均方根(RMS)噪聲轉(zhuǎn)換之放大器的噪聲

時間：2024-08-16 07:54:10

關鍵字：均方根 RMS 噪聲轉(zhuǎn)換

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[導讀]均方根(RMS)噪聲轉(zhuǎn)換為峰峰值噪聲的換算公式是：?峰峰值噪聲 = RMS噪聲值 × 6.6。?

均方根(RMS)噪聲轉(zhuǎn)換為峰峰值噪聲的換算公式是：?峰峰值噪聲 = RMS噪聲值 × 6.6。?

這個換算公式基于一個假設，?即RMS值等于標準差，?且沒有直流成分。?在電子工程領域，?特別是在處理運算放大器噪聲時，?這種轉(zhuǎn)換尤為重要。?例如，?在處理儀表放大器噪聲或同相配置運算放大器的噪聲時，?了解如何將RMS噪聲轉(zhuǎn)換為峰峰值噪聲是非常關鍵的。?這種轉(zhuǎn)換不僅有助于理解噪聲的幅度，?還有助于評估系統(tǒng)對噪聲的容忍度。?

此外，?這種轉(zhuǎn)換在電路設計和分析中也很有用，?尤其是在需要將1/f噪聲從峰峰值轉(zhuǎn)換為RMS時，?可以通過除以6.6來實現(xiàn)。?這種轉(zhuǎn)換在估計噪聲帶寬和計算寬帶噪聲貢獻時特別重要，?尤其是在設計基準電壓源電路時。?通過這種方式，?工程師可以更準確地評估電路的性能和可靠性，?確保設計的電路能夠滿足特定的噪聲要求。?

《運算放大器參數(shù)解析與LTspice應用仿真》一書歷時半年多完成撰寫，目前出版準備工作也有序展開。該書的寫作初衷是為模擬電子工程師在放大器設計和使用中，提供有效的指導與幫助，力爭使本書成為工程師案頭的常備參考書籍。

該書是筆者在整理放大器參數(shù)資料基礎上，從所支持過的600余例項目中，精選十余項極具代表性的放大器設計案例，深入分析參數(shù)的應用。并且配合50余例LTspice仿真電路，以實際運算放大器的模型實現(xiàn)參數(shù)特性驗證。該書還能幫助工程師熟練掌握LTspice仿真工具的使用，在日常工作中高效、可靠的保證項目研發(fā)的進度，以及實現(xiàn)模擬電子工程師工作技能的提升。

一款單通道的放大器通常只有5個引腳，看似十分簡單的器件，但是它作為模擬信號處理的核心器件，必須在應用中詳細評估設計需求與放大器參數(shù)的匹配度。本篇文章，呈現(xiàn)放大器噪聲RMS值的繁瑣計算方式，以及使用LTspice仿真輕而易舉實現(xiàn)噪聲RMS值的有效評估。歡迎大家討論，分享。

放大器的噪聲

類型與分析

放大器內(nèi)部的噪聲由1/f 噪聲與寬帶噪聲組成。二者是不相關的，所以通過均方根計算總噪聲。

(1 )閃變噪聲又稱1/f 噪聲。它普遍存在于自然界和人類的生活中，在放大器中主要與半導體晶體結(jié)構(gòu)不完美有關，具有如下特性：

1)1/f 噪聲隨頻率增加而下降

2) 每倍頻(或十倍頻)的帶寬內(nèi)包含相同功率。

放大器電壓、電流的1/f 噪聲RMS 值，分別為式2-51 、2-52 。

式中，e n ,I n 是測量到1/f 噪聲RMS 值，K e ,K i 是比例常數(shù)，f max ，f min 是頻帶的上下限頻率點。

(2 )寬帶噪聲，一個帶寬內(nèi)噪聲功率為恒定值的噪聲，即噪聲密度為常數(shù)。寬帶噪聲、散彈噪聲、電阻熱噪聲可近似認為是白噪聲。之所以稱為白噪聲，因為與白色光有相近之處。在白色光中，所用的顏色都是等量。

放大器電壓、電流的寬帶噪聲RMS 值，分別為式2-53 、2-54 。

其中e wn ，I wn ，分為電壓噪聲密度與電流噪聲密度。

如圖2.77 ，放大器噪聲與頻率特性，X 軸代表頻率，單位為Hz,Y 軸代表電壓噪聲密度，或者電流噪聲密度，單位通常為nV/ √HZ ，pA/ √HZ 。在低頻率范圍內(nèi)，以1/f 噪聲是總噪聲主要成分，在高頻范圍內(nèi)，以寬帶噪聲為總噪聲的主要成分。將1/f 噪聲曲線向高頻延伸，寬帶噪聲向低頻延伸，在二者的交點1/f 噪聲與寬帶噪聲幅度相等，該點頻率稱為“轉(zhuǎn)角頻率”f nc 。該點的總噪聲為√2 倍的寬帶噪聲。

圖2.77放大器噪聲頻率特性

fnc 的位置與總噪聲計算相關，需要精確計算，步驟如下：

(1 )計算最低頻率上的1/f 噪聲的平方，將它減去寬帶噪聲平方的結(jié)果，乘以最低頻率，即為該頻率點1/f 噪聲的平方值。

(2 )將最低頻率點1/f 噪聲的平方值除以寬帶噪聲的平方值，所得結(jié)果為f nc 。

【放大器電壓噪聲計算示例】如下以 ADA4077的電壓噪聲為例，使用1/f噪聲密度與寬帶噪聲密度，計算1Hz~1KHz總噪聲的RMS值。

如圖2.6 ，ADA4077 在1Hz 處電壓噪聲密度為13nV/ √Hz ，在1KHz 處電壓噪聲密度為6.9nV/ √Hz 。1Hz 可視為電壓1/f 噪聲的最低頻率，1KHz 的噪聲可視為寬帶噪聲，計算轉(zhuǎn)角頻率。

圖2.6 ADA4077噪聲與隔離度性能

將轉(zhuǎn)角頻率、1/f 噪聲密度、寬帶噪聲密度代入式2-51 、2-53 ，可以計算1Hz 至1KHz 的總噪聲RMS 值為：

放大器電路的

噪聲分析

在放大器工作電路中呈現(xiàn)的總噪聲是包括電流噪聲、電壓噪聲、電阻噪聲。首先需要根據(jù)實際電路分析得到主體噪聲因素，然后將主體噪聲因素的影響視為總噪聲近似評估。

【放大器電路噪聲分析示例】如圖 2.78 ，當信號從A 點引入，電路視為反相放大電路，增益為-R 2 /R 1 ，當信號從B 點引入，電路視為同相放大電路，增益為1+R 2 /R 1 ，而噪聲增益都為1+R 2 /R 1 。電路折算到輸入端的總噪聲RMS 值e n_RTI 為式2-55：

其中，e nR1 、e nR2 、e nR3 為電阻R 1 、R 2 、R 3 的熱噪聲，e nA 為放大器的電壓噪聲，I n+ 、I n- 為放大器的同相、反相輸入端的電流噪聲。在均方根計算中I n- 、e nR1 、e nR2 項的影響可以忽略，折合到輸入端的總噪聲RMS 值近似為式2-56 。

圖2.78放大器電路噪聲模型

如式 2-56 ，通常優(yōu)先考慮電壓噪聲密度的影響。電流噪聲密度為 pA/ √ Hz通常比較小，只有當 R 3 電阻值大于 e n /I n (按寬帶噪聲密度計算)時，電流噪聲的影響才能體現(xiàn)，否則電流噪聲的影響可以忽略。只有電阻 R 3 的阻值接近 e n /I n (按寬帶噪聲密度計算)時， R 3 熱噪聲的影響比較明顯。

如圖2.79 ，ADA4807 在25 ℃環(huán)境中，±5V 工作電壓時，100KHz 處的噪聲視為寬帶噪聲。電壓寬帶噪聲為3.1nV/ √Hz ，電流寬帶噪聲為0.7pA/ √Hz ，所以當R 3電阻遠小于4.4KΩ 時，電壓噪聲為主要成分，R3 電阻為4.4KΩ 時，熱噪聲為主要成分，當R3 電阻遠大于4.4KΩ 時，電流噪聲為主要成分。數(shù)據(jù)手冊另外提供電壓1/f 噪聲轉(zhuǎn)角頻率為29Hz, 提供電流1/f 噪聲轉(zhuǎn)角頻率為2KHz 。

圖2.79 ADA4807 電流噪聲與電壓噪聲

使用ADA4807 實現(xiàn)圖2.78 放大電路，電阻R 1 為100 Ω, 電阻R 2 為900 Ω，分別設置R 3 的阻值為0Ω 、4.4KΩ 、440KΩ 計算電路的總輸入噪聲。其中，10Hz 為1/f 噪聲的最低頻率點，100KHz 的噪聲為寬帶噪聲，評估各種狀態(tài)下輸入端噪聲密度，如表2.8 。