IC的噪聲有兩種類型：

一種是外部噪聲，來源于IC外部；

另一種是內部噪聲，來源于器件本身。

外部噪聲

一些工程師認為外部噪聲不應該被稱為噪聲，因為它不是隨機產生的，使用“干擾”一詞也許更恰當。首先，簡單談談三種外部噪聲的主要來源：

RFI耦合

環境中充斥著各種電磁波，雖然這些射頻干擾信號通常在目標帶寬以外，但器件的非線性有時會調整這些信號，將其帶入目標區域中。特別是連接傳感器的引線較長時，噪聲一般會從輸入引線進入電路。

抑制射頻干擾的辦法包括：輸入端濾波、屏蔽和采用雙絞線輸入。

電源噪聲

電子電路抑制電源線信號的能力有限，尤其是頻率較高時，因此必須先消除電源線上的高頻干擾，使其無法到達低噪聲電路。可以對電源進行適當濾波以及IC本身采取良好的旁路措施來實現。敏感模擬電路與數字邏輯應采用不同的電源，至少應深度濾波。

接地環路

我們經常可以從原理圖上看到很多的接地符號，但必須注意，在實際電路中任何兩點的電位都不可能完全相等，電流會流經地線，從而產生電位差。必須考慮電流如何流動，并將高電流路徑與敏感電路隔離。例如，實用新型接地配置，或者將模擬地層與數字地層接在一個點上。

內部噪聲

內部噪聲來源于信號鏈中的電路元件，IC數據手冊中相關的性能規格就是針對這種噪聲。典型的內部噪聲源包括傳感器、電阻、放大器和模數轉換器。

電阻噪聲

電阻噪聲分為兩類：一是內部熱噪聲，這種噪聲與電阻構造無關，僅取決于總電阻、溫度和帶寬，它與所施加的信號無關；二是附加電流噪聲，通常被稱為過量噪聲，它取決于電阻的構造，與熱噪聲不同，電阻電流噪聲與所施加的電壓有關。薄膜電阻和繞線電阻具有出色的電流噪聲性能，其噪聲主要是內部熱噪聲。炭核電阻則不然，一般認為其噪聲性能較差，在之后的討論中我們將假設在低噪聲設計中使用高質量薄膜電阻，因此可以忽略電流噪聲，只專注于熱噪聲。

理想電阻的熱噪聲公式為：



可以看出，熱噪聲取決于溫度、電阻、帶寬和波爾茲曼常數。但在實際設計中，并不要求記住這個公式，因為我們有一個非常方便的速算法。

討論噪聲時，平方根符號會一再出現，公式中含有一個常數項，即波爾茲曼常數k。第二項是溫度，請注意，噪聲隨溫度升高而增大，此溫度的單位為k，因此溫度對噪聲的影響可能不如想象那般大。多數工程師會忽略溫度對噪聲的影響，請記住你所看到的噪聲規格僅針對室溫有效。第三項是電阻值，最后一項是帶寬。

應該記住這個公式，1kΩ電阻在室溫下的熱噪聲為，即

無論從事何種噪聲相關工作，這一算式都將使您永遠受益。這個速算公式可以方便地應用于其他電阻值。

放大器噪聲

圖1所示為放大器噪聲模型。放大器噪聲分為兩類：一種是電壓噪聲（VX），另一種是電流噪聲（IX）。在實際電路中，放大器由許多晶體管組成，所有這些晶體管都有噪聲。幸運的是，所有晶體管的噪聲都可以折合到放大器的輸入端。


圖1 放大器噪聲模型
電壓噪聲規格在數據手冊中，通常以兩種方式表示，分別是和。查看數據手冊中的噪聲特性時，必須了解它是被折合到輸入端還是輸出端。大部分放大器的噪聲特性被折合到輸入端，對于運算放大器數據手冊，這幾乎是默認的習慣算法。但對于其他類型的固定增益放大器（如差動放大器），噪聲可能被折合到輸出端。請注意，這種輸入噪聲會被放大器放大。例如，對于同相增益為10的放大器，輸出端的噪聲將是指標中給出的噪聲的10倍。一些電路配置的噪聲增益可能大于信號增益，反相配置就是一個很好的例子。信號增益為-1的反相配置，其噪聲增益實際上為2。為了確定實際噪聲增益，請將所有外部電壓源短路，同時可以將噪聲放大器的RTI噪聲看做出現在放大器正輸入端的噪聲，如果以這一假設分析電路，應當能夠確定噪聲所接受的增益。

儀表放大器的噪聲特性與運算放大器稍有不同，對于運算放大器，所有內部晶體管噪聲都可以折合到輸入端，換言之，所有噪聲源都會按增益比例縮放。儀表放大器則不然，電路中的一些噪聲會按增益比例進行縮放，其他噪聲則與增益無關，這里與增益噪聲相關的噪聲量顯示為eNI，與增益無關的噪聲量顯示為eNO。數據手冊中有二者關系公式。

除電壓噪聲外，放大器還具有電流噪聲。如果輸入端有電阻，電流噪聲將與之相互作用，產生電壓噪聲。譬如，大多數源電壓具有一定的電阻。畢竟，將高阻抗信號源轉換為低阻抗信號源是使用運算放大器的原因之一。電流噪聲流經與放大器相連的電阻，產生電壓噪聲。一般來說，放大器的輸入偏置電流越高，則電流噪聲越高。

圖2顯示具有一定源電阻的電壓跟隨器配置，運算放大器的電流噪聲會與信號源電阻相互作用，在輸出端產生一定的額外噪聲。圖3顯示反饋路徑中的電阻如何與電流噪聲相互作用，電流噪聲流經反饋電阻的并聯組合，在輸入端產生一個額外噪聲源，然后此噪聲源經放大器放大到達輸出端。


圖2 具有一定源電阻的電壓跟隨器配置

圖3 反饋路徑中電阻與電流噪聲的相互作用

模數轉換器（ADC）噪聲

有時候模數轉換器（ADC）數據手冊以Vrms或VP-P的形式提供噪聲特性，但大多數情況下，該特性用噪聲相對于ADC最大滿量程的關系來表示，規定為信噪比（SNR）。數據手冊中的噪聲指標，偶爾也包括失真特性及信納比。緊急情況下，可以使用文中提供的理想公式，但這是理論限值，永遠比實際值要好。



這里的公式顯示ADC的SNR數值與Vrms數值之間的換算關系，以便比較ADC與放大器的噪聲。有一點必須注意，要確保使用ADC最大輸入范圍內的均方根噪聲。

峰峰值噪聲和RMS噪聲

峰峰值噪聲Vrms指波形中波峰與波谷點之間的距離，它僅取決于兩個點，有利也有弊。有利的一面是非常容易計算，只需將最大點減去最小點；不利的一面是復驗性不強，不太精確。噪聲是一個隨機過程，因此，這種測量實際上依賴于噪聲波形的極值。采集數據的時間越長，則越有可能獲得極值。均方根值噪聲使用波形中的所有點，比峰峰值噪聲精確得多，測量的點越多，均方根數值越精確。不利的一面是，由于要使用所有點，因此計算時間較長。

關于峰峰值和均方根值測量有一點需要注意，它們會隨帶寬發生較大變化，對于同一放大器，帶寬越低，噪聲也越低。圖4清楚顯示了這一點。實驗中，我們測量了儀表放大器AD8222在多個不同帶寬時的噪聲，可以清楚的看到帶寬對于噪聲的影響之大。帶寬每提高十倍，噪聲增加三倍。由于這些測量依賴于帶寬，因此有幾點需要注意：首先，需要了解電路的帶寬特性，需要確保測量儀器的帶寬高于電路的帶寬，只有這樣，才能獲得精確的讀數。此外，使用數字萬用表時，規定均方根值噪聲或峰峰值噪聲時，同時必須明確特定的帶寬。對于絕大多數數據手冊，帶寬為0.1Hz至10Hz頻帶。


圖4 AD8222在多個不同帶寬時的噪聲

頻譜密度圖使均方根測量更進一步，它實際上是將噪聲測量分為不同的區間，這樣便可以明確哪些頻率具有較多的噪聲成分。圖5來自AD8295數據手冊，顯示了許多測量的平均組合值。由于頻譜密度圖將測量分為許多區間，因此需要大量的數據才能獲得一張清晰的圖。

圖5 AD8295的頻譜密度圖

在較低頻率時，大多數放大器的噪聲曲線會斜升，噪聲密度與頻率成反比，因此將它稱為1/f噪聲。如果沿1/f斜率畫一條直線，與水平噪聲線相交，就可以得到1/f轉折頻率。

噪聲計算

噪聲的加法規則為噪聲的平方和，假設噪聲源不相關，這一假設在絕大多數情況下是成立的，噪聲的乘法和除法規則與一般信號相同。

第一，在噪聲計算時，有幾點需要注意：室溫下，1kΩ電阻對應于的噪聲，這一速算公式可以方便地應用于其他電阻值，只需乘以電阻的平方根。

第二，在對信號源求和時，可以忽略較小的項。噪聲加法規則為平方和，如果一個噪聲信號只有主導噪聲信號的1/5，則其貢獻的額外噪聲只有1/25。

第三點是對第一點的擴展，如果第一增益級的增益足夠大，則可以忽略其后的一切噪聲。

低噪聲系統的設計技巧

低噪聲系統設計的第一個竅門是在前級應用中盡可能多的增益，圖6顯示的是一個放大器前端的兩個例子，增益為10。可以看出，將所有增益應用于第一級，比將增益分布于兩級要好得多。請注意，有時最佳帶寬性能的要求可能與最佳噪聲性能的要求相沖突。對于帶寬，我們希望每個增益級具有近似的增益，而對于噪聲，我們則希望第一級具有全部的增益。


圖6 放大器前端

第二個竅門是注意源阻抗。這樣做有兩個原因：第一，源阻抗越大，則系統噪聲越大；第二，放大器必須與源阻抗匹配良好，如果源阻抗較高，電流噪聲噪聲特性可能比電壓噪聲特性更重要。

第三個竅門是要注意反饋電阻，如果選擇超低噪聲運算放大器，卻使用很大的反饋電阻，則不可能實現低噪聲電路，在同相（圖7）或反相配置中，注意反饋電阻相當于折合到輸出端的噪聲源。而其他電阻則相當于輸入端的電壓源，更準確的說，是反相配置輸入端的電壓源。前文已經談到，設計低噪聲系統時，第一級應用有高增益，這種情況下Rg噪聲占主導地位。


圖7 同相運算放大器的噪聲模型

更多詳細內容，敬請瀏覽：http://seminar.eccn.com/100325/jchf_adi.asp

問答選編

問： 放大器的內部噪音如何進行精確測量？它和哪些因素有關？在測試時需要注意那些問題？

答：對于放大器的噪聲的測量，一般來講就是把放大器的輸入接0，輸出經過一個低通濾波器，然后用高精度的ADC來采樣做FFT，或者用示波器看輸出的情況。

問：在判斷放大器的性能時，主要應參考哪兒個噪聲參數呢？

答：要考慮傳感器、電阻、放大器和ADC的各個噪音參數。

問：用運放設計放大器時，如何估算其輸入輸出阻抗？

答：通常，對于運放器件，我們認為其輸入阻抗無窮大，輸出阻抗為0（可以參考具體型號的數據手冊來查詢具體的數值）。所以電路的輸入輸出阻抗可以基于這個條件來計算。

問：如何降低器件的內部噪聲以及削弱外部噪聲？

答：器件的內部噪聲改變不了，可以通過選擇外部的帶寬來限制外部的噪聲。

問：LC電路濾波與運算放大器電路濾波各有什么特點，各用在哪些場合？

答： LC濾波簡單，但是濾波的效果不如有源的那么理想。而且有源濾波可以對信號同時進行放大，而無源的做不到這點。

問：ADC的量化噪音如何考慮？

答：量化噪聲是理論上存在的，是無法去除的，這也是理論信噪比6.02N+1.76的來源。

問：如何測量噪聲才最準確，不會引入測量噪聲呢？

答：如果想得到最準確的噪音，要利用均方根值測量方法。這樣的方法會將所有的噪音都計算在內，但是缺點是測量時間較長，數據量大。

問：如何通過單點接地或者多點接地來消除噪聲，它們有什么區別？

答：單點接地指的是只在芯片電源腳處將地接在一塊，這是為了防止數字電源的地回流影響模擬電路的地，也會用在模擬數字芯片在一塊板子上的情況下，因為兩個地必須最終連在一起，所以一般選在模擬和數字地的交界處。多點接地指的是芯片的接地腳應采用就近接地，不需要引很長的線再接到地上。

問：A/D轉換器的模擬地和數字地如何分割才能更好的降低噪聲？

答：關于模擬地與數字地是否需要分割的問題，業界沒有定論。有的就是一個地平面，有的則分為兩個區域在ADC下面用短線連接，方法多樣。要注意模擬和數字部分器件盡量分開，保持一定距離，模擬信號和數字信號不要交叉走線，電源的濾波電容要盡量靠近芯片。