運算放大器選擇指南助您獲得上佳的噪聲性能(05-100)

　　引言

　　凌特公司的低噪聲運算放大器產品庫不斷壯大。這并不是因為噪聲的物理性質發生了變化,而是因為正在將低噪聲規格與諸如軌至軌操作、停機、低電壓和低功率操作等新功能加以組合。運算放大器噪聲取決于輸入級工作電流、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,并選擇與您的應用相適合的最佳運算放大器(無論新款還是老款)。

　　電阻器熱噪聲和運算放大器噪聲的量化

　　了解噪聲折衷方案的關鍵在于“電阻器具有噪聲”這一事實。在室溫條件下,一個阻值為R的電阻器具有RMS電壓噪聲密度(或“點噪聲”)為VR=0.13√R的噪聲(單位：nV/√Hz)。于是,一個10k電阻器具有13nV/√Hz的噪聲,而一個1M電阻器則具有130nV/√Hz的噪聲。嚴格來講,噪聲密度的計算公式為VR=√(4kTR),其中,k為玻爾茲曼常數,T為溫度(單位：開氏度)。這種溫度相關性說明了為什么有些低噪聲電路采取了對電阻器進行過冷處理的方法。注意,相同的電阻器也可被認為具有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無關。正確放大器的選擇簡單地說就是看誰在電阻器噪聲之上增加的噪聲量最小。

　　請不要對“/√Hz”這一奇異的單位而感到驚慌。它的出現簡單地說就是因為噪聲功率會隨著帶寬的增加(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。為了利用該規格,只需簡單地將其與應用帶寬的平方根相乘,便可計算出該帶寬之內的合成RMS噪聲。以示波器上顯示的峰至峰噪聲為例,它在99%的時間里將是總RMS噪聲的6倍左右(假設是高斯“鐘形曲線”噪聲)。不要依靠運算放大器去限制帶寬。為了獲得最佳的噪聲性能,應采用無源或低噪聲有源濾波器來限制帶寬。

　　運算放大器的輸入噪聲規格通常是以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行比較。鑒于噪聲密度會在低頻條件下發生變化這一事實,大多數運算放大器還擬訂了一個“0.1Hz至10Hz”或“0.01Hz至1Hz”帶寬范圍內的典型峰至峰噪聲規格。為了實現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。

　　噪聲源求和運算

　　圖1示出了一種具有外加噪聲源的理想化運算放大器和電阻器。圖中還給出了用于計算與輸入相關的所有噪聲源RMS和(即VN(TOTAL))的公式。出現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)相乘的結果。