運放的噪聲源以及系統(tǒng)噪聲最小化

1、運放的噪聲源以及系統(tǒng)噪聲最小化 丹尼爾?笛福和本杰明?富蘭克林曾說，生命中惟獨兩件事情是確定的：死亡與稅收;不幸的是，對于與產(chǎn)品打交道的人來說，還有另外一個：噪聲。雖然電噪聲不行避開，但是設(shè)計人員更好地了解各個噪聲源以及它們對囫圇系統(tǒng)噪聲水平的影響，有助于將其影響降至最低。從系統(tǒng)角度來看，噪聲的來源多種多樣。比如，運放內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲源，以及運放內(nèi)用法的無源元件產(chǎn)生的噪聲。還有各種外部噪聲源，如波或溝通電源。本文將探究其中一些與運放的內(nèi)部工作相關(guān)的噪聲源。 1 閃耀噪聲閃耀噪聲(又稱為1/f噪聲)是一種由傳導通路的不規(guī)章導致的低頻現(xiàn)象，是晶體管的偏置產(chǎn)生的噪聲。在更高的頻率，閃耀噪聲可以忽視不計

2、，由于其他噪聲源產(chǎn)生的白噪聲開頭占領(lǐng)主導地位。這也是其1/f 噪聲命名的由來。這種低頻噪聲在輸入信號臨近直流時將很成問題，通常浮現(xiàn)在應(yīng)變儀、壓力、熱電偶的輸出或任何緩慢變幻的傳感器信號中。系統(tǒng)設(shè)計人員雖然無法控制的內(nèi)部閃耀噪聲，但是可以通過為應(yīng)用挑選合適的放大器來將這種噪聲源降至最小。假如1/f噪聲是個大問題，那么最佳解決計劃是挑選自動調(diào)零放大器或斬波放大器。在這兩類架構(gòu)中，1/f噪聲在失調(diào)校正過程中被消退。該噪聲源浮現(xiàn)在輸入端并且變幻相對緩慢，因此可看作放大器失調(diào)的一部分并得到相應(yīng)的補償。2 散粒噪聲散粒噪聲(又稱為肖特基噪聲)為內(nèi)部噪聲源。這種噪聲源是由載流子傳導缺陷造成的。電子按照所施加

3、的向一個方向移動形成電流。當電子碰到障礙(金屬缺陷等)時，勢能積聚，直至電子穿越障礙。因為散粒噪聲與電流有關(guān)，假如沒有電流，那么就沒有散粒噪聲。散粒噪聲呈高斯概率密度分布，且不受頻率和溫度影響。它與直流電流呈反比，因此電流越小意味著散粒噪聲電壓越大。要確定給定設(shè)計中散粒噪聲是否是其中一個因素，可減小或增大直流電流來看噪聲是否受到影響。3 熱噪聲熱噪聲也稱為約翰遜噪聲，是以發(fā)覺它的科學家的名字命名的。熱噪聲存在于全部有源和無源電路元件中。熱使電子的運動加劇，造成運動浮現(xiàn)隨機性，產(chǎn)生噪聲。正因如此，熱噪聲和散粒噪聲類似，呈高斯概率密度分布，且不受頻率影響。熱噪聲存在于無源元件中。對于，這可能尤其顯

4、然。由于電阻的熱噪聲取決于電阻的大小和溫度。小型電阻的熱噪聲較小，且較低的溫度也有助于降低熱噪聲。4 運放的噪聲規(guī)范我們回顧了運放內(nèi)存在的幾種噪聲源，這些噪聲源均影響實際放大器的噪聲規(guī)范。系統(tǒng)設(shè)計人員在挑選運放時有較多挑選。然而，在挑選低噪聲運放時，則必需考慮眾多因素，包括放大器的電壓和電流噪聲以及在應(yīng)用中如何用法放大器。在大多數(shù)狀況下，創(chuàng)造商在談及噪聲時會吹捧運放的電壓噪聲密度規(guī)范。雖然這是一個重要的規(guī)范，但不是唯一的一個。通常，可能更關(guān)注電流噪聲。輸入電壓噪聲密度是在放大器的白噪聲占主導地位(排解1/f噪聲的影響)時給出的。電流噪聲密度雖然也是在放大器的白噪聲占主導地位時給出的，但該密度對

5、輸入阻抗很高的應(yīng)用非常關(guān)鍵。我們來看看一個容易的示例用法兩個等效運放：的mcp621s和texas instruments的lmp7731。表1 重點列舉了這兩個放大器的一些關(guān)鍵規(guī)范。這兩個運放在失調(diào)性能、速度和工作電源范圍方面相像。而另一方面，它們的噪聲規(guī)范相差甚遠。通常以電壓噪聲密度較低來宣揚運放為低噪聲。然而，電壓噪聲密度最低的運放，其噪聲性能往往就是最佳的嗎?我們來看看一個容易的電壓尾隨器電路，1所示。實際舉行電路設(shè)計時，必需考慮來自多種噪聲源的噪聲，包括ic的內(nèi)部噪聲、全部元件的熱噪聲以及外部噪聲源。不過，本示例僅關(guān)注與放大器相關(guān)的噪聲和輸入電阻(此處表示為rin)的熱噪聲。為了試驗

6、目的，指定的是該電阻在環(huán)境溫度為25oc 條件下的噪聲。當源阻抗為零時，不存在由放大器的電流噪聲導致的噪聲重量(由于該電流必需流經(jīng)電阻才干產(chǎn)生電壓誤差)。同樣，當阻抗為零時，輸入電阻的熱噪聲也為零。在這種狀況下，噪聲主要是放大器的電壓噪聲;因此，lmp7731提供更好的性能，可從表2的第一列數(shù)據(jù)看出。然而，假如源阻抗增強到10 k?，則與該阻抗相關(guān)的熱噪聲成分要考慮進來?；叵胍幌码娮璧臒嵩肼曤妷旱亩x：其中：vth = 熱噪聲電壓(vrms)k = 玻爾茲曼常數(shù)(1.38 x 10-23)t = 溫度(ok)r = 阻抗(?)b = 帶寬(hz)當源阻抗成倍增強時，lmp7731的放大器電流噪聲也成為一個因素，而mcp621s并非這樣(見表2的其次列數(shù)據(jù))。最后，當源阻抗增強到100 k?時，電阻熱噪聲成為mcp621s的主導因素。然而，對于lmp7731，放大器電流噪聲成為主導因素(見表2的第三列數(shù)據(jù))。這個容易電路示例凸顯了一個事實，即當針對