運算放大器的噪聲

問(wèn)：有關(guān)運算放大器的噪聲我應該知道些什么?

答：首先，必須注意到運算放大器及其電路中元器件本身產(chǎn)生的噪聲與外界干擾或無(wú)用信號并且在放大器的某一端產(chǎn)生的電壓或電流噪聲或其相關(guān)電路產(chǎn)生的噪聲之間的區別。
干擾可以表現為尖峰、階躍、正弦波或隨機噪聲而且干擾源到處都存在：機械、靠近電源線(xiàn)、射頻發(fā)送器與接收器、計算機及同一設備的內部電路(例如，數字電路或開(kāi)關(guān)電源)。認識干擾，防止干擾在你的電路附近出現，知道它是如何進(jìn)來(lái)的并且如何消除它或者找到對付干擾的方法是一個(gè)很大的題目。

如果所有的干擾都被消除，那么還存在與運算放大器及其阻性電路有關(guān)的隨機噪聲。它構成運算放大器的控制分辨能力的終極限制。我們下面的討論就從這個(gè)題目開(kāi)始。

問(wèn)：好，那就請你講一下有關(guān)運算放大器的隨機噪聲。它是怎么產(chǎn)生的?

答：在運算放大器的輸出端出現的噪聲用電壓噪聲來(lái)度量。但是電壓噪聲源和電流噪聲源都能產(chǎn)生噪聲。運算放大器所有內部噪聲源通常都折合到輸入端，即看作與理想的無(wú)噪聲放大器的兩個(gè)輸入端相串聯(lián)或并聯(lián)不相關(guān)或獨立的隨機噪聲發(fā)生器。我們認為運算放大器噪聲有三個(gè)基本來(lái)源：
·一個(gè)噪聲電壓發(fā)生器(類(lèi)似失調電壓，通常表現為同相輸入端串聯(lián))。
·兩個(gè)噪聲電流發(fā)生器(類(lèi)似偏置電流，通過(guò)兩個(gè)差分輸入端排出電流)。
·電阻噪聲發(fā)生器(如果運算放大器電路中存在任何電阻，它們也會(huì )產(chǎn)生噪聲?？砂堰@種噪聲看作來(lái)自電流源或電壓源，不論哪種形式在給定電路中都很常見(jiàn))。

運算放大器的電壓噪聲可低至3nV/Hz。電壓噪聲是通常比較強調的一項技術(shù)指標，但是在阻抗很高的情況下電流噪聲常常是系統噪聲性能的限制因素。這種情況類(lèi)似于失調，失調電壓常常要對輸出失調負責，但是偏置電流卻有真正的責任。雙極型運算放大器的電壓噪聲比傳統的FET運算放大器低，雖然有這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際上電流噪聲仍然比較大?，F在的FET運算放大器在保持低電流噪聲的同時(shí)，又可達到雙極型運算放大器的電壓噪聲水平。

問(wèn)：電壓噪聲達到3nV/Hz的單位是怎么來(lái)的?它的含義如何?
答：讓我們討論一下隨機噪聲。在實(shí)際應用中(即在設計者關(guān)心的帶寬內)許多噪聲源都屬于白噪聲和高斯噪聲。白噪聲是指在給定帶寬內噪聲功率與頻率無(wú)關(guān)的噪聲。高斯噪聲是指噪聲指定幅度X出現的概率服從高斯分布的噪聲。高斯噪聲具有這樣的特性：當來(lái)自?xún)蓚€(gè)以上的噪聲有效值(rms)進(jìn)行合成時(shí)，而且提供的這些噪聲源都是不相關(guān)的(即一種噪聲信號不能轉換為另一種噪聲信號)，這樣合成的總噪聲不是這些噪聲的算術(shù)和而是它們平方和的平方根(rss)(這意味著(zhù)噪聲功率線(xiàn)性疊加，即平方和相加)。例如有三個(gè)噪聲源V1，V2和V3，它的rms和為：
V0=V21+V22+V23

由于噪聲信號的不同頻率分量是不相關(guān)的，從而rss合成結果是：如果單位帶寬(brickwallbandwidth)為Δf的白噪聲為V，那么帶寬為2Δf的噪聲為V2+V2=2V。更為普遍的情況，如果我們用系數K乘以單位帶寬，那么KΔf帶寬的噪聲為KV。因此在任何頻率范圍內將Δf=1Hz帶寬的噪聲有效值所定義的函數稱(chēng)作(電壓或電流)噪聲譜密度函數，單位為nV/Hz或pA/Hz。對于白噪聲，噪聲譜密度是一個(gè)常數，用帶寬的平方根乘以譜密度便可得到總有效值噪聲。
有關(guān)rss和的一個(gè)有用結果是：如果有兩個(gè)噪聲源都對系統噪聲有貢獻，而且一個(gè)比另一個(gè)大3或4倍，那么其中較小的那個(gè)常常被忽略，因為
42=16=4,但是42+12=17=412
兩者之差小3%，或026dB。
32=9=3，但是32+12=10=316
兩者之差小6%，或05dB。
因此較大的噪聲源對噪聲起主要作用。

問(wèn)：那么電流噪聲又如何呢?
答：簡(jiǎn)單(即不帶偏置電流補償)的雙極型和JFET運算放大器的電流噪聲通常在偏置電流的散粒噪聲(有時(shí)稱(chēng)為肖特基噪聲)的1或2dB范圍以?xún)?。在產(chǎn)品說(shuō)明中一般不給出。散粒噪聲是由于電荷載流子隨機分布以電流形式通過(guò)PN結引起的電流噪聲。如果流過(guò)的電流為I，那么在帶寬B內的散粒噪聲In可用下述公式來(lái)計算：
In=2IqB
其中q為電子電荷(16×10-19C)。應當注意2Iq為噪聲譜密度，即這種噪聲為白噪聲。
從而告訴我們，簡(jiǎn)單雙極型運算放大器的電流噪聲譜密度在Ib=200nA時(shí)大約為250fA/Hz，而且隨溫度變化不大，而JFET輸入運算放大器的電流噪聲譜密度比較低(在Ib=50pA時(shí)為4fA/Hz)，并且溫度每增加20°C其噪聲譜密度加倍，因為溫度每增加10°C其偏置電流加倍。
帶偏置電流補償的運算放大器的實(shí)際電流噪聲比根據其輸入電流預測的電流噪聲要大得多。理由是其凈偏置電流是輸入偏置電流與補償電流源之差，而其噪聲電流是從這兩個(gè)噪聲電流的rss和導出的。
具有平衡輸入的傳統的電壓反饋運算放大器，其同相輸入與反相輸入端的電流噪聲總相等(但不相關(guān))。而電流反饋或跨導運算放大器在兩個(gè)輸入端具有不同的輸入結構，所以其電流噪聲也不同。有關(guān)這兩種運算放大器兩個(gè)輸入端電流噪聲的詳細情況請參考其產(chǎn)品說(shuō)明。
運算放大器的噪聲服從高斯分布，在很寬的頻帶范圍內具有恒定的譜密度，或“白”噪聲，但當頻率降低時(shí)，譜密度以3dB/倍頻程開(kāi)始上升。這種低頻噪聲特性稱(chēng)作“1/f噪聲”，因為這種噪聲功率譜密度與頻率成反比。它在對數坐標上斜率為-1(噪聲電壓或電流1/f頻譜密度斜率為-1/2)。-3dB/倍頻程譜密度直線(xiàn)延長(cháng)線(xiàn)與中頻帶恒定譜密度直線(xiàn)的交點(diǎn)所對應的頻率稱(chēng)作1/f轉折頻率(cornerfrequency)，它是放大器的品質(zhì)因數。早期的單片集成運算放大器的1/f在500Hz以上轉折，但當今的運算放器在20～50Hz轉折是常見(jiàn)的，最好的放大器(例如ADOP27和ADOP37)轉折頻率低到27Hz。1/f噪聲對于等比率的頻率間隔(如每倍頻程或每十倍頻程)具有相等的增量。
問(wèn)：為什么你們不公布噪聲系數?
答：放大器的噪聲系數(NF)用來(lái)表示放大器噪聲與源電阻熱噪聲之比，單位為dB，可用下式表示：
NF＝20logVn(amp)+Vn(source)Vn(source)
其中Vn(amp)表示放大器噪聲，Vn(source)表示源電阻熱噪聲。
NF對射頻放大器來(lái)說(shuō)是一項很有用的技術(shù)指標，一般總是使用相同的源電阻(50或75Ω)來(lái)驅動(dòng)射頻放大器，但當這項指標用于運算放大器時(shí)容易引起誤解，因為運算放大器在許多不同應用中其源阻抗(不一定是阻性的)變化范圍很寬。

問(wèn)：源阻抗對噪聲有何影響?

答：當溫度在絕對零度以上時(shí)所有電阻都是噪聲源，其噪聲隨電阻、溫度和帶寬的增加而增加(隨后我們將討論基本電阻噪聲或熱噪聲)。電抗不產(chǎn)生噪聲，但噪聲電流通過(guò)電抗將產(chǎn)生噪聲電壓。

如果我們從某一個(gè)源電阻驅動(dòng)一個(gè)運算放大器，那么等效輸入噪聲將是該運算放大器的噪聲電壓，源電阻產(chǎn)生的噪聲電壓和放大器的噪聲電流In流過(guò)源電阻產(chǎn)生的噪聲電壓的rss和。如果源電阻很低，那么源電阻產(chǎn)生的噪聲電壓和放大器的噪聲電流通過(guò)源電阻產(chǎn)生的噪聲電壓對總噪聲的貢獻不明顯。在這種情況下放大器輸入端的總噪聲只有運算放大器的電壓噪聲起主要作用。

如果源電阻很高，那么源電阻產(chǎn)生的熱噪聲對運算放大器的電壓噪聲和由電流噪聲引起的電壓噪聲都起主要作用。但值得注意的是，由于熱噪聲只是隨電阻的平方根增加，而由電流噪聲引起的噪聲電壓直接與輸入阻抗成正比，所以放大器的電流噪聲對于輸入阻抗足夠高的情況下總是起主要作用。當放大器的電壓噪聲和電流噪聲都足夠高時(shí)，則不存在輸入電阻為何值時(shí)熱噪聲起主要作用的問(wèn)題。

圖81熱噪聲與源電阻的關(guān)系