运算放大器的噪声

时间：04-07 来源：21ic 点击：

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Δf的白噪声为V，那么带宽为2Δf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KΔf带宽的噪声为KV。因此在任何频率范围内将Δf=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，那么其中较小的那个常常被忽略，因为
42=16=4,但是42+12=1 7=412
两者之差小3%，或026 dB。
32=9=3，但是32+12=1 0=316
两者之差小6%，或05 dB。
因此较大的噪声源对噪声起主要作用。

问：那么电流噪声又如何呢?
答：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，即这种噪声为白噪声。
从而告诉我们，简单双极型运算放大器的电流噪声谱密度在Ib=200 nA时大约为250 f A/Hz，而且随温度变化不大，而JFET输入运算放大器的电流噪声谱密度比较低(在Ib=50 pA时为4 fA/Hz)，并且温度每增加20 °C其噪声谱密度加倍，因为温度每增加10 °C其偏置电流加倍。
带偏置电流补偿的运算放大器的实际电流噪声比根据其输入电流预测的电流噪声要大得多。理由是其净偏置电流是输入偏置电流与补偿电流源之差，而其噪声电流是从这两个噪声电流的rss和导出的。
具有平衡输入的传统的电压反馈运算放大器，其同相输入与反相输入端的电流噪声总相等(但不相关)。而电流反馈或跨导运算放大器在两个输入端具有不同的输入结构，所以其电流噪声也不同。有关这两种运算放大器两个输入端电流噪声的详细情况请参考其产品说明。
运算放大器的噪声服从高斯分布，在很宽的频带范围内具有恒定的谱密度，或"白"噪声，但当频率降低时，谱密度以3 dB/倍频程开始上升。这种低频噪声特性称作"1/f噪声 "，因为这种噪声功率谱密度与频率成反比。它在对数坐标上斜率为-1(噪声电压或电流1/ f频谱密度斜率为-1/2)。-3 dB/倍频程谱密度直线延长线与中频带恒定谱密度直线的交点所对应的频率称作1/f转折频率(corner frequency)，它是放大器的品质因数。早期的单片集成运算放大器的1/f在500 Hz以上转折，但当今的运算放器在20～50 Hz转折是常见的，最好的放大器(例如AD OP27和AD OP37)转折频率低到27 Hz。1/f噪声对于等比率的频率间隔(如每倍频程或每十倍频程)具有相等的增量。

问：为什么你们不公布噪声系数?
答：放大器的噪声系数(NF)用来表示放大器噪声与源电阻热噪声之比，单位为dB ，可用下式表示：
NF＝20logVn(amp)+Vn(source)Vn(source)
其中Vn(amp)表示放大器噪声，Vn(source)表示源电阻热噪声。
NF对射频放大器来说是一项很有用的技术指标，一般总是使用相同的源电阻(50或75 Ω )来驱动射频放大器，但当这项指标用于运算放大器时容易引起误解，因为运算放大器在许多不同应用中其源阻抗(不一定是阻性的)变化范围很宽。

问：源阻抗对噪声有何影响?

答：当温度在绝对零度以上时所有电阻都是噪声源，其噪声随电阻、温度和带宽的增加而增加(随后我们将讨论基本电阻噪声或热噪声)。电抗不产生噪声，但噪声电流通过电抗将产生噪声电压。

如果我们从某一个源电阻驱动一个运算放大器，那么等效输入噪声将是该运算放大器的噪声电压，源电阻产生的噪声电压和放大器的噪声电流In流过源电阻产生的噪声电压的 rss和。如果源电阻很低，那么源电阻产生的噪声电压和放大器的噪声电流通过源电阻产生的噪声电压对总噪声的贡献不明显。在这种情况下放大器输入端的总噪声只有运算放

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