運(yùn)算放大器電路固有噪聲的分析與測(cè)量（第二部分）：運(yùn)算放大器噪聲介紹(二)

　　既然我們有了將實(shí)際濾波器轉(zhuǎn)換為磚墻式濾波器的算式，那么我們就能很方便地進(jìn)行功率頻譜的積分運(yùn)算了。請(qǐng)記住，功率的積分運(yùn)算為電壓頻譜的平方。我們需將積分結(jié)果進(jìn)行平方根運(yùn)算轉(zhuǎn)換回電壓。方程式 2.3 即由此得出（見(jiàn)附錄 2.1）。因此，根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的數(shù)據(jù)套用方程式 2.2 、方程式 2.3便可計(jì)算出寬帶噪聲。

方程式 2.3：寬帶噪聲方程式。

　　我們需記住，我們的目標(biāo)是測(cè)定圖 2.3 中噪聲源 Vn 的幅度。該噪聲源包括寬帶噪聲與 1/f 噪聲。我們用方程式 2.2 與 2.3 可計(jì)算出寬帶噪聲。現(xiàn)在我們應(yīng)計(jì)算 1/f 噪聲，這就需求對(duì)噪聲頻率密度圖 1/f 區(qū)域的功率頻譜進(jìn)行積分計(jì)算（如圖 2.10所示）。我們可用方程式 2.4 和 2.5 獲得有關(guān)積分結(jié)果。方程式 2.4 將 1/f 區(qū)的噪聲測(cè)量結(jié)果歸一化為 1Hz 時(shí)的噪聲。某些情況下，我們可從圖中直接讀出該數(shù)值，有時(shí)用方程式更方便求得（見(jiàn)圖 2.11）。方程式2.5用歸一化噪聲、上部噪聲帶寬與下部噪聲帶寬來(lái)計(jì)算 1/f 噪聲。附錄 2.2 給出了整個(gè)演算過(guò)程。

圖 2.10：1/f 區(qū)域。

方程式 2.4：頻率為 1Hz 時(shí)的噪聲 （歸一化）。

方程式 2.5：1/f 噪聲計(jì)算。

　　在考慮 1/f 噪聲時(shí)，我們必須選擇低頻截止點(diǎn)。這是因?yàn)?1/f 函數(shù)分母為零時(shí)無(wú)意義（即 1/0 無(wú)意義）。事實(shí)上，理論上 0 赫茲時(shí)噪聲趨近于無(wú)窮。但我們應(yīng)當(dāng)考慮到，頻率極低時(shí)，其相應(yīng)的時(shí)間也非常長(zhǎng)。舉例來(lái)說(shuō)，0.1Hz 對(duì)應(yīng)于 10 秒，而 0.001Hz則對(duì)應(yīng)于 1000 秒。對(duì)極低的頻率而言，對(duì)應(yīng)的時(shí)間有可能為數(shù)年（如 10nHz 對(duì)應(yīng)于 3 年）。頻率間隔越大，積分計(jì)算所得的噪聲就越大。不過(guò)我們也要記住，極低頻噪聲檢測(cè)需要很長(zhǎng)時(shí)間。我們?cè)谝院蟮奈恼轮袑⒏敿?xì)地探討此問(wèn)題。目前，我們暫且記住這一點(diǎn)，1/f 計(jì)算時(shí)通常用 0.1Hz 作為低頻截止點(diǎn)。

　　既然我們已得到了寬帶與 1/f 噪聲的幅度，現(xiàn)在就用第一部分給出的無(wú)相關(guān)噪聲源算式來(lái)疊加噪聲源 （見(jiàn)如下方程式 2.6 與本系列文章的第一部分中的方程式 1.8）。

方程式 2.6： 1/f 與寬帶噪聲疊加結(jié)果。

　　　工程師考慮分析方法時(shí)通常會(huì)擔(dān)心，1/f 噪聲與寬帶噪聲是否應(yīng)在兩個(gè)不同的區(qū)域進(jìn)行積分計(jì)算。換言之，他們認(rèn)為，由于 1/f 噪聲與寬帶噪聲相加后會(huì)超出 1/f 區(qū)域，從而出現(xiàn)錯(cuò)誤。實(shí)際上，1/f 區(qū)域與寬帶區(qū)域一樣，都涵蓋所有頻率。我們必須記住，當(dāng)噪聲頻譜顯示在對(duì)數(shù)圖上，1/f 區(qū)在降至寬帶曲線(xiàn)以下后影響極小。兩條曲線(xiàn)結(jié)合明顯的唯一區(qū)域就在 1/f 半功率頻點(diǎn)處。在此區(qū)域中，我們看到兩區(qū)域結(jié)合部的情況與數(shù)學(xué)模型相同。圖 2.12 顯示了兩區(qū)實(shí)際重疊的情況，并給出了相應(yīng)的幅度。

圖 2.12：1/f 噪聲區(qū)與寬帶區(qū)重疊。

現(xiàn)在，我們已得到了將噪聲頻譜密度曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換為噪聲源所需的全部方程式。請(qǐng)注意，現(xiàn)在我們已推算出了電壓噪聲所需的方程式，不過(guò)相同的方法也可運(yùn)用于電流噪聲的計(jì)算。在本系列隨后的文章中，我們將討論用有關(guān)方程式來(lái)解決運(yùn)算放大器電流的噪聲分析問(wèn)題。

本文總結(jié)與下一篇文章簡(jiǎn)介

在噪聲系列文章中，本文介紹了運(yùn)算放大器的噪聲模型與噪聲頻譜密度曲線(xiàn)。此外，我們還介紹了基本的噪聲計(jì)算方程式。本系列的第三部分將用實(shí)例說(shuō)明實(shí)際電路中的噪聲計(jì)算過(guò)程。

致謝！

特別感謝以下人員提供的技術(shù)意見(jiàn)

TIBurr-Brown 產(chǎn)品部：

Rod Bert，高級(jí)模擬 IC 設(shè)計(jì)經(jīng)理
Bruce Trump，線(xiàn)性產(chǎn)品經(jīng)理
Tim Green，應(yīng)用工程設(shè)計(jì)經(jīng)理
Neil Albaugh，高級(jí)應(yīng)用工程師

作者：TI高級(jí)應(yīng)用工程師, Art Kay

參考書(shū)目

Robert V. Hogg 與 Elliot A Tanis 共同編著的《概率與統(tǒng)計(jì)推斷》，第三版，麥克米蘭出版公司 (Macmillan Publishing Co.)出版；

C. D. Motchenbacher 與 J. A. Connelly 共同編著的《低噪聲電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，Wiley-Interscience Publication 出版。

關(guān)于作者：

　　Arthur Kay是 TI 的高級(jí)應(yīng)用工程師。他專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器件的支持工作。他于 1993 年畢業(yè)于佐治亞理工學(xué)院 (Georgia Institute of Technology)并獲得電子工程碩士學(xué)位。他曾在 Burr-Brown與 Northrop Grumman 公司擔(dān)任過(guò)半導(dǎo)體測(cè)試工程師。

附錄 2.1：

附錄 2.1。

一階濾波器“磚墻”校正系數(shù)的演算過(guò)程。