運算放大器選擇指南助您獲得上佳的噪聲性能

2020-12-17 電子產品世界

引言

　　凌特公司的低噪聲運算放大器產品庫不斷壯大。這並不是因為噪聲的物理性質發生了變化,而是因為正在將低噪聲規格與諸如軌至軌操作、停機、低電壓和低功率操作等新功能加以組合。運算放大器噪聲取決於輸入級工作電流、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,並選擇與您的應用相適合的最佳運算放大器(無論新款還是老款)。

　　電阻器熱噪聲和運算放大器噪聲的量化

　　了解噪聲折衷方案的關鍵在於「電阻器具有噪聲」這一事實。在室溫條件下,一個阻值為R的電阻器具有RMS電壓噪聲密度(或「點噪聲」)為VR=0.13√R的噪聲(單位：nV/√Hz)。於是,一個10k電阻器具有13nV/√Hz的噪聲,而一個1M電阻器則具有130nV/√Hz的噪聲。嚴格來講,噪聲密度的計算公式為VR=√(4kTR),其中,k為玻爾茲曼常數,T為溫度(單位：開氏度)。這種溫度相關性說明了為什麼有些低噪聲電路採取了對電阻器進行過冷處理的方法。注意,相同的電阻器也可被認為具有IR=√(4kT/R)的噪聲電流或PR=4kT=16.6×10-21W/Hz=16.6zeptoWatt/Hz的噪聲功率密度,這與其阻值R無關。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「/√Hz」這一奇異的單位而感到驚慌。它的出現簡單地說就是因為噪聲功率會隨著帶寬的增加(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。為了利用該規格,只需簡單地將其與應用帶寬的平方根相乘,便可計算出該帶寬之內的合成RMS噪聲。以示波器上顯示的峰至峰噪聲為例,它在99%的時間裡將是總RMS噪聲的6倍左右(假設是高斯「鐘形曲線」噪聲)。不要依靠運算放大器去限制帶寬。為了獲得最佳的噪聲性能,應採用無源或低噪聲有源濾波器來限制帶寬。

　　運算放大器的輸入噪聲規格通常是以nV/√Hz(用於表示噪聲電壓)和pA/√Hz或fA/√Hz(用於表示噪聲電流)為單位給出的,因此可以直接與電阻器熱噪聲進行比較。鑑於噪聲密度會在低頻條件下發生變化這一事實,大多數運算放大器還擬訂了一個「0.1Hz至10Hz」或「0.01Hz至1Hz」帶寬範圍內的典型峰至峰噪聲規格。為了實現最佳的超低頻率性能,您可以考慮採用像LTCÒ2050或LTC2054這樣的零漂移放大器。

　　噪聲源求和運算

　　圖1示出了一種具有外加噪聲源的理想化運算放大器和電阻器。圖中還給出了用於計算與輸入相關的所有噪聲源RMS和(即VN(TOTAL))的公式。出現於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)相乘的結果。

圖1運算放大器噪聲模型。VN和IN為運算放大器噪聲源(相關電流噪聲未示出)。VR(EQ)為電阻器所產生的電壓噪聲

　　根據VN(TOTAL)的計算公式,我們可以得出幾個結論。為了獲得最低的噪聲,電阻器的阻值應該儘可能地小,但是,由於R1是一個位於運算放大器輸出端上的負載,因此它一定不得過小。在某些應用(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REQ很低時,噪聲將以運算放大器電壓噪聲為主(因為VN是公式中剩餘的項);當REQ非常高時,噪聲將以運算放大器電流噪聲為主(因為IN是最高次REQ項的係數)。當REQ數值中等時,電阻器噪聲將在總噪聲中佔主導地位,而運算放大器產生的噪聲則微乎其微。這就是放大器的ROPTIMUM,並可通過取運算放大器噪聲規格的商來求出：VN/IN=ROPTI。

　　選擇最佳的運算放大器

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

圖2 使用這三幅曲線圖來找到適合您應用要求的最佳低噪聲運算放大器

　　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,並在其與電阻器噪聲線相交的位置上標出該電阻。這就是「源電阻點」。最佳噪聲性能運算放大器位於該點之下,而且越低越好。

　　對於所有的候選運算放大器,從您的源電阻點畫一條水平線,一直延伸到曲線圖的右手側。低於該水平線的運算放大器將能夠提供優良的噪聲性能,同樣也是越低越好。另外,再從源電阻點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),位於該線下方的運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,必須採用最靠近曲線圖底部的運算放大器。在這種場合,將低噪聲運算放大器並聯起來使用也是一種可選方案。

　　結語

　　噪聲分析一開始可能是一項令人望而生畏的工作,而且許多設計工程師對該領域並不熟悉。對總噪聲性能影響最大的因素是與信號有關的源阻抗。本選擇指南有助於設計師(不管是新手還是經驗豐富的老手)在任何給定的源阻抗條件下選擇最佳的運算放大器。

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