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，生命中只有兩件事情是確定的：死亡與稅收;不幸的是，對于與電子產(chǎn)品打交道的人來說，還有另外一個：噪聲。雖然電噪聲不可避免，但是設計人員更好地了解各個噪聲源以及它們對整個系統(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，以及運放電路內(nèi)使用的無源元件產(chǎn)生的噪聲。還有各種外部噪聲源，如無線電波或交流電源。本文將探索其中一些與運放的內(nèi)部工作相關(guān)的噪聲源。

1 閃爍噪聲

閃爍噪聲(又稱為1/f噪聲)是一種由傳導通路的不規(guī)則導致的低頻現(xiàn)象，是晶體管的偏置電流產(chǎn)生的噪聲。在更高的頻率，閃爍噪聲可以忽略不計，因為其他噪聲源產(chǎn)生的白噪聲開始占據(jù)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接近直流時將很成問題，通常出現(xiàn)在應變儀、壓力傳感器、熱電偶的輸出或任何緩慢變化的傳感器信號中。

系統(tǒng)設計人員雖然無法控制放大器的內(nèi)部閃爍噪聲，但是可以通過為應用選擇合適的放大器來將這種噪聲源降至最小。如果1/f噪聲是個大問題，那么最佳解決方案是選擇自動調(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)校正過程中被消除。該噪聲源出現(xiàn)在輸入端并且變化相對緩慢，因此可看作放大器失調(diào)的一部分并得到相應的補償。

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。電子根據(jù)所施加的電壓向一個方向移動形成電流。當電子遇到障礙(金屬缺陷等)時，勢能積聚，直至電子穿越障礙。

由于散粒噪聲與電流有關(guān)，如果沒有電流，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)現(xiàn)它的科學家的名字命名的。熱噪聲存在于所有有源和無源電路元件中。熱使電子的運動加劇，造成運動出現(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。對于電阻，這可能尤其明顯。因為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)設計人員在選擇運放時有較多選擇。然而，在選擇低噪聲運放時，則必須考慮眾多因素，包括放大器的電壓和電流噪聲以及在應用中如何使用放大器。

在大多數(shù)情況下，制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(排除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，但該密度對輸入阻抗很高的應用十分關(guān)鍵。我們來看看一個簡單的示例——使用兩個等效運放：Microchip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似。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傳運放為低噪聲。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?

我們來看看一個簡單的電壓跟隨器電路，如圖1所示。

圖1 簡單的電壓跟隨器電路

實際進行電路設計時，必須考慮來自多種噪聲源的噪聲，包括IC的內(nèi)部噪聲、所有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。為了實驗目的，指定的是該電阻在環(huán)境溫度為25?C 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分量(因為該電流必須流經(jīng)電阻才能產(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。在這種情況下，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，如果源阻抗增加到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(?K)

R = 阻抗(?)

B = 帶寬(Hz)

當源阻抗成倍增加時，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的第二列數(shù)據(jù))。最后，當源阻抗增加到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))。

這個簡單電路示例凸顯了一個事實，即當針對給定應用分析放大器的噪聲性能時，必須同時考慮放大器的電壓噪聲和電流噪聲。對于高阻抗應用，比如酸度計或恒溫振蕩器，使用具有較低電流噪聲的放大器至關(guān)重要，因為該噪聲源會迅速成為主要噪聲因素。