运算放大器的噪声分析.PDFVIP

沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 运算放大器的噪声分析 首先，必须注意到运算放大器及其电路中元器件本身产生的噪声与外界干扰或无用信号 并且在放大器的某一端产生的电压或电流噪声或其相关电路产生的噪声之间的区别。 干扰可以表现为尖峰、阶跃、正弦波或随机噪声，而且干扰源到处都存在：机械、靠近 电源线、射频发送器与接收器、计算机及同一设备的内部电路(例如，数字电路或开关电源) 等。认识干扰，防止干扰在你的电路附近出现，知道它是如何进来的并且如何消除它或者找 到对干扰的方法是一个很大的题目。 如果所有的干扰都被消除，那么还存在与运算放大器及其阻性电路有关的随机噪声。它 构成运算放大器的控制分辨能力的终极限制。我们下面的讨论就从这个题目开始。 运算放大器的随机噪声是怎么产生的? 在运算放大器的输出端出现的噪声用电压噪声来度量。但是电压噪声源和电流噪声源都 能产生噪声。运算放大器所有内部噪声源通常都折合到输入端，即看作与理想的无噪声放大 器的两个输入端相串联或并联不相关或独立的随机噪声发生器。我们认为运算放大器噪声有 三个基本来源： ①、一个噪声电压发生器(类似失调电压，通常表现为同相输入端串联)。 ②、两个噪声电流发生器(类似偏置电流，通过两个差分输入端排出电流)。 ③、电阻噪声发生器(如果运算放大器电路中存在任何电阻，它们也会产生噪声。可把 这种噪声看作来自电流源或电压源，不论哪种形式在给定电路中都很常见)。 运算放大器的电压噪声可低至 3 nV/Hz。电压噪声是通常比较强调的一项技术指标，但 是在阻抗很高的情况下电流噪声常常是系统噪声性能的限制因素。这种情况类似于失调，失 调电压常常要对输出失调负责，但是偏置电流却有真正的责任。双极型运算放大器的电压噪 声比传统的 FET 运算放大器低，虽然有这个优点，但实际上电流噪声仍然比较大。现在的 FET 运算放大器在保持低电流噪声的同时，又可达到双极型运算放大器的电压噪声水平。 电压噪声达到 3 nV/Hz 的单位是怎么来的?它的含义如何? 让我们讨论一下随机噪声。在实际应用中(即在设计者关心的带宽内)许多噪声源都属于 白噪声和高斯噪声。白噪声是指在给定带宽内噪声功率与频率无关的噪声。高斯噪声是指噪 声指定幅度 X 出现的概率服从高斯分布的噪声。高斯噪声具有这样的特性：当来自两个以上 的噪声有效值(rms)进行合成时，而且提供的这些噪声源都是不相关的(即一种噪声信号不能 转换为另一种噪声信号)，这样合成的总噪声不是这些噪声的算术和而是它们平方和的平方 根(rss)(这意味着噪声功率线性叠加，即平方和相加)。例如有三个噪声源 V1，V2 和 V3， 它的 rms 和为： V0=V21 + V22 + V23 由于噪声信号的不同频率分量是不相关的，从而 rss 合成结果是： 如果单位带宽(brick wall bandwidth)为∆f 的白噪声为 V，那么带宽为 2∆f 的噪声为 V2 + V2 = 2V。更为普遍的情况，如果我们用系数 K 乘以单位带宽，那么 K∆f 带宽的噪声 为 KV。因此在任何频率范围内将∆f=1Hz 带宽的噪声有效值所定义的函数称作(电压或电流) 噪声谱密度函数，单位为 nV/Hz 或pA/Hz。对于白噪声，噪声谱密度是一个常数，用带宽的 平方根乘以谱密度便可得到总有效值噪声。 有关 rss 和的一个有用结果是： 如果有两个噪声源都对系统噪声有贡献，而且一个比另一个大 3 或4 倍，那么其中较小 1 沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 的那个常常被忽略，因为较大的噪声源对噪声起主要作用。 电流噪声是什么呢? 简单(即不带偏置电流补偿)的双极型和 JFET 运算放大器的电流噪声通常在偏置电流的 散粒噪声(有时称为肖特基噪声)的 1 或 2 dB 范围以内。在产品说明中一般不给出。散粒噪 声是由于电荷载流子随机分布以电流形式通过 PN 结引起的电流噪声。如果流过的电流为 I， 那么在带宽 B 内的散粒噪声 In 可用下述公式来计算： In=2IqB 其中 q 为电子电荷(1.6×10^ -19 C)。应当注意2Iq 为噪声谱密度，即这种噪声为白噪