運(yùn)算放大器的噪聲

通過(guò)圖8.1來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)，上圖給出了ADI公司的幾種典型運(yùn)算放大器在某一源電阻范圍內(nèi)其電壓噪聲與電流噪聲的比較。圖中的對(duì)角線表示縱坐標(biāo)熱噪聲與橫坐標(biāo)源電阻之間的關(guān)系。讓我們看一下圖中的ADOP27：水平線表示約為3nV/Hz的電壓噪聲對(duì)應(yīng)小于500Ω的源電阻?？梢钥闯鲈醋杩箿p小100Ω并沒(méi)有使噪聲減小，但源阻抗增加2kΩ卻使噪聲增加。ADOP27的垂直線表示，當(dāng)源電阻大約在100kΩ以上的情況下，放大器的電流噪聲產(chǎn)生的噪聲電壓將超過(guò)源電阻產(chǎn)生的熱噪聲，所以電流噪聲為主要噪聲源。
應(yīng)該記住，放大器同相輸入端的任何電阻都具有熱噪聲，并且又把電流噪聲轉(zhuǎn)換成噪聲電壓。另外反饋電阻的熱噪聲在高電阻電路中非常突出。當(dāng)評(píng)價(jià)運(yùn)算放大器性能時(shí)所有可能的噪聲源必須考慮。

問(wèn)：請(qǐng)你介紹一下熱噪聲。
答：當(dāng)溫度在絕對(duì)零度以上，由于電荷載流子的熱運(yùn)動(dòng)，所有電阻都具有噪聲，這種噪聲稱為熱噪聲，又稱約翰遜噪聲。有時(shí)利用這種特性測(cè)量冷凍溫度。在溫度為T(開氏溫度)，帶寬為BHz，電阻為RΩ的電壓噪聲Vn和電流噪聲In由下式計(jì)算：
Vn=4kTRB和In=4kTB/R
其中k為波爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K)。經(jīng)驗(yàn)規(guī)則表明，1kΩ電阻在室溫下具有的噪聲為4nV/Hz。
電路中所有電阻產(chǎn)生的噪聲及其帶來(lái)的影響是總要考慮的問(wèn)題。實(shí)際上，只有輸入電路、反饋電路、高增益電路及前端電路的電阻才可能對(duì)總電路噪聲有上述明顯影響。
一般可通過(guò)減小電阻或帶寬的方法減小噪聲，但降低溫度的方法通常沒(méi)有很大作用，除非使電阻器的溫度非常低，因?yàn)樵肼暪β逝c絕對(duì)溫度成正比，絕對(duì)溫度T=°C+273°。

問(wèn)：什么是“噪聲增益”?
答：到現(xiàn)在為止我們只討論了噪聲源，但還沒(méi)有討論出現(xiàn)噪聲電路的增益。人們可能會(huì)想到，如果在放大器的指定輸入端的噪聲電壓為Vn并且該電路的信號(hào)增益為G，那么輸出端的噪聲電壓應(yīng)為GVn。但實(shí)際并非總是這樣。
現(xiàn)在請(qǐng)看圖82所示的基本運(yùn)算放大器增益電路。如果運(yùn)算放大器接成反相放大器(接B端)，同相輸入端接地，將信號(hào)加到電阻Ri的自由端，那么這時(shí)增益為-Rf/Ri。反之，如果運(yùn)算放大器接成同相放大器(接A端)，把信號(hào)加到同相輸入端，并且電阻Ri的自由端接地，那么增益為(1+Rf/Ri)。

圖82信號(hào)增益與噪聲增益

放大器本身的電壓噪聲總是以同相放大器的方式被放大。所以當(dāng)運(yùn)算放大器接成信號(hào)增益為G的反相放大器時(shí)，其本身的電壓噪聲仍以噪聲增益(G+1)被放大。對(duì)于精密衰減的情況(G＜1)，這種特性可能會(huì)出現(xiàn)疑問(wèn)。這種情況一個(gè)常見的實(shí)例是有源濾波電路，其中阻帶增益可能很小，但阻帶噪聲增益至少為1。
只有放大器輸入端產(chǎn)生的電壓噪聲和放大器同相輸入端電流噪聲流過(guò)該輸入端的任何阻抗所產(chǎn)生的噪聲(例如，偏置電流補(bǔ)償電阻產(chǎn)生的噪聲)才以噪聲增益被放大。而電阻Ri產(chǎn)生的噪聲(不論是熱噪聲還是由反相輸入端噪聲電流引起的電壓噪聲)以與輸入信號(hào)相同的方法被放大G倍，但反饋電阻Rf產(chǎn)生的熱噪聲電壓卻沒(méi)有被放大而以單位增益被緩沖送到輸出端。

問(wèn)：什么是“爆米花”噪聲?
答：在20多年前人們?cè)撕艽蟮木ρ芯窟@個(gè)“爆米花”噪聲(“popcorn”noise)問(wèn)題，它是一種偶然出現(xiàn)的典型低頻噪聲，表現(xiàn)為失調(diào)電壓低幅度(隨機(jī))跳變。當(dāng)通過(guò)揚(yáng)聲器講話時(shí)，這種噪聲聽起來(lái)好像炒玉米花的聲，由此而得名。
在沒(méi)有形成集成電路工藝時(shí)，根本不存在這個(gè)問(wèn)題，“爆米花”噪聲是由集成電路表面工藝問(wèn)題(如沾污)所致。當(dāng)今對(duì)其產(chǎn)生原因已完全清楚，再不會(huì)有一個(gè)著名的運(yùn)算放大器制造廠家會(huì)出現(xiàn)因產(chǎn)生“爆米花”噪聲而成為用戶關(guān)心的主要問(wèn)題。

問(wèn)：峰峰噪聲電壓是使我能知道噪聲究竟是否有問(wèn)題的最方便的方法。但是為什么放大器制造廠家不愿用這種方法來(lái)規(guī)定噪聲呢?
答：正如前面所指出的，因?yàn)樵肼曇话惴母咚狗植?。?duì)于高斯分布來(lái)說(shuō)，噪聲最大值的說(shuō)法是沒(méi)有意義的，即只要你等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間，理論上可超過(guò)任何值。另外，實(shí)際上常用噪聲有效值這一概念。在某種程度上，它是一種不變量，即應(yīng)用這種噪聲的高斯概率分布曲線我們可以預(yù)測(cè)大于任何給定值噪聲的

表81大于規(guī)定噪聲峰峰值概率

峰峰值大于規(guī)定峰峰值的概率

概率。假設(shè)給定噪聲源有效值為V，由于噪聲電壓任何給定值的概率都服從高斯分布，所以可以得到：噪聲電壓大于2V峰峰值的概率為32%，大于3V則為13%，依此類推，如表81所示。
如果我們使用噪聲峰峰值出現(xiàn)的概率來(lái)定義峰峰值，那么使可采用峰峰值這項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，但使用有效值更合適，因?yàn)樗菀诇y(cè)量。當(dāng)規(guī)定峰值噪聲電壓時(shí)，它常常為66倍有效值(即66×rms)，它出現(xiàn)的時(shí)間概率小于01%。