低噪聲前置放大器電路設(shè)計(jì)步驟

1、低噪聲前置放大器電路設(shè)計(jì)步驟及相關(guān)注意事項(xiàng)時(shí)間：2009-10-14  來(lái)源：   整理：  點(diǎn)擊： 281 低噪聲前置放大器電路設(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(zhuān)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

2、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(lèi)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。      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

3、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。      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。 &

4、#160;    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)。      增益帶寬的問(wèn)題是否更令人憂慮？      是的，尤其是對(duì)于音

5、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(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(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。  圖1，建議選用的放大器      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：  

6、;    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(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(nèi)，這類(lèi)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。 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

7、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(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(lèi)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

8、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%。   

9、;   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?        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)

10、。首先，我們必須知道以下信息：      計(jì)劃采用的麥克風(fēng)類(lèi)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：  圖2MIC前置放大器電路圖      請(qǐng)注意，

11、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(hù)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(lèi)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