低噪聲前置放大器電路的設計步驟

前置放大器在音頻系統(tǒng)中的作用至關重要。本文首先講解了在為家庭音響系統(tǒng)或PDA設計前置放大器時，工程師應如何恰當選取元件。隨后，詳盡分析了噪聲的來源，為設計低噪聲前置放大器提供了指導方針。最后，以PDA麥克風的前置放大器為例，列舉了設計步驟及相關注意事項。

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，例如置于光盤播放機與高級音響系統(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，有時甚至在傳送到功率放大器級之前便先行加以調(diào)節(jié)或修正，如音頻前置放大器可先將信號加以均衡及進行音調(diào)控制。無論為家庭音響系統(tǒng)還是PDA設計前置放大器，都要面對一個十分頭疼的問題，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運算放大器芯片。我們?yōu)橐繇懴到y(tǒng)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?shù)募夹g規(guī)格。在設計過程中，系統(tǒng)設計工程師經(jīng)常會面臨以下問題。

1. 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(tǒng)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。
   

2. 運算放大器需要什么樣的供電電壓？

   這個問題要看輸入信號的動態(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)會影響運算放大器的準確性，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系。
   

3. 輸出電壓是否需要滿擺幅？

   低供電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(tài)電壓范圍，以擴大輸出信號擺幅。至于滿擺幅輸入的問題，運算放大器電路的配置會有自己的解決辦法。由于前置放大器一般都采用反相或非反相放大器配置，因此輸入無需滿擺幅，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，例如設有浮動接地的單供電電壓運算放大器)。

4. 增益帶寬的問題是否更令人憂慮？

   是的，尤其是對于音頻前置放大器來說，這是一個非常令人憂慮的問題。由于人類聽覺只能察覺大約由20Hz至20kHz頻率范圍的聲音，因此部分工程師設計音頻系統(tǒng)時會忽略或輕視這個“范圍較窄”的帶寬。事實上，體現(xiàn)音頻器件性能的重要技術參數(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，一般來說，運算放大器的噪聲主要來自四個方面：

1. 熱噪聲 (Johnson)：由于電導體內(nèi)電流的電子能量不規(guī)則波動產(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系。對于電阻及晶體管(例如雙極及場效應晶體管)來說，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)，一旦進入高頻范圍，這些噪聲便會變成“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造成干擾，而雙極芯片所受的干擾比場效應晶體管大。

3. 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(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系。這種噪聲具有寬帶的特性。

4. 爆玉米噪聲(popcorn frequency)：半導體的表面若受到污染便會產(chǎn)生這種噪聲，其影響長達幾毫秒至幾秒，噪聲產(chǎn)生的原因仍然未明，在正常情況下，并無一定的模式。生產(chǎn)半導體時若采用較為潔凈的工藝，會有助減少這類噪聲。

此外，由于不同運算放大器的輸入級采用不同的結(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(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，而寬帶噪聲也遠比雙極放大器高；噪聲電流主要由輸入門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，其噪聲電流便會增加約40%。

工程師必須深入了解噪聲問題及進行大量計算，才可將這些噪聲化為數(shù)字準確表達出來。為了避免將問題復雜化，這里只選用音頻技術規(guī)格最關鍵的幾個參數(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數(shù)，即：

上述方程式中的S及N均為功率。

PDA麥克風前置放大器電路

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：

• 計劃采用的麥克風類型

• 麥克風輸出信號電平

• 麥克風阻抗及指定阻抗的頻率

• 增益規(guī)定，有關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(guī)定

例如某種陶瓷麥克風的技術規(guī)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：

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級增益)或545.81nV×100=54.58uV(適用于2級增益)。

兩個放大級的輸出噪聲總量

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自噪聲量最大的信源。實際電路如圖1所示。

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

目前市場上出售的麥克風大部分以2k(左右的高阻抗麥克風以及只有幾百(的低阻抗麥克風為主，這兩類麥克風都可采用上述前置放大器設計。高阻抗高輸出麥克風前置放大器較為簡單，可以采用非反相或反相放大器配置。由于其頻率響應較為平坦，因此無需特別加以均衡，而且輸入電平較大，放大器對噪聲的要求很低，但高阻抗麥克風對來歷不明的噪聲及磁場極為敏感。低阻抗低輸出麥克風前置放大器也可采用非反相或反相放大器將輸入信號放大，頻率響應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。如果麥克風的輸出電平較低，工程師必須注意選用低噪聲的運算放大器。如性能較好的低噪聲運算放大器應該產(chǎn)生較低的輸入?yún)⒄针妷涸肼暎以肼暡粦^10nV/((Hz)。