运放Issues-Noise

问:关于运算放大器噪声，我应该知道些什么?

首先，我们必须注意在运放及其电路元件中产生的噪声和干扰之间的区别，干扰或不需要的信号和噪声以电压或电流的形式到达放大器的任何端子或在其相关电路中感应到。

干扰可以表现为尖峰、阶跃、正弦波或随机噪声，它可以来自任何地方:机械、附近的电力线、r-f发射器和接收器、计算机，甚至是同一设备内的电路(例如，数字电路或开关型电源)。理解它，防止它出现在你的电路附近，找出它是如何进入的，根除它，或者找到一种与它共存的方法是一个很大的课题。这在过去的书里已经讨论过了;这些和一些额外的参考文献在参考书目中有提及。

即使所有的干扰都可以消除，仍然会有与运算放大器及其电阻电路相关的随机噪声。它构成了放大器分辨率的最终限制。这就是我们要开始讨论的话题。

问:好吧，跟我说说运算放大器里的随机噪声。它从何而来?

出现在放大器输出端的噪声通常用电压来测量。但它是由电压源和电流源产生的。所有内源通常指的是输入，也就是说，被视为不相关或独立的随机噪声发生器(见下一个问题)，与理想的无噪声放大器的输入串联或并联。我们考虑3个主要的噪声来源:

• 噪声电压发生器(类似于失调电压，通常与非反相输入串联显示)

• 两个噪声电流发生器通过两个差分输入端子泵出电流(如偏置电流)。

• 如果运放电路中有电阻，它们也会产生噪声;它可以被认为是来自电流源或电压源(在给定的电路中，以更方便的方式处理)。

最佳类型的运放电压噪声可能低于1 nV/√Hz。电压噪声是通常被强调的噪声规格，但是，如果阻抗水平很高，电流噪声通常是系统噪声性能的限制因素。这是由于偏置，其中偏置电压经常承担输出偏置的责任，但偏置电流才是真正的罪魁祸首。传统上，双极运放的电压噪声比FET运放的电压噪声要小，但这一优势带来了更大的电流噪声——如今，FET运放在保持低电流噪声的同时，可以接近双极电压噪声性能。

Q.等等!1 nV /√赫兹?√Hz从何而来?这是什么意思?

a:我们来谈谈随机噪声。许多噪声源，出于实际目的(即，在设计者所关心的带宽范围内)，是白噪声和高斯噪声。白噪声是指在给定带宽内其功率与频率无关的噪声。高斯噪声是特定振幅X的概率服从高斯分布的噪声。高斯噪声具有这样的特性:当两个或多个这样的噪声源的噪声的均方根值相加时，只要噪声源不相关(即一个噪声信号不能转化为另一个噪声信号)，所得到的噪声不是它们的算术和，而是它们的平方和(RSS)的平方根。*三个噪声源V(1)、V(2)、V(3)的RSS和为

[*注意噪声功率线性增加(平方和)的含义。]

由于噪声信号的不同频率分量是不相关的，RSS求和的结果是，如果砖墙带宽得尔塔f中的白噪声为V，则带宽2 得尔塔f中的噪声为V

更一般地说，如果我们把带宽乘以一个系数K，那么我们就把噪声乘以一个系数√K。定义频率范围内得尔塔f = 1√Hz带宽内噪声的有效值的函数称为(电压/电流)谱密度函数，单位为nV/ Hz或pA/√Hz。对于白噪声，谱密度为常数;它乘以带宽的平方根得到总RMS噪声。

RSS总和的一个有用的结果是，如果两个噪声源对系统的噪声有贡献，并且一个噪声源是另一个噪声源的3或4倍以上，则较小的噪声源通常被忽略，因为

[差异小于3%，或0.26 dB]

[差异小于6%，或0.5 dB]

较高的噪声源已成为主导噪声源。

问:好的，那么电流噪声呢?

A.简单的(即非偏置电流补偿的)双极和JFET运算放大器的电流噪声通常在偏置电流的肖特基噪声(有时称为“散粒噪声”)的1或2 dB以内;它并不总是在数据表上指定。肖特基噪声是由于电流流过结时载流子的随机分布而引起的电流噪声。当电流I流过时，带宽B内的肖特基噪声电流In可由公式求得

q是电子电荷(1.6 x 10(- 19) C)注意到吗

是谱密度，表示噪声是白色的。

这告诉我们，对于I(b) = 200 nA，简单双极晶体管运算放大器的电流噪声谱密度将为250 fA/√Hz，并且随温度变化不大，并且JFET输入运算放大器的电流噪声虽然较低(I(b) = 50 pA时为4 fA/√Hz)，但每增加20°C芯片温度就会增加一倍，因为JFET运算放大器的偏置电流每增加10°C就会增加一倍。

偏置补偿运算放大器的电流噪声比从其输入电流预测的要高得多。其原因是它们的净偏置电流是输入晶体管基极电流与补偿电流源之间的差，而噪声电流是由噪声电流的RSS和推导出来的。

具有平衡输入的传统电压反馈运放在其反相和非反相输入上几乎总是具有相等(尽管不相关)的电流噪声。电流反馈或跨阻运算放大器在这两个输入端具有不同的输入结构，而不是这样。必须查阅他们的数据表，以了解两个输入上的噪声细节。

运算放大器的噪声是高斯噪声，在很宽的频率范围内具有恒定的频谱密度，或“白”噪声，但随着频率的降低，频谱密度开始以约3db /倍频程的速度上升。这种低频噪声特性被称为“1/f噪声”，因为噪声功率谱密度与频率成反比(实际上是1/f(g))。它在对数图上的斜率为-1(噪声电压(或电流)1/√f谱密度斜率为-1 /2)。外推的- 3db /倍频谱密度线与中频恒定谱密度值相交的频率被称为“l/f拐角频率”，是放大器的优劣指标。早期的单片IC运算放大器在500 Hz以上具有1/f角，但今天的值通常为20- 50 Hz，最好的放大器(如AD-OP27和AD-OP37)具有低至2.7 Hz的角频率。1/f噪声对于具有相等比率的频率间隔具有相等的增量，即每八度程或每十年。

问:你为什么不公布噪音数据?

a .放大器的噪声系数(NF)(以dB表示)是放大器噪声与源电阻热噪声之比的度量。
V (n) = 20日志{[V (n) (amp) + V (n)(源)]/ V (n)(源)}

对于r-f放大器来说，这是一个有用的概念，它几乎总是使用相同的源电阻驱动它们(通常是50欧姆或75欧姆)，但当应用于运算放大器时，它会被误导，因为它们用于许多不同的应用，具有广泛变化的源阻抗(可能是电阻，也可能不是电阻)。

问:源阻抗有什么区别?

在绝对零度以上的温度下，所有电阻都是噪声源;它们的噪声随着电阻、温度和带宽的增加而增加(我们稍后将讨论基本电阻噪声，或约翰逊噪声)。电抗不产生噪声，但是通过它们的噪声电流会产生噪声电压。

如果我们从源电阻驱动运放，则等效噪声输入将是放大器噪声电压、源电阻产生的电压以及放大器流过源阻抗的I(n)所引起的电压的RSS之和。对于极低的源电阻，源电阻产生的噪声和放大器电流噪声对总噪声的贡献不大。在这种情况下，输入端的噪声实际上就是运算放大器的电压噪声。

如果源电阻较高，则源电阻的约翰逊噪声可能会主导运放电压噪声和由于电流噪声而产生的电压;但值得注意的是，由于约翰逊噪声只随电阻的平方根而增加，而由电流噪声引起的噪声电压与输入阻抗成正比，因此在输入阻抗足够高的情况下，放大器的电流噪声总是占主导地位。当放大器的电压和电流噪声足够高时，可能没有约翰逊噪声占主导地位的输入电阻值。

附近的图显示了这一点，该图比较了几种器件运放类型在一系列源电阻值下的电压和电流噪声。对角线垂直地表示与水平刻度上的阻力相关的约翰逊噪声。让我们阅读一下ADOP27的图表:水平线表示ADOP27的电压噪声电平约为3nv / Hz，相当于小于约500欧姆的源电阻。噪声不会因为100欧姆的源阻抗而降低，但会因为2欧姆的源阻抗而增加。ADOP27的垂直线表明，当源电阻大于100 khm左右时，放大器电流噪声产生的噪声电压将超过源电阻产生的噪声电压;它已经成为主要的来源。

请记住，非反相输入中的任何电阻都将具有约翰逊噪声，并且还将电流噪声转换为噪声电压;反馈电阻器中的约翰逊噪声在高阻电路中可能是显著的。在评估运放性能时，必须考虑所有潜在的噪声源。

问:你要告诉我约翰逊的噪音。

在绝对零度以上的温度下，由于载流子的热运动，所有的电阻都有噪声。这被称为约翰逊噪音。这种现象有时被用来测量低温。在T开尔文温度下，带宽为B Hz，电阻为R欧姆时的电压和电流噪声由下式给出:

其中k为玻尔兹曼常数(1.38 × 10(- 23) J/ k)。一个方便的经验法则是，1欧姆电阻在室温下的噪声为4 nV/ Hz。

电路中的所有电阻器都会产生噪声，必须始终考虑噪声的影响。在实践中，只有高增益前端电路的输入电阻和反馈电阻才可能对总电路噪声产生可观的影响。

噪声可以通过降低电阻或带宽来降低，但温度降低通常不是很有帮助，除非电阻可以非常coldÑsince噪声功率与绝对温度成正比，T =°C + 273°。(待续)

参考电路

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