运算放大器电路中固有噪声的分析和测量（五）

计算在图 5.13 – 5.14 中列出的测量结果 —— –10 dBm信号的电压有效值。

从图 5.13 – 5.14 中，我们可以看出，当分辨率带宽降低时，固有噪声则从 –87 dBm 增加到 –80 dBm。另一方面，当分辨率带宽发生改变时，频率处于 67 kHz 和 72 kHz 时的信号幅度并未发生改变。固有噪声之所以受分辨率带宽的影响，是因为其为热噪声，因此，带宽的提高也增加了热噪声总量。另外，由于信号波形为正弦波曲线，而且不管带宽如何变化，带通滤波器内部的振幅都会保持恒定，因此，频率处于 67 kHz 和 72 kHz 时的信号幅度并不会受分辨率带宽的影响。因为我们必须清楚在频谱密度计算中不应该包含离散信号，所以，有关噪声分析方面的特性应引起我们足够的重视。比如，当测量运算放大器的噪声频谱密度时，您会发现频率在 60 Hz（功率上升线）时出现的一个离散信号。因为这个 60 Hz 的信号并非频谱密度，而是一个离散信号，所以它并未包含在功率噪声频谱密度曲线中。

图 5.15：将分贝毫瓦转化为电压有效值

图 5.16：将分贝毫瓦转化为电压有效值

一些频谱分析仪同噪声频谱密度一样，可以 nV/rt-Hz 为单位显示频谱幅度。但是，如果不具备这种功能，我们可以用频谱幅度除以分辨率噪声带宽的平方根来计算频谱密度。需要说明的是，通常我们需要一个换算系数，将分辨率带宽转化成分辨率噪声带宽。图 5.17 给出了将分贝毫瓦频谱转化成频谱密度的方程式。图 5.17 还给出了将分辨率带宽转化成噪声带宽所需的换算系数表。图 5.18 显示了将示例频谱分析仪中的频谱转化为频谱密度的实例。

图 5.17：将 dBm 转化为频谱密度的方程式

此表摘自安捷伦频谱分析仪测量和噪声应用手册 1303 页 [1]

图 5.18：将 dBm 转化为频谱密度的方程式

图 5.19：频谱分析仪测量结果向频谱密度转化的实例

另外，大多数频谱分析仪都具有计算平均值的功能。这一功能消除了测量波动的影响，因此，测量结果的重复性更高。平均值的数量由频谱分析仪的前置面板输入（通常从 1 至 100）。图 5.20 – 5.22 显示了采用不同的平均值水平，测量得出的同一信号。

图 5.20 关闭平均值功能时的频谱分析仪

图 5.21 平均值 = 2 时的频谱分析仪

图 5.22 平均值 = 49 时的频谱分析仪

当使用（或选择）频谱分析仪时，我们需要考虑的主要技术规范就是固有噪声和带宽。图 5.23 中的表格列出了两款不同频谱分析仪的部分技术规范。

总体评价

这是一款先进的数字频谱分析仪，其采用 FFT 来产生频谱。其可以测量极低的频率，适用于 1/f 等方面的测量工作。

这是一款款式较老的模拟频谱分析仪，其采用超外差接收技术产生频谱。截止频率较低，为10Hz，因此其不适用于典型的运算放大器 1/f 等方面的测量工作。

图 5.23：两款不同频谱分析仪的技术规范比较

总结与回顾

本文介绍了用于噪声测量的几款不同型号的设备，重点阐述了设备的技术规范以及与噪声有关的主要运行模式。需要特别说明的是，虽然探讨的是具体型号的设备，但是其中的工作原理适用于大部分的设备。本文旨在帮助您在选择噪声测量设备时，应考虑的主要规格参数。在第六部分，我们将列举使用该设备的实际应用范例。

感谢

特别感谢 TI 的技术人员，感谢他们在技术方面所提供的真知灼见。这些技术人员包括：

• 高级模拟 IC 设计经理 Rod Burt
• 线性产品经理 Bruce Trump``
• 应用工程经理 Tim Green
• 高速产品市场开发经理 Michael Steffes

参考书目

[1] 安捷伦频谱分析仪测量与噪声应用手册 1303 页，2003 年 12 月版（网址：www.agilent.com）
[2] 概率与统计参考，第三版，作者：Robert V. Hogg 和 Elliot A Tanis。由麦克米兰出版公司 (Macmillan Publishing Co) 出版。
[3] 低噪声电子系统设计，作者：C. D. Motchenbacher 和 J. A. Connelly，由 Wiley InterScience 公司出版。

作者简介

Arthur Kay 先生现任 TI 高级应用工程师，专门负责传感器信号调节器件的技术支持工作。他于 1993 年毕业于乔治亚理工学院 (Georgia Institute of Technology)，获电子工程硕士学位。