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丹尼爾?笛福和本杰明?富蘭克林曾說，生命中只有兩件事情是確定的：死亡與稅收;不幸的是，對于與電子產品打交道的人來說，還有另外一個：噪聲。雖然電噪聲不可避免，但是設計人員更好地了解各個噪聲源以及它們對整個系統噪聲水平的影響，有助于將其影響降至最低。從系統角度來看，噪聲的來源多種多樣。比如，運放內部產生的噪聲源，以及運放電路內使用的無源元件產生的噪聲。還有各種外部噪聲源，如無線電波或交流電源。本文將探索其中一些與運放的內部工作相關的噪聲源。 1 閃爍噪聲 閃爍噪聲(又稱為1/f噪聲)是一種由傳導通路的不規則導致的低頻現象，是晶體管的偏置電流產生的噪聲。在更高的頻率，閃爍噪聲可以忽略不計，因為其他噪聲源產生的白噪聲開始占據主導地位。這也是其1/f 噪聲命名的由來。這種低頻噪聲在輸入信號接近直流時將很成問題，通常出現在應變儀、壓力傳感器、熱電偶的輸出或任何緩慢變化的傳感器信號中。 系統設計人員雖然無法控制放大器的內部閃爍噪聲，但是可以通過為應用選擇合適的放大器來將這種噪聲源降至最小。如果1/f噪聲是個大問題，那么最佳解決方案是選擇自動調零放大器或斬波放大器。在這兩類架構中，1/f噪聲在失調校正過程中被消除。該噪聲源出現在輸入端并且變化相對緩慢，因此可看作放大器失調的一部分并得到相應的補償。 2 散粒噪聲 散粒噪聲(又稱為肖特基噪聲)為內部噪聲源。這種噪聲源是由載流子傳導缺陷造成的。電子根據所施加的電壓向一個方向移動形成電流。當電子遇到障礙(金屬缺陷等)時，勢能積聚，直至電子穿越障礙。 由于散粒噪聲與電流有關，如果沒有電流，那么就沒有散粒噪聲。散粒噪聲呈高斯概率密度分布，且不受頻率和溫度影響。它與直流電流呈反比，因此電流越小意味著散粒噪聲電壓越大。要確定給定設計中散粒噪聲是否是其中一個因素，可減小或增大直流電流來看噪聲是否受到影響。 3 熱噪聲 熱噪聲也稱為約翰遜噪聲，是以發現它的科學家的名字命名的。熱噪聲存在于所有有源和無源電路元件中。熱使電子的運動加劇，造成運動出現隨機性，產生噪聲。正因如此，熱噪聲和散粒噪聲類似，呈高斯概率密度分布，且不受頻率影響。 熱噪聲存在于無源元件中。對于電阻，這可能尤其明顯。因為電阻的熱噪聲取決于電阻的大小和溫度。小型電阻的熱噪聲較小，且較低的溫度也有助于降低熱噪聲。 4 運放的噪聲規范 我們回顧了運放內存在的幾種噪聲源，這些噪聲源均影響實際放大器的噪聲規范。系統設計人員在選擇運放時有較多選擇。然而，在選擇低噪聲運放時，則必須考慮眾多因素，包括放大器的電壓和電流噪聲以及在應用中如何使用放大器。 在大多數情況下，制造商在談及噪聲時會吹捧運放的電壓噪聲密度規范。雖然這是一個重要的規范，但不是唯一的一個。通常，可能更關注電流噪聲。輸入電壓噪聲密度是在放大器的白噪聲占主導地位(排除1/f噪聲的影響)時給出的。電流噪聲密度雖然也是在放大器的白噪聲占主導地位時給出的，但該密度對輸入阻抗很高的應用十分關鍵。我們來看看一個簡單的示例——使用兩個等效運放：Microchip的MCP621S和Texas Instruments的LMP7731。表1 重點列舉了這兩個放大器的一些關鍵規范。 這兩個運放在失調性能、速度和工作電源范圍方面相似。而另一方面，它們的噪聲規范相差甚遠。通常以電壓噪聲密度較低來宣傳運放為低噪聲。然而，電壓噪聲密度最低的運放，其噪聲性能往往就是最佳的嗎? 我們來看看一個簡單的電壓跟隨器電路，如圖1所示。 實際進行電路設計時，必須考慮來自多種噪聲源的噪聲，包括IC的內部噪聲、所有元件的熱噪聲以及外部噪聲源。不過，本示例僅關注與放大器相關的噪聲和輸入電阻(此處表示為RIN)的熱噪聲。為了實驗目的，指定的是該電阻在環境溫度為25oC 條件下的噪聲。 當源阻抗為零時，不存在由放大器的電流噪聲導致的噪聲分量(因為該電流必須流經電阻才能產生電壓誤差)。同樣，當阻抗為零時，輸入電阻的熱噪聲也為零。在這種情況下，噪聲主要是放大器的電壓噪聲;因此，LMP7731提供更好的性能，可從表2的第一列數據看出。 然而，如果源阻抗增加到10 k?，則與該阻抗相關的熱噪聲成分要考慮進來。回想一下電阻的熱噪聲電壓的定義： 其中：VTH = 熱噪聲電壓(Vrms) k = 玻爾茲曼常數(1.38 x 10-23) T = 溫度(oK) R = 阻抗(?) B = 帶寬(Hz) 當源阻抗成倍增加時，LMP7731的放大器電流噪聲也成為一個因素，而MCP621S并非這樣(見表2的第二列數據)。最后，當源阻抗增加到100 k?時，電阻熱噪聲成為MCP621S的主導因素。然而，對于LMP7731，放大器電流噪聲成為主導因素(見表2的第三列數據)。 這個簡單電路示例凸顯了一個事實，即當針對給定應用分析放大器的噪聲性能時，必須同時考慮放大器的電壓噪聲和電流噪聲。對于高阻抗應用，比如酸度計或恒溫振蕩器，使用具有較低電流噪聲的放大器至關重要，因為該噪聲源會迅速成為主要噪聲因素。 |
