運算放大器的噪聲

通過(guò)圖8.1來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)，上圖給出了ADI公司的幾種典型運算放大器在某一源電阻范圍內其電壓噪聲與電流噪聲的比較。圖中的對角線(xiàn)表示縱坐標熱噪聲與橫坐標源電阻之間的關(guān)系。讓我們看一下圖中的ADOP27：水平線(xiàn)表示約為3nV/Hz的電壓噪聲對應小于500Ω的源電阻?？梢钥闯鲈醋杩箿p小100Ω并沒(méi)有使噪聲減小，但源阻抗增加2kΩ卻使噪聲增加。ADOP27的垂直線(xiàn)表示，當源電阻大約在100kΩ以上的情況下，放大器的電流噪聲產(chǎn)生的噪聲電壓將超過(guò)源電阻產(chǎn)生的熱噪聲，所以電流噪聲為主要噪聲源。
應該記住，放大器同相輸入端的任何電阻都具有熱噪聲，并且又把電流噪聲轉換成噪聲電壓。另外反饋電阻的熱噪聲在高電阻電路中非常突出。當評價(jià)運算放大器性能時(shí)所有可能的噪聲源必須考慮。

問(wèn)：請你介紹一下熱噪聲。
答：當溫度在絕對零度以上，由于電荷載流子的熱運動(dòng)，所有電阻都具有噪聲，這種噪聲稱(chēng)為熱噪聲，又稱(chēng)約翰遜噪聲。有時(shí)利用這種特性測量冷凍溫度。在溫度為T(mén)(開(kāi)氏溫度)，帶寬為BHz，電阻為RΩ的電壓噪聲Vn和電流噪聲In由下式計算：
Vn=4kTRB和In=4kTB/R
其中k為波爾茲曼常數(1.38×10-23J/K)。經(jīng)驗規則表明，1kΩ電阻在室溫下具有的噪聲為4nV/Hz。
電路中所有電阻產(chǎn)生的噪聲及其帶來(lái)的影響是總要考慮的問(wèn)題。實(shí)際上，只有輸入電路、反饋電路、高增益電路及前端電路的電阻才可能對總電路噪聲有上述明顯影響。
一般可通過(guò)減小電阻或帶寬的方法減小噪聲，但降低溫度的方法通常沒(méi)有很大作用，除非使電阻器的溫度非常低，因為噪聲功率與絕對溫度成正比，絕對溫度T=°C+273°。

問(wèn)：什么是“噪聲增益”?
答：到現在為止我們只討論了噪聲源，但還沒(méi)有討論出現噪聲電路的增益。人們可能會(huì )想到，如果在放大器的指定輸入端的噪聲電壓為Vn并且該電路的信號增益為G，那么輸出端的噪聲電壓應為GVn。但實(shí)際并非總是這樣。
現在請看圖82所示的基本運算放大器增益電路。如果運算放大器接成反相放大器(接B端)，同相輸入端接地，將信號加到電阻Ri的自由端，那么這時(shí)增益為-Rf/Ri。反之，如果運算放大器接成同相放大器(接A端)，把信號加到同相輸入端，并且電阻Ri的自由端接地，那么增益為(1+Rf/Ri)。

圖82信號增益與噪聲增益

放大器本身的電壓噪聲總是以同相放大器的方式被放大。所以當運算放大器接成信號增益為G的反相放大器時(shí)，其本身的電壓噪聲仍以噪聲增益(G+1)被放大。對于精密衰減的情況(G＜1)，這種特性可能會(huì )出現疑問(wèn)。這種情況一個(gè)常見(jiàn)的實(shí)例是有源濾波電路，其中阻帶增益可能很小，但阻帶噪聲增益至少為1。
只有放大器輸入端產(chǎn)生的電壓噪聲和放大器同相輸入端電流噪聲流過(guò)該輸入端的任何阻抗所產(chǎn)生的噪聲(例如，偏置電流補償電阻產(chǎn)生的噪聲)才以噪聲增益被放大。而電阻Ri產(chǎn)生的噪聲(不論是熱噪聲還是由反相輸入端噪聲電流引起的電壓噪聲)以與輸入信號相同的方法被放大G倍，但反饋電阻Rf產(chǎn)生的熱噪聲電壓卻沒(méi)有被放大而以單位增益被緩沖送到輸出端。

問(wèn)：什么是“爆米花”噪聲?
答：在20多年前人們曾花了很大的精力研究這個(gè)“爆米花”噪聲(“popcorn”noise)問(wèn)題，它是一種偶然出現的典型低頻噪聲，表現為失調電壓低幅度(隨機)跳變。當通過(guò)揚聲器講話(huà)時(shí)，這種噪聲聽(tīng)起來(lái)好像炒玉米花的聲，由此而得名。
在沒(méi)有形成集成電路工藝時(shí)，根本不存在這個(gè)問(wèn)題，“爆米花”噪聲是由集成電路表面工藝問(wèn)題(如沾污)所致。當今對其產(chǎn)生原因已完全清楚，再不會(huì )有一個(gè)著(zhù)名的運算放大器制造廠(chǎng)家會(huì )出現因產(chǎn)生“爆米花”噪聲而成為用戶(hù)關(guān)心的主要問(wèn)題。

問(wèn)：峰峰噪聲電壓是使我能知道噪聲究竟是否有問(wèn)題的最方便的方法。但是為什么放大器制造廠(chǎng)家不愿用這種方法來(lái)規定噪聲呢?
答：正如前面所指出的，因為噪聲一般服從高斯分布。對于高斯分布來(lái)說(shuō)，噪聲最大值的說(shuō)法是沒(méi)有意義的，即只要你等待足夠長(cháng)的時(shí)間，理論上可超過(guò)任何值。另外，實(shí)際上常用噪聲有效值這一概念。在某種程度上，它是一種不變量，即應用這種噪聲的高斯概率分布曲線(xiàn)我們可以預測大于任何給定值噪聲的

表81大于規定噪聲峰峰值概率

峰峰值大于規定峰峰值的概率

概率。假設給定噪聲源有效值為V，由于噪聲電壓任何給定值的概率都服從高斯分布，所以可以得到：噪聲電壓大于2V峰峰值的概率為32%，大于3V則為13%，依此類(lèi)推，如表81所示。
如果我們使用噪聲峰峰值出現的概率來(lái)定義峰峰值，那么使可采用峰峰值這項技術(shù)指標，但使用有效值更合適，因為它容易測量。當規定峰值噪聲電壓時(shí)，它常常為66倍有效值(即66×rms)，它出現的時(shí)間概率小于01%。