不可不知的運(yùn)算放大器的噪聲 - 全文

　　1 為何最近又強(qiáng)調(diào)低噪聲放大問(wèn)題?

　　低噪聲放大的部分問(wèn)題與信噪比(SNR)有關(guān)。

　　2 我們談?wù)摰脑肼暰烤故悄囊环N?

　　這種噪聲是放大器本身固有的，或者由相應(yīng)的無(wú)源器件所產(chǎn)生并放大的。

　　外部噪聲則是系統(tǒng)級(jí)的問(wèn)題。

　　3 這種噪聲的來(lái)源是什么?

　　熱噪聲來(lái)源于輸入和反饋電阻(e n，R2)、放大器的固有電壓噪聲(e n)和電流噪聲(i n)(圖1)。如圖1所示，折合到輸入端的噪聲方程(N o i s e R T I)顯示了所有的噪聲源的貢獻(xiàn)。表達(dá)式的電阻噪聲中的“k”因子是波爾茲曼常數(shù)。T是絕對(duì)溫度、R是以歐姆為單位的電阻。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是，1kΩ的電阻在室溫下產(chǎn)生的噪聲為4nV/ Hz，這比某些現(xiàn)代運(yùn)放的噪聲還高。

　　4 如何表示噪聲?

　　為了讓所有的噪聲源能夠以先平方和再求平方根的方式簡(jiǎn)單地組合起來(lái)，基帶噪聲指標(biāo)以nV(或者pA)/ Hz來(lái)表示。只要噪聲源是不相關(guān)的，這一表示就是可行的，于是在整個(gè)頻譜上，出現(xiàn)任何給定的信號(hào)幅值的概率滿足正態(tài)(高斯)分布。

　　5 噪聲在所有的頻率上并非真正是恒定?

　　的確不是。e n和i n有兩個(gè)分量( 圖2a)：低頻的“1/f”噪聲，其頻譜密度隨著頻率降低而以3dB/倍頻程的速率上升，具有分布在更高頻率上平坦化頻譜分布的“白”噪聲。對(duì)于1/f噪聲有著重要影響的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，在產(chǎn)品手冊(cè)中可找到有限帶寬上的峰-峰值噪聲指標(biāo)，例如0.1~10Hz(圖2b)。

　　6 什么是“拐角”頻率?它為何具有重要性?

　　1/f噪聲的頻譜密度等于白噪聲的頻率點(diǎn)被稱為1/f拐角頻率(F C)。它可以通過(guò)延長(zhǎng)噪聲圖線的1/f和白噪聲部分，得到其交點(diǎn)來(lái)確定。它是一個(gè)重要的優(yōu)值。此外，電壓和電流噪聲的1/f拐角頻率不一定相同。不過(guò)一般來(lái)說(shuō)只規(guī)定電壓噪聲。

　　7　在選用低噪聲放大器的過(guò)程中，應(yīng)該如何利用這一信息?

　　考慮所感興趣的頻帶，把頻帶內(nèi)的rms噪聲與你的系統(tǒng)要求聯(lián)系起來(lái)。

　　由于噪聲是以頻率的平方根來(lái)表示的，各種噪聲的貢獻(xiàn)可以通過(guò)將各噪聲的平方求和后再求平方根來(lái)計(jì)算。

　　于是，在帶寬F L~F H內(nèi)，總的r m s電壓噪聲en,rms可以簡(jiǎn)單表示為：

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　　上述公式中，e n,w是寬帶白噪聲，F(xiàn) C是1/f拐角頻率，F(xiàn)L和FH定義了感興趣的待測(cè)帶寬。

　　一般來(lái)說(shuō)，比其它任何一個(gè)噪聲分量高4~5倍的任何噪聲分量都會(huì)成為主導(dǎo)噪聲，而其余的分量則可以忽略不計(jì)。因此，在更高的頻率上，F(xiàn) C l n(F H/F L)的影響不再顯著，而總的rms噪聲就等于白噪聲乘以頻率差的平方根。事實(shí)上，如果FH遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于FL，總的rms噪聲即等于白噪聲乘以F H的平方根。另一方面，當(dāng)器件工作在1/f噪聲區(qū)中，總的rms噪聲是拐角頻率點(diǎn)的噪聲水平(即白噪聲水平)乘以拐角頻率的平方根再乘以ln(FH/FL)。

　　8 電流噪聲的情況如何?

　　圖1中的方程的第四和第五項(xiàng)表明，當(dāng)電流噪聲流過(guò)一個(gè)阻抗時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)噪聲電壓，該電壓將以“平方和再求平方根”的形式添加到其他的噪聲電壓上。此外，雖然電壓噪聲是設(shè)計(jì)者考慮的第一指標(biāo)，如果電路阻抗水平高于en/in(有時(shí)，被稱為放大器的“特性噪聲電阻”)，電流噪聲將占據(jù)主導(dǎo)地位。

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　　圖1：噪聲源(外部電阻產(chǎn)生的熱噪聲、固有電壓和電流噪聲)都被電路以噪聲增益(1+R2/R1)放大

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　　圖2：在拐角頻率以上，固有噪聲的頻譜密度基本恒定。在拐角頻率至0Hz之間，它以3dB/倍頻程的速率上升(a)。當(dāng)1/f噪聲具有關(guān)鍵性影響時(shí)(b)，數(shù)據(jù)手冊(cè)中可提供實(shí)際的峰-峰噪聲。