運(yùn)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(duì)于與電子產(chǎn)品打交道的人來說，還有另外一個(gè)：噪聲。雖然電噪聲不可避免，但是設(shè)計(jì)人員更好地了解各個(gè)噪聲源以及它們對(duì)整個(gè)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(yùn)放內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲源，以及運(yùn)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(yùn)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(dǎo)通路的不規(guī)則導(dǎo)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(jì)，因?yàn)槠渌肼曉串a(chǎn)生的白噪聲開始占據(jù)主導(dǎo)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(hào)接近直流時(shí)將很成問題，通常出現(xiàn)在應(yīng)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(hào)中。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)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(gè)大問題，那么最佳解決方案是選擇自動(dòng)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(duì)緩慢，因此可看作放大器失調(diào)的一部分并得到相應(yīng)的補(bǔ)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(dǎo)缺陷造成的。電子根據(jù)所施加的電壓向一個(gè)方向移動(dòng)形成電流。當(dāng)電子遇到障礙(金屬缺陷等)時(shí)，勢(shì)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(shè)計(jì)中散粒噪聲是否是其中一個(gè)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(xué)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(yùn)動(dòng)加劇，造成運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)隨機(jī)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(duì)于電阻，這可能尤其明顯。因?yàn)殡娮璧臒嵩肼暼Q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(yùn)放的噪聲規(guī)范

　　我們回顧了運(yùn)放內(nèi)存在的幾種噪聲源，這些噪聲源均影響實(shí)際放大器的噪聲規(guī)范。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在選擇運(yùn)放時(shí)有較多選擇。然而，在選擇低噪聲運(yùn)放時(shí)，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(yīng)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(shí)會(huì)吹捧運(yùn)放的電壓噪聲密度規(guī)范。雖然這是一個(gè)重要的規(guī)范，但不是唯一的一個(gè)。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(dǎo)地位(排除1/f噪聲的影響)時(shí)給出的。電流噪聲密度雖然也是在放大器的白噪聲占主導(dǎo)地位時(shí)給出的，但該密度對(duì)輸入阻抗很高的應(yīng)用十分關(guān)鍵。我們來看看一個(gè)簡(jiǎn)單的示例——使用兩個(gè)等效運(yùn)放：Microchip的MCP621S和Texas Instruments的LMP7731。表1 重點(diǎn)列舉了這兩個(gè)放大器的一些關(guān)鍵規(guī)范。

　　這兩個(gè)運(yùn)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(yuǎn)。通常以電壓噪聲密度較低來宣傳運(yùn)放為低噪聲。然而，電壓噪聲密度最低的運(yùn)放，其噪聲性能往往就是最佳的嗎?

　　我們來看看一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓跟隨器電路，如圖1所示。

　　實(shí)際進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)驗(yàn)?zāi)康?，指定的是該電阻在環(huán)境溫度為25ºC 條件下的噪聲。