運(yùn)算放大器選擇指南祝您獲得上佳的噪聲性能

引言

凌力爾特公司的低噪聲運(yùn)算放大器產(chǎn)品庫不斷壯大，這并不是因?yàn)樵肼暤奈锢硇再|(zhì)發(fā)生了變化，而是因?yàn)檎趯⒌驮肼曇?guī)格與諸如軌至軌操作、停機(jī)、低電壓和低功率操作等新功能加以組合。 運(yùn)算放大器噪聲取決于輸入級工作電流、器件類型（ 雙極型或 FET ）和輸入電路。 本選擇指南旨在幫助您確定基本的噪聲折衷方案，并選擇與您的應(yīng)用相適合的最佳運(yùn)算放大器（ 無論新款還是老款 ）。

電阻器熱噪聲和運(yùn)算放大器

噪聲的量化

了解噪聲折衷方案的關(guān)鍵在于“電阻器具有噪聲”這一事實(shí)。在室溫條件下，一個阻值為 R 的電阻器具有一個 RMS 電壓噪聲密度（ 或“點(diǎn)噪聲” ）為 VR = 0.13 的噪聲     （ 單位：nV/）。于是，一個 10k電阻器具有 13nV/ 的噪聲，而一個 1M 電阻器則具有 130nV/ 的噪聲。嚴(yán)格來講，噪聲密度的計算公式為 VR =，其中，k 為玻爾茲曼（ Boltzman ） 常數(shù)，T 為溫度 （ 單位：開氏度 ）。這種溫度相關(guān)性說明了為什么有些低噪聲電路采取了對電阻器進(jìn)行過冷處理的方法。請注意，相同的電阻器也可被認(rèn)為具有 IR =  的噪聲電流或 PR =  4kT = 16.6 ? 10-21W/Hz = 16.6 zeptoWatt / Hz 的噪聲功率密度，這與其阻值 R 無關(guān)。正確放大器的選擇簡單地說就是看誰在電阻器噪聲之上增加的噪聲量最小。

請不要對“/”這一奇異的單位而感到驚慌。它的出現(xiàn)簡單地說就是因?yàn)樵肼暪β蕰S著帶寬的增加 （ 每赫茲 ） 而增加，因此噪聲電壓將隨著帶寬平方根的增加 （ 每方根赫茲 ） 而增加。為了利用該規(guī)格，只需簡單地將其與應(yīng)用帶寬的平方根相乘，便可計算出該帶寬之內(nèi)的合成 RMS 噪聲。以示波器上顯示的峰至峰噪聲為例，它在 99% 的時間里將是總 RMS 噪聲的 6 倍左右 （ 假設(shè)是Gaussian“鐘形曲線” 噪聲 ）。不要依靠運(yùn)算放大器去限制帶寬。為了獲得最佳的噪聲性能，應(yīng)采用無源或低噪聲有源濾波器來限制帶寬。

運(yùn)算放大器的輸入噪聲規(guī)格通常是以 nV/（ 用于表示噪聲電壓 ）和 pA / 或 fA /（ 用于表示噪聲電流 ）為單位給出的，因此可以直接與電阻器熱噪聲進(jìn)行比較。鑒于噪聲密度會在低頻條件下發(fā)生變化這一事實(shí)，大多數(shù)運(yùn)算放大器還擬訂了一個“0.1Hz 至 10Hz”或 “0.01Hz 至 1Hz”帶寬范圍內(nèi)的典型峰至峰噪聲規(guī)格。為了實(shí)現(xiàn)最佳的超低頻率性能，您可以考慮采用像 LTC 2050 或 LTC2054 這樣的零漂移放大器。

噪聲源求和運(yùn)算

圖 1 示出了一種具有外加噪聲源的理想化運(yùn)算放大器和電阻器。圖中還給出了用于計算與輸入相關(guān)的所有噪聲源 RMS 和 （ 即：VN（TOTAL） ） 的公式。出現(xiàn)于輸出端上的正是該電壓噪聲密度與電路的噪聲增益 （ NG = 1+ R1/R2 ） 相乘的結(jié)果。

根據(jù) VN（TOTAL） 的計算公式，我們可以得出幾個結(jié)論。為了獲得最低的噪聲，電阻器的阻值應(yīng)該盡可能地小，但是，由于 R1 是一個位于運(yùn)算放大器輸出端上的負(fù)載，因此它一定不得過小。在某些應(yīng)用 （ 例如：跨阻抗放大器 ） 中，R1 是電路中僅有的電阻器，而且常常具有很大的阻值。當(dāng) REQ 很低時，噪聲將以運(yùn)算放大器電壓噪聲為主 （ 因?yàn)?VN 是公式中剩余的項(xiàng) ）；當(dāng) REQ 非常高時，噪聲將以運(yùn)算放大器電流噪聲為主 （ 因?yàn)?IN 是最高次 REQ 項(xiàng)的系數(shù) ）。當(dāng) REQ 數(shù)值中等時，電阻器噪聲將在總噪聲中占主導(dǎo)地位，而運(yùn)算放大器產(chǎn)生的噪聲則微乎其微。這就是放大器的 ROPTIMUM，并可通過取運(yùn)算放大器噪聲規(guī)格的商來求出：VN / IN = ROPT。

選擇最佳的運(yùn)算放大器

圖 2 中示出了三種不同頻率條件下源電阻和不同運(yùn)算放大器的電壓噪聲密度曲線圖。每個用一個運(yùn)算放大器的器件型號加以標(biāo)注的點(diǎn)表示的是該器件在采用其 ROPT 的情況下所得出的電壓噪聲密度。

將該曲線圖與最適用的所需頻率配合使用。在橫軸上找到您的源電阻，并在其與電阻器噪聲線相交的位置上標(biāo)出該電阻。這就是“源電阻點(diǎn)”。最佳噪聲性能運(yùn)算放大器位于該點(diǎn)之下，而且越低越好。

對于所有的候選運(yùn)算放大器，從您的源電阻點(diǎn)畫一條水平線，一直延伸到曲線圖的右手側(cè)。低于該水平線的運(yùn)算放大器將能夠提供優(yōu)良的噪聲性能，同樣也是越低越好。另外，再從源電阻點(diǎn)向左下方畫一條直線 （ 其斜率為縱軸與橫軸的單位距離之比 ），位于該線下方的運(yùn)算放大器也是上佳之選。

如果您仍然無法找到任何候選器件，則說明您的源電阻非常低，必須采用最靠近曲線圖底部的運(yùn)算放大器。在這種場合，將低噪聲運(yùn)算放大器并聯(lián)起來使用也是一種可選方案。

結(jié)論

噪聲分析一開始可能是一項(xiàng)令人望而生畏的工作，而且許多設(shè)計工程師對該領(lǐng)域并不熟悉。對總噪聲性能影響最大的因素是與信號有關(guān)的源阻抗。本選擇指南有助于設(shè)計師 （ 不管是新手還是經(jīng)驗(yàn)豐富的老手 ） 在任何給定的源阻抗條件下選擇最佳的運(yùn)算放大器。