運(yùn)算放大器選擇指南助您獲得上佳的噪聲性能

引言

　　凌特公司的低噪聲運(yùn)算放大器產(chǎn)品庫(kù)不斷壯大。這并不是因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/噪聲">噪聲的物理性質(zhì)發(fā)生了變化,而是因?yàn)檎趯⒌?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/噪聲">噪聲規(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RMS電壓噪聲密度(或“點(diǎn)噪聲”)為VR=0.13√R的噪聲(單位：nV/√Hz)。于是,一個(gè)10k電阻器具有13nV/√Hz的噪聲,而一個(gè)1M電阻器則具有130nV/√Hz的噪聲。嚴(yán)格來(lái)講,噪聲密度的計(jì)算公式為VR=√(4kTR),其中,k為玻爾茲曼常數(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。注意,相同的電阻器也可被認(rèn)為具有IR=√(4kT/R)的噪聲電流或PR=4kT=16.6×10-21W/Hz=16.6zeptoWatt/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)“/√Hz”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)是高斯“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/√Hz(用于表示噪聲電壓)和pA/√Hz或fA/√Hz(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LTCò2050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。

圖1運(yùn)算放大器噪聲模型。VN和IN為運(yùn)算放大器噪聲源(相關(guān)電流噪聲未示出)。VR(EQ)為電阻器所產(chǎn)生的電壓噪聲

　　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)閂N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)镮N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=ROPTI。

　　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。

圖2 使用這三幅曲線圖來(lái)找到適合您應(yīng)用要求的最佳低噪聲運(yùn)算放大器

　　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)語(yǔ)

　　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。