从关键影响途径出发，运放电路降噪技巧分享
出处：网络 发布于：2025-05-12 14:51:53 | 228 次阅读
在电子电路设计领域，运放电路的性能优化至关重要，而降低噪声干扰是其中的关键环节。噪声的表现形式丰富多样，它既可以是随机信号，也可以是重复信号；可能在内部产生，也可能源于外部环境；有电压或电流的形式，并且具有宽带或窄带、高频或低频等不同特性。这里我们将噪声定义为任何在运放输出端出现的无用信号。
噪声通常可分为器件的固有噪声和外部噪声。固有噪声包含热噪声、散弹噪声和低频噪声（1/f 噪声）等，这些是器件本身特性所导致的。而外部噪声则主要指电源噪声、空间耦合干扰等，一般通过合理的设计是可以避免或减小其影响的。对于低噪声运放而言，降低外部噪声的影响对充分发挥其性能起着至关重要的作用。
常见外部噪声源
电源纹波：在采用全波整流的线性稳压供电电路中，100Hz 纹波是主要的电源噪声。对于运放电路，100Hz 噪声电平通常要求控制在 10nV - 100nV（RTI）内，这主要取决于三个因素：运放在 100Hz 时的电源抑制比（PSRR）、稳压器的纹波抑制比以及稳压器的输入滤波电容的大小。以 ADI 高压放大器 OP77 为例，从其 PSRR - 频率曲线（图 1）可以看出，OP77 在 100Hz 时 PSRR 大约是 76dB。若要获得不大于 100nV（RTI）的性能，供电电源的纹波必须小于 0.6mV。常用的三端稳压一般能提供大约 60dB 的纹波抑制能力，在这种情况下，稳压器的输入滤波电容必须足够大，以将输入端的纹波限制在 0.6V 以下。
电源去耦：典型的串联稳压器供电的电源中包含幅度为 150μV、频率范围为 100Hz - 100KHz 的噪声，开关型电源的噪声情况更为严重。运放的 PSRR 在高频时以 20dB/Decade 的速度降低，通过在电源脚加 RC 或 LC 去耦网络，能滤除大部分噪声，电路形式如图 3 所示。不过在使用 RC 去耦时，需要注意负载电流的变化会导致对电源脚上电压的调制。
电源调整率：任何电源电压的变化都会引起运放输入偏置电流的变化。从图 1 可知，OP77 的 PSRR 在 DC 时是 126dB（0.5μV/V），电源电压的变化是一个潜在的低频噪声源。在低噪声运放的应用中，降低电源的纹波和提高电源的调整率都十分重要，电源调整率不足通常会引起讨厌的低频噪声。
开关电源：开关电源是一个严重的噪声源。从典型的开关电源输出端的电压波形（图 4）可以看出，噪声频谱既包含开关频率及其谐波成分，还包含开关回路谐振引起的阻尼振荡的高频成分，频率从几十 KHz 一直延续到几十 MHz。而普通的运放在几百 Hz 以上时 PSRR 开始急剧下降，到几百 KHz 时几乎为零，此时，出现在输出端的电源噪声将非常严重。
影响途径和对策
除了要注意对运放 PSRR 或 CMRR 参数的选择和加强运放供电去耦（如采用 RC 去耦）外，在开关电源供电设计中，还应关注以下几个方面：
直接耦合干扰：电源中的噪声可能通过基准源或 PCB 的漏电直接耦合到放大器的输入端。因此，要注意对电压基准源输出的滤波，对于 PCB 漏电，可在信号输入引线与电源走线间加地线防护。
分布电容耦合干扰：噪声可能通过 PCB 走线之间的分布电容直接耦合到放大器输入端，造成干扰。在 PCB 布线时，要遵循 3W 原则，即与弱信号线不要贴近平行走线，线净距大于线宽的 3 倍，并在电源线或数字信号线与模拟小信号线之间加地线隔离。
公共阻抗干扰：接地处理不当，噪声会通过公共阻抗影响敏感电路部分。为防止公共阻抗将电源噪声引入信号回路，要注意接地上避免带噪声的大电流流过前级小信号地；采用单点接地，将电源、模拟、数字电路分开接地；布板使用地平面层，最小化地线阻抗；开关电源输出从最后一个滤波电容的地端引出电源地，避免从滤波电感前的电容的地端引出。
共模电流干扰：开关管漏极开关电压驱动的位移电流，通过初次级分布电容、次级电路、次级对大地与杂散电容、大地与初级地之间的杂散电容形成环路，次级模拟电路中流过的共模电流流过不平衡的阻抗转换成差模，对放大电路造成干扰（如图 6）。共模方式引入的干扰一般为开关噪声中的高频分量（数 MHz 以上）。对此的措施主要有提供一条从开关电源次级地返回初级地的低阻抗噪声旁路通道，通常使用 1000p - 2200p 的；使用共模扼流圈加强开关电源的输出的共模滤波；使用隔离技术，最小化回路中的共模电流。
空间耦合干扰：噪声会通过空间磁场耦合到具有一定环路面积的信号回路或地线环中，造成对信号的影响。另外来自开关电源或市电网络的高频干扰可能通过空间杂散电容直接耦合到信号回路。在设计中，要合理布局、调整电感或变压器放置方向、优化布线，减小关键信号的回路面积，避免形成地环路；双面或布线时，注意信号线和地线、电源线与地线一定要贴近平行走线，使用 1000p 电容射频多点接地，兼顾 EMC 和低频信噪比的需求；对敏感电路加屏蔽，注意屏蔽层连接到被保护信号的参考地；走线设计上注意电源线不要和信号线捆扎在一起。
噪声通常可分为器件的固有噪声和外部噪声。固有噪声包含热噪声、散弹噪声和低频噪声（1/f 噪声）等，这些是器件本身特性所导致的。而外部噪声则主要指电源噪声、空间耦合干扰等，一般通过合理的设计是可以避免或减小其影响的。对于低噪声运放而言，降低外部噪声的影响对充分发挥其性能起着至关重要的作用。
常见外部噪声源
电源纹波：在采用全波整流的线性稳压供电电路中，100Hz 纹波是主要的电源噪声。对于运放电路，100Hz 噪声电平通常要求控制在 10nV - 100nV（RTI）内，这主要取决于三个因素：运放在 100Hz 时的电源抑制比（PSRR）、稳压器的纹波抑制比以及稳压器的输入滤波电容的大小。以 ADI 高压放大器 OP77 为例，从其 PSRR - 频率曲线（图 1）可以看出，OP77 在 100Hz 时 PSRR 大约是 76dB。若要获得不大于 100nV（RTI）的性能，供电电源的纹波必须小于 0.6mV。常用的三端稳压一般能提供大约 60dB 的纹波抑制能力，在这种情况下，稳压器的输入滤波电容必须足够大，以将输入端的纹波限制在 0.6V 以下。
电源去耦：典型的串联稳压器供电的电源中包含幅度为 150μV、频率范围为 100Hz - 100KHz 的噪声，开关型电源的噪声情况更为严重。运放的 PSRR 在高频时以 20dB/Decade 的速度降低，通过在电源脚加 RC 或 LC 去耦网络，能滤除大部分噪声，电路形式如图 3 所示。不过在使用 RC 去耦时，需要注意负载电流的变化会导致对电源脚上电压的调制。
电源调整率：任何电源电压的变化都会引起运放输入偏置电流的变化。从图 1 可知，OP77 的 PSRR 在 DC 时是 126dB（0.5μV/V），电源电压的变化是一个潜在的低频噪声源。在低噪声运放的应用中，降低电源的纹波和提高电源的调整率都十分重要，电源调整率不足通常会引起讨厌的低频噪声。开关电源：开关电源是一个严重的噪声源。从典型的开关电源输出端的电压波形（图 4）可以看出，噪声频谱既包含开关频率及其谐波成分，还包含开关回路谐振引起的阻尼振荡的高频成分，频率从几十 KHz 一直延续到几十 MHz。而普通的运放在几百 Hz 以上时 PSRR 开始急剧下降，到几百 KHz 时几乎为零，此时，出现在输出端的电源噪声将非常严重。
影响途径和对策除了要注意对运放 PSRR 或 CMRR 参数的选择和加强运放供电去耦（如采用 RC 去耦）外，在开关电源供电设计中，还应关注以下几个方面：
直接耦合干扰：电源中的噪声可能通过基准源或 PCB 的漏电直接耦合到放大器的输入端。因此，要注意对电压基准源输出的滤波，对于 PCB 漏电，可在信号输入引线与电源走线间加地线防护。
分布电容耦合干扰：噪声可能通过 PCB 走线之间的分布电容直接耦合到放大器输入端，造成干扰。在 PCB 布线时，要遵循 3W 原则，即与弱信号线不要贴近平行走线，线净距大于线宽的 3 倍，并在电源线或数字信号线与模拟小信号线之间加地线隔离。
公共阻抗干扰：接地处理不当，噪声会通过公共阻抗影响敏感电路部分。为防止公共阻抗将电源噪声引入信号回路，要注意接地上避免带噪声的大电流流过前级小信号地；采用单点接地，将电源、模拟、数字电路分开接地；布板使用地平面层，最小化地线阻抗；开关电源输出从最后一个滤波电容的地端引出电源地，避免从滤波电感前的电容的地端引出。
共模电流干扰：开关管漏极开关电压驱动的位移电流，通过初次级分布电容、次级电路、次级对大地与杂散电容、大地与初级地之间的杂散电容形成环路，次级模拟电路中流过的共模电流流过不平衡的阻抗转换成差模，对放大电路造成干扰（如图 6）。共模方式引入的干扰一般为开关噪声中的高频分量（数 MHz 以上）。对此的措施主要有提供一条从开关电源次级地返回初级地的低阻抗噪声旁路通道，通常使用 1000p - 2200p 的；使用共模扼流圈加强开关电源的输出的共模滤波；使用隔离技术，最小化回路中的共模电流。
空间耦合干扰：噪声会通过空间磁场耦合到具有一定环路面积的信号回路或地线环中，造成对信号的影响。另外来自开关电源或市电网络的高频干扰可能通过空间杂散电容直接耦合到信号回路。在设计中，要合理布局、调整电感或变压器放置方向、优化布线，减小关键信号的回路面积，避免形成地环路；双面或布线时，注意信号线和地线、电源线与地线一定要贴近平行走线，使用 1000p 电容射频多点接地，兼顾 EMC 和低频信噪比的需求；对敏感电路加屏蔽，注意屏蔽层连接到被保护信号的参考地；走线设计上注意电源线不要和信号线捆扎在一起。
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