路中的數字（zì）電路和電源部分產生的。在數字電路中，普遍存在高頻的數字電（diàn）平，這些電平可以（yǐ）產生（shēng）兩種噪聲：

• 電磁輻射，就像電視的天線一樣，通過發射電磁波來幹（gàn）擾旁邊的（de）電路，也就是你說的噪聲。
  

• 耦合噪聲，指數字電路和旁邊的電路存在一定的耦合，噪（zào）聲可以直接在電器上直（zhí）接（jiē）影響其他的電路，這種噪聲更（gèng）厲害。

   電源上（shàng）存在的噪（zào）聲：如果是線性電源，首先低頻的50Hz就是一個嚴重的幹擾源。由於初級進來的（de）交流電本身就不純（chún）淨，而（ér）且是（shì）波浪的（de）正弦波，容易對旁邊的電路產生電磁幹擾，也就是電磁噪聲。如果是開關電源的話噪聲更嚴重，開關電源工作在高頻狀態，並且在輸出部分存在很髒的（de）諧波（bō）電壓，這些對整個的電路都能產生很大的噪聲。

   防止方法：合理地接（jiē）地、采用差分結構傳輸模擬信號、在電路的（de）電源輸（shū）出（chū）端加（jiā）去耦電容、采用電磁屏蔽技術、模擬數字地（dì）分（fèn）開、信號線兩邊走底線、地線隔離等等。其實我說（shuō）的這些在去除噪聲的方麵隻（zhī）是冰山一角，就算是玩了30年電子的人也不會完（）全掌握所有的這類技（jì）術，因為理解掌握這類東西需要很強的技術（shù）基礎和相當豐富（fù）的經驗，不過我告訴你的這些在大體上已（yǐ）經足夠了。

   本底噪聲（shēng）是由電路本身引起的，由於電源的不純淨，電路的相位裕度和增益裕度（dù）不合適等等電路本身和器件的原因。這部分需（xū）要（yào）在電路設計（jì）時進行改進。

   其他噪聲是由於電路布局布線不合理等等認為因素，電磁兼容（róng），導線間（jiān）幹擾等等。

   模擬電路（lù）噪（zào）聲的（de）消除更多地依（yī）賴於經驗（yàn）而非科學依據。設計人員經常遇到的情況是電路的模擬硬件部分設計出來以（yǐ）後，卻發現電路中的噪聲太（tài）大，而不（bú）得不重新（xīn）進行設計和布線。這種“試試看"的設計方（fāng）法在幾經周（zhōu）折（shé）之（zhī）後最終也能（néng）獲得成（chéng）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（shí）就遵循（xún）一些基本（běn）的設計準則，並運用與噪聲相關的基本原理等知識。

低噪聲前置放大器電路的（de）設計方法

   前（qián）置放大器（qì）在音頻係統中的作用至關重要。本文首先講解了在為（wéi）家庭音響係統（tǒng）或PDA設計前置放大器時，工程師應如何恰當選取元件。隨後，詳盡分析了噪聲的，為設計（jì）低噪聲前置放大器提供了指導（dǎo）方針。最後（hòu），以PDA麥克風的前置放大器為例，列舉了設計步驟及相關注（zhù）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（zǐ）設備，例如置於光盤播放（fàng）機與高級音響係統功率放大器之間的（de）音頻（pín）前置（zhì）放大器（qì）。前置放大器是專為接收來自（zì）信源的微弱電壓信號而設計（jì）的，已接收的信號先以較小的增益放大，有時甚至在傳送到功率放（fàng）大器級之前便先行加以（yǐ）調節或修正，如音頻前置放大器可（kě）先將（jiāng）信號（hào）加以均衡及進行音調控製。無論為家庭音響係統（tǒng）還是PDA設計（jì）前置放大器，都要（yào）麵對一個十（shí）分（fèn）頭（tóu）疼的問（wèn）題，即究竟應該（gāi）采用哪些元件才恰當？

元件選擇原則

   由於運算放大器集成電路（lù）體積小巧、性（xìng）能（）卓（）越，因（yīn）此目前許多前置放大器都（dōu）采用這類運算放大器芯片（piàn）。我們為音響係統設計前（qián）置（zhì）放大器電路時，必須清楚知道如何為運算放大器選定（dìng）適當（dāng）的技術規格。在設計過（guò）程中，係統設計工程師經常會麵臨以下問題。

• 是否有必要采用高精度的運算放大器？

   輸（shū）入信號電平振幅可能會超過運算放大器的錯誤容（róng）限，這並非運算放大器所能接（jiē）受。若輸入信號或共模電壓太微弱，設計師（shī）應該采用補償電壓(Vos)極低而共模抑製比（bǐ）(CMRR)極（）高的高精度運算放大器。是否采用高精度運算放大器取決於係統設計需要達到多少倍的放（fàng）大增益，增益（yì）越大，便越需要采用較高準確度的運算放（fàng）大器。

• 運算放大器需要什麽樣的供（gòng）電電壓（yā）？

   這個問題要看輸入信號的動態電壓範圍、係統整體供電電壓大小以及輸出（chū）要求才可決定，但不同電源的不同電源抑製比（bǐ）(PSRR)會影（yǐng）響運算放（fàng）大器的準確（què）性，其中以采用（yòng）電池供（gòng）電的係統所受影響最（zuì）大（dà）。此外，功耗大小也與內部電路的靜態電流及供電電壓有直接（jiē）的關（guān）係。

• 輸出電壓是否需（xū）要滿擺（bǎi）幅？

   低供電電壓設計通常都需要滿擺幅的輸出，以便充分（fèn）利用（yòng）整個動態電壓範圍，以擴大輸出信號擺幅。至於滿擺幅輸入的問題，運算放大（dà）器電路的配置會有自己的解決辦法。由於（yú）前置放大器一般都（dōu）采用反相或非反相（xiàng）放大（dà）器配置，因此輸入無需滿（mǎn）擺幅，原因是共模電（diàn）壓(Vcm)永遠小於輸出範圍或等於零(隻（zhī）有極少例外，例如設有浮動接地（dì）的（de）單（dān）供電電壓運算放大器)。

• 增益帶（dài）寬的問題是否更令人憂慮？

   是（shì）的（de），尤其是對於音（yīn）頻前置放大器來說，這是一個非常（cháng）令（lìng）人憂慮的問題。由（yóu）於人類聽覺隻能察覺大（dà）約由20Hz至20kHz頻率範圍的聲音，因此部分工程師設計音頻係統時會忽略或輕視這個“範圍較窄"的帶寬。事實上，體現音頻器件性能的重要技術參數如低（dī）總（zǒng）諧波失真(THD)、快速轉換率(slewrate)以及低（dī）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

   在設計低噪聲前置放大器之前，工（gōng）程師（shī）必（bì）須仔細審視源自放大器的噪聲，一般來說，運（yùn）算放大器的（de）噪聲主要來自四個方麵：

• 熱噪聲(Johnson)：由於電導體內電流的電子能量不規則波（bō）動產生的具有寬帶（dài）特性的（de）熱噪（zào）聲，其電壓均方根值的正方與帶寬、電導體電阻及絕對（duì）溫度有直接（jiē）的關係。對於電阻（zǔ）及晶體管(例如雙極及場效（xiào）應晶體（tǐ）管)來說，由於（yú）其電（diàn）阻值並非為零，因此這（zhè）類噪聲影響不（bú）能忽視。

• 閃爍（shuò）噪聲(低頻)：由於晶體表麵不斷產生或整合載流子而（ér）產生的噪聲。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（shēng）"。閃爍噪聲（shēng）大多集中在低頻（pín）範圍，對電阻器及（jí）半導體會造（zào）成（chéng）幹擾，而雙極芯（xīn）片所受的幹擾比場效應晶體管大。

• 射擊噪聲(肖特基)：肖特基噪聲由半導體內（nèi）具有粒子特性的電流載流子所產生，其電流（liú）的均方根值正方與（yǔ）芯片的平均（jun1）偏壓電流及帶寬有直接的關係。這種噪聲具有寬帶的特性。

• 爆玉米噪聲(popcornfrequency)：半（bàn）導體的表麵（miàn）若（ruò）受到汙染（rǎn）便會產生這種噪聲，其影響長（zhǎng）達（dá）幾毫秒至幾秒，噪聲產生的原因仍然未明，在正常情況下，並（bìng）無一定的模式。生產半導體（tǐ）時若采用較為（wéi）潔淨的工藝，會有助減少這類噪聲。

此外，由於不同運算放大器（qì）的輸入級采用不同的結構，因此晶體管結構上的差（chà）異（yì）令不同放大器的噪聲量也（yě）大不相（xiàng）同。下麵是兩個（gè）具體例子。

雙極輸入運算放大器的噪聲：噪聲電壓主要由電阻的熱噪聲（shēng）以及輸（shū）入基極電流的高頻區射擊噪聲所（suǒ）造成，低頻噪聲電平大小取決於流入電阻的輸（shū）入晶體管基極電流產生的低頻噪聲；噪聲電（diàn）流主要由輸（shū）入基極電流的射擊噪聲及電阻的低頻（pín）噪聲所產生。

CMOS輸入運算放大器的噪聲：噪聲電壓主要由高（gāo）頻區通道電阻的熱（rè）噪聲及低頻區的（de）低頻噪聲（shēng）所（suǒ）造成，CMOS放大器（qì）的（de）轉角頻率（lǜ）(cornerfrequency)比雙極放大器高，而寬（kuān）帶噪聲（shēng）也遠比（bǐ）雙極放（fàng）大（dà）器高；噪（zào）聲電流主要由輸入門極漏（lòu）電的射擊噪聲所產生，CMOS放大器（qì）的噪聲電流遠比雙極放大器低，但溫度（dù）每升高10(C，其噪聲電流便會（huì）增加約40%。

工程師必須深（shēn）入了解噪聲問題及（jí）進行大量計算，才可將這些噪聲化為數字（zì）準確表達出來（lái）。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個參數（shù）。

上述方程式中的S及N均為功率。

運算放大器電路中固有（yǒu）噪聲的分析與測量（liàng）

我們可將噪（zào）聲定義為電子係統中任何不需要的信號（hào）。噪聲會導致音頻信號質量下降以及精（jīng）確測量方麵的錯誤。板級與係統級電子（zǐ）設計工程師希望能確定其設（shè）計方案在最差條件下的噪聲到底有多大，並找到降低噪（zào）聲的方（fāng）法以（yǐ）及準確確認其設（shè）計方案可行性的測量（liàng）技術。

噪聲（shēng）包（bāo）括固有噪聲及外部噪（zào）聲，這兩（liǎng）種基本類型的噪聲均會影響電子電路（lù）的性能。外部（bù）噪聲（shēng）來自外（wài）部噪聲源，典型例子包括數字交換、60Hz噪聲以及電源交換等。固有噪聲由電（diàn）路元（yuán）件本身生成，最常（cháng）見的（de）例子包括寬帶噪聲、熱噪（zào）聲以及閃爍噪聲等。本係列文章將介紹如（rú）何通過計算來預測電路的固有（yǒu）噪（zào）聲大小，如何采用（yòng）SPICE模擬技術，以及噪聲測量技術等。