運(yùn)算放大器噪聲該怎么解決？

運(yùn)算放大器問(wèn)題 - 噪音

問(wèn)： 我應(yīng)該了解運(yùn)放噪音？

A。首先，我們必須注意運(yùn)算放大器中產(chǎn)生的噪聲與其電路元件和干擾之間的區(qū)別，或者在任何放大器端子處作為電壓或電流到達(dá)或在其相關(guān)電路中感應(yīng)的無(wú)用信號(hào)和噪聲之間的區(qū)別。

干擾可能表現(xiàn)為尖峰，階躍，正弦波或隨機(jī)噪聲，它可能來(lái)自任何地方：機(jī)械，附近的電力線，射頻發(fā)射器和接收器，計(jì)算機(jī)，甚至是同一設(shè)備內(nèi)的電路（例如，數(shù)字電路或開關(guān)型電源）。理解它，防止它出現(xiàn)在你的電路附近，發(fā)現(xiàn)它是如何進(jìn)入的，并根除它，或找到一種方法來(lái)生活它是一個(gè)很大的主題。它曾在過(guò)去的這些頁(yè)面中得到過(guò)處理;參考文獻(xiàn)中提到了這些以及一些其他參考文獻(xiàn)。

如果可以消除所有干擾，則仍會(huì)存在與運(yùn)算放大器及其電阻電路相關(guān)的隨機(jī)噪聲。它構(gòu)成了放大器分辨率的最終限制。這是我們將在這里開始討論的主題。

問(wèn)。 O.K。告訴我運(yùn)算放大器中的隨機(jī)噪聲。它來(lái)自哪里？

A。放大器輸出端出現(xiàn)的噪聲通常被測(cè)量為電壓。但它是由電壓和電流源產(chǎn)生的。所有內(nèi)部源通常都被稱為輸入，即被視為不相關(guān)或獨(dú)立的隨機(jī)噪聲發(fā)生器（見下一個(gè)問(wèn)題）與理想無(wú)噪聲放大器的輸入串聯(lián)或并聯(lián)：我們認(rèn)為噪聲的3個(gè)主要因素：

噪聲電壓發(fā)生器（如偏移電壓，通常與同相輸入串聯(lián)）

兩個(gè)噪聲電流發(fā)生器通過(guò)兩個(gè)差分輸入端子輸出電流（如偏置電流）

如果運(yùn)算放大器電路中有任何電阻，它們也會(huì)產(chǎn)生噪聲;它可以被認(rèn)為來(lái)自電流源或電壓源（在給定電路中處理更方便）。

運(yùn)放電壓噪聲可能低于1 nV / √Hz為最佳類型。電壓噪聲是通常強(qiáng)調(diào)的噪聲規(guī)格，但是，如果阻抗水平很高，則電流噪聲通常是系統(tǒng)噪聲性能的限制因素。這類似于偏移，其中偏移電壓通常承擔(dān)輸出偏移的責(zé)任，但偏置電流是實(shí)際的有罪方。雙極運(yùn)算放大器傳統(tǒng)上比FET具有更低的電壓噪聲，但是已經(jīng)為這一優(yōu)勢(shì)付出了更大的電流噪聲 - 如今，F(xiàn)ET運(yùn)算放大器在保持低電流噪聲的同時(shí)可以接近雙極性電壓噪聲性能。

Q. 握住它！ 1 nV /√Hz？ √Hz來(lái)自哪里？這是什么意思？

A。我們來(lái)談?wù)勲S機(jī)噪音。出于實(shí)際目的（即，在設(shè)計(jì)者所關(guān)注的帶寬內(nèi)），許多噪聲源都是白色和高斯噪聲。白噪聲是噪聲，其在給定帶寬內(nèi)的功率與頻率無(wú)關(guān)。高斯噪聲是噪聲，其中特定幅度X的概率遵循高斯分布。高斯噪聲具有以下特性：當(dāng)添加來(lái)自兩個(gè)或更多個(gè)這樣的源的噪聲的均方根值時(shí)，假設(shè)噪聲源是不相關(guān)的（即，一個(gè)噪聲信號(hào)不能轉(zhuǎn)換成另一個(gè)），則產(chǎn)生的噪聲不是它們的算術(shù)和但是它們的平方和（RSS）的根。*三個(gè)噪聲源的RSS總和，V 1 ，V 2 和V 3 ，是

[*注意暗示 power 線性增加（平方和）。]

噪聲信號(hào)的不同頻率成分是不相關(guān)的，RSS總和的結(jié)果是，如果磚壁帶寬Δf中的白噪聲為V，那么帶寬為2Δf的噪聲

更一般地說(shuō)，如果我們將帶寬乘以因子K，那么我們將噪聲乘以因子√K。在頻率范圍內(nèi)任何地方定義Δf=1√Hz帶寬內(nèi)噪聲有效值的函數(shù)稱為（電壓或電流）頻譜密度函數(shù)，以nV / Hz或pA /√Hz指定。對(duì)于白噪聲，光譜密度是恒定的;它乘以帶寬的平方根來(lái)獲得總有效值噪聲。

RSS求和的一個(gè)有用結(jié)果是，如果兩個(gè)噪聲源對(duì)系統(tǒng)的噪聲有貢獻(xiàn)，一個(gè)超過(guò)3或4倍另一方面，較小的經(jīng)常被忽略，因?yàn)?/p>

[差異小于3％，或0.26 dB]

[差異小于6％，或0.5 dB]

較高的噪音已成為顯性源。

Q. O.K。當(dāng)前的噪音怎么樣？

A。簡(jiǎn)單（即非偏置電流補(bǔ)償）雙極和JFET運(yùn)算放大器的電流噪聲通常在偏置電流的肖特基噪聲（有時(shí)稱為“散粒噪聲”）的1或2 dB范圍內(nèi);它并不總是在數(shù)據(jù)表中指定。肖特基噪聲是由于電流通過(guò)結(jié)中的電荷載流子的隨機(jī)分布而產(chǎn)生的電流噪聲。當(dāng)電流I流動(dòng)時(shí)，帶寬中的肖特基噪聲電流In從公式

獲得，其中q是電子電荷（1.6 x 10 - 19 C）。注意

是頻譜密度，噪聲是白色。

這告訴我們，簡(jiǎn)單雙極晶體管運(yùn)算放大器的當(dāng)前噪聲頻譜密度約為250 fA /√Hz，對(duì)于I b = 200 nA，并且隨溫度變化不大 - 并且JFET輸入運(yùn)算放大器的電流噪聲雖然較低（I <4 fA /√Hz） sub> b = 50 pA），每增加20°C芯片溫度將增加一倍，因?yàn)镴FET運(yùn)算放大器的偏置電流每增加10°C就會(huì)翻倍。

偏置補(bǔ)償運(yùn)算放大器的電流噪聲遠(yuǎn)高于輸入電流可預(yù)測(cè)的電流噪聲。原因是它們的凈偏置電流是輸入晶體管的基極電流和補(bǔ)償電流源之間的差值，而噪聲電流來(lái)自RSS sum 噪聲電流。

具有平衡輸入的傳統(tǒng)電壓反饋運(yùn)算放大器在反相和非反相輸入上幾乎總是具有相等（但不相關(guān)）的電流噪聲。在這兩個(gè)輸入端具有不同輸入結(jié)構(gòu)的電流反饋或跨阻抗運(yùn)算放大器則不然。有關(guān)兩個(gè)輸入噪聲的詳細(xì)信息，必須參考他們的數(shù)據(jù)表。

運(yùn)算放大器的噪聲是高斯的，在很寬的頻率范圍內(nèi)具有恒定的頻譜密度或“白色”，但是頻率降低，頻譜密度開始上升約3 dB /倍頻程。這種低頻噪聲特性稱為“1 / f噪聲”，因?yàn)樵肼暪β首V密度與頻率成反比（實(shí)際上是1 / f g ）。它在對(duì)數(shù)圖上具有-1斜率（噪聲電壓（或電流）1 /√f頻譜密度斜率為-1 / 2）。外推-3dB /倍頻程譜密度線與中頻恒定譜密度值相交的頻率稱為“l(fā) / f轉(zhuǎn)角頻率”，是放大器的品質(zhì)因數(shù)。早期的單片IC運(yùn)算放大器具有超過(guò)500 Hz的1 / f轉(zhuǎn)角，但今天的值通常為20-50 Hz，最好的放大器（如AD-OP27和AD-OP37）的轉(zhuǎn)角頻率低至2.7赫茲。對(duì)于具有相等比率的頻率間隔，即每八度或每十倍，1 / f噪聲具有相等的增量。

Q. 為什么不發(fā)布噪音系數(shù)？

一個(gè)。放大器的噪聲系數(shù)（NF）（以dB表示）是放大器噪聲與源電阻熱噪聲之比的量度。
V n = 20 log {[ V n （amp）+ V n （source）] / V n （source）}

這是一個(gè)射頻放大器的有用概念，它幾乎總是與驅(qū)動(dòng)它們的相同源電阻一起使用（通常為50歐姆或75歐姆），但是當(dāng)應(yīng)用于運(yùn)算放大器時(shí)它會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)，因?yàn)樗鼈儽挥糜谠S多不同的應(yīng)用中，來(lái)源廣泛變化阻抗（可能是也可能不是阻性的）。

Q. 源阻抗有什么不同？

A。在絕對(duì)零度以上的溫度下，所有電阻都是噪聲源;它們的噪聲隨著電阻，溫度和帶寬而增加（我們將在一瞬間討論基本的電阻噪聲或約翰遜噪聲）。 Reactances 不產(chǎn)生噪聲，但通過(guò)它們的噪聲電流會(huì)產(chǎn)生噪聲電壓。

如果我們從源電阻驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器，等效的噪聲輸入將是放大器噪聲電壓的RSS總和，源電阻產(chǎn)生的電壓，以及流經(jīng)源阻抗的放大器I n 引起的電壓。對(duì)于非常低的源電阻，源電阻和放大器電流噪聲產(chǎn)生的噪聲對(duì)總電阻的貢獻(xiàn)不大。在這種情況下，輸入端的噪聲實(shí)際上只是運(yùn)算放大器的電壓噪聲。

如果源電阻較高，源電阻的約翰遜噪聲可能會(huì)影響運(yùn)算放大器。電壓噪聲和電流噪聲引起的電壓;但值得注意的是，由于約翰遜噪聲僅隨著電阻的平方根增加，而由于電流噪聲引起的噪聲電壓與輸入阻抗成正比，因此放大器的電流噪聲將始終占據(jù)足夠高的值。輸入阻抗。當(dāng)放大器的電壓和電流噪聲足夠高時(shí)，可能沒(méi)有約翰遜噪聲占主導(dǎo)地位的輸入電阻值。

附近的圖表對(duì)此進(jìn)行了演示，該圖比較了多種ADI公司運(yùn)算放大器類型的電壓和電流噪聲噪聲，以獲得一系列源電阻值。對(duì)角線垂直繪制與水平刻度上的阻力相關(guān)的約翰遜噪聲。讓我們讀一下ADOP27的圖表：水平線表示ADOP27的電壓噪聲電平約為3 nV / Hz，相當(dāng)于電源電阻小于約500歐姆。 （例如）100歐姆源阻抗不會(huì)降低噪聲，但會(huì)增加2千歐姆的源阻抗。 ADOP27的垂直線表明，對(duì)于大約100kΩ以上的源電阻，放大器電流噪聲產(chǎn)生的噪聲電壓將超過(guò)源電阻產(chǎn)生的噪聲電壓;它已成為主要來(lái)源。

請(qǐng)記住，非反相輸入中的任何電阻都會(huì)產(chǎn)生約翰遜噪聲，并且還會(huì)將電流噪聲轉(zhuǎn)換為噪聲電壓;反饋電阻中的約翰遜噪聲在高阻電路中可能很重要。在評(píng)估運(yùn)算放大器性能時(shí)，必須考慮所有潛在的噪聲源。

問(wèn)： 你要告訴我關(guān)于約翰遜的噪音。

A。在高于絕對(duì)零度的溫度下，由于電荷載流子的熱運(yùn)動(dòng)，所有電阻都具有噪聲。這被稱為約翰遜噪音。該現(xiàn)象有時(shí)用于測(cè)量低溫。在T開爾文溫度下，對(duì)于帶寬為B Hz的R歐姆電阻中的電壓和電流噪聲由下式給出：

其中k是玻爾茲曼常數(shù)（1.38 x 10） - 23 J / K）。一個(gè)方便的經(jīng)驗(yàn)法則是1kΩ電阻在室溫下具有4 nV / Hz的噪聲。

電路中的所有電阻都會(huì)產(chǎn)生噪聲，必須始終考慮其影響。實(shí)際上，只有高增益前端電路的輸入和反饋中的電阻可能會(huì)對(duì)總電路噪聲產(chǎn)生明顯的影響。

通過(guò)降低電阻或帶寬可以降低噪聲，但溫度降低通常不是很有幫助，除非可以使電阻非常冷 - 因?yàn)樵肼暪β逝c絕對(duì)溫度成正比，T =°C + 273°。 （待續(xù)）