运算放大器噪声该怎么解决？

模拟对话 2019-04-15 20486

描述

运算放大器问题 - 噪音

问：我应该了解运放噪音？

A。首先，我们必须注意运算放大器中产生的噪声与其电路元件和干扰之间的区别，或者在任何放大器端子处作为电压或电流到达或在其相关电路中感应的无用信号和噪声之间的区别。

干扰可能表现为尖峰，阶跃，正弦波或随机噪声，它可能来自任何地方：机械，附近的电力线，射频发射器和接收器，计算机，甚至是同一设备内的电路（例如，数字电路或开关型电源）。理解它，防止它出现在你的电路附近，发现它是如何进入的，并根除它，或找到一种方法来生活它是一个很大的主题。它曾在过去的这些页面中得到过处理;参考文献中提到了这些以及一些其他参考文献。

如果可以消除所有干扰，则仍会存在与运算放大器及其电阻电路相关的随机噪声。它构成了放大器分辨率的最终限制。这是我们将在这里开始讨论的主题。

问。 O.K。告诉我运算放大器中的随机噪声。它来自哪里？

A。放大器输出端出现的噪声通常被测量为电压。但它是由电压和电流源产生的。所有内部源通常都被称为输入，即被视为不相关或独立的随机噪声发生器（见下一个问题）与理想无噪声放大器的输入串联或并联：我们认为噪声的3个主要因素：

噪声电压发生器（如偏移电压，通常与同相输入串联）

两个噪声电流发生器通过两个差分输入端子输出电流（如偏置电流）

如果运算放大器电路中有任何电阻，它们也会产生噪声;它可以被认为来自电流源或电压源（在给定电路中处理更方便）。

运放电压噪声可能低于1 nV / √Hz为最佳类型。电压噪声是通常强调的噪声规格，但是，如果阻抗水平很高，则电流噪声通常是系统噪声性能的限制因素。这类似于偏移，其中偏移电压通常承担输出偏移的责任，但偏置电流是实际的有罪方。双极运算放大器传统上比FET具有更低的电压噪声，但是已经为这一优势付出了更大的电流噪声 - 如今，FET运算放大器在保持低电流噪声的同时可以接近双极性电压噪声性能。

Q. 握住它！ 1 nV /√Hz？ √Hz来自哪里？这是什么意思？

A。我们来谈谈随机噪音。出于实际目的（即，在设计者所关注的带宽内），许多噪声源都是白色和高斯噪声。白噪声是噪声，其在给定带宽内的功率与频率无关。高斯噪声是噪声，其中特定幅度X的概率遵循高斯分布。高斯噪声具有以下特性：当添加来自两个或更多个这样的源的噪声的均方根值时，假设噪声源是不相关的（即，一个噪声信号不能转换成另一个），则产生的噪声不是它们的算术和但是它们的平方和（RSS）的根。*三个噪声源的RSS总和，V 1 ，V 2 和V 3 ，是

运算放大器

[*注意暗示 power 线性增加（平方和）。]

噪声信号的不同频率成分是不相关的，RSS总和的结果是，如果砖壁带宽Δf中的白噪声为V，那么带宽为2Δf的噪声

运算放大器更一般地说，如果我们将带宽乘以因子K，那么我们将噪声乘以因子√K。在频率范围内任何地方定义Δf=1√Hz带宽内噪声有效值的函数称为（电压或电流）频谱密度函数，以nV / Hz或pA /√Hz指定。对于白噪声，光谱密度是恒定的;它乘以带宽的平方根来获得总有效值噪声。

RSS求和的一个有用结果是，如果两个噪声源对系统的噪声有贡献，一个超过3或4倍另一方面，较小的经常被忽略，因为

运算放大器

[差异小于3％，或0.26 dB]

运算放大器

[差异小于6％，或0.5 dB]

较高的噪音已成为显性源。

Q. O.K。当前的噪音怎么样？

A。简单（即非偏置电流补偿）双极和JFET运算放大器的电流噪声通常在偏置电流的肖特基噪声（有时称为“散粒噪声”）的1或2 dB范围内;它并不总是在数据表中指定。肖特基噪声是由于电流通过结中的电荷载流子的随机分布而产生的电流噪声。当电流I流动时，带宽中的肖特基噪声电流In从公式

运算放大器

获得，其中q是电子电荷（1.6 x 10 - 19 C）。注意

运算放大器

是频谱密度，噪声是白色。

这告诉我们，简单双极晶体管运算放大器的当前噪声频谱密度约为250 fA /√Hz，对于I b = 200 nA，并且随温度变化不大 - 并且JFET输入运算放大器的电流噪声虽然较低（I <4 fA /√Hz） sub> b = 50 pA），每增加20°C芯片温度将增加一倍，因为JFET运算放大器的偏置电流每增加10°C就会翻倍。

偏置补偿运算放大器的电流噪声远高于输入电流可预测的电流噪声。原因是它们的净偏置电流是输入晶体管的基极电流和补偿电流源之间的差值，而噪声电流来自RSS sum 噪声电流。

具有平衡输入的传统电压反馈运算放大器在反相和非反相输入上几乎总是具有相等（但不相关）的电流噪声。在这两个输入端具有不同输入结构的电流反馈或跨阻抗运算放大器则不然。有关两个输入噪声的详细信息，必须参考他们的数据表。

运算放大器的噪声是高斯的，在很宽的频率范围内具有恒定的频谱密度或“白色”，但是频率降低，频谱密度开始上升约3 dB /倍频程。这种低频噪声特性称为“1 / f噪声”，因为噪声功率谱密度与频率成反比（实际上是1 / f g ）。它在对数图上具有-1斜率（噪声电压（或电流）1 /√f频谱密度斜率为-1 / 2）。外推-3dB /倍频程谱密度线与中频恒定谱密度值相交的频率称为“l / f转角频率”，是放大器的品质因数。早期的单片IC运算放大器具有超过500 Hz的1 / f转角，但今天的值通常为20-50 Hz，最好的放大器（如AD-OP27和AD-OP37）的转角频率低至2.7赫兹。对于具有相等比率的频率间隔，即每八度或每十倍，1 / f噪声具有相等的增量。

Q. 为什么不发布噪音系数？

一个。放大器的噪声系数（NF）（以dB表示）是放大器噪声与源电阻热噪声之比的量度。
V n = 20 log {[ V n （amp）+ V n （source）] / V n （source）}

这是一个射频放大器的有用概念，它几乎总是与驱动它们的相同源电阻一起使用（通常为50欧姆或75欧姆），但是当应用于运算放大器时它会产生误导，因为它们被用于许多不同的应用中，来源广泛变化阻抗（可能是也可能不是阻性的）。

Q. 源阻抗有什么不同？

A。在绝对零度以上的温度下，所有电阻都是噪声源;它们的噪声随着电阻，温度和带宽而增加（我们将在一瞬间讨论基本的电阻噪声或约翰逊噪声）。 Reactances 不产生噪声，但通过它们的噪声电流会产生噪声电压。

如果我们从源电阻驱动运算放大器，等效的噪声输入将是放大器噪声电压的RSS总和，源电阻产生的电压，以及流经源阻抗的放大器I n 引起的电压。对于非常低的源电阻，源电阻和放大器电流噪声产生的噪声对总电阻的贡献不大。在这种情况下，输入端的噪声实际上只是运算放大器的电压噪声。

如果源电阻较高，源电阻的约翰逊噪声可能会影响运算放大器。电压噪声和电流噪声引起的电压;但值得注意的是，由于约翰逊噪声仅随着电阻的平方根增加，而由于电流噪声引起的噪声电压与输入阻抗成正比，因此放大器的电流噪声将始终占据足够高的值。输入阻抗。当放大器的电压和电流噪声足够高时，可能没有约翰逊噪声占主导地位的输入电阻值。

附近的图表对此进行了演示，该图比较了多种ADI公司运算放大器类型的电压和电流噪声噪声，以获得一系列源电阻值。对角线垂直绘制与水平刻度上的阻力相关的约翰逊噪声。让我们读一下ADOP27的图表：水平线表示ADOP27的电压噪声电平约为3 nV / Hz，相当于电源电阻小于约500欧姆。（例如）100欧姆源阻抗不会降低噪声，但会增加2千欧姆的源阻抗。 ADOP27的垂直线表明，对于大约100kΩ以上的源电阻，放大器电流噪声产生的噪声电压将超过源电阻产生的噪声电压;它已成为主要来源。

运算放大器

请记住，非反相输入中的任何电阻都会产生约翰逊噪声，并且还会将电流噪声转换为噪声电压;反馈电阻中的约翰逊噪声在高阻电路中可能很重要。在评估运算放大器性能时，必须考虑所有潜在的噪声源。

问：你要告诉我关于约翰逊的噪音。

A。在高于绝对零度的温度下，由于电荷载流子的热运动，所有电阻都具有噪声。这被称为约翰逊噪音。该现象有时用于测量低温。在T开尔文温度下，对于带宽为B Hz的R欧姆电阻中的电压和电流噪声由下式给出：

运算放大器

其中k是玻尔兹曼常数（1.38 x 10） - 23 J / K）。一个方便的经验法则是1kΩ电阻在室温下具有4 nV / Hz的噪声。

电路中的所有电阻都会产生噪声，必须始终考虑其影响。实际上，只有高增益前端电路的输入和反馈中的电阻可能会对总电路噪声产生明显的影响。

通过降低电阻或带宽可以降低噪声，但温度降低通常不是很有帮助，除非可以使电阻非常冷 - 因为噪声功率与绝对温度成正比，T =°C + 273°。（待续）

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