運算放大器選擇指南助您獲得上佳的噪聲性能(05-100)

　　引言

　　凌特公司的低噪聲運算放大器產(chǎn)品庫不斷壯大。這并不是因為噪聲的物理性質(zhì)發(fā)生了變化,而是因為正在將低噪聲規格與諸如軌至軌操作、停機、低電壓和低功率操作等新功能加以組合。運算放大器噪聲取決于輸入級工作電流、器件類(lèi)型(雙極型或FET)和輸入電路。本選擇指南旨在幫助您確定基本的噪聲折衷方案,并選擇與您的應用相適合的最佳運算放大器(無(wú)論新款還是老款)。

　　電阻器熱噪聲和運算放大器噪聲的量化

　　了解噪聲折衷方案的關(guān)鍵在于“電阻器具有噪聲”這一事實(shí)。在室溫條件下,一個(gè)阻值為R的電阻器具有RMS電壓噪聲密度(或“點(diǎn)噪聲”)為VR=0.13√R的噪聲(單位：nV/√Hz)。于是,一個(gè)10k電阻器具有13nV/√Hz的噪聲,而一個(gè)1M電阻器則具有130nV/√Hz的噪聲。嚴格來(lái)講,噪聲密度的計算公式為VR=√(4kTR),其中,k為玻爾茲曼常數,T為溫度(單位：開(kāi)氏度)。這種溫度相關(guān)性說(shuō)明了為什么有些低噪聲電路采取了對電阻器進(jìn)行過(guò)冷處理的方法。注意,相同的電阻器也可被認為具有IR=√(4kT/R)的噪聲電流或PR=4kT=16.6×10-21W/Hz=16.6zeptoWatt/Hz的噪聲功率密度,這與其阻值R無(wú)關(guān)。正確放大器的選擇簡(jiǎn)單地說(shuō)就是看誰(shuí)在電阻器噪聲之上增加的噪聲量最小。

　　請不要對“/√Hz”這一奇異的單位而感到驚慌。它的出現簡(jiǎn)單地說(shuō)就是因為噪聲功率會(huì )隨著(zhù)帶寬的增加(每赫茲)而增加,因此噪聲電壓將隨著(zhù)帶寬平方根的增加(每方根赫茲)而增加。為了利用該規格,只需簡(jiǎn)單地將其與應用帶寬的平方根相乘,便可計算出該帶寬之內的合成RMS噪聲。以示波器上顯示的峰至峰噪聲為例,它在99%的時(shí)間里將是總RMS噪聲的6倍左右(假設是高斯“鐘形曲線(xiàn)”噪聲)。不要依靠運算放大器去限制帶寬。為了獲得最佳的噪聲性能,應采用無(wú)源或低噪聲有源濾波器來(lái)限制帶寬。

　　運算放大器的輸入噪聲規格通常是以nV/√Hz(用于表示噪聲電壓)和pA/√Hz或fA/√Hz(用于表示噪聲電流)為單位給出的,因此可以直接與電阻器熱噪聲進(jìn)行比較。鑒于噪聲密度會(huì )在低頻條件下發(fā)生變化這一事實(shí),大多數運算放大器還擬訂了一個(gè)“0.1Hz至10Hz”或“0.01Hz至1Hz”帶寬范圍內的典型峰至峰噪聲規格。為了實(shí)現最佳的超低頻率性能,您可以考慮采用像LTCÒ2050或LTC2054這樣的零漂移放大器。

　　噪聲源求和運算

　　圖1示出了一種具有外加噪聲源的理想化運算放大器和電阻器。圖中還給出了用于計算與輸入相關(guān)的所有噪聲源RMS和(即VN(TOTAL))的公式。出現于輸出端上的正是該電壓噪聲密度與電路的噪聲增益(NG=1+R1/R2)相乘的結果。