運放噪聲——同相放大電路
發布時間:2020-05-01 來源:Bruce Trump 資深模擬工程師 責任編輯:wenwei
【導讀】yizhiqianduidianzuzaoshengdetaolunweijichu,zhecirangwomenyiqixuexifangdaqizaoshengdeyixiejibenzhishi。duiyudizaoshengyingyonglaijiang,tongxiangfangdadianlushizuichangjiande,yinciwomenjiangzhuyaotantaotongxiang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,盡可能少地引入運放附加的噪聲。

如圖1所suo示shi,放fang大da器qi噪zao聲sheng的de等deng效xiao模mo型xing為wei在zai一yi個ge輸shu入ru端duan串chuan聯lian一yi個ge電dian壓ya噪zao聲sheng,同tong時shi在zai兩liang端duan分fen別bie連lian接jie一yi個ge電dian流liu噪zao聲sheng源yuan。把ba電dian壓ya噪zao聲sheng看kan作zuo失shi調tiao電dian壓ya的de時shi變bian元yuan件jian。同tong樣yang,電dian流liu噪zao聲sheng是shi輸shu入ru偏pian置zhi電dian流liu的de時shi變bian元yuan件jian,在zai每mei個ge輸shu入ru端duan各ge有you一yi個ge。由you於yu我wo們men總zong能neng將jiang反fan相xiang輸shu入ru端duan的de電dian流liu噪zao聲sheng值zhi降jiang到dao最zui低di,因yin此ci我wo們men將jiang忽hu略lve它ta。
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(de)時(shi)候(hou),兩(liang)條(tiao)曲(qu)線(xian)均(jun)與(yu)源(yuan)電(dian)阻(zu)的(de)噪(zao)聲(sheng)成(cheng)比(bi)例(li)關(guan)係(xi)。對(dui)每(mei)個(ge)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)而(er)言(yan),都(dou)通(tong)過(guo)平(ping)方(fang)和(he)的(de)均(jun)方(fang)根(gen)的(de)方(fang)式(shi)來(lai)對(dui)三(san)種(zhong)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)進(jin)行(xing)了(le)一(yi)個(ge)求(qiu)和(he)。你(ni)也(ye)許(xu)會(hui)在(zai)某(mou)些(xie)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)上(shang)看(kan)到(dao)這(zhe)樣(yang)的(de)圖(tu)形(xing)。
當源電阻阻值減小時,它的約翰遜噪聲隨之減小(由阻值平方根值的倒數決定),在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang),放(fang)大(da)器(qi)的(de)噪(zao)聲(sheng)電(dian)壓(ya)將(jiang)起(qi)到(dao)主(zhu)導(dao)作(zuo)用(yong)。總(zong)的(de)噪(zao)聲(sheng)將(jiang)等(deng)於(yu)放(fang)大(da)器(qi)的(de)電(dian)壓(ya)噪(zao)聲(sheng)。當(dang)源(yuan)電(dian)阻(zu)阻(zu)值(zhi)增(zeng)加(jia)時(shi),流(liu)過(guo)源(yuan)電(dian)阻(zu)的(de)電(dian)流(liu)噪(zao)聲(sheng)將(jiang)線(xian)性(xing)增(zeng)加(jia),而(er)且(qie)會(hui)增(zeng)加(jia)很(hen)快(kuai)且(qie)最(zui)終(zhong)會(hui)超(chao)過(guo)源(yuan)電(dian)阻(zu)的(de)噪(zao)聲(sheng)。因(yin)此(ci)當(dang)源(yuan)電(dian)阻(zu)阻(zu)值(zhi)很(hen)高(gao)時(shi),電(dian)流(liu)噪(zao)聲(sheng)將(jiang)會(hui)起(qi)主(zhu)導(dao)作(zuo)用(yong)。

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)放大器通常在這方麵比較擅長。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。
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。隻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。
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。
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?
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