低噪聲前置放大器電路的設(shè)計(jì)方法

     前置放大器在音頻系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。本文首先講解了在為家庭音響系統(tǒng)或PDA設(shè)計(jì)前置放大器時(shí)，工程師應(yīng)如何恰當(dāng)選取元件。隨后，詳盡分析了噪聲的來源，為設(shè)計(jì)低噪聲前置放大器提供了指導(dǎo)方針。最后，以PDA麥克風(fēng)的前置放大器為例，列舉了設(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之間的電路或電子設(shè)備，例如置于光盤播放機(jī)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(shè)計(jì)的，已接收的信號先以較小的增益放大，有時(shí)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(jìn)行音調(diào)控制。無論為家庭音響系統(tǒng)還是PDA設(shè)計(jì)前置放大器，都要面對一個十分頭疼的問題，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)過程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常會面臨以下問題。

     是否有必要采用高精度的運(yùn)算放大器？

     輸入信號電平振幅可能會超過運(yùn)算放大器的錯誤容限，這并非運(yùn)算放大器所能接受。若輸入信號或共模電壓太微弱，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(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。

     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，以便充分利用整個動態(tài)電壓范圍，以擴(kuò)大輸出信號擺幅。至于滿擺幅輸入的問題，運(yùn)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(yuǎn)小于輸出范圍或等于零(只有極少例外，例如設(shè)有浮動接地的單供電電壓運(yùn)算放大器)。

     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(shè)計(jì)音頻系統(tǒng)時(shí)會忽略或輕視這個“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，一般來說，運(yùn)算放大器的噪聲主要來自四個方面：

     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)體電阻及絕對溫度有直接的關(guān)系。對于電阻及晶體管(例如雙極及場效應(yīng)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。 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(jìn)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(dǎo)體會造成干擾，而雙極芯片所受的干擾比場效應(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產(chǎn)生這種噪聲，其影響長達(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，會有助減少這類噪聲。

     此外，由于不同運(yùn)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(yùn)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