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一文看懂电路噪声

1.电路噪声

对于电子电路中的标称噪声,通常可以认为它是除目标信号之外的所有信号的通用术语。首先,导致诸如无线电的音频设备发出的噪声的电子信号被称为噪声。然而,一些非目的电子信号对电子电路的影响并非都与声音有关。因此,人们逐渐扩大了噪音的概念。

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例如,那些在屏幕上引起白线的电子信号也被称为噪声。可以说除了电路中的预期信号之外的所有信号,无论它是否影响电路,都可以称为噪声。例如,电源电压中的纹波或自振荡会对电路产生不利影响,导致音响设备发出嗡嗡声或导致电路发生故障,但有时可能不会导致上述后果。对于这种纹波或振荡,它应该被称为电路的一种噪声。还存在特定频率的无线电波信号,其是用于需要接收这种信号的接收器的正常目的地信号,以及用于另一接收器的非目标信号,即噪声。术语干扰通常用于电子设备,有时与噪声概念混淆。实际上,存在差异。噪声是电子信号,干扰是由噪声引起的对电路的不良反应。电路中有噪声,但不一定有干扰。在数字电路中。通常表面上观察到在正常脉冲信号上混合小尖峰是不希望的,但是噪声是不希望的。然而,由于电路特性,这些小尖峰不会受到数字电路逻辑的干扰,因此可以认为没有干扰。

当噪声电压足够大而对电路造成干扰时,噪声电压称为干扰电压。电路或器件在正常工作时施加的最大噪声电压称为电路或器件的抗扰度或抗扰度。通常,噪声很难消除,但您可以尝试降低噪声强度或增加电路的抗扰度,以便噪声不会产生干扰。

2.噪声产生和抑制

电子电路中产生的噪音?怎么压制?

这件事主要是由于电路的数字电路和电源部分。在数字电路中,高频数字电平很常见。这些电平会产生两种噪声:1。电磁辐射,就像电视天线一样,通过发射电磁波来干扰相邻电路,这就是你说的噪音。耦合噪声意味着数字电路与其旁边的电路之间存在一定的耦合。噪声可直接影响电气设备上的其他电路,这种噪声更强大。

电源噪声:如果是线性电源,第一个低频50Hz是严重的干扰源。由于主输入AC固有地不纯并且是正弦波波,因此容易对相邻电路产生电磁干扰,即电磁噪声。如果是开关电源,则噪声更严重,开关电源工作在高频状态,输出部分存在脏的谐波电压,这会对整个电路产生很大的噪声。

预防方法:合理接地,通过差分结构传输模拟信号,电路电源输出端的去耦电容,电磁屏蔽技术,模拟数字分离,两侧信号线,接地隔离等。实际上,这些只是关于降噪的冰山一角。即使那些已经玩了30年的人也不会完全掌握所有这些技术,因为了解这些技术的需要需要强大的技术基础和相当的经验,但我告诉你的基本上就足够了。

噪声基底是由电路本身引起的,由于电源不纯,电路的相位裕度和增益裕度不合适等等。这部分需要在电路设计中加以改进。

其他噪声是由于诸如不合理的电路布局和布线,电磁兼容性,线间干扰等因素造成的。

消除模拟电路噪声更多地取决于经验而非科学依据。设计人员经常遇到的情况是,在设计电路的模拟硬件部分之后,发现电路中的噪声太大,并且必须重新设计设计和布线。这种“试一试”的设计方法最终会在几次曲折后成功。但是,避免噪声问题的更好方法是遵循一些基本设计指南,并在设计过程早期做出决策时利用与噪声相关的基础知识。

3.前置放大器电路设计方法

低噪声前置放大电路的设计方法

前置放大器在音频系统中的作用至关重要。本文首先解释了在为家庭音频系统或PDA设计前置放大器时,工程师应如何正确选择组件。随后,对噪声源的详细分析为设计低噪声前置放大器提供了指导。最后,以PDA麦克风的前置放大器为例,列出了设计步骤和相关注意事项。

前置放大器是放置在源和放大器级之间的电路或电子设备,例如放置在盘播放器和高级音频系统功率放大器之间的音频前置放大器。前置放大器设计用于接收来自信号源的弱电压信号。接收信号首先以小增益放大,有时甚至在传输到功率放大器级(例如音频前端)之前进行调整或校正。放大器可以首先均衡信号并执行音调控制。无论是家用音响系统还是PDA设计前置放大器,您都必须面对一个非常令人头痛的问题,哪些组件应该正确使用?

4.组件选择原则

由于运算放大器IC的尺寸和性能较小,许多这些前置放大器都使用这种类型的运算放大器芯片。在为音响系统设计前置放大器电路时,我们必须清楚地知道如何为运算放大器选择合适的规格。系统设计工程师在设计过程中经常会遇到以下问题。

1.是否有必要使用高精度运算放大器?

输入信号电平幅度可能超过运算放大器的误差容差,这对于运算放大器是不可接受的。如果输入信号或共模电压太弱,设计人员应使用具有极低补偿电压(Vos)和极高共模抑制比(CMRR)的高精度运算放大器。是否使用高精度运算放大器取决于系统设计所需的放大增益的次数。增益越大,运算放大器就越精确。

2.运算放大器需要什么样的电源电压?

此问题取决于输入信号的动态电压范围,系统的总电源电压和输出要求。然而,不同电源的不同电源抑制比(PSRR)会影响运算放大器的精度,该运算放大器基于电池供电系统。受影响最大。此外,功耗也与内部电路的静态电流和电源电压直接相关。

3.输出电压是否需要全摆幅?

低电源电压设计通常需要轨到轨输出,以利用整个动态电压范围来增加输出信号摆幅。至于轨到轨输入的问题,运算放大器电路的配置有其自己的解决方案。由于前置放大器通常配置有反相或非反相放大器,因此输入不需要全摆幅,因为共模电压(Vcm)始终小于输出范围或等于零(极少数例外情况,例如浮地接地单电源电压运算放大器)。

4.增益带宽问题更令人担忧吗?

是的,特别是对于音频前置放大器,这是一个非常令人担忧的问题。由于人类听觉只能感知大约20 Hz至20 kHz频率范围内的声音,因此一些工程师在设计音频系统时忽略或鄙视这种“更窄”的带宽。实际上,反映高音频设备性能的重要技术参数,如低总谐波失真(THD),快速压摆率和低噪声都是高增益带宽放大器所必需的。

5.了解有关噪音的更多信息

在设计低噪声前置放大器之前,工程师必须仔细检查放大器的噪声。一般来说,运算放大器的噪声主要来自四个方面:

1.热噪声(约翰逊):由于电导体中电流的电子能量的不规则波动而具有宽带特性的热噪声与电压有效值的平方根和带宽,电导体电阻和绝对温度。对于电阻器和晶体管(例如双极和场效应晶体管),这种噪声影响不能忽略,因为它们的电阻值不为零。

2.闪烁噪声(低频):由载波在晶体表面上连续产生或积分产生的噪声。在低频范围内,这种闪烁以低频噪声的形式出现,一旦进入高频范围就变成“白噪声”。闪烁噪声主要集中在低频范围,对电阻器和半导体产生干扰,双极性芯片比场效应晶体管更加干扰。

3.拍摄噪声(肖特基):肖特基噪声由半导体中具有粒子特性的载流子产生。电流的平方根与芯片的平均偏置电流和带宽有直接关系。这种噪音具有宽带的特点。

4.爆米花频率:如果半导体表面被污染,就会产生这样的噪音。效果长达几毫秒到几秒。噪音的原因仍然未知。一般情况下,没有一定的模式。在半导体生产中使用更清洁的工艺可以帮助减少这种噪音。

另外,由于不同运算放大器的输入级采用不同的结构,晶体管结构的差异使得不同放大器的噪声量大不相同。以下是两个具体的例子。

双极性输入运算放大器的噪声:噪声电压主要是由电阻的热噪声和输入基极电流的高频散粒噪声引起的。低频噪声的电平取决于流入电阻器的输入晶体管的基极电流产生的低频噪声;噪声电流主要由输入基极电流的噪声和电阻器的低频噪声产生。 CMOS输入运算放大器的噪声:噪声电压主要是由高频通道电阻的热噪声和低频区域的低频噪声引起的。 CMOS放大器的转角频率高于双极放大器的转角频率,宽带噪声远远超过双极性。放大器很高;噪声电流主要是由输入栅极泄漏的射击噪声引起的。 CMOS放大器的噪声电流远低于双极放大器的噪声电流,但每增加10(C)温度,噪声电流增加约40%。 p>

工程师必须先了解噪声问题并进行大量计算才能准确表示为数字。为了避免使问题复杂化,此处仅使用音频规范的最关键参数。

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上式中的S和N都是幂。

6,麦克风前置放大电路

PDA麦克风前置放大器电路

在这里,我们将讨论如何为PDA设计麦克风前置放大器。如上所述,我们必须理解源是来自输入前置放大器的信号。首先,我们必须知道以下信息:

麦克风型输出麦克风电平的计划麦克风输出阻抗和指定阻抗的频率增益规格,增益可能受运算放大器的增益带宽积的限制。指定输入信号频率范围。例如,陶瓷麦克风的规格如下:阻抗:2.2k(以1kHz频率工作)输出信号:200(Vpp音频输入频率范围:100Hz至4kHz热噪声:2nV /(Hz前置放大器增益指示:500(非反相),第一级可达5倍增益,第二级可达到100倍增益。

我们引用公式1:

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等输入噪声(EIN)=总输入参考噪声()×输入频率范围

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输出噪声=相等输入噪声×增益=545.81nV×5=2.73uV(对于1级增益)或545.81nV×100=54.58uV(对于2级增益)。

两个放大器级的总输出噪声

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1伏输出电压的信噪比水平=20×log(1V÷54.58uV)≈85.3dB

电路的总输出噪声大约是每个噪声源的均方根的均方值之和的平方根。此外,输出噪声通常主要来自具有最大噪声量的源。实际电路如图2所示。

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图2 MIC前置放大器电路图

请注意,该电路仅适用于单电源设计,其中输入和输出电容(C1和C4)是可选的,可由工程师根据实际情况选择。适用性取决于用户系统的输入和输出如何连接。如果麦克风输出是直流补偿,则需要C1输入电容来阻止直流信号。输出电容也可以执行相同的功能。

目前市场上的大多数麦克风都基于2k(高阻抗麦克风和仅几百个(低阻抗麦克风)。两种类型的麦克风都可以使用上述前置放大器设计。高阻抗和高输出麦克风前置放大器更常见。可以使用简单的,非反相或反相放大器配置。由于其平坦的频率响应,无需专门化均衡,输入电平较大,放大器噪声要求低,但高 - 阻抗麦克风具有未知噪声。磁场非常灵敏。低阻抗,低输出麦克风前置放大器也可以使用同相或反相放大器放大输入信号,频率响应和均衡要求大致为与高阻抗,高输出前置放大器相同。麦克风的输出电平很低,工程师必须注意使用低噪声运算放大器。例如,具有更好性能的低噪声运算放大器应产生较低的输入参考电压噪声,噪声不应超过10nV /((Hz)。/P>

7.固有噪声的分析和测量

运算放大器电路中本征噪声的分析与测量

我们可以将噪声定义为电子系统中的任何不需要的信号。噪声可能导致音频信号质量下降和精确测量中的错误。板级和系统级电子设计工程师希望确定设计在最坏情况下会产生多少噪声,并找到降低噪声并准确确定其设计可行性的方法。

噪声包括固有噪声和外部噪声,这两者都会影响电子电路的性能。外部噪声来自外部噪声源,典型示例包括数字开关,60 Hz噪声和功率开关。本征噪声由电路元件本身产生,最常见的例子包括宽带噪声,热噪声和闪烁噪声。