降低放大器噪声的方法

放大器中的噪声是由一系列杂乱的电波造成的。它总的可以分为两类，即电路中的热噪声和管内噪声。噪声是直接限制放大器特别是宽带放大器提高灵敏度的主要因素之一，因此控制噪声是个十分重要的亟待解决的问题。本文通过分析这些噪声的特性及其在电路中的规律，从电路设计、合理选取元器件、适当的屏蔽和工艺安装上，来介绍改善放大器噪声的各项措施。

在设计低噪声放大器时，应着眼于降低第一级的噪声并提高它的增益。末级功率放大器主要受外部噪声干扰，一般不会发生问题。中间放大级信号电平较高，晶体管工作电流较大，需对晶体管的选择加以注意。

降低噪声的要点：（1）第一级应尽可能选用共发组态，该级晶体管的小电流放大系数越大越好(h\(_{FE}\)>200），并取足够大的集电极电阻。（2）第一级应选用低噪声高增益晶体管。一般晶体管的静态工作点IC升高，1／f噪声和中频段噪声都要增大，高频噪声则减小，故应选择适当的I\(_{C}\)。从最佳噪声特性考虑，通常取IC在0.05～0.1mA之间。在输出电压许可的前提下，工作电压V\(_{CE}\)以低些为宜，一般可取2～4V。（3）放大器的输入阻抗应远大于信号源内阻。在输入端串入适当电阻，可使低频端信号源内阻不过分降低。第一级的隔直耦合电容器应取足够大的电容量，以防信号源阻抗在低频段增大，通常取5～10μF。（4）第一级负反馈发射极电阻是主要的噪声源，应使它小于RS（信号源电阻），同时也最好应远小于r\(_{bb＇}\)（基极电阻）。当低频过剩噪声较大时，该电阻可用金属膜电阻。（5）合理设计直流稳压电源。根据具体情况，应对低电平电路、大功率电路分别供电，并从变压器的副边绕组开始分开，地线亦应公开，最后用粗引线将地线接至参考点；电源变压器采用全屏蔽措施；为避免变压器初、次级之间通过地线的耦合，次级采用浮地措施；调整管上的压降不应低于10V。（6）直流电源输出端应加大容量的电解电容和小容量的高频电容去耦。每块印制板的电源进线端、印制电路内有关电源支线及分叉处均应考虑去耦,以免引入噪声。（7）采用适当的电路：（a）变压器耦合。当信号源的电阻很小，不能通过调整输入晶体管的工作点以获得最佳噪声系数时，就可采用变压器耦合。它是解决信号源电阻（RS）小于最佳源电阻（R\(_{SOPT}\)）噪声匹配问题方法之一（见图1）。这种方法实际中只能做到近似噪声匹配，要想效果好首要任务是制造一个优质的输入变压器，同时用电磁屏蔽法减少变压器自身的噪声和隔离外界杂散电磁场、级间共模耦合的干扰。（b）“无噪声”偏置。图2是“无噪声”偏置电路之一种。它增加了一个电阻RD，而分压电阻R\(_{A}\)和RB被旁路电容器C\(_{B}\)旁路。所以，在偏置电路唯一产生噪声的只有RD。使R\(_{D}\)产生的噪声减至最小的措施是：其一，在RD上的直流电压压降不能大，最好小于1V；其二，取较大的R\(_{D}\)，通常RD＞100kΩ。该电路实际上不能完全消除噪声，即使采用双电源供电，也只是在信号源能够提供直流通路的前提下，才能无噪声。

合理选择和正确使用元器件，对保证电路性能和降低成本具有决定性作用。

一、晶体管的选取 当频率处于f\(_{1}\)与f2之间（见图3）时，主要是基极电阻r\(_{bb＇}\)热噪声和发射结散粒噪声起作用，因此在选用管子时，应使工作频率落在f1与f\(_{2}\)之间，保证三极管的噪声系数最小。在高频工作时，应选f2大的管子；而在低频工作时，应选f\(_{1}\)低的管子。为了降低噪声需选用rbb＇小的晶体管，一般高频管，特别是平面型管子r\(_{bb＇}\)较小，故噪声也较低。但高频管作低频放大，由于它的结的厚度特别薄，容易出现隧道效应而引起高频自激振荡，故低频放大一般不宜使用fT＞300MHz的超高频管。

二、电阻器的选取 在特别要求低噪声的低电平电路中，最好选用温度特性和频率特性都优良的金属膜电阻。例如，磁头放大器输入级的偏置电阻、发射极电阻等。在要求不太高的低噪声电路中，也可用硅碳膜电阻器，但关键部位仍以选用金属膜电阻为佳。并非所有金属膜电阻都是低噪声的，因此选择电阻器时值得注意的是：①引线帽端点接触不良的电阻会产生严重的过剩电流噪声；②螺纹刻得不好也会产生噪声；③在使用中不要把引线拉得太紧或引线弯得太靠近电阻本体，否则，绝缘层就会产生裂缝，使噪声变大。一般采用的碳膜电阻，当阻值大于100kΩ时，它的噪声特性就恶化，特别是在加有直流电压的低电平电路中更要注意。为此要避免在高电压下使用高值电阻。电阻器的额定耗散功率越大、电阻膜越厚，则噪声越小。故电阻的额定功率应有足够的富裕量。

三、电容器的选取 尽管电容器存在很小的热噪声在电路中不会成为问题，但在低噪声电路中还是要尽可能选取低噪声电容器。小容量的通常选用云母和瓷介电容器，大容量的选用电解电容器。漏电流大时电容器会引起噪声，尤以前置放大器的耦合电容器为甚。所以前置放大器的输入耦合电容器漏电流越小越好，最好采用钽电容器或固体铝电容器。值得注意的是：接入电路的电解电容器在任何时候都不能接成反极性。因为即使微量、瞬时的反偏，电解电容器也会造成很大的漏电流而产生噪声。

四、电源变压器的选取 低噪声电路中的电源变压器应具有静电屏蔽。屏蔽包围的初级绕组越多，共模抑制越好。整个变压器漏磁通越少越好。为此应采取的措施是：①在变压器外绕以短路铜皮环；②使用C型铁芯；③装置内壁敷以硅钢片的外屏蔽铁壳；④初级和次级分别隔离屏蔽，并分别接到电力线的地和电路系统的地（见图4）；⑤选择最佳位置用减震架安装在基座上。

五、开关的选取 开关接点的接触电阻会随触点的接触条件变化而产生噪声。因此选用开关的关键是接点的可靠性，其主要措施是：①尽可能减少拨动次数，使金属簧片不产生形变；②焊接时操作要快，以防接触簧片失去弹性；③防止接触点发霉、氧化和因油污、灰尘、焊剂等造成的接触不良或使接触电阻增加；④用稀油或质地较纯的凡士林作润滑油擦在接触点上。

一、线圈的屏蔽 线圈可采用帽形或筒形屏蔽，以便隔绝磁性或电容性干扰（见图5）。这种屏蔽可接于基准电位，并在布置时要使线圈磁场免受干扰。

二、晶体管的屏蔽 大致有三种情况：①晶体管的集电极与管壳相连的，并以共集组态方式工作时，则管壳即可作为屏蔽；②晶体管的管壳与基极或发射极相连的（如超高频管），并分别以共基极或共射极工作时，管壳可起屏蔽作用；③晶体管的金属管壳可以任意连接的，需要时，应将它与基准电位连接用作屏蔽。

三、连接线的屏蔽 在灵敏度较高或极限频率较高的系统中，距离在分米级的电信号连接线应加以屏蔽。为此可采用：①单芯屏蔽线；②多芯屏蔽线；③多芯成对绞合屏蔽线。上述类型的导线，屏蔽层两端与基准电位板相连。

一、合理布线 关于电路布线，除要满足一般要求并选定走线路径和接地点外，对某些部分电路的布线方式要给予充分注意，以免引起电磁感应，产生干扰而使噪声增大。合理布线方法是：①放大器的输入线和输出线、交流电源线分开走，不要平行布线，必要时还要考虑它们的位置和方向的影响；②交流电源引线一定要采用双绞线，以使两根导线产生的总磁通相互抵消。为防止感应干扰还要单独走线；③开关、电位器等至印制板的连线较长时，应使用适当的安装线直接连接。不要在印制电路板上走线；④元件要紧凑，接线要尽量短，必要时接入基极的引线还要采用屏蔽线。

二、合理接地 为了减少干扰，原则上是要避免让地通路作为信号返回通路，使整个电路只有一个接地点。务必避开两个地电流同时经一个公共的阻抗形成地环路。其具体方法是：①前置放大级。它通常为多级，为防止公共阻抗引起噪声，使用一点接地法（见图6）。为避免变压器等的磁感应混入，放大器中的接地不应构成闭合环路。而且各放大器的接地应从输出端接出，以免输出信号经地阻抗产生正反馈到输入端。②功率放大级。由于电流较大，故应把小信号放大级的接地和功率放大级的接地分开。③整流滤波电路。由于存在大容量的平滑电容器，其上的电流要比负载电流大几倍。为不使大电流流过接地点，应采用如图7所示的一点接地法。④退耦电路。其作用是防止公共电源形成电路间噪声耦合的通道。当它分别对几个电路供电时，也是以一点接地为好（见图8)。一般来说，接地点的回路途径越近，越是可以避免不必要的干扰。

三、提高焊点可靠性 焊接质量直接影响放大器的噪声性能，其中最严重的是虚焊。焊接点的失效率与焊接时所选用的焊剂、焊料、焊接温度、焊接方式以及使用中焊点所承受的环境应力等都有关系。在安装焊接工艺中，上述问题都应精心地予以解决。一般来说提高焊点可靠性的措施有：①选择优质焊料。②选择、设计好的助焊剂配方，提高焊接部位的清洁度，增加可焊性。③设计良好的印制板涂覆层，增加印制板的可焊性。对于一时还不能进行焊接的印制板，要作表面处理（如浸涂松香水），以防氧化。④根据焊料及被焊材料确定并控制温度，温度低时容易发生虚焊，过高时又会使焊点氧化。⑤提高焊接技术，使焊接点牢固而光滑，消除虚焊及焊点冒泡等现象。⑥选择良好的印制板基材，并在结构上采取相应措施，使印制板在使用中翘曲变形最小，以减小焊点所承受的外部应力。⑦对焊点进行适当处理，使其免受潮气、霉菌和盐雾等因素的影响。（吴兴源）