一种降低前置放大器噪声的装置

1.本实用新型涉及一种降低前置放大器噪声的装置的技术，尝试采用多个相同的运算放大器同时作为前置放大器，将它们的输出相加，输出信号的信噪比可以提高倍。


背景技术：

2.对于电子线路中所标称的噪声，可以概括地认为，电路噪声是对目的信号以外的所有信号的一个总称。
3.干扰和噪声是有区别的，噪声是一种电子信号，而干扰是指的某种效应，电路中存在着噪声，却不一定就有干扰，当一个噪声电压大到足以使电路受到干扰时，该噪声电压就称为干扰电压。
4.而一个电路或一个器件，当它还能保持正常工作时所加的最大噪声电压，称为该电路或器件的抗干扰容限或抗扰度。一般说来，噪声很难消除，但可以设法降低噪声的强度或提高电路的抗扰度，以使噪声不致于形成干扰。
5.前置放大器在音频系统中的作用至关重要，前置放大器是指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备，例如置于光盘播放机与高级音响系统功率放大器之间的音频前置放大器。
6.前置放大器是专为接收来自信源的微弱电压信号而设计的，已接收的信号先以较小的增益放大，有时甚至在传送到功率放大器级之前便先行加以调节或修正，如音频前置放大器可先将信号加以均衡及进行音调控制。
7.运算放大器具有开环增益无穷大、差模输入电阻无穷大、输出电阻为零、共模抑制比为零等的特点，且运算放大器集成电路体积小巧、性能卓越，因此用运算放大器制作声频前置放大器是一个很有吸引力的简便方法，遗憾的是集成电路的噪声性能往往比不上最优的分立元件电路。
8.由于每个放大器所产生的的噪声电压是随机的，所以这些噪声是非相关的，有相互抵消的倾向。因此尝试采用多个相同的运算放大器同时作为前置放大器，将它们的输出相加，输出信号的信噪比可以提高倍。


技术实现要素：

9.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠的降低前置放大器噪声的装置，该降噪装置的信噪比可以提高倍。
10.为实现上述目的，本实用新型提供一种降低前置放大器噪声的装置，其包括
±
15v供电电路、一个小信号低通输入电路、四个同相比例运算放大电路、一个反相求和运算电路、一个音频信号输出电路；所述
±
15v供电电路为集成电路ic1、ic2提供工作电源；电阻r2、电容c1并联构成所述小信号低通输入电路，电容c1的上端同时连接运放a1、a2、a3、a4的同相输入端，c1的下端连接工作地；低频信号ui通过输入电阻r1连接c1的上端；运放a1、a2、a3、a4与各自对应的外围元件构成所述同相比例运算放大电路，a1的输出端通过电阻r3连
接a1的反相输入端，a1的反相输入端依次通过电阻r4、电解电容c2连接工作地，a2的输出端通过电阻r5连接a2的反相输入端，a2的反相输入端依次通过电阻r6、电解电容c3连接工作地，a3的输出端通过电阻r7连接a3的反相输入端，a3的反相输入端依次通过电阻r8、电解电容c4连接工作地，a4的输出端通过电阻r9连接a3的反相输入端，a3的反相输入端依次通过电阻r10、电解电容c5连接工作地；集成电路ic2与外围电阻r11、r12、r13、r14、r15、r16构成所述反相求和运算电路，运放a1、a2、a3、a4的输出端分别通过电阻r11、r12、r13、r14连接运放ic2的反相输入端，ic2的输出端通过电阻r16连接ic2的反相输入端，ic2的同相输入端通过电阻r15连接工作地；电解电容c6、c11背靠背反向串联成为无极性电容与电阻r17构成所述音频信号输出电路，ic2的输出端通过电阻r17连接电容c6的正极，由所述音频信号输出电路输出降噪以后的低频信号uo。
11.所述
±
15v供电电路，+15v分别连接ic1的11脚、ic2的7脚，
‑
15v分别连接ic1的7脚、ic2的4脚。
附图说明
12.附图1用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本技术的一部分，附图1 是基于加法电路的降低前置放大器噪声的装置的电气原理图。
具体实施方式
13.运算放大器噪声的来源
14.一般来说，运算放大器的噪声主要来自四个方面：
15.1）热噪声（johnson）：由于电导体内电流的电子能量不规则波动产生的具有宽带特性的热噪声，其电压均方根值的正方与带宽、电导体电阻及绝对温度有直接的关系。对于电阻及晶体管（例如双极及场效应晶体管）来说，由于其电阻值并非为零，因此这类噪声影响不能忽视。
16.2）闪烁噪声（低频）：由于晶体表面不断产生或整合载流子而产生的噪声。在低频范围内，这类闪烁以低频噪声的形态出现，一旦进入高频范围，这些噪声便会变成“白噪声”。闪烁噪声大多集中在低频范围，对电阻器及半导体会造成干扰，而双极芯片所受的干扰比场效应晶体管大。
17.3）射击噪声（肖特基）：肖特基噪声由半导体内具有粒子特性的电流载流子所产生，其电流的均方根值正方与芯片的平均偏压电流及带宽有直接的关系。这种噪声具有宽带的特性。
18.4）爆玉米噪声（popcornfrequency）：半导体的表面若受到污染便会产生这种噪声，其影响长达几毫秒至几秒，噪声产生的原因仍然未明，在正常情况下，并无一定的模式。生产半导体时若采用较为洁净的工艺，会有助减少这类噪声。
19.此外，由于不同运算放大器的输入级采用不同的结构，因此晶体管结构上的差异令不同放大器的噪声量也大不相同，比如：
20.双极输入运算放大器的噪声：噪声电压主要由电阻的热噪声以及输入基极电流的高频区射击噪声所造成，低频噪声电平大小取决于流入电阻的输入晶体管基极电流产生的低频噪声；噪声电流主要由输入基极电流的射击噪声及电阻的低频噪声所产生。
21.cmos输入运算放大器的噪声：噪声电压主要由高频区通道电阻的热噪声及低频区的低频噪声所造成，cmos放大器的转角频率（cornerfrequency）比双极放大器高，而宽带噪声也远比双极放大器高；噪声电流主要由输入门极漏电的射击噪声所产生，cmos放大器的噪声电流远比双极放大器低，但温度每升高10（c，其噪声电流便会增加约40%。
22.基于加法电路的降低前置放大器噪声的装置
23.运算放大器具有上述优点，且价格非常低廉，如果若干个相同的运算放大器都加上相同的信号，而且将其输出相加，由于信号和放大器都相同，因此这些输出具有高度的相关性，而且其总的输出信号也只不过是单个输出信号的简单的代数之和。
24.但是，由于每个放大器所产生的噪声电压是随机性的，所以这些噪声是非相关的，有相互抵消的倾向，可以看出，总的噪声输出不只是单个噪声电压的几何相加，这种基于加法器的降低噪声的装置如图1所示。
25.由图1可以看到，该噪声降低装置包括一个小信号低通输入电路、四个同相比例运算放大电路、一个反相求和运算电路、一个大容量无极性电解电容组成的音频信号输出电路。
26.运放a1、a2、a3、a4分别构成一个同相比例运算放大电路
27.运放a1、a2、a3、a4属于集成电路ic1（lm324）的四个运放之一，音频信号通过由电阻r1、r2、电容c1组成的低通滤波电路同时进入由四个运放构成的四个同相比例运算电路的同相端进行前置放大，故称为同相比例运算电路，如图1所示，以运放a1为例简单介绍同相比例运算电路的工作原理。
28.反馈电阻r3为放大电路引入电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零，即使考虑集成运放a1参数的影响，输入电阻也可达109ω以上。
29.根据“虚断”、“虚短”的概念，集成运放a1的净输入为“0”，即
30.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
ꢀꢀꢀ
(1)
31.说明集成运放a1有共模输入电压。
32.a1净输入电流为“0”，因而，即
[0033][0034]
将式（1）代入，得
[0035][0036]
上式表明u
o
与u
i
同相，且u
o
大于u
i
。
[0037]
电容c2的作用是滤掉高频成分。
[0038]
可见，同相比例运算电路的特点如下:输入电阻很高，输出电阻很低；由于u
n
= u
p
= u
s
，电路不存在虚地（因为n点的电压被流过r1的电流i
r1
抬高了），且运放存在共模输入信号，为了提高运算精度，要求运放有较高的共模抑制比。
[0039]
关于其它三个运放a2、a3、a4构成的同相比例运算电路，原理同上。
[0040]
集成电路ic2构成反相求和运算电路
[0041]
四个同相比例运算电路的输出分别通过电阻r
11
、r
12
、r
13
、r
14
并联作用于运放ic2的
反相输入端，故称为反相求和电路，根据“虚短”、“虚断”的原则，,节点n的电流方程为
[0042][0043][0044]
故加法器ic2输出电压u
oic2
的表达式为
[0045][0046]
2.3 两个电解电容反向串联成为无极性电容
[0047]
电解电容一般分为有极性和无极性，但是有时候无极性的也称为双极性电解电容，有极性的也就是有正负极，电解电容一般正极由氧化膜金属基板材料组成，而负极一端则是由电解质与正极金属组成。
[0048]
对于无极性电解电容可以理解成把两个电解电容阴极或阳极直接串联而形成的电容，这种电容特点是没有正负之分，而普通电容就有，我们平时见到最多的是有极性的电解电容，这种电容一般在电源电路滤波、耦合等作用。
[0049]
无极性与有极性原理一样，只是结构、介质以及性能等不太一样，但是在音响当中作用很大，我们都要求音响能够高音质、高清晰度、保真度好，那么此无极性电解电容起到重要的作用。
[0050]
如果两个相同容量的铝电解电容串联，背靠背连接正极端子或负极端子，结果是一个有一半电容值的无极性电容，两个电容调整所承担的电压，其作用相当于被二极管旁路过来的电压，当加上电压，极性正确的电容器承担全压。
[0051]
有极性电解电容主要用于直流滤波和要求不高的信号偶合电路；无极性电解电容用于交流电机启动，高要求信号耦合。
[0052]
针对图1电路，两个相同容量的电解电容c6、c
11
串联，背靠背连接负极端子形成一个容量11uf、耐压为35v的无极性电容，加法电路的输出信号通过电阻r
17
、无极性电容输出最终信号u
o
。
[0053]
结论
[0054]
经过上述电路的处理，输出信号的信噪比提高倍，其中n是运算放大器的个数，这样，如果用四个放大器的话，那么信噪比就会增加1倍，也就是增加6分贝。
[0055]
本文用了四个放大器，噪声似乎并没有多大的改善，但是由于这四个放大器属于同一个集成电路，既紧凑又价廉，所以其费用低，所占的空间较少，更重要的是电路结构简单、易懂。
[0056]
这种降噪装置的总增益为100，在10hz~15khz频率范围内所测得的输出噪声电压是60uv，这相当于输入噪声电平为600nv。
[0057]
按照这个思路，该系统很容易扩展，从而使噪声得到较大的减少，噪声的减少量刚好等于放大器个数的平方根，用4块集成电路（16个放大器）就有可能使噪声减少12分贝，这无论是经济上、还是行业习惯上确实可行的最大减少量了，再多的放大器数量，性价比并不高。
[0058]
因为即使噪声再减少6分贝，所需要的放大器个数也不会少于64个，利用如此多的集成电路设计该降噪电路，无论哪方面都不是很合适。