在弱信號(hào)模擬電路中，噪聲是影響電路性能的關(guān)鍵因素。電路噪聲可能導(dǎo)致信號(hào)失真、精度下降，甚至使電路無法正常工作。而供電方式的選擇對(duì)弱信號(hào)模擬電路的噪聲水平有著至關(guān)重要的影響。不同的供電方式會(huì)引入不同類型和程度的噪聲，因此，深入研究各種供電方式對(duì)電路噪聲的影響，對(duì)于優(yōu)化弱信號(hào)模擬電路設(shè)計(jì)、提高電路性能具有重要意義。

常見供電方式及其特點(diǎn)

線性穩(wěn)壓電源(LDO)

線性穩(wěn)壓電源通過調(diào)整晶體管的導(dǎo)通程度來穩(wěn)定輸出電壓。其工作原理基于線性調(diào)壓，輸出電壓較為穩(wěn)定，紋波電壓低，這是其顯著優(yōu)點(diǎn)。例如，在一些對(duì)電源噪聲要求極高的高精度傳感器電路中，常采用低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器來減少電源紋波對(duì)傳感器輸出信號(hào)穩(wěn)定性的影響。LDO 的工作過程相對(duì)簡單，沒有開關(guān)動(dòng)作帶來的高頻噪聲，這對(duì)于弱信號(hào)模擬電路非常有利。但 LDO 也存在缺點(diǎn)，由于其工作在線性狀態(tài)，輸入輸出電壓差會(huì)導(dǎo)致較大的功耗，效率較低，且發(fā)熱較為嚴(yán)重。在一些對(duì)功耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景中，這可能會(huì)成為限制其使用的因素。

開關(guān)電源(DC-DC)

開關(guān)電源通過控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間來調(diào)整輸出電壓。它具有輸入電壓范圍廣、輸出電流大、功耗相對(duì)較低、發(fā)熱小等優(yōu)點(diǎn)。例如，在 4G 模組的供電設(shè)計(jì)中，DC-DC 開關(guān)電源因能滿足其高輸出電流的需求而被廣泛應(yīng)用。開關(guān)電源在工作時(shí)，功率開關(guān)管的高速開關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲，這些噪聲可能會(huì)耦合到模擬電路中，對(duì)弱信號(hào)產(chǎn)生干擾。而且，開關(guān)電源的輸出紋波相對(duì)較大，雖然可以通過合理的設(shè)計(jì)和濾波措施來降低紋波，但相比 LDO，其紋波抑制難度較大。

電池供電

電池供電具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。鋰電池的放電特性使其具有較高的瞬態(tài)放電能力且內(nèi)阻較低，對(duì)于一些對(duì)供電穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)要求高的弱信號(hào)模擬電路，如某些便攜式設(shè)備中的模擬電路，鋰電池供電是比較理想的選擇。電池供電相對(duì)獨(dú)立，不易受到外部電源干擾。電池的電量會(huì)隨著使用逐漸減少，需要定期更換或充電，這在一些無法頻繁更換電池或充電不便的場(chǎng)景中會(huì)帶來不便。而且不同類型電池的特性差異較大，選擇合適的電池需要綜合考慮多種因素。

供電方式對(duì)電路噪聲的影響機(jī)制

線性穩(wěn)壓電源與噪聲

LDO 由于沒有開關(guān)動(dòng)作，其產(chǎn)生的噪聲主要來源于內(nèi)部元件的熱噪聲和晶體管的散粒噪聲等固有噪聲。這些噪聲相對(duì)較低且為寬帶噪聲。在高精度模擬電路中，LDO 的低噪聲特性使其能夠?yàn)殡娐诽峁┹^為純凈的電源，減少電源噪聲對(duì)信號(hào)的干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，如果 LDO 的輸入電壓不穩(wěn)定或存在較大紋波，經(jīng)過 LDO 穩(wěn)壓后，雖然輸出紋波會(huì)降低，但輸入紋波中的高頻成分可能仍會(huì)以一定比例傳遞到輸出端，對(duì)模擬電路產(chǎn)生影響。

開關(guān)電源與噪聲

開關(guān)電源的開關(guān)動(dòng)作是產(chǎn)生噪聲的主要根源。在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的瞬間，會(huì)產(chǎn)生快速變化的電流和電壓尖峰，這些尖峰會(huì)輻射出高頻電磁干擾(EMI)。同時(shí)，開關(guān)電源的輸出紋波是由電感和電容的充放電過程引起的，紋波電壓會(huì)疊加在輸出直流電壓上。當(dāng)開關(guān)電源為弱信號(hào)模擬電路供電時(shí)，這些高頻噪聲和紋波很容易通過電源線路耦合到模擬電路中，導(dǎo)致模擬信號(hào)失真。例如，在音頻放大器電路中，如果采用開關(guān)電源供電，高頻噪聲可能會(huì)導(dǎo)致音頻信號(hào)出現(xiàn)雜音，影響音質(zhì)。

電池供電與噪聲

電池本身是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電源，正常情況下不會(huì)產(chǎn)生額外的開關(guān)噪聲或高頻干擾。但電池在放電過程中，其內(nèi)阻會(huì)隨著電量的減少而發(fā)生變化，這可能會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的微小波動(dòng)。在一些對(duì)電壓穩(wěn)定性要求極高的弱信號(hào)模擬電路中，這種電壓波動(dòng)可能會(huì)被放大，對(duì)電路性能產(chǎn)生影響。如果電池與電路之間的連接線路存在接觸不良等問題，也可能會(huì)引入額外的噪聲。

不同供電方式在弱信號(hào)模擬電路中的噪聲表現(xiàn)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試方法

為了準(zhǔn)確對(duì)比不同供電方式在弱信號(hào)模擬電路中的噪聲表現(xiàn)，搭建了一個(gè)典型的弱信號(hào)放大電路作為測(cè)試平臺(tái)。分別采用 LDO、DC-DC 開關(guān)電源和鋰電池為該電路供電。使用高精度的示波器和頻譜分析儀來測(cè)量電路輸出信號(hào)的噪聲水平，包括噪聲電壓的峰峰值、噪聲頻譜分布等參數(shù)。在測(cè)試過程中，保持電路的其他參數(shù)不變，僅改變供電方式，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。

測(cè)試結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LDO 供電時(shí)，電路輸出的噪聲電壓峰峰值最低，噪聲頻譜較為平坦，且在低頻段噪聲水平較低。這充分體現(xiàn)了 LDO 在抑制噪聲方面的優(yōu)勢(shì)，尤其適合對(duì)低頻噪聲敏感的弱信號(hào)模擬電路。DC-DC 開關(guān)電源供電時(shí)，電路輸出噪聲中明顯存在與開關(guān)頻率相關(guān)的尖峰噪聲，噪聲電壓峰峰值相對(duì)較高，且在高頻段噪聲能量較大。雖然通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和增加濾波措施可以降低部分噪聲，但與 LDO 相比，其噪聲水平仍然較高。鋰電池供電時(shí)，電路輸出噪聲水平介于 LDO 和 DC-DC 之間，噪聲相對(duì)較為平穩(wěn)，沒有明顯的高頻尖峰噪聲，但由于電池內(nèi)阻變化等因素，會(huì)存在一定的低頻電壓波動(dòng)噪聲。

結(jié)論與建議

綜合以上分析，在對(duì)噪聲要求極為嚴(yán)格的弱信號(hào)模擬電路中，線性穩(wěn)壓電源(LDO)通常是最佳選擇，其低紋波、低噪聲的特性能夠?yàn)殡娐诽峁┫鄬?duì)純凈的電源，最大程度減少電源噪聲對(duì)弱信號(hào)的干擾。但需要注意其功耗問題，在設(shè)計(jì)時(shí)要合理選擇 LDO 的參數(shù)，確保其能夠在滿足電路供電需求的同時(shí)，盡量降低功耗和發(fā)熱。開關(guān)電源雖然存在噪聲問題，但通過精心設(shè)計(jì)和采用有效的濾波、屏蔽措施，也可以在一些對(duì)噪聲要求不是特別苛刻的弱信號(hào)模擬電路中使用，其優(yōu)點(diǎn)是能夠提供較高的功率和較寬的輸入電壓范圍。電池供電在一些特定場(chǎng)景，如便攜式設(shè)備中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，應(yīng)選擇合適的電池類型，并注意電池的連接和維護(hù)，以減少可能引入的噪聲。在實(shí)際的弱信號(hào)模擬電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求、對(duì)噪聲的敏感程度以及功耗、成本等因素，綜合權(quán)衡選擇最合適的供電方式。同時(shí)，無論采用哪種供電方式，都要重視電源的濾波、接地等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步降低電路噪聲，提高電路性能。