運(yùn)放噪聲——同相放大電路

 以之前對(duì)電阻噪聲的討論為基礎(chǔ)，這次讓我們一起學(xué)習(xí)放大器噪聲的一些基本知識(shí)。對(duì)于低噪聲應(yīng)用來(lái)講，同相放大電路是最常見(jiàn)的，因此我們將主要探討同相運(yùn)算放大器。 如圖1所示，將輸入源等效為一個(gè)電壓源與一個(gè)電阻串聯(lián)，我們知道源電阻RS的噪聲與其電阻平方根值是成正比例關(guān)系的(如圖2中的直線所示)。低噪聲放大器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在電阻引入噪聲的基礎(chǔ)上，盡可能少地引入運(yùn)放附加的噪聲。

如圖1所示，放大器噪聲的等效模型為在一個(gè)輸入端串聯(lián)一個(gè)電壓噪聲，同時(shí)在兩端分別連接一個(gè)電流噪聲源。把電壓噪聲看作失調(diào)電壓的時(shí)變?cè)?。同樣，電流噪聲是輸入偏置電流的時(shí)變?cè)?，在每個(gè)輸入端各有一個(gè)。由于我們總能將反相輸入端的電流噪聲值降到最低，因此我們將忽略它。

圖2給出了BJT做為輸入級(jí)的OPA209 和JFET做為輸入級(jí)的OPA140 這兩個(gè)運(yùn)算放大器電路的總輸入?yún)⒖荚肼暤那€。在25°C的時(shí)候，兩條曲線均與源電阻的噪聲成比例關(guān)系。對(duì)每個(gè)運(yùn)算放大器而言，都通過(guò)平方和的均方根的方式來(lái)對(duì)三種噪聲源進(jìn)行了一個(gè)求和。你也許會(huì)在某些運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)上看到這樣的圖形。

當(dāng)源電阻阻值減小時(shí)，它的約翰遜噪聲隨之減小(由阻值平方根值的倒數(shù)決定)，在一定程度上，放大器的噪聲電壓將起到主導(dǎo)作用?？偟脑肼晫⒌扔诜糯笃鞯碾妷涸肼?。當(dāng)源電阻阻值增加時(shí)，流過(guò)源電阻的電流噪聲將線性增加，而且會(huì)增加很快且最終會(huì)超過(guò)源電阻的噪聲。因此當(dāng)源電阻阻值很高時(shí)，電流噪聲將會(huì)起主導(dǎo)作用。

當(dāng)源電阻值為2kΩ或者更低時(shí)，低噪聲放大器的設(shè)計(jì)會(huì)遇到最大的挑戰(zhàn)。較低的源電阻噪聲就要求放大器有很低的噪聲電壓。雙極性(BJT輸入)放大器通常在這方面比較擅長(zhǎng)。還需注意的是，如圖2所示，在一個(gè)最佳位置， OPA209的總噪聲與源電阻噪聲幾乎相等。源阻最佳噪聲性能發(fā)生在RS=VN/IN。

當(dāng)源電阻阻值大約為20kΩ時(shí)，F(xiàn)ET輸入的放大器幾乎不會(huì)引入任何的額外噪聲。只有當(dāng)源電阻阻值達(dá)到幾個(gè)GΩ的時(shí)候，F(xiàn)ET運(yùn)算放大器的電流噪聲才會(huì)產(chǎn)生影響?？梢宰裱韵聹?zhǔn)則：當(dāng)源電阻阻值小于10kΩ時(shí)，低噪聲的BJT放大器會(huì)產(chǎn)生較低的噪聲。當(dāng)源電阻阻值大于10kΩ時(shí)，F(xiàn)ET或者CMOS的運(yùn)算放大器才會(huì)可能會(huì)有優(yōu)勢(shì)。

反饋網(wǎng)絡(luò)中的R1和R2也會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲，但通常情況下是可以忽略的。當(dāng)R1和R2的并聯(lián)值小于或者等于R值的十分之一時(shí)，它們將僅僅使總噪聲的值產(chǎn)生小于10%(<1dB) 的增量。無(wú)論這些S電阻的比值是多少，這都會(huì)是個(gè)事實(shí)。在圖2中，反饋網(wǎng)絡(luò)中元件的噪聲被設(shè)定為零。

當(dāng)然，還有很多需要了解的，如想了解更多，我推薦我的同事Art Kay寫(xiě)的一本書(shū)“Operational Amplifier Noise: Techniques and Tips for Analyzing and Reducing Noise”。

思考點(diǎn)：OPA140 在10kΩ 之上有一個(gè)非常寬的電阻范圍，在這個(gè)范圍之內(nèi)，噪聲性能很好。是否存在一種方法可以使得較低的源電阻值可以達(dá)到同樣的效果?