h1_key

  在放大器輸出端，噪聲通常以電壓的形式表現(xiàn)出來，然而，這種噪聲卻是電壓源和電流源共同產(chǎn)生的。一般來講，所有內(nèi)部噪聲源都被折合到輸入端，也就是說，內(nèi)部噪聲源都被當(dāng)作與理想的無噪聲放大器的輸入相串聯(lián)或并聯(lián)的無關(guān)或獨立的隨機(jī)噪聲發(fā)生器(見圖 1)。由于這些噪聲源被視為隨機(jī)噪聲，并/或表現(xiàn)為遵循高斯分布，因此，在疊加噪聲源時，需要特別注意，詳細(xì)內(nèi)容如"疊加噪聲源"一節(jié)所述。

圖1. 運(yùn)算放大器噪聲模型

  如果同一個噪聲在電路中出現(xiàn)在 2 個或以上的點(比如輸入偏置電流抵消電路)，那么這兩個噪聲源為相關(guān)噪聲源，在分析噪聲的時候，應(yīng)該考慮到相關(guān)系數(shù)因素。本應(yīng)用筆記并沒有更多地討論相關(guān)噪聲，因為相關(guān)噪聲源的影響一般小于 10%至 15%，通常可以不予考慮。

  放大器的內(nèi)部噪聲可分為四類：

  ●折合到輸入端的電壓噪聲

  ●折合到輸入端的電流噪聲

  ●閃爍噪聲

  ●"爆米花"噪聲

折合到輸入端的電壓噪聲和折合到輸入端的電流噪聲是放大器噪聲分析中最常見的指標(biāo)。它們通常定義為折合到輸入端的譜密度函數(shù)或 Δf 帶寬中包含的均方根(RMS)噪聲值，一般以 nV/√Hz(電壓噪聲)或 pA/√Hz(電流噪聲)為單位。使用/√Hz 的原因在于，噪聲功率隨帶寬(Hz)而增加，或者，電壓噪聲密度和電流噪聲密度隨帶寬的平方根值(√Hz)的增加而增加(見公式 1 和公式 2)。

  折合到輸入端的電壓噪聲

  折合到輸入端的電壓噪聲(en)通常被視為一種噪聲電壓源。

  電壓噪聲是經(jīng)常被強(qiáng)調(diào)的噪聲指標(biāo);然而，如果輸入阻抗較高，電流噪聲往往會成為系統(tǒng)噪聲性能的制約因素。這與失調(diào)電壓極為類似，輸入失調(diào)電壓通常成為輸出失調(diào)的替罪羊，而實際上，當(dāng)輸入阻抗較高時，造成輸出失調(diào)的罪魁禍?zhǔn)资瞧秒娏鳌?/span>

  對于最高性能的運(yùn)算放大器，電壓噪聲可能低于1 nV/√Hz。

  雙極型運(yùn)算放大器的電壓噪聲傳統(tǒng)上低于FET運(yùn)算放大器，但其電流噪聲明顯較大。

  雙極型放大器的噪聲特性取決于靜態(tài)電流。

  現(xiàn)在的FET運(yùn)算放大器能夠在獲得低電流噪聲的同時，獲得與雙極型放大器性能相近的低電壓噪聲，當(dāng)然同最好的雙極型輸入放大器相比還有一些差距。

  折合到輸入端的電流噪聲

  折合到輸入端的電流噪聲(in)通常表現(xiàn)為通過兩個差分輸入端輸出電流的兩個噪聲電流源。

  散粒噪聲(有時稱為肖特基噪聲)是由于流過某個勢壘(如一個 PN 結(jié))的電流中的載荷子隨機(jī)分布而產(chǎn)生的電流噪聲。散粒噪聲電流 in通過以下公式計算得出：

  其中：

  IB 表示偏置電流(單位：A)。

  q 表示電子電荷(1.6 × 10?19 C)。

  B 表示帶寬(單位：Hz)。

  雙極型和 JFET 運(yùn)算放大器的電流噪聲通常在輸入偏置電流的散粒噪聲的 1 dB 或 2 dB 之內(nèi)。該指標(biāo)并不經(jīng)常列于數(shù)據(jù)手冊之中。

  ●典型雙極型晶體管運(yùn)算放大器(如OP27)的電流噪聲約為400 fA/√Hz，IB = 10 nA，除偏置電流補(bǔ)償放大器外，不會隨溫度而發(fā)生大幅變化。

  ●JFET輸入運(yùn)算放大器(如AD8610：5 fA/√Hz，IB = 10 pA)的電流噪聲盡管稍低，但芯片溫度每增加20°C，其電流噪聲就會增加一倍，因為溫度每增加10°C，JFET運(yùn)算放大器的偏置電流會增加一倍。

  ●傳統(tǒng)的帶平衡輸入的傳統(tǒng)電壓反饋運(yùn)算放大器通常在其反相和同相輸入端都具有相等的(相關(guān)或不相關(guān)的)電流噪聲。

●許多放大器，尤其是那些帶輸入偏置電流消除電路的放大器，其相關(guān)噪聲成分比不相關(guān)噪聲成分大得多?？傮w而言，可通過添加阻抗平衡電阻(使正負(fù)輸入引腳上的阻抗相匹配)來改善噪聲性能。

  閃爍噪聲

  運(yùn)算放大器的噪聲具有高斯特性，其譜密度(白噪聲)在較寬頻率范圍內(nèi)為一個常數(shù)。隨著頻率的下降，受制造工藝、IC 器件布局和器件類型的影響，譜密度將開始按以下速率升高：3 dB/倍頻程(CMOS 放大器);3.5 dB 至 4.5 dB/倍頻程(雙極型放大器);或最高 5 dB/倍頻程(JFET 放大器)。

  這種低頻噪聲被稱為閃爍噪聲或 1/f 噪聲，因為噪聲功率譜密度與頻率呈反比關(guān)系(1/f)。在對數(shù)坐標(biāo)圖中斜率為?1。?3 dB/倍頻程(CMOS 類放大器)的外推譜密度線與寬帶常數(shù)譜密度值相交的頻率被稱為 1/f 拐角頻率，可以作為衡量放大器噪聲表現(xiàn)的一個指標(biāo)(見圖 2)。雙極型和 JFET放大器的 1/f 拐角頻率通常低于 CMOS 放大器。

圖2. 噪聲譜密度

  "爆米花"噪聲

"爆米花"噪聲亦稱為隨機(jī)噪聲，是失調(diào)電壓或電流的突然變化，持續(xù)時間為數(shù)微秒，幅度從幾 μV 到幾百 μV 不等。這種"爆米花"噪聲是隨機(jī)的。通常，低溫和高源阻抗條件下最易產(chǎn)生"爆米花"噪聲。盡管導(dǎo)致"爆米花"噪聲的根本原因并不是絕對的，但晶格中存在的金屬污染以及內(nèi)部或表面缺陷都可能使 IC 產(chǎn)生"爆米花"噪聲。雖然在現(xiàn)代晶圓制造中，人們花了大量精力來減少"爆米花"噪聲的根源，但完全根除是不可能的。對"爆米花"噪聲的更深入分析超出了本應(yīng)用筆記要討論的范圍。

  疊加噪聲源

  如果噪聲源不相關(guān)(即一種噪聲信號無法轉(zhuǎn)換為另一種噪聲信號)，相加的結(jié)果并不等于其算術(shù)和，而是等于其平方和的平方根。

  其中：

  Vni, TOTAL 表示折合到輸入端(RTI)的總噪聲。

  en 表示折合到輸入端的電壓噪聲。

  in 表示折合到輸入端的電流噪聲。

  RS 表示放大器的等效源電阻或輸入電阻。

  Vn (REX) 表示來自外部電路的電壓噪聲。

  ●同相輸入中的任何電阻都具有約翰遜噪聲，并將電流噪聲轉(zhuǎn)換為電壓噪聲。

●在高阻抗電路中，反饋電阻中的約翰遜噪聲有可能產(chǎn)生較大影響。

  圖 3 以勾股定理直觀展示了公式 5 中的向量求和法。

圖3. 噪聲源向量求和

  噪聲增益

  以上討論的各種放大器電路噪聲可歸為折合到輸入端(RTI)的噪聲。要計算放大器電路的總輸出噪聲，必須用放大器電路的噪聲增益乘以輸入的總合成噪聲。噪聲增益是放大器電路折合到輸入端的噪聲的增益，通常用來判斷放大器電路的穩(wěn)定性。

  為了簡化噪聲增益計算，可以將圖 1 所示放大器電路簡圖中的噪聲源簡化為一個 RTI 總噪聲源(Vni, TOTAL)，如圖 4 所示。一種常見做法是將總合成 RTI 噪聲一次性折合到放大器的同相輸入端。

  其中：

  Vno, TOTAL 表示折合到輸出端(RTO)的總噪聲。

  Vni, TOTAL 表示折合到輸入端(RTI)的總噪聲。

  其中：

  GN 表示噪聲增益。

  R1 表示反饋等效阻抗。

  R2 表示增益設(shè)置等效阻抗。

圖4. 簡化放大器噪聲電路

  在某些情況下，噪聲增益和信號增益并不相等(見圖 5)。需注意的是，閉環(huán)帶寬通過用增益帶寬積(或單位增益頻率)除以放大器電路的噪聲增益來計算。

圖5. 信號增益與噪聲增益

  ●情形 1：在同相配置中，信號增益和噪聲增益都等于1+R1/R2。

  ●情形 2：在反相配置中，信號增益等于?(R1/R2)，而噪聲增益仍等于 1+R1/R2。