運算放大器問題 - 噪音

問： 我應該了解運放噪音？

A。首先，我們必須注意運算放大器中產生的噪聲與其電路元件和干擾之間的區別，或者在任何放大器端子處作為電壓或電流到達或在其相關電路中感應的無用信號和噪聲之間的區別。

干擾可能表現為尖峰，階躍，正弦波或隨機噪聲，它可能來自任何地方：機械，附近的電力線，射頻發射器和接收器，計算機，甚至是同一設備內的電路（例如，數字電路或開關型電源）。理解它，防止它出現在你的電路附近，發現它是如何進入的，并根除它，或找到一種方法來生活它是一個很大的主題。它曾在過去的這些頁面中得到過處理;參考文獻中提到了這些以及一些其他參考文獻。

如果可以消除所有干擾，則仍會存在與運算放大器及其電阻電路相關的隨機噪聲。它構成了放大器分辨率的最終限制。這是我們將在這里開始討論的主題。

問。 O.K。告訴我運算放大器中的隨機噪聲。它來自哪里？

A。放大器輸出端出現的噪聲通常被測量為電壓。但它是由電壓和電流源產生的。所有內部源通常都被稱為輸入，即被視為不相關或獨立的隨機噪聲發生器（見下一個問題）與理想無噪聲放大器的輸入串聯或并聯：我們認為噪聲的3個主要因素：

噪聲電壓發生器（如偏移電壓，通常與同相輸入串聯）

兩個噪聲電流發生器通過兩個差分輸入端子輸出電流（如偏置電流）

如果運算放大器電路中有任何電阻，它們也會產生噪聲;它可以被認為來自電流源或電壓源（在給定電路中處理更方便）。

運放電壓噪聲可能低于1 nV / √Hz為最佳類型。電壓噪聲是通常強調的噪聲規格，但是，如果阻抗水平很高，則電流噪聲通常是系統噪聲性能的限制因素。這類似于偏移，其中偏移電壓通常承擔輸出偏移的責任，但偏置電流是實際的有罪方。雙極運算放大器傳統上比FET具有更低的電壓噪聲，但是已經為這一優勢付出了更大的電流噪聲 - 如今，FET運算放大器在保持低電流噪聲的同時可以接近雙極性電壓噪聲性能。

Q. 握住它！ 1 nV /√Hz？ √Hz來自哪里？這是什么意思？

A。我們來談談隨機噪音。出于實際目的（即，在設計者所關注的帶寬內），許多噪聲源都是白色和高斯噪聲。白噪聲是噪聲，其在給定帶寬內的功率與頻率無關。高斯噪聲是噪聲，其中特定幅度X的概率遵循高斯分布。高斯噪聲具有以下特性：當添加來自兩個或更多個這樣的源的噪聲的均方根值時，假設噪聲源是不相關的（即，一個噪聲信號不能轉換成另一個），則產生的噪聲不是它們的算術和但是它們的平方和（RSS）的根。*三個噪聲源的RSS總和，V 1 ，V 2 和V 3 ，是

[*注意暗示 power 線性增加（平方和）。]

噪聲信號的不同頻率成分是不相關的，RSS總和的結果是，如果磚壁帶寬Δf中的白噪聲為V，那么帶寬為2Δf的噪聲

更一般地說，如果我們將帶寬乘以因子K，那么我們將噪聲乘以因子√K。在頻率范圍內任何地方定義Δf=1√Hz帶寬內噪聲有效值的函數稱為（電壓或電流）頻譜密度函數，以nV / Hz或pA /√Hz指定。對于白噪聲，光譜密度是恒定的;它乘以帶寬的平方根來獲得總有效值噪聲。

RSS求和的一個有用結果是，如果兩個噪聲源對系統的噪聲有貢獻，一個超過3或4倍另一方面，較小的經常被忽略，因為

[差異小于3％，或0.26 dB]

[差異小于6％，或0.5 dB]

較高的噪音已成為顯性源。

Q. O.K。當前的噪音怎么樣？

A。簡單（即非偏置電流補償）雙極和JFET運算放大器的電流噪聲通常在偏置電流的肖特基噪聲（有時稱為“散粒噪聲”）的1或2 dB范圍內;它并不總是在數據表中指定。肖特基噪聲是由于電流通過結中的電荷載流子的隨機分布而產生的電流噪聲。當電流I流動時，帶寬中的肖特基噪聲電流In從公式

獲得，其中q是電子電荷（1.6 x 10 - 19 C）。注意

是頻譜密度，噪聲是白色。

這告訴我們，簡單雙極晶體管運算放大器的當前噪聲頻譜密度約為250 fA /√Hz，對于I b = 200 nA，并且隨溫度變化不大 - 并且JFET輸入運算放大器的電流噪聲雖然較低（I <4 fA /√Hz） sub> b = 50 pA），每增加20°C芯片溫度將增加一倍，因為JFET運算放大器的偏置電流每增加10°C就會翻倍。

偏置補償運算放大器的電流噪聲遠高于輸入電流可預測的電流噪聲。原因是它們的凈偏置電流是輸入晶體管的基極電流和補償電流源之間的差值，而噪聲電流來自RSS sum 噪聲電流。

具有平衡輸入的傳統電壓反饋運算放大器在反相和非反相輸入上幾乎總是具有相等（但不相關）的電流噪聲。在這兩個輸入端具有不同輸入結構的電流反饋或跨阻抗運算放大器則不然。有關兩個輸入噪聲的詳細信息，必須參考他們的數據表。

運算放大器的噪聲是高斯的，在很寬的頻率范圍內具有恒定的頻譜密度或“白色”，但是頻率降低，頻譜密度開始上升約3 dB /倍頻程。這種低頻噪聲特性稱為“1 / f噪聲”，因為噪聲功率譜密度與頻率成反比（實際上是1 / f g ）。它在對數圖上具有-1斜率（噪聲電壓（或電流）1 /√f頻譜密度斜率為-1 / 2）。外推-3dB /倍頻程譜密度線與中頻恒定譜密度值相交的頻率稱為“l / f轉角頻率”，是放大器的品質因數。早期的單片IC運算放大器具有超過500 Hz的1 / f轉角，但今天的值通常為20-50 Hz，最好的放大器（如AD-OP27和AD-OP37）的轉角頻率低至2.7赫茲。對于具有相等比率的頻率間隔，即每八度或每十倍，1 / f噪聲具有相等的增量。

Q. 為什么不發布噪音系數？

一個。放大器的噪聲系數（NF）（以dB表示）是放大器噪聲與源電阻熱噪聲之比的量度。
V n = 20 log {[ V n （amp）+ V n （source）] / V n （source）}

這是一個射頻放大器的有用概念，它幾乎總是與驅動它們的相同源電阻一起使用（通常為50歐姆或75歐姆），但是當應用于運算放大器時它會產生誤導，因為它們被用于許多不同的應用中，來源廣泛變化阻抗（可能是也可能不是阻性的）。

Q. 源阻抗有什么不同？

A。在絕對零度以上的溫度下，所有電阻都是噪聲源;它們的噪聲隨著電阻，溫度和帶寬而增加（我們將在一瞬間討論基本的電阻噪聲或約翰遜噪聲）。 Reactances 不產生噪聲，但通過它們的噪聲電流會產生噪聲電壓。

如果我們從源電阻驅動運算放大器，等效的噪聲輸入將是放大器噪聲電壓的RSS總和，源電阻產生的電壓，以及流經源阻抗的放大器I n 引起的電壓。對于非常低的源電阻，源電阻和放大器電流噪聲產生的噪聲對總電阻的貢獻不大。在這種情況下，輸入端的噪聲實際上只是運算放大器的電壓噪聲。

如果源電阻較高，源電阻的約翰遜噪聲可能會影響運算放大器。電壓噪聲和電流噪聲引起的電壓;但值得注意的是，由于約翰遜噪聲僅隨著電阻的平方根增加，而由于電流噪聲引起的噪聲電壓與輸入阻抗成正比，因此放大器的電流噪聲將始終占據足夠高的值。輸入阻抗。當放大器的電壓和電流噪聲足夠高時，可能沒有約翰遜噪聲占主導地位的輸入電阻值。

附近的圖表對此進行了演示，該圖比較了多種ADI公司運算放大器類型的電壓和電流噪聲噪聲，以獲得一系列源電阻值。對角線垂直繪制與水平刻度上的阻力相關的約翰遜噪聲。讓我們讀一下ADOP27的圖表：水平線表示ADOP27的電壓噪聲電平約為3 nV / Hz，相當于電源電阻小于約500歐姆。 （例如）100歐姆源阻抗不會降低噪聲，但會增加2千歐姆的源阻抗。 ADOP27的垂直線表明，對于大約100kΩ以上的源電阻，放大器電流噪聲產生的噪聲電壓將超過源電阻產生的噪聲電壓;它已成為主要來源。

請記住，非反相輸入中的任何電阻都會產生約翰遜噪聲，并且還會將電流噪聲轉換為噪聲電壓;反饋電阻中的約翰遜噪聲在高阻電路中可能很重要。在評估運算放大器性能時，必須考慮所有潛在的噪聲源。

問： 你要告訴我關于約翰遜的噪音。

A。在高于絕對零度的溫度下，由于電荷載流子的熱運動，所有電阻都具有噪聲。這被稱為約翰遜噪音。該現象有時用于測量低溫。在T開爾文溫度下，對于帶寬為B Hz的R歐姆電阻中的電壓和電流噪聲由下式給出：

其中k是玻爾茲曼常數（1.38 x 10） - 23 J / K）。一個方便的經驗法則是1kΩ電阻在室溫下具有4 nV / Hz的噪聲。

電路中的所有電阻都會產生噪聲，必須始終考慮其影響。實際上，只有高增益前端電路的輸入和反饋中的電阻可能會對總電路噪聲產生明顯的影響。

通過降低電阻或帶寬可以降低噪聲，但溫度降低通常不是很有幫助，除非可以使電阻非常冷 - 因為噪聲功率與絕對溫度成正比，T =°C + 273°。 （待續）