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(lái)源,為設(shè)計(jì)低噪聲前置放大器提供了指導(dǎo)方針。
前置放大器是指置于信源與放大器級(jí)之間的電路或電子設(shè)備,例如置于光盤播放機(jī)與高級(jí)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(lái)自信源的微弱電壓信號(hào)而設(shè)計(jì)的,已接收的信號(hào)先以較小的增益放大,有時(shí)甚至在傳送到功率放大器級(jí)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(hào)加以均衡及進(jìn)行音調(diào)控制。無(wú)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(duì)一個(gè)十分頭疼的問(wèn)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(guò)程中,系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常會(huì)面臨以下問(wèn)題。
1、是否有必要采用高精度的運(yùn)算放大器?
輸入信號(hào)電平振幅可能會(huì)超過(guò)運(yùn)算放大器的錯(cuò)誤容限,這并非運(yùn)算放大器所能接受。若輸入信號(hào)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。
2、運(yùn)算放大器需要什么樣的供電電壓?
這個(gè)問(wèn)題要看輸入信號(hào)的動(dòng)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(huì)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。
3、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(gè)動(dòng)態(tài)電壓范圍,以擴(kuò)大輸出信號(hào)擺幅。至于滿擺幅輸入的問(wèn)題,運(yùn)算放大器電路的配置會(huì)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(wú)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(dòng)接地的單供電電壓運(yùn)算放大器)。
4、增益帶寬的問(wèn)題是否更令人憂慮?
是的,尤其是對(duì)于音頻前置放大器來(lái)說(shuō),這是一個(gè)非常令人憂慮的問(wèn)題。由于人類聽(tīng)覺(jué)只能察覺(jué)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(huì)忽略或輕視這個(gè)“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。
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(lái)說(shuō),運(yùn)算放大器的噪聲主要來(lái)自四個(gè)方面:
1、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(dòng)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(duì)溫度有直接的關(guān)系。對(duì)于電阻及晶體管(例如雙極及場(chǎng)效應(yīng)晶體管)來(lái)說(shuō),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(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(huì)變成“白噪聲”。閃爍噪聲大多集中在低頻范圍,對(duì)電阻器及半導(dǎo)體會(huì)造成干擾,而雙極芯片所受的干擾比場(chǎng)效應(yīng)晶體管大。
3、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。
4、爆玉米噪聲(popcorn frequency):半導(dǎo)體的表面若受到污染便會(huì)產(chǎn)生這種噪聲,其影響長(zhǎng)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(wú)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(huì)有助減少這類噪聲。
此外,由于不同運(yùn)算放大器的輸入級(jí)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(gè)具體例子。
1、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,低頻噪聲電平大小取決于流入電阻的輸入晶體管基極電流產(chǎn)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(chǎn)生。
2、CMOS 輸入運(yùn)算放大器的噪聲:噪聲電壓主要由高頻區(qū)通道電阻的熱噪聲及低頻區(qū)的低頻噪聲所造成,CMOS放大器的轉(zhuǎn)角頻率(corner frequency)比雙極放大器高,而寬帶噪聲也遠(yuǎn)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(chǎn)生,CMOS放大器的噪聲電流遠(yuǎn)比雙極放大器低,但溫度每升高10(C,其噪聲電流便會(huì)增加約40%。