運(yùn)算放大器的噪聲

通過圖8.1來說明這一點(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的電壓噪聲對應(yīng)小于500Ω的源電阻。可以看出源阻抗減小100Ω并沒有使噪聲減小，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)評價運(yùn)算放大器性能時所有可能的噪聲源必須考慮。

問：請你介紹一下熱噪聲。
答：當(dāng)溫度在絕對零度以上，由于電荷載流子的熱運(yùn)動，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。有時利用這種特性測量冷凍溫度。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)生的噪聲及其帶來的影響是總要考慮的問題。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總電路噪聲有上述明顯影響。
一般可通過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絕對溫度成正比，絕對溫度T=°C+273°。

問：什么是“噪聲增益”?
答：到現(xiàn)在為止我們只討論了噪聲源，但還沒有討論出現(xiàn)噪聲電路的增益。人們可能會想到，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，將信號加到電阻Ri的自由端，那么這時增益為-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)算放大器接成信號增益為G的反相放大器時，其本身的電壓噪聲仍以噪聲增益(G+1)被放大。對于精密衰減的情況(G＜1)，這種特性可能會出現(xiàn)疑問。這種情況一個常見的實(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有被放大而以單位增益被緩沖送到輸出端。

問：什么是“爆米花”噪聲?
答：在20多年前人們曾花了很大的精力研究這個“爆米花”噪聲(“popcorn”noise)問題，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)通過揚(yáng)聲器講話時，這種噪聲聽起來好像炒玉米花的聲，由此而得名。
在沒有形成集成電路工藝時，根本不存在這個問題，“爆米花”噪聲是由集成電路表面工藝問題(如沾污)所致。當(dāng)今對其產(chǎn)生原因已完全清楚，再不會有一個著名的運(yùn)算放大器制造廠家會出現(xiàn)因產(chǎn)生“爆米花”噪聲而成為用戶關(guān)心的主要問題。

問：峰峰噪聲電壓是使我能知道噪聲究竟是否有問題的最方便的方法。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?。對于高斯分布來說，噪聲最大值的說法是沒有意義的，即只要你等待足夠長的時間，理論上可超過任何值。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量。當(dāng)規(guī)定峰值噪聲電壓時，它常常為66倍有效值(即66×rms)，它出現(xiàn)的時間概率小于01%。