運放噪聲——同相放大電路

2020-11-29 EDN電子設計技術

以之前對電阻噪聲的討論為基礎，這次讓我們一起學習放大器噪聲的一些基本知識。對於低噪聲應用來講，同相放大電路是最常見的，因此我們將主要探討同相運算放大器。 如圖1所示，將輸入源等效為一個電壓源與一個電阻串聯，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係的(如圖2中的直線所示)。低噪聲放大器的設計目標是在電阻引入噪聲的基礎上，儘可能少地引入運放附加的噪聲。TKPednc

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如圖1所示，放大器噪聲的等效模型為在一個輸入端串聯一個電壓噪聲，同時在兩端分別連接一個電流噪聲源。把電壓噪聲看作失調電壓的時變元件。同樣，電流噪聲是輸入偏置電流的時變元件，在每個輸入端各有一個。由於我們總能將反相輸入端的TKPednc
電流噪聲值降到最低，因此我們將忽略它。TKPednc

圖2給出了BJT做為輸入級的OPA209和JFET做為輸入級的OPA140這兩個運算放大器電路的總輸入參考噪聲的曲線。在25°C的時候，兩條曲線均與源電阻的噪聲成比例關係。對每個運算放大器而言，都通過平方和的均方根的方式來對三種噪聲源進行TKPednc
了一個求和。你也許會在某些運算放大器的數據手冊上看到這樣的圖形。TKPednc

當源電阻阻值減小時，它的詹森噪聲隨之減小(由阻值平方根值的倒數決定)，在一定程度上，放大器的噪聲電壓將起到主導作用。總的噪聲將等於放大器的電壓噪聲。當源電阻阻值增加時，流過源電阻的電流噪聲將線性增加，而且會增加很快且最終會超過源電阻的噪聲。因此當源電阻阻值很高時，電流噪聲將會起主導作用。TKPednc

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當源電阻值為2kΩ或者更低時，低噪聲放大器的設計會遇到最大的挑戰。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。還需注意的是，如圖2所示，在一個最佳位置， OPA209的總噪聲與源電阻噪聲幾乎相等。源阻最佳噪聲性能發生在RS=VN/IN。TKPednc

當源電阻阻值大約為20kΩ時，FET輸入的放大器幾乎不會引入任何的額外噪聲。只有當源電阻阻值達到幾個GΩ的時候，FET運算放大器的電流噪聲才會產生影響。可以遵循以下準則：當源電阻阻值小於10kΩ時，低噪聲的BJT放大器會產生較低的噪聲。當源電阻阻值大於10kΩ時，FET或者CMOS的運算放大器才會可能會有優勢。TKPednc

反饋網絡中的R1和R2也會產生一定的噪聲，但通常情況下是可以忽略的。當R1和R2的並聯值小於或者等於RS值的十分之一時，它們將僅僅使總噪聲的值產生小於10%(<1dB) 的增量。無論這些電阻的比值是多少，這都會是個事實。在圖2中，反饋網絡中元件的噪聲被設定為零。TKPednc

思考點：OPA140在10kΩ 之上有一個非常寬的電阻範圍，在這個範圍之內，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到同樣的效果？TKPednc

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