低噪声放大器设计:降低电路噪声

1.噪声来源

噪声主要来自测量放大电路的外部和内部两方面。

（1）外部噪声影响。外部噪声主要是通过静电耦合，电磁耦合和公共阻抗耦合这三种途径引入的。选择合理的屏蔽、去耦及接地方式是抑制外噪声的主要措施，这里不再详述。

（2）内部噪声影响。内部噪声主要是由运算放大器和电路中的分立元件产生的。其主要噪声类型有：

1）热噪声。由导体中电荷载流子的热运动产生的噪声。热噪声的有效值为

式中 k——波耳兹曼常数，k＝1.38×10－23J/K；

　　 T——导体的绝对温度（K）；

　　 Rs——导体的电阻，包括信号源电阻（Ω）；

　　 B——噪声带宽（Hz）。

图12.1-2　测量放大电路的噪声等效电路

2）散粒噪声。它是流过PN结势垒时的电流不连续而造成的，噪声电流的有效值为

式中 q——电子的电荷量，q＝1.59×10－19C；

　　 ——流过势垒的直流电流（A）。(www.xing528.com)

3）闪烁噪声和爆裂噪声。主要由于晶体管和集成电路的制造缺陷所引起的。

4）噪声系数。图12.1-2所示为测量放大电路的噪声等效电路。将放大器A看做一个理想的无噪声放大器，而折合到输入端的总噪声电压eN为

式中 4kTRsΔf——输入端电阻（包括信号源内阻）的热噪声；

　　 en——测量放大电路折合到输入端的噪声电压；

　　in——测量放大电路折合到输入端的噪声电流。

如果噪声系数用输入端的总噪声电压en与输入电阻的热噪声et之比表示

由式（12.1-3）可看出，F愈小，测量放大电路的输出端噪声就愈小。减小F的途径有两条：选择低噪声的放大器；合理地选择传感器及转换电路，使之与测量放大电路接口后的等效输入电阻Rs最小。

2.减小测量放大电路噪声的措施

（1）选择输出电阻较小的转换电路（或传感器），减小信号源内阻Rs所产生的热噪声。在25℃时，10kΩ电阻约为10n V，100kΩ电阻为30n V。

（2）选择低噪声放大器。如μA 741这样的一般运算放大器，在频率为1kHz时，en＝；而双极型场效应管运算放大器LF356在1kHz时，en与μA 741相差不多，是μA 741的1/100。因此，当信号非常小时，应选噪声系数小的放大器。

（3）压缩放大器的带宽。测量放大电路的通频带宽，主要取决于放大器和外围器件，其宽度有利于信号（包括有用谐波）通过既可。放大器的频带过宽，高次谐波的引入，将增加en和in。

（4）合理选择放大器的外围器件。如铝电解电容漏电较大，是比较明显的噪声源。因此，输入耦合电容和输入电阻以及反馈电容和电阻，应选用质量较好的钽电容和金属膜电阻。

（5）减小连接线电容。比较有效的方法是将测量放大电路（或前置级）放入传感器内，这样既缩短了连接线，也减小了由连接导线围成的闭合回路面积，消除了电磁干扰。其次是采用驱动电缆技术，使电缆的屏蔽层与芯线具有同等的电位，这样可使屏蔽层与芯线之间没有容性电流通过。