低噪聲前置放大器電路的設計方法
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前置放大器是指置于信源與放大器級之間的電路或電子設備，例如置于光盤(pán)播放機與高級音響系統功率放大器之間的音頻前置放大器。前置放大器是專(zhuān)為接收來(lái)自信源的微弱電壓信號而設計的，已接收的信號先以較小的增益放大，有時(shí)甚至在傳送到功率放大器級之前便先行加以調節或修正，如音頻前置放大器可先將信號加以均衡及進(jìn)行音調控制。無(wú)論為家庭音響系統還是PDA設計前置放大器，都要面對一個(gè)十分頭疼的問(wèn)題，即究竟應該采用哪些元件才恰當？
元件選擇原則
由于運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(lèi)運算放大器芯片。我們?yōu)橐繇懴到y設計前置放大器電路時(shí)，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(guò)程中，系統設計工程師經(jīng)常會(huì )面臨以下問(wèn)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(huì )超過(guò)運算放大器的錯誤容限，這并非運算放大器所能接受。若輸入信號或共模電壓太微弱，設計師應該采用補償電壓(Vos)極低而共模抑制比(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于系統設計需要達到多少倍的放大增益，增益越大，便越需要采用較高準確度的運算放大器。
運算放大器需要什么樣的供電電壓？
這個(gè)問(wèn)題要看輸入信號的動(dòng)態(tài)電壓范圍、系統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 )影響運算放大器的準確性，其中以采用電池供電的系統所受影響最大。此外，功耗大小也與內部電路的靜態(tài)電流及供電電壓有直接的關(guān)系。
輸出電壓是否需要滿(mǎn)擺幅？
低供電電壓設計通常都需要滿(mǎn)擺幅的輸出，以便充分利用整個(gè)動(dòng)態(tài)電壓范圍，以擴大輸出信號擺幅。至于滿(mǎn)擺幅輸入的問(wèn)題，運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(mǎn)擺幅，原因是共模電壓(Vcm)永遠小于輸出范圍或等于零(只有極少例外，例如設有浮動(dòng)接地的單供電電壓運算放大器)。
增益帶寬的問(wèn)題是否更令人憂(yōu)慮？
是的，尤其是對于音頻前置放大器來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常令人憂(yōu)慮的問(wèn)題。由于人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)只能察覺(jué)大約由20Hz至20kHz頻率范圍的聲音，因此部分工程師設計音頻系統時(shí)會(huì )忽略或輕視這個(gè)“范圍較窄”的帶寬。事實(shí)上，體現音頻器件性能的重要技術(shù)參數如低總諧波失真(THD)、快速轉換率(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。
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圖1，建議選用的放大器 |
深入了解噪聲
在設計低噪聲前置放大器之前，工程師必須仔細審視源自放大器的噪聲，一般來(lái)說(shuō)，運算放大器的噪聲主要來(lái)自四個(gè)方面：
熱噪聲 (Johnson)：由于電導體內電流的電子能量不規則波動(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、電導體電阻及絕對溫度有直接的關(guān)系。對于電阻及晶體管(例如雙極及場(chǎng)效應晶體管)來(lái)說(shuō)，由于其電阻值并非為零，因此這類(lèi)噪聲影響不能忽視。 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，這類(lèi)閃爍以低頻噪聲的形態(tài)出現，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，對電阻器及半導體會(huì )造成干擾，而雙極芯片所受的干擾比場(chǎng)效應晶體管大。 射擊噪聲(肖特基)：肖特基噪聲由半導體內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。 爆玉米噪聲(popcorn frequency)：半導體的表面若受到污染便會(huì )產(chǎn)生這種噪聲，其影響長(cháng)達幾毫秒至幾秒，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)半導體時(shí)若采用較為潔凈的工藝，會(huì )有助減少這類(lèi)噪聲。
此外，由于不同運算放大器的輸入級采用不同的結構，因此晶體管結構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 輸入運算放大器的噪聲：噪聲電壓主要由高頻區通道電阻的熱噪聲及低頻區的低頻噪聲所造成，CMOS放大器的轉角頻率(corner frequency)比雙極放大器高，而寬帶噪聲也遠比雙極放大器高；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)行大量計算，才可將這些噪聲化為數字準確表達出來(lái)。為了避免將問(wèn)題復雜化，這里只選用音頻技術(shù)規格最關(guān)鍵的幾個(gè)參數。
輸入參照噪聲總量(
)： 
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 噪聲數字(NF)是指輸入信噪比與輸出信噪比之間的比率的對數，即：
PDA麥克風(fēng)前置放大器電路
在這里我們討論一下如何設計一款適合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。首先，我們必須知道以下信息：
計劃采用的麥克風(fēng)類(lèi)型 麥克風(fēng)輸出信號電平 麥克風(fēng)阻抗及指定阻抗的頻率 增益規定，有關(guān)增益可能受運算放大器的增益帶寬積所限制 輸入信號頻率范圍 噪聲規定 例如某種陶瓷麥克風(fēng)的技術(shù)規格如下： 阻抗：2.2k((以1kHz的頻率操作) 輸出信號：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：500(非反相)，第一級可達5倍增益，第二級可達100倍增益。 我們引用公式1：
兩個(gè)放大級的輸出噪聲總量
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2所示。
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