運(yùn)算放大器選擇指南祝您獲得上佳的噪聲性能

引言

凌力爾特公司的低噪聲運(yùn)算放大器產(chǎn)品庫(kù)不斷壯大，這并不是因?yàn)樵肼暤奈锢硇再|(zhì)發(fā)生了變化，而是因?yàn)檎趯⒌驮肼曇?guī)格與諸如軌至軌操作、停機(jī)、低電壓和低功率操作等新功能加以組合。 運(yùn)算放大器噪聲取決于輸入級(jí)工作電流、器件類(lèi)型（ 雙極型或 FET ）和輸入電路。 本選擇指南旨在幫助您確定基本的噪聲折衷方案，并選擇與您的應(yīng)用相適合的最佳運(yùn)算放大器（ 無(wú)論新款還是老款 ）。

電阻器熱噪聲和運(yùn)算放大器

噪聲的量化

了解噪聲折衷方案的關(guān)鍵在于“電阻器具有噪聲”這一事實(shí)。在室溫條件下，一個(gè)阻值為 R 的電阻器具有一個(gè) RMS 電壓噪聲密度（ 或“點(diǎn)噪聲” ）為 VR = 0.13 的噪聲     （ 單位：nV/）。于是，一個(gè) 10k電阻器具有 13nV/ 的噪聲，而一個(gè) 1M 電阻器則具有 130nV/ 的噪聲。嚴(yán)格來(lái)講，噪聲密度的計(jì)算公式為 VR =，其中，k 為玻爾茲曼（ Boltzman ） 常數(shù)，T 為溫度 （ 單位：開(kāi)氏度 ）。這種溫度相關(guān)性說(shuō)明了為什么有些低噪聲電路采取了對(duì)電阻器進(jìn)行過(guò)冷處理的方法。請(qǐng)注意，相同的電阻器也可被認(rèn)為具有 IR =  的噪聲電流或 PR =  4kT = 16.6 ? 10-21W/Hz = 16.6 zeptoWatt / Hz 的噪聲功率密度，這與其阻值 R 無(wú)關(guān)。正確放大器的選擇簡(jiǎn)單地說(shuō)就是看誰(shuí)在電阻器噪聲之上增加的噪聲量最小。

請(qǐng)不要對(duì)“/”這一奇異的單位而感到驚慌。它的出現(xiàn)簡(jiǎn)單地說(shuō)就是因?yàn)樵肼暪β蕰?huì)隨著帶寬的增加 （ 每赫茲 ） 而增加，因此噪聲電壓將隨著帶寬平方根的增加 （ 每方根赫茲 ） 而增加。為了利用該規(guī)格，只需簡(jiǎn)單地將其與應(yīng)用帶寬的平方根相乘，便可計(jì)算出該帶寬之內(nèi)的合成 RMS 噪聲。以示波器上顯示的峰至峰噪聲為例，它在 99% 的時(shí)間里將是總 RMS 噪聲的 6 倍左右 （ 假設(shè)是Gaussian“鐘形曲線” 噪聲 ）。不要依靠運(yùn)算放大器去限制帶寬。為了獲得最佳的噪聲性能，應(yīng)采用無(wú)源或低噪聲有源濾波器來(lái)限制帶寬。

運(yùn)算放大器的輸入噪聲規(guī)格通常是以 nV/（ 用于表示噪聲電壓 ）和 pA / 或 fA /（ 用于表示噪聲電流 ）為單位給出的，因此可以直接與電阻器熱噪聲進(jìn)行比較。鑒于噪聲密度會(huì)在低頻條件下發(fā)生變化這一事實(shí)，大多數(shù)運(yùn)算放大器還擬訂了一個(gè)“0.1Hz 至 10Hz”或 “0.01Hz 至 1Hz”帶寬范圍內(nèi)的典型峰至峰噪聲規(guī)格。為了實(shí)現(xiàn)最佳的超低頻率性能，您可以考慮采用像 LTC 2050 或 LTC2054 這樣的零漂移放大器。

噪聲源求和運(yùn)算

圖 1 示出了一種具有外加噪聲源的理想化運(yùn)算放大器和電阻器。圖中還給出了用于計(jì)算與輸入相關(guān)的所有噪聲源 RMS 和 （ 即：VN（TOTAL） ） 的公式。出現(xiàn)于輸出端上的正是該電壓噪聲密度與電路的噪聲增益 （ NG = 1+ R1/R2 ） 相乘的結(jié)果。

根據(jù) VN（TOTAL） 的計(jì)算公式，我們可以得出幾個(gè)結(jié)論。為了獲得最低的噪聲，電阻器的阻值應(yīng)該盡可能地小，但是，由于 R1 是一個(gè)位于運(yùn)算放大器輸出端上的負(fù)載，因此它一定不得過(guò)小。在某些應(yīng)用 （ 例如：跨阻抗放大器 ） 中，R1 是電路中僅有的電阻器，而且常常具有很大的阻值。當(dāng) REQ 很低時(shí)，噪聲將以運(yùn)算放大器電壓噪聲為主 （ 因?yàn)?VN 是公式中剩余的項(xiàng) ）；當(dāng) REQ 非常高時(shí)，噪聲將以運(yùn)算放大器電流噪聲為主 （ 因?yàn)?IN 是最高次 REQ 項(xiàng)的系數(shù) ）。當(dāng) REQ 數(shù)值中等時(shí)，電阻器噪聲將在總噪聲中占主導(dǎo)地位，而運(yùn)算放大器產(chǎn)生的噪聲則微乎其微。這就是放大器的 ROPTIMUM，并可通過(guò)取運(yùn)算放大器噪聲規(guī)格的商來(lái)求出：VN / IN = ROPT。

選擇最佳的運(yùn)算放大器

圖 2 中示出了三種不同頻率條件下源電阻和不同運(yùn)算放大器的電壓噪聲密度曲線圖。每個(gè)用一個(gè)運(yùn)算放大器的器件型號(hào)加以標(biāo)注的點(diǎn)表示的是該器件在采用其 ROPT 的情況下所得出的電壓噪聲密度。

將該曲線圖與最適用的所需頻率配合使用。在橫軸上找到您的源電阻，并在其與電阻器噪聲線相交的位置上標(biāo)出該電阻。這就是“源電阻點(diǎn)”。最佳噪聲性能運(yùn)算放大器位于該點(diǎn)之下，而且越低越好。

對(duì)于所有的候選運(yùn)算放大器，從您的源電阻點(diǎn)畫(huà)一條水平線，一直延伸到曲線圖的右手側(cè)。低于該水平線的運(yùn)算放大器將能夠提供優(yōu)良的噪聲性能，同樣也是越低越好。另外，再?gòu)脑措娮椟c(diǎn)向左下方畫(huà)一條直線 （ 其斜率為縱軸與橫軸的單位距離之比 ），位于該線下方的運(yùn)算放大器也是上佳之選。

如果您仍然無(wú)法找到任何候選器件，則說(shuō)明您的源電阻非常低，必須采用最靠近曲線圖底部的運(yùn)算放大器。在這種場(chǎng)合，將低噪聲運(yùn)算放大器并聯(lián)起來(lái)使用也是一種可選方案。

結(jié)論

噪聲分析一開(kāi)始可能是一項(xiàng)令人望而生畏的工作，而且許多設(shè)計(jì)工程師對(duì)該領(lǐng)域并不熟悉。對(duì)總噪聲性能影響最大的因素是與信號(hào)有關(guān)的源阻抗。本選擇指南有助于設(shè)計(jì)師 （ 不管是新手還是經(jīng)驗(yàn)豐富的老手 ） 在任何給定的源阻抗條件下選擇最佳的運(yùn)算放大器。