??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)計前置放大器時，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)計步驟及相關(guān)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(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(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 ??由于運算放大器體積小巧、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?yōu)橐繇懴到y(tǒng)設(shè)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(dāng)?shù)募夹g(shù)規(guī)格。在設(shè)計過程中，系統(tǒng)設(shè)計工程師經(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(shè)計師應(yīng)該采用補(bǔ)償電壓（Vos）極低而共模抑制比（CMRR）極高的高精度運算放大器。是否采用高精度運算放大器取決于系統(tǒng)設(shè)計需要達(dá)到多少倍的放大增益，增益越大，便越需要采用較高準(zhǔn)確度的運算放大器。 ??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(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)計音頻系統(tǒng)時會忽略或輕視這個“范圍較窄”的帶寬。事實上，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(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。 ?? ??CMOS 輸入運算放大器的噪聲：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，其噪聲電流便會增加約40%。 ??工程師必須深入了解噪聲問題及進(jìn)行大量計算，才可將這些噪聲化為數(shù)字準(zhǔn)確表達(dá)出來。為了避免將問題復(fù)雜化，這里只選用音頻技術(shù)規(guī)格最關(guān)鍵的幾個參數(shù)。 ??輸入?yún)⒄赵肼暱偭浚ǎ? ?? ??其中，指信源電阻；指放大器的噪聲電壓；指信源電阻的熱噪聲；指放大器的噪聲電流 ??噪聲數(shù)字（NF）是指輸入信噪比與輸出信噪比之間的比率的對數(shù)，即： ?? ??上述方程式中的S及N均為功率。 ??PDA麥克風(fēng)前置放大器電路 ??在這里我們討論一下如何設(shè)計一款適合PDA采用的麥克風(fēng)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(fēng)類型 ??麥克風(fēng)輸出信號電平 ??麥克風(fēng)阻抗及指定阻抗的頻率 ??增益規(guī)定，有關(guān)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(guī)定