電子器件電路中的標準噪聲一般可以看成是除總體目標信號之外的全部信號的統稱。

　　最初，大家把造成錄音機等麥克風設備噪聲的電子器件信號稱之為噪聲。但電子器件電路上一些不經意的電子器件信號所產生的不良影響并不都和響聲相關，因此大家慢慢增加了噪聲的定義。

　　電路中的噪聲是如何形成的呢?噪聲在電路中是無處不在的，但我們可以系統地了解其來源。電路內部本身就存在噪聲源，這些被稱為電路的固有噪聲。固有噪聲主要包括熱噪聲、散粒噪聲和接觸噪聲。

　　首先，熱噪聲是由于電阻內部電子的熱擾動而產生的。這種噪聲在所有包含電阻的元件中都存在，而且其電壓值受溫度影響非常小。熱噪聲是電阻噪聲的一種，也是電路中噪聲的主要來源之一。

　　其次，散粒噪聲與流過勢壘的電流有關。它是由隨機電子(或空穴)發射導致的電流波動所引起的。這種噪聲存在于真空管和半導體中，對于真空管來說，它來自于陰極電子的隨機發射;而對于半導體來說，它是由載流子隨機擴散和空穴與電子對的隨機產生和復合產生的。

　　最后，接觸噪聲是由兩種材料之間不完善接觸所產生的電導率變化所致。這種噪聲在電路中的任何接觸點都可能產生，如開關、繼電器等。接觸噪聲也發生在晶體管和二極管中，以及由許多顆粒成型在一起的合成電阻中。

　　除了以上三種固有噪聲外，電路中還可能存在其他類型的噪聲，如電磁干擾等。這些噪聲都可能對電路的性能和穩定性產生影響。因此，在設計電路時，需要采取相應的措施來減小噪聲的影響，以提高電路的性能和可靠性。

　　為了減小熱噪聲電壓，我們可以采取一些措施，如減小系統的電阻值和帶寬，降低電路工作環境溫度，或使用參量放大器等。散粒噪聲的功率密度隨著頻率變化是一個常數，且振幅呈高斯分布。接觸噪聲的幅度在低頻時變得很大，通常是低頻電路中的最重要的噪聲源。了解這些噪聲的特性有助于我們更好地設計和優化電路。

　　例如，開關電源電壓中的諧波失真或自激振蕩很有可能會對電路造成不良危害，造成麥克風設備傳出溝通交流響聲或造成電路常見故障，但有時候很有可能不可能造成以上不良影響。這類諧波失真或震蕩應被稱作電路噪聲。也有一定次數的電磁波信號。針對必須接受這一信號的接收器而言，它是常規的總體目標信號，而對另一個接收器而言，它是是非非總體目標信號，也就是噪聲。

　　專業術語干擾常常用以微電子學，有時候它與噪聲的理念相搞混。實際上是有差異的。噪聲是電子器件信號，干擾就是指某類效用，是噪聲對電路的副作用。電路中有噪聲，但不一定有干擾。在數據電路中。用數字示波器常常可以留意到，一切正常單脈沖信號中攪拌的一些小頂峰不是期待有的，反而是一種噪聲。但因為電路的特點，這種小頂峰并不危害數據電路的邏輯性，不容易導致錯亂，因此可以覺得沒有干擾。

　　當噪聲電壓大到足夠干擾電路時，該噪聲電壓稱之為干擾電壓。或是電路元器件在仍能正常的工作中時需增加的較大噪聲電壓，稱之為該電路或元器件的抗干擾容限或抗繞度。一般來說，噪聲難以清除，但我們可以試著減少噪聲的硬度或電路的抗繞度，使噪聲不容易導致干擾。

　　開關電源上的噪聲：如果是線性穩壓電源，最先50Hz的低頻率是明顯的干擾源。由于從初中級出去的交流電流不純，并且是正弦波形，非常容易對周邊的電路造成電磁感應干擾，也就是電磁噪聲。如果是開關電源電路，噪聲更比較嚴重。開關電源電路工作中在高頻率，輸出一部分存有臟的諧波電流電壓，會對全部電路導致較大的噪聲。

　　電子電路中噪聲的產生如何抑制?

　　這個東西主要是由于電路中的數字電路和電源部分產生的。在數字電路中，普遍存在高頻的數字電平，這些電平可以產生兩種噪聲：

　　1、電磁輻射，就像電視的天線一樣，通過發射電磁波來干擾旁邊的電路，也就是你說的噪聲。

　　2、耦合噪聲，指數字電路和旁邊的電路存在一定的耦合，噪聲可以直接在電器上直接影響其他的電路，這種噪聲更厲害。

　　電源上存在的噪聲：如果是線性電源，首先低頻的50Hz就是一個嚴重的干擾源。由于初級進來的交流電本身就不純凈，而且是波浪的正弦波，容易對旁邊的電路產生電磁干擾，也就是電磁噪聲。如果是開關電源的話噪聲更嚴重，開關電源工作在高頻狀態，并且在輸出部分存在很臟的諧波電壓，這些對整個的電路都能產生很大的噪聲。

　　防止方法：合理地接地、采用差分結構傳輸模擬信號、在電路的電源輸出端加去耦電容、采用電磁屏蔽技術、模擬數字地分開、信號線兩邊走底線、地線隔離等等。其實我說的這些在去除噪聲的方面只是冰山一角，就算是玩了30年電子的人也不會完全掌握所有的這類技術，因為理解掌握這類東西需要很強的技術基礎和相當豐富的經驗，不過我告訴你的這些在大體上已經足夠了。

　　本底噪聲是由電路本身引起的，由于電源的不純凈，電路的相位裕度和增益裕度不合適等等電路本身和器件的原因。這部分需要在電路設計時進行改進。

　　其他噪聲是由于電路布局布線不合理等等認為因素，電磁兼容，導線間干擾等等。

　　模擬電路噪聲的消除更多地依賴于經驗而非科學依據。設計人員經常遇到的情況是電路的模擬硬件部分設計出來以后，卻發現電路中的噪聲太大，而不得不重新進行設計和布線。這種“試試看”的設計方法在幾經周折之后最終也能獲得成功。不過，避免噪聲問題的更好方法是在設計初期進行決策時就遵循一些基本的設計準則，并運用與噪聲相關的基本原理等知識。

　　低噪聲前置放大器電路的設計方法

　　前置放大器在音頻系統中的作用至關重要。本文首先講解了在為家庭音響系統或PDA設計前置放大器時，工程師應如何恰當選取元件。隨后，詳盡分析了噪聲的來源，為設計低噪聲前置放大器提供了指導方針。最后，以PDA麥克風的前置放大器為例，列舉了設計步驟及相關注意事項。

　　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備，例如置于光盤播放機與高級音響系統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計的，已接收的信號先以較小的增益放大，有時甚至在傳送到功率放大器級之前便先行加以調節或修正，如音頻前置放大器可先將信號加以均衡及進行音調控制。無論為家庭音響系統還是PDA設計前置放大器，都要面對一個十分頭疼的問題，即究竟應該采用哪些元件才恰當?

　　元件選擇原則

　　由于運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算放大器芯片。我們為音響系統設計前置放大器電路時，必須清楚知道如何為運算放大器選定適當的技術規格。在設計過程中，系統設計工程師經常會面臨以下問題：

　　1、是否有必要采用高精度的運算放大器?輸入信號電平振幅可能會超過運算放大器的錯誤容限，這并非運算放大器所能接受。若輸入信號或共模電壓太微弱，設計師應該采用補償電壓(Vos)極低而共模抑制比(CMRR)極高的高精度運算放大器。是否采用高精度運算放大器取決于系統設計需要達到多少倍的放大增益，增益越大，便越需要采用較高準確度的運算放大器。

　　2、運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電壓范圍、系統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)會影響運算放大器的準確性，其中以采用電池供電的系統所受影響最大。此外，功耗大小也與內部電路的靜態電流及供電電壓有直接的關系。

　　3、輸出電壓是否需要滿擺幅?低供電電壓設計通常都需要滿擺幅的輸出，以便充分利用整個動態電壓范圍，以擴大輸出信號擺幅。至于滿擺幅輸入的問題，運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)永遠小于輸出范圍或等于零(只有極少例外，例如設有浮動接地的單供電電壓運算放大器)。

　　4、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，因此部分工程師設計音頻系統時會忽略或輕視這個“范圍較窄”的帶寬。事實上，體現音頻器件性能的重要技術參數如低總諧波失真(THD)、快速轉換率(slewrate)以及低噪聲等都是高增益帶寬放大器所必須具備的條件。

　　深入了解噪聲

　　在設計低噪聲前置放大器之前，工程師必須仔細審視源自放大器的噪聲，一般來說，運算放大器的噪聲主要來自四個方面：

　　1、熱噪聲(Johnson)：由于電導體內電流的電子能量不規則波動產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、電導體電阻及絕對溫度有直接的關系。對于電阻及晶體管(例如雙極及場效應晶體管)來說，由于其電阻值并非為零，因此這類噪聲影響不能忽視。

　　2、閃爍噪聲(低頻)：由于晶體表面不斷產生或整合載流子而產生的噪聲。在低頻范圍內，這類閃爍以低頻噪聲的形態出現，一旦進入高頻范圍，這些噪聲便會變成“白噪聲”。閃爍噪聲大多集中在低頻范圍，對電阻器及半導體會造成干擾，而雙極芯片所受的干擾比場效應晶體管大。

　　3、射擊噪聲(肖特基)：肖特基噪聲由半導體內具有粒子特性的電流載流子所產生，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系。這種噪聲具有寬帶的特性。

　　4、爆玉米噪聲(popcornfrequency)：半導體的表面若受到污染便會產生這種噪聲，其影響長達幾毫秒至幾秒，噪聲產生的原因仍然未明，在正常情況下，并無一定的模式。生產半導體時若采用較為潔凈的工藝，會有助減少這類噪聲。

　　此外，由于不同運算放大器的輸入級采用不同的結構，因此晶體管結構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生。

　　CMOS輸入運算放大器的噪聲：噪聲電壓主要由高頻區通道電阻的熱噪聲及低頻區的低頻噪聲所造成，CMOS放大器的轉角頻率(cornerfrequency)比雙極放大器高，而寬帶噪聲也遠比雙極放大器高;噪聲電流主要由輸入門極漏電的射擊噪聲所產生，CMOS放大器的噪聲電流遠比雙極放大器低，但溫度每升高10(C，其噪聲電流便會增加約40%。

　　工程師必須深入了解噪聲問題及進行大量計算，才可將這些噪聲化為數字準確表達出來。為了避免將問題復雜化，這里只選用音頻技術規格最關鍵的幾個參數。

　　上述方程式中的S及N均為功率。

　　PDA麥克風前置放大器電路

　　在這里我們討論一下如何設計一款適合PDA采用的麥克風前置放大器，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。首先，我們必須知道以下信息：計劃采用的麥克風類型

　　麥克風輸出信號電平

　　麥克風阻抗及指定阻抗的頻率

　　增益規定，有關增益可能受運算放大器的增益帶寬積所限制

　　輸入信號頻率范圍

　　噪聲規定

　　例如某種陶瓷麥克風的技術規格如下：阻抗：2.2k((以1kHz的頻率操作)

　　輸出信號：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：500(非反相)，第一級可達5倍增益，第二級可達100倍增益。

　　我們引用公式1：

　　等量輸入噪聲(EIN)=輸入參照噪聲總量()×輸入頻率范圍

　　輸出噪聲=等量輸入噪聲×增益=545.81nV×5=2.73uV(適用于1級增益)或545.81nV×100=54.58uV(適用于2級增益)。

　　兩個放大級的輸出噪聲總量

　　1伏輸出電壓的信噪比電平=20×log(1V÷54.58uV)≈85.3dB

　　電路輸出噪聲總量大約是每一噪聲源均方根的平均均方值總和的平方根，此外輸出噪聲通常絕大部分來自噪聲量最大的信源。請注意，這款電路只適用于單電源供電的設計，其中輸入及輸出電容器(C1及C4)只是選項，工程師可根據實際情況考慮選用。適用與否取決于用戶系統的輸入與輸出如何連接。若麥克風輸出設有直流補償，那么便需要增設C1輸入電容器，以便阻塞直流電信號。輸出電容器也可發揮相同的作用。

　　目前市場上出售的麥克風大部分以2k(左右的高阻抗麥克風以及只有幾百(的低阻抗麥克風為主，這兩類麥克風都可采用上述前置放大器設計。高阻抗高輸出麥克風前置放大器較為簡單，可以采用非反相或反相放大器配置。由于其頻率響應較為平坦，因此無需特別加以均衡，而且輸入電平較大，放大器對噪聲的要求很低，但高阻抗麥克風對來歷不明的噪聲及磁場極為敏感。低阻抗低輸出麥克風前置放大器也可采用非反相或反相放大器將輸入信號放大，頻率響應及均衡等方面的要求都與高阻抗高輸出的前置放大器大致相同。如果麥克風的輸出電平較低，工程師必須注意選用低噪聲的運算放大器。如性能較好的低噪聲運算放大器應該產生較低的輸入參照電壓噪聲，而且噪聲不應超過10nV/((Hz)。

　　運算放大器電路中固有噪聲的分析與測量

　　我們可將噪聲定義為電子系統中任何不需要的信號。噪聲會導致音頻信號質量下降以及精確測量方面的錯誤。板級與系統級電子設計工程師希望能確定其設計方案在最差條件下的噪聲到底有多大，并找到降低噪聲的方法以及準確確認其設計方案可行性的測量技術。

　　噪聲包括固有噪聲及外部噪聲，這兩種基本類型的噪聲均會影響電子電路的性能。外部噪聲來自外部噪聲源，典型例子包括數字交換、60Hz噪聲以及電源交換等。固有噪聲由電路元件本身生成，最常見的例子包括寬帶噪聲、熱噪聲以及閃爍噪聲等。本系列文章將介紹如何通過計算來預測電路的固有噪聲大小，如何采用SPICE模擬技術，以及噪聲測量技術等。