噪音放大器原理及知识问答

这里的公式显示ADC的SNR数值与Vrms数值之间的换算关系，以便比较ADC与放大器的噪声。有一点必须注意，要确保使用ADC最大输入范围内的均方根噪声。

峰峰值噪声和RMS噪声

峰峰值噪声Vrms指波形中波峰与波谷点之间的距离，它仅取决于两个点，有利也有弊。有利的一面是非常容易计算，只需将最大点减去最小点；不利的一面是复验性不强，不太精确。噪声是一个随机过程，因此，这种测量实际上依赖于噪声波形的极值。采集数据的时间越长，则越有可能获得极值。均方根值噪声使用波形中的所有点，比峰峰值噪声精确得多，测量的点越多，均方根数值越精确。不利的一面是，由于要使用所有点，因此计算时间较长。

关于峰峰值和均方根值测量有一点需要注意，它们会随带宽发生较大变化，对于同一放大器，带宽越低，噪声也越低。图4清楚显示了这一点。实验中，我们测量了仪表放大器AD8222在多个不同带宽时的噪声，可以清楚的看到带宽对于噪声的影响之大。带宽每提高十倍，噪声增加三倍。由于这些测量依赖于带宽，因此有几点需要注意：首先，需要了解电路的带宽特性，需要确保测量仪器的带宽高于电路的带宽，只有这样，才能获得精确的读数。此外，使用数字万用表时，规定均方根值噪声或峰峰值噪声时，同时必须明确特定的带宽。对于绝大多数数据手册，带宽为0.1Hz至10Hz频带。


图4 AD8222在多个不同带宽时的噪声

频谱密度图使均方根测量更进一步，它实际上是将噪声测量分为不同的区间，这样便可以明确哪些频率具有较多的噪声成分。图5来自AD8295数据手册，显示了许多测量的平均组合值。由于频谱密度图将测量分为许多区间，因此需要大量的数据才能获得一张清晰的图。

图5 AD8295的频谱密度图

在较低频率时，大多数放大器的噪声曲线会斜升，噪声密度与频率成反比，因此将它称为1/f噪声。如果沿1/f斜率画一条直线，与水平噪声线相交，就可以得到1/f转折频率。

噪声计算

噪声的加法规则为噪声的平方和，假设噪声源不相关，这一假设在绝大多数情况下是成立的，噪声的乘法和除法规则与一般信号相同。

第一，在噪声计算时，有几点需要注意：室温下，1kΩ电阻对应于的噪声，这一速算公式可以方便地应用于其他电阻值，只需乘以电阻的平方根。

第二，在对信号源求和时，可以忽略较小的项。噪声加法规则为平方和，如果一个噪声信号只有主导噪声信号的1/5，则其贡献的额外噪声只有1/25。

第三点是对第一点的扩展，如果第一增益级的增益足够大，则可以忽略其后的一切噪声。

低噪声系统的设计技巧

低噪声系统设计的第一个窍门是在前级应用中尽可能多的增益，图6显示的是一个放大器前端的两个例子，增益为10。可以看出，将所有增益应用于第一级，比将增益分布于两级要好得多。请注意，有时最佳带宽性能的要求可能与最佳噪声性能的要求相冲突。对于带宽，我们希望每个增益级具有近似的增益，而对于噪声，我们则希望第一级具有全部的增益。