運放噪聲——同相放大電路

2020-12-05 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。W5Eednc

W5Eednc

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W5Eednc
電流噪聲值降到最低，因此我們將忽略它。W5Eednc

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W5Eednc
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。W5Eednc

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。W5Eednc

W5Eednc

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。W5Eednc

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。W5Eednc

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。W5Eednc

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？W5Eednc

閱讀原文，請訪問：edn.comW5Eednc

查看更多請點擊：《看一個TI老工程師如何馴服精密放大器》W5Eednc

相關焦點

  • 同相比例放大電路
    同相比例放大電路1 同相比例放大電路（圖3.8a.3）的輸入信號是從集成運放的同相輸入端引入，輸出信號按比例放大，並與輸入信號同相。
  • 還在為電路的莫名噪聲頭疼?運放噪聲100問幫你解困
    大部分放大器的噪聲特性被折合到輸入端，對於運算放大器數據手冊，這幾乎是默認的習慣算法。但對於其他類型的固定增益放大器（如差動放大器），噪聲可能被折合到輸出端。請注意，這種輸入噪聲會被放大器放大。例如，對於同相增益為10的放大器，輸出端的噪聲將是指標中給出的噪聲的10倍。一些電路配置的噪聲增益可能大於信號增益，反相配置就是一個很好的例子。信號增益為-1的反相配置，其噪聲增益實際上為2。
  • 運算放大器的噪聲分析與設計
    D類音頻功率放大器中，前置運算放大器是一個比較重要的模塊，它位於整個拓撲結構中的前面，完成輸入信號源的加工處理，或者實現放大增益的設置，或者實現阻抗變換的目的，使其和後面功率放大級的輸入靈敏度相匹配；前置放大器獲得並穩定輸入音頻信號，並確保差動信號，設計時需要儘量減小其等效輸入的閃爍噪聲及熱噪聲
  • 解析運放電路選型原則
    運放的同相端接地=0V，反相端和同相端虛短，所以也是0V，反相輸入端輸入電阻很高，虛斷，幾乎沒有電流注入和流出，那麼R1和Rf相當於是串聯的，流過一個串聯電路中的每一隻組件的電流是相同的，即流過R1的電流和流過Rf的電流是相同的。
  • 同相比例放大器電路圖
    圖中所示是用低功耗運放FC54組成的同相比例放大器電路.它實際上是MF63型萬用表中的一個線路. 電路圖文章專題:電路圖符號大全
  • 運算放大器同相放大和反相放大的區別
    電子電路中的運算放大器，有同相輸入端和反相輸入端，輸入端的極性和輸出端是同一極性的就是同相放大器，而輸入端的極性和輸出端相反極性的則稱為反相放大器。
  • D類音頻前置運算放大器的噪聲分析與設計
    一般來說，雙極電晶體的閃爍噪聲具有較低的轉角頻率(閃爍噪聲和熱噪聲的交叉點)，低於MOS電晶體的閃爍噪聲，在音頻等低頻的設計系統中，應用雙極電晶體的設計有利於降低噪聲，然而在混合信號電路的設計中，襯底噪聲對雙極電晶體就有很大的影響，所以在混合信號電路設計中，更多的使用MOS電晶體，因此這裡提到的運放就採用CMOS工藝完成了相應的設計。
  • 深度分析同相放大器的使用
    運算放大器OP是信號處理和信號變換中常用的元件，常用的有同相輸入和反相輸入兩種類型，典型電路如下本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201605/291131
  • 採用面向低噪聲的運放進行設計
    Dfdednc在圖 2 的運放電路中，源電阻、增益電阻器和反饋電阻器 (分別為 RS、R1 和R2) 均為產生電路噪聲的因素。當計算噪聲時，電壓噪聲密度中使用的 「√Hz」 會引起混淆。但是，加在一起的是噪聲功率，而不是噪聲電壓。因此，如需計算電阻器或運放的積分電壓噪聲，應把電壓噪聲密度與頻段內赫茲數的平方根相乘。
  • 運算放大器中如何放大倍數的電路單元
    在實際電路中，通常結合反饋網絡共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數學運算的結果。由於早期應用於模擬計算機中，用以實現數學運算，故得名「運算放大器」。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現，也可以實現在半導體晶片當中。隨著半導體技術的發展，大部分的運放是以單晶片的形式存在。
  • EDA365:運放電路知識:電壓反饋、常見指標、好壞判別……
    這種小電壓被開環增益放大，開環增益會強制輸出到其中一個電源電壓。在圖 3 右側的負反饋或閉環電路中，運算放大器輸出上的分壓器需要 200 mV 的輸出電壓，以便使反相和同相輸入相等。圖 3：開環（左）與負反饋（右）輸入電壓的放大稱為增益。它是反饋迴路中電阻值的函數。
  • 單電源供電的全差分斬波運放電路
    ，設計了單電源供電的全差分斬波運放電路，同時，為了減小殘餘電壓的失調， 採用了T/H(跟蹤-保持)解調技術，該電路在斬波頻率150KHz工作時，輸入等效噪聲達到31.12nV/Hz。此信號被增益為Av的運算放大器放大，同時運放的輸入噪聲和輸入失調電壓也被運放放大，運放的輸出經過幅度為1，頻率為fch的斬波開關調製後，輸出信號為： 　　   　　從式(1)可以看出，經過第2次斬波後，輸入音頻信號被解調到低頻段，而運放的電壓失調和低頻噪聲只經過一次調製後被搬移到斬波方波的高頻奇次諧波上，通過低通濾波後，輸出信號中的高頻分量被濾除
  • 任意比例係數的同相比例運算電路
    探索了比例係數任意取值時同相比例運算電路構成形式的變化。在輸入端電阻平衡時，輸入信號比例係數在大於1、小於1及等於1情況下，同相比例運算電路還可簡化。所述方法的創新點是將運放輸入端電阻的平衡條件轉化為與輸入信號比例係數的關係，從而可直觀確定簡化電路形式，擴大了同相比例運算電路的應用範圍。
  • 運算放大器基本電路大全
    2.1 放大放大電路有兩個基本類型：同相放大器和反相放大器。他們的交流耦合版本如圖三所示。對於交流電路，反向的意思是相角被移動180度。這種電路採用了耦合電容 ――Cin 。Cin被用來阻止電路產生直流放大，這樣電路就只會對交流產生放大作用。如果在直流電路中，Cin被省略，那麼就必須對直流放大進行計算。
  • 學霸帶你飛 | 這些運放基本電路全解析,了解一下
    2.1 放大　　放大電路有兩個基本類型：同相放大器和反相放大器。他們的交流耦合版本如圖三所示。對於交流電路，反向的意思是相角被移動180度。這種電路採用了耦合電容 ――Cin 。Cin被用來阻止電路產生直流放大，這樣電路就只會對交流產生放大作用。如果在直流電路中，Cin被省略，那麼就必須對直流放大進行計算。
  • 必知運算放大器知識:相位補償、調零電路、偏置電流
    作為電子工程師,運算放大器算是很常見的一種IC了。如果今天還說加法電路，減法電路、乘法電路、指數電路什麼的，未免對不起大家。那麼，今天就說說一些設計的細節內容。，其大小計算公式一般為 這些運算放大器知識你注意到了嗎，這樣，在可以很好的保證運放的電流補償，使正負端偏置電流相等。
  • 詳解運放的少量幾個確定因素 最終逐步過渡到電路中補償技術
    為了達到這個目標，本文首先討論了運放的少量幾個確定因素，最終逐步過渡到電路中經常使用但少有人理解的補償技術。本文還簡要介紹了補償網絡的嚴格定義，併集中討論了文獻中出現的可能衝突。前饋增益：相對於哪個節點？在討論運放補償之前，首先搞清楚運放的兩種最基本配置很重要，即同相(圖1A)和反相(圖1B)。已有大量文獻資料介紹過這兩種配置的閉環增益，並強調了閉環傳輸函數間的區別。
  • 運算放大器中,同相輸入與反向輸入的輸入阻抗的區別
    電子電路中的運算放大器，有同相輸入端和反相輸入端，輸入端的極性和輸出端是同一極性的就是同相放大器，而輸入端的極性和輸出端相反極性的則稱為反相放大器。 　　圖一運放的同向端接地=0V，反向端和同向端虛短，所以也是0V，反向輸入端輸入電阻很高，虛斷，幾乎沒有電流注入和流出，那麼R1和R2相當於是串聯的，流過一個串聯電路中的每一隻組件的電流是相同的，即流過R1的電流和流過R2的電流是相同的。
  • 運放電路之差分放大器
    雙電源供電的差分放大器電路單電源供電的差分放大器與同相放大器電差分放大器的定義：兩信號分別從運算放大器的同相端與反相端輸入，輸出信號通過反饋電阻連接到運算放大器的反相輸入端，同相端通過一個與反饋電阻阻值相等的電阻接地(或接基準電壓，一般基準電壓為電源電壓的一半)的電路。
  • 史上最全運放運算放大器知識講解
    高速型運算放大器：主要特點是具有高的轉換速率和寬的頻率響應。 低功耗型運算放大器：由於電子電路集成化的最大優點是能使複雜電路小型輕便,所以隨著可攜式儀器應用範圍的擴大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。