運放的噪聲源以及系統(tǒng)噪聲最小化

　　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(tǒng)噪聲水平的影響，有助于將其影響降至最低。從系統(tǒng)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(guī)則導致的低頻現(xiàn)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(jù)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(jù)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(guī)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(guī)范。系統(tǒng)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(shù)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(guī)范。雖然這是一個重要的規(guī)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(guī)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(guī)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(huán)境溫度為25ºC 條件下的噪聲。