运算放大器的噪声

时间：04-07 来源：21ic 点击：

读者信箱

问：有一位读者的来信由于直接引用篇幅太长，所以这里概括介绍来信内容，他对本栏目(Analog Dialogue 242,pp20～21)中有关散粒噪声或肖特基噪声(肖特基首次正确解释了来自真空电子管中的散粒效应)提出了看法。该读者特别反对将散粒噪声仅规定为一种结现象并且评论我们把运算放大器与其它半导体器件像兄弟关系一样构成的完整器件所带来的问题。他特别提出了散粒噪声公式：

In=2qIB，单位 A
其中In为散粒噪声电流有效值，I为流过某一结区域的电流，q为电子电荷，B为带宽。该公式似乎不包含依赖于特定结区域物理特性的任何物理量。因此他指出，散粒噪声是一种普遍现象，它与下述事实有关：任何电流都是一种电子流或空穴流，它携带离散电荷，从而由上述公式计算出的噪声恰恰表示了这种电流的粒子性。

他认为如果忽略承载电流的任何电路(包括纯阻性电路)中的这种噪声成分，都可导致严重的设计问题。他计算通过任一理想电阻器的直流电流产生的噪声来说明这种噪声电流的作用。如果对该电阻器仅施加52 mV电压，那么产生的噪声电流等于室温下热噪声电流；如果施加200 mV以上电压，那么这种噪声电流将成为主要电流噪声源。

答：因为低噪声运算放大器设计者已经不理睬这种主观推测，那么他错在哪里呢? 上述推理的假设是上述散粒噪声公式对导体有效。

实际上，散粒噪声公式产生于载流子相互独立的假设。尽管这种散粒噪声确实是由穿过( 由结二级管或真空电子管构成的)势垒的离散电荷形成的电流，但它并不是真正的金属导体。由于导体中的电流是由非常大量的载流子组成(单个载流子的流动非常慢)，所以与电流的流动有关的噪声相应地也非常小，因此电路中的热噪声一般都忽略不计。
这里引用Horowiz和Hill在其论文中的一段话："电流是离散电荷的流动，而不是像流体一样的连续流动。根据电荷量子的有限性产生了电流的统计波动性理论。如果这些电荷的作用彼此独立，那么波动电流为：

In(rms)=I nR =(2 qI dc B) 1/2
其中q为电子电荷(160×10 -19 C)，B为测量带宽，rms表示有效值。例如1 A"稳定 " 电流，波动电流的有效值为57 nA，测量带宽为10 kHz。这说明波动程度大约为0000006% 。这种相对波动对小电流来讲比较大。例如在10 kHz带宽内，1 μA的"稳定"电流，实际上电流噪声有效值的波动为0006%。即-85 dB。对于1 pA直流电流，同样带宽内其电流波动有效值为 56 fA，即相对波动为56 %。可见，散粒噪声岂不微乎其微码?散粒噪声，类似电阻热噪声，属于高斯噪声和白噪声。"

"早期给出的散粒噪声公式假设电荷载流子具有独立地形成电流的作用。这实际上是电荷穿过势垒的过程，例如结二极管电流，通过扩散电荷形成。与此相反，散粒噪声在金属导体中的重要程度是不真实的，因为在金属导体中，在电荷载流子之间存在着大范围的相关性。因此简单阻性电路中的这种电流噪声远小于由散粒噪声公式的计算值。在标准晶体管电流源电路中我们提供了散粒噪声公式以外的又一个重要公式，在这里负反馈起到减小散粒噪声的作用。"

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