噪聲是類比電路設計的一個核心問題，它會直接影響能從測量中提取的資訊量，以及獲得所需資訊的經濟成本。遺憾的是，關於噪聲有許多混淆和誤導資訊，可能導致效能不佳、高成本的過度設計或資源使用效率低下。

今天我們就說說關於模擬設計中噪聲分析的11個由來已久的誤區↓↓↓

誤區一：降低電路中的電阻值總是能改善噪聲效能

噪聲電壓隨著電阻值提高而增加，二者之間的關係已廣為人知，可以用約翰遜噪聲等式來描述：

erms 為均方根電壓噪聲

k為玻爾茲曼常數

T為溫度（單位為K）

R為電阻值，B為頻寬

這讓許多工程師得出結論：為了降低噪聲，應當降低電阻值。雖然這常常是正確的，但不應就此認定它是普遍真理，因為在有些例子中，較大的電阻反而能夠改善噪聲效能。

①號栗子——在大多數情況下，測量電流的方法是讓它通過一個電阻，然後測量所得到的電壓。根據歐姆定律V = I ×R，產生的電壓與電阻值成正比，但正如上式所示，電阻的約翰遜噪聲與電阻值的平方根成正比。由於這個關係，電阻值每提高一倍，信噪比可提高3dB。在產生的電壓過大或功耗過高之前，此趨勢一直是正確的。

誤區二

所有噪聲源的噪聲頻譜密度可以相加；

頻寬可以在最後計算時加以考慮。

將多個噪聲源的噪聲頻譜密度()加總（電壓噪聲源按平方和開根號），而不分別計算各噪聲源的rms噪聲，可以節省時間，但這種簡化僅適用於各噪聲源看到的頻寬相同的情況。如果各噪聲源看到的頻寬不同，簡單加總就變成一個可怕的陷阱。

圖1. 使用rms噪聲而不是頻譜密度進行噪聲計算的理由

圖1顯示了過取樣系統中的情況。從噪聲頻譜密度看，系統總噪聲似乎以增益放大器為主，但一旦考慮頻寬，各級貢獻的rms噪聲其實非常相近。

手工計算時必須包括每一個噪聲源

設計時有人可能忍不住要考慮每一個噪聲源，但設計工程師的時間是寶貴的，這樣做在大型設計中會非常耗時。全面的噪聲計算最好留給模擬軟體去做。

不過，設計人員如何簡化設計過程需要的手工噪聲計算呢？答案是忽略低於某一閾值的不重要噪聲源。如果一個噪聲源是主要噪聲源（或任何其他摺合到同一點的噪聲源）的 1 / 5 erms 值，其對總噪聲的貢獻將小於2%，可以合理地予以忽略。設計人員常會爭論應當把該閾值選在哪裡，但無論是 1 / 3 、 1 / 5 還是 1 / 10 （分別使總噪聲增加5%、2%和0.5%），在設計達到足以進行全面模擬或計算的程度之前，沒必要擔心低於該閾值的較小噪聲源。

誤區四

應挑選噪聲為ADC  1 / 10 的ADC驅動器

模數轉換器(ADC)資料手冊可能建議利用噪聲為ADC 1 / 10 左右的低噪聲ADC驅動放大器來驅動模擬輸入。但是，這並非總是最佳選擇。在一個系統中，從系統角度權衡ADC驅動器噪聲常常是值得的。

首先，如果系統中ADC驅動器之前的噪聲源遠大於ADC驅動器噪聲，那麼選擇超低噪聲ADC驅動器不會給系統帶來任何好處。換言之，ADC驅動器應與系統其餘部分相稱。

其次，即使在只有一個ADC和一個驅動放大器的簡單情況下，權衡噪聲並確定其對系統的影響仍是有利的。通過具體數值可以更清楚地瞭解其中的理由。

②號栗子——考慮一個系統採用16位ADC，其SNR值相當於100 µV rms噪聲，用作ADC驅動器的放大器具有µV rms噪聲。按和方根加總這些噪聲源，得到總噪聲為100.5 rms，非常接近ADC單獨的噪聲。可以考慮下面兩個讓放大器ADC更為平衡的方案，以及它們對系統性能的影響：

• 如果用似的18位ADC代替16位ADC，前者的額定SNR相當於40 µV rms聲，則總噪聲變為41 µV rms。

• 或者，如果保留16位ADC，但更低功耗的放大器代替上述驅動器，該放大器貢獻30 µV rms聲，則噪聲變為104 µV rms。

就係統效能而言，以上兩種方案之一可能是比原始組合更好的選擇。關鍵是要權衡利弊以及其對系統整體的影響。

誤區五

直流耦合電路中必須始終考慮1/f噪聲

1/f噪聲對超低頻率電路是一大威脅，然而，許多直流電路的噪聲是以白噪聲源為主，1/f噪聲對總噪聲無貢獻，因而不用計算1/f噪聲。

為了弄清這種效應，考慮一個放大器（其1/f噪聲轉折頻率fnc為10 Hz）。對於各種頻寬，計算10秒採集時間內包含和不含1/f噪聲兩種情況下的電路噪聲，以確定不考慮1/f噪聲的影響。其中寬頻噪聲為：

• 當頻寬為fnc 的100倍時，寬頻噪聲開始占主導地位；

• 當頻寬超過fnc的1000倍時，1/f噪聲微不足道。

現代雙極性放大器可以具有比10 Hz低很多的噪聲轉折頻率，零漂移放大器則幾乎完全消除了1/f噪聲。

表1. 1/f 噪聲影響與電路頻寬的關係示例

誤區六

因為1/f噪聲隨著頻率降低而提高，

所以直流電路具有無限大噪聲。

雖然直流對電路分析是一個有用的概念，但真實情況是，如果認為直流是工作在0 Hz，那麼實際上並不存在這樣的事情。隨著頻率越來越低，趨近0 Hz，週期會越來越長，趨近無限大。這意味著存在一個可以觀測的最低頻率，哪怕電路在理論上是直流響應。該最低頻率取決於採集時長或孔徑時間，也就是觀測器件輸出的時長。如果一名工程師開啟器件並觀測輸出100秒，則其能夠觀測到的最低頻率偽像將是0.01 Hz。這還意味著，此時可以觀測到的最低頻率噪聲也是0.01 Hz。

③號栗子——現在通過一個數值例子來展開說明，考慮一個DC至1 kHz連續監控其輸出。如果在前100秒觀測到電路中一定量的1/f噪聲，從0.01 Hz至1 kHz（5個十倍頻程的頻率），則在30年（約1nHz，12個十倍頻程）中觀測到的噪聲量可計算為：

或者說比前100秒觀測到的噪聲多55%。這種增加幾乎沒有任何意義，即使考慮最差情況——1/f噪聲持續增加到1 nHz（目前尚無測量證據）——也是如此。

理論上，如果沒有明確定義孔時間，1/f噪聲可以計算到一個等於電路壽命倒數的頻率。實踐中，電路在如此長時間內的偏差以老化效應和長期漂移為而不是1/f噪聲。許多工程師為直流電路的噪聲計算設定0.01 或1 mHz之類的最低頻率，以使計算切合實際。

誤區七

噪聲等效頻寬會使噪聲倍增

噪聲等效頻寬(NEB)對噪聲計算是一個很有用的簡化。由於截止頻率以上的增益不是0，某些超出電路頻寬的噪聲會進入電路中。NEB是計算的理想磚牆濾波器的截止頻率，它會放入與實際電路相同的噪聲量。NEB大於–3 dB頻寬，已針對常用濾波器型別和階數進行計算。

④號栗子——對於單極點低通濾波器，它是–3dB頻寬的1.57倍，寫成公式就是：

然而，關於應把該乘法因數放在噪聲公式中的何處，似乎一直存在混淆。請記住，NEB調節的是頻寬，而非噪聲，因此應在根號下面，如下式所示：

誤區八

電壓噪聲最低的放大器是最佳選擇

選擇運算放大器時，電壓噪聲常常是設計人員唯一考慮的噪聲規格。其實電流噪聲同樣不能忽略。除非在有輸入偏置電流補償等特殊情況下，電流噪聲通常是輸入偏置電流的散粒噪聲：

電流噪聲通過源電阻轉換為電壓，因此，如果放大器輸入端前面有一個大電阻，那麼電流噪聲對系統噪聲的貢獻可能大於電壓噪聲。電流噪聲會成為問題的典型情況是使用低噪聲運算放大器且其輸入端串聯一個大電阻時。

⑤號栗子——考慮低噪聲運算放大器ADA4898-1，其輸入端串聯一個10 kΩ電阻。ADA4898-1的電壓噪聲為：

10 kΩ電阻的噪聲為：

電流噪聲乘以10 kΩ電阻等於：

這是系統中的最大噪聲源。在類似這種電流噪聲占主導地位的情況下，常常可以找到電流噪聲較低的器件，從而降低系統噪聲；對精密放大器尤其如此，不過高速FET輸入運算放大器對高速電路也可能有幫助。例如，若不選擇ADA4898-1（從而得不到電壓低噪聲的好處），可以選擇AD8033或ADA4817-1等JFET輸入放大器。

誤區九

在第一級提供大部分增益可實現最佳噪聲效能

為了實現更好的噪聲效能，常常建議在第一級提供增益，這是對的，因為訊號會比隨後各級的噪聲要大。然而，這樣做的缺點是會削弱系統能夠支援的最大訊號。某些情況下，與其在第一級提供很大一部分增益（雖然這樣可以提高測量靈敏度，但會限制動態範圍），不如限制第一級提供的增益，並用高解析度進行數字化處理，使靈敏度和動態範圍都達到最大。

誤區十

給定阻值時，所有型別電阻的噪聲相同  

電阻的約翰遜噪聲非常重要，以至於我們需要一個簡單的公式來計算某一電阻在某一溫度下的噪聲。然而，約翰遜噪聲是電阻中可以觀測到的最小噪聲，而且並非所有型別的電阻都有同等噪聲。

還有過量噪聲，它是電阻中1/f噪聲的來源之一，與電阻型別密切相關。過量噪聲（有時候也誤稱為電流噪聲）與電流在非連續介質中流動的方式有關。它被規定為噪聲指數(NI)，單位為dB，以每十倍頻程1 µV rms/V dc 為基準。

這意味著：如果一個0 dB NI的電阻上有1 V dc 電壓，則給定十倍頻程時的過量噪聲為1 µV rms。碳和厚膜電阻的NI最高，可能高達+10 dB左右，在訊號路徑的噪聲敏感部分中最好避免使用。薄膜電阻一般要好得多，約為–20 dB；金屬箔和繞線電阻可以低於–40 dB。

誤區十一

給定足夠長的採集時間，

均值法可將噪聲降至無限小。

一般認為均值法可將噪聲降低均值數的平方根倍。這在一定條件下是成立的，即NSD必須保持平坦。然而，在1/f範圍內和其他幾種情況下，這種關係不成立。考慮在一個以恆定頻率fs取樣的系統中使用均值法，對n個樣本求均值並進行1/n抽取，返回m個抽取樣本。取n個平均值會將抽取後的有效取樣速率變為fs/n，系統看到的有效最大頻率降低n倍，白噪聲降低√n倍。然而，獲得m個樣本的時間也會延長n倍，因此係統可以看到的最低頻率也會降低n倍（記住，沒有0 Hz這種事）。

取的均值數越多，頻段上的這些最大和最小頻率就越往下移。一旦最大和最小頻率均在1/f範圍內，總噪聲便僅取決於這些頻率之比，再提高均值數對降低噪聲沒有進一步的好處。同樣的道理也適用於多斜率等積分ADC的長積分時間。除了數學上的限制以外，還存在其他實際限制。

⑥號栗子——若量化噪聲是主要噪聲源，使得直流輸入電壓下的ADC輸出為一個無閃爍的恆定碼，則任何數量的均值都會返回同一個碼。

文章來源：21ic電子網