放大器的噪声问题(1)

电子系统中的主要5 类噪声源:

Shot noise 散粒噪声

Thermal noise 热噪声

Flicker noise 闪烁（变）噪声，1/f噪声

Burst noise 突发噪声

Avalanche noise 雪崩噪声

在放大器中, 突发噪声和雪崩噪声可以通过制作工艺等措施来消除,在电路噪声分析中一般可以不考虑.

Shot Noise

电子器件中的散粒噪声

散粒噪声和工作电流有关. 当电荷通过势垒(pn结)时会产生散粒噪声. 瞬时电流i,平均值iD

其中q 是基本电荷，df 是对噪声所覆盖的频域积分，i D 是通过器件的平均电流

散粒噪声是白噪声,而且与温度无关.

平均直流100毫安，噪声带宽为1HZ时，其散粒噪声为0.18nA,可见在低噪设计时，直流工作电流越低，至少其散粒噪声越低！

Thermal Noise

热噪声是由导体中电子或空穴的热运动产生.

热噪声是白噪声, 与散粒噪声不同,热噪声与工作电流无关.

热噪声可以等效为电压源串联一个无噪声电阻,或等效为电流源并联一个无噪声电阻的形式:

Flicker Noise

Flicker noise 又称 *1/f *噪声.所有有源器件都存在Flicker噪声,其产生原因很多. 1/f噪声和工作dc current有关,其均方根值为:

碳膜电阻的Flicker噪声是比较大的,甚至可以和热噪声比拟,其它类型电阻(如金属膜) 的1/f噪声比热噪声小很多,所以要模拟电路的噪声低，电阻可不要选碳膜的，选金属膜是不错的选择！ flicker 噪声和直流工作电流成比例,可以减小直流工 作电流来降低1/f噪声 ; 而热噪声与 直流工作电流无关.

Burst Noise

突发噪声，也叫爆米花噪声，与半导体材料的缺陷和重离子注入有关. Burst noise makes a popping sound at rates below 100 Hz when played through a speaker. Low burst noise is achieved by using clean device processing.

Avalanche Noise

当pn结反向击穿时 会产生Avalanche(雪崩噪声)

Noise Characteristics

噪声信号的瞬时幅度大小是随机的,我们可以得到其幅度的概率分布函数. 热噪声和散粒噪声的概率分布函数是Gaussian分布.

假设δ是高斯分布的标准偏差,则其瞬时幅度落在[平均值±d]范围的概率是68%

理论上噪声信号的最大幅度是无限大,但是其出现的可能性随幅度增大而迅速降低,即无限大的幅度实际上是不可能出现的.一般工程上取+/-3.3δ或±3δ范围为噪声幅度实际出现的范围; ±3d范围对应的出现概率为99.7%.

这话啥意思？简单说，你如果计算出噪声电压的有效值为20nv,则对应噪声的幅度可以取3.3*20=66nv

两个非噪声的电压源串联，其输出电压是相加，而两个噪声电压源串联其输出电压还是相加吗？这是初学者容易混淆的地方！瞬时输出电压当然是两个相加！书上不是说，噪声电压不能直接相加吗？对于噪声电压有两种定义，一种是普通的瞬时值，一种是概率定义的方差或有效值。一般讨论噪声电压的输出瞬时值没有多少意义，因为噪声是随机信号，它的瞬时值无法估计测量，而其方差却有统计规律，也和功率相对应，可以测量。

所以一般都是研究噪声的有效值，即方差，现有噪声电压瞬时值e1和e2,它们串联，则输出噪声电压瞬时值e=e1+e2,现在求e的方均值（与功率有关）e*e=(e1*e1+2e1*e2+e2*e2),再求平均，得e^2=e1^2+e2^2, 这应该是上划线表示平均，由于我不太熟悉这微信编辑器的输入，找不到上划线，将就用下划线表示了，这就是教科书里讲的两个不相关的噪声源串联，其输出的电压表示：输出的噪声电压的有效值的平方相加！公式中原来的2*e1*e2项跑哪去了？因为e1与e2不相关，它们相乘求平均是一定为0的，一般的噪声多是白噪声，两个不同来源的白噪声一定是不相干的.

在计算系统性能时，经过信号放大、整型滤波等模拟处理后，到达ADC采样前的输入信号的最小信噪比SNR，将很大程度上决定系统的选择与性能，比如由于放大器选型设计不当，到达ADC采样前的输入信号的最小信噪比SNR为60db,那我们的ADC选24位分辨率以上的行吗？24位分辨率的ADC的SNR如何计算？或者说24位分辨率的ADC的有效位数是多少？这两个基本是同一个问题，我们先不考虑ADC的时钟抖动造成的SNR限制(这个以后在慢慢吹)，认为ADC系统暂时时钟抖动足够小，在信号系统课程里有个理想ADC的SNR计算公式：SNR=6.02*N+1.76, 根据这个公式先测量出ADC的实际SNR，反向计算N就是有效位数。比如查ADI公司的ADC芯片：

ad4021的分辨率是20位，显示的满量程典型SNR是100.5db，带入前世可以计算出ad4021的典型实际有效分辨率为16.4位，所以我们选ADC一般不十分看重分辨率，重点关注的应该是有效位数或者ADC的SNR，当然仅仅看个100.5db的典型值是远远不够的，还得打开文档仔细瞧了，厂家往往都是挑好的说

看见我圈画的红蓝黄吗？红色最好，正好100.5db,是在输入1khz低频信号，vref=5v时，而黄色是输入信号400khz，Vref=5v时，92.5db,掉了快8db，变化不小呀，对应有效位15位！不是说好的分辨率20位吗？实际有效位数变15位了，还有5位被ADC自身的噪声吃了！

现在退回最开始的60db输入信号信噪比时，ADC该如何选择？

ADC的SNR应该大于输入信号信噪比,小是不行的，大太多就毫无意义了，因为输入的信号信噪比才60db，后续处理引入的噪声只会使信噪比更差！用过采样等数字信号处理方式提高信噪比是有限度的、往往只对白噪声起作用：

为省钱，我们把ADC信噪比选为68-70db

合适的ADC的分辨率基本都是12位的，非选个16位以上的ADC，除了浪费钱，毫无 意义，关键是要修改你前级放大器设计，让60db变成70db,这时提高ADC的有效位数才有意义，那么如何从60db提高到70db?这就需要计算设计放大器的噪声、SNR。。。