物理进程的实际使咱们无法取得具有完美精度、零噪声、无穷大开环增益、转化速率和增益带宽乘积的抱负运放。可是，咱们等待一代又一代接连面市的放大器可比前一代的放大器更好。那么，低 1/f 噪声运放的下一步会怎么样呢?
回到 1985 年，ADI的 George Erdi 规划了 LT1028。30 多年过去了，该器材依然是市面上低频条件下电压噪声最低的运放，其在 1kHz 时的输入电压噪声密度为 0.85nV/√Hz，在 0.1Hz 至 10Hz 时的输入电压噪声为 35nVP-P。直到本年，一款新式放大器 LT6018 才对 LT1028 的位置提出了应战。LT6018 的 0.1Hz 至 10Hz 输入电压噪声为 30nVP-P，并具有一个 1Hz 的 1/f 角落频率，可是其宽带噪声为 1.2nV/√Hz。结果是，LT6018 是适宜较低频率运用的较低噪声挑选，而 LT1028 则可为许多宽带运用供给更好的功能，如图 1 所示。
图 1：LT1028 和 LT6018 积分电压噪声
喧闹的噪声令人苦恼
可是，与针对某个给定频段挑选具最低电压噪声密度 (en) 的放大器比较，规划低噪声电路要杂乱得多。如图 2 所示，其他噪声源开端起作用，不相干噪声源以平方根之和组合起来。
图 2：运放电路噪声源
首要，把电阻器看作是噪声源。电阻器天然生成具有与电阻值的平方根成份额的噪声。在 300K 的温度下，任何电阻器的电压噪声密度为 en = 0.13√R nV/√Hz。该噪声也可被视为一种诺顿 (Norton) 等效电流噪声：in = en/R = 0.13/√R nA/√Hz。因而，电阻器具有一个 17 zeptoWatts 的噪声功率。优秀的运放将具有低于该值的噪声功率。例如：LT6018 的噪声功率 (在 1kHz 频率下丈量) 约为 1 zeptoWatt。
在图 2 的运放电路中，源电阻、增益电阻器和反应电阻器 (分别为 RS、R1 和R2) 均为发生电路噪声的要素。当核算噪声时，电压噪声密度中运用的 “√Hz” 会引起混杂。可是，加在一起的是噪声功率，而不是噪声电压。因而，如需核算电阻器或运放的积分电压噪声，应把电压噪声密度与频段内赫兹数的平方根相乘。例如，一个 100Ω 电阻器在 1MHz 带宽内具有 1.3μV RMS 的噪声 (0.13nV/√Ω * √100Ω * √1,000,000Hz)。关于选用一阶滤波器 (而不是砖墙式滤波器) 的电路，带宽将乘以 1.57 以捕获较高带宽范围内的噪声。如欲以 “峰至峰值” 而非 “RMS 值” 来表达噪声，则应乘以一个因子 6 (而不是关于正弦波信号所选用的 2.8)。考虑到这些要素，在选用一个简略的 1MHz 低通滤波器时该 100Ω 电阻器的噪声接近于 9.8μVP-P。
别的，运放还具有由流入和流出每个输入的电流引起的输入电流噪声 (in- 和 in+)。这些与它们流入的电阻 (就 in- 来说为 R1 与 R2 的并联电阻，而就 in+ 而言则为 R1 与 RS 的并联电阻) 相乘，凭仗欧姆定律的 “法力” 发生了电压噪声。往放大器里边看 (图 3)，该电流噪声是由多个噪声源组成的。
图 3：一个运放差分对中的相干和不相干噪声源
就宽带噪声而论，两个输入晶体管均具有与其基极相关联的点噪声 (ini- 和 ini+)，这些点噪声是不相干的。来自坐落输入对尾部之电流源的噪声 (int) 还发生了在两个输入之间区分的相干噪声 (在每个输入中为 int/2β)。假如两个输入上承载的电阻持平，则每个输入上的相干电压噪声也是持平的，并且抵消 (依据放大器的共模按捺才能)，因而留下的主要是不相干噪声。这在产品手册中被列为平衡电流噪声。假如两个输入上的电阻极大地失配，则相干和不相干噪声重量保存，并且电压噪声以平方根之和相加。这在有些产品手册中列为不平衡噪声电流。
LT1028 和 LT6018 的电压噪声均低于一个 100Ω电阻器 (在室温下为1.3nV/√Hz)，因而在源电阻较高的场合中，运放的电压噪声一般不是电路中噪声的约束要素。在源电阻低得多的情况下，放大器的电压噪声将开端居主导位置。当源电阻十分高的时分，放大器的电流噪声处于分配位置，而关于中等水平的源电阻而言，则电阻器的约翰逊 (Johnson) 噪声具有决定性的影响 (关于那些不具有过高噪声功率的杰出规划运放)。使放大器电流噪声和电压噪声到达平衡 (这样两者都不处于分配位置) 的电阻是等于放大器的电压噪声除以其电流噪声。因为电压和电流噪声随频率而改动，所以该中点电阻也是如此。关于一个非平衡电源而言，在 10Hz 时 LT6018 的中点电阻约为 86Ω;而在 10kHz 时则大约为 320Ω。
尽量下降电路噪声
那么，规划工程师要采纳什么办法来最大极限地下降噪声呢? 关于处理电压信号，把等效电阻减小至低于放大器的中点电阻是一个很好的起点。关于许多运用来说，源电阻是由前面的电路级 (一般是一个传感器) 固定的。能够挑选很小的增益和反应电阻器。可是，因为反应电阻器构成了运放负载的一部分，因而存在着因放大器之输出驱动才能以及可接受之热和功率耗散量而发生的约束。除了输入所承载的电阻之外，还应考虑频率。总噪声包含在整个频率范围内进行积分的噪声密度。在高于 (或许也包含低于) 信号带宽的频率上对噪声进行滤波是很重要的。
在放大器的输入是一个电流的跨阻抗运用中，需求采纳一种不同的战略。在该场合中，反应电阻器的约翰逊噪声以其电阻值的一个平方根因子添加，但与此同时信号增益的添加则与电阻值成线性关系。所以，最佳的 SNR 使用运放的电压才能或电流噪声所答应的最大电阻来完成。如欲了解风趣的实例，请拜见 LTC6090 产品手册第 26 页的运用电路。
噪声和其他让人头疼的问题
噪声仅仅差错的一个来历，并且应在其他差错源的环境中考虑。输入失调电压 (运放输入端上的电压失配) 可被认为是 DC 噪声。它的影响虽可通过施行一次性体系校准得到明显的按捺，可是因为机械应力改动的原因，该失调电压会跟着温度的崎岖和时刻的推移而改动。别的，它还跟着输入电平 (CMRR) 和电源 (PSRR) 而改动。旨在消除由这些变量所引起之漂移的实时体系校准很快就变得既贵重又不切实际。关于温度大幅动摇的严格环境运用，因为失调电压和漂移所造成的的丈量不确定性会发生比噪声更强的主导作用。例如，单单因为温度漂移，一款具有 5μV/°C 温度漂移功能指标的运放会在 -40°C 至 85°C 温度范围内阅历一个 625μV 的输入参阅偏移。与之比较，几百纳伏 (nV) 的噪声就无关紧要了。LT6018 具有 0.5μV/°C 的超卓漂移功能和一个 80μV 的最大失调标准 (从 -40°C 至 85°C)。如欲取得更好的功能，则可重视近期推出的 LTC2057 主动置零放大器，该器材在 -40°C 至 125°C 温度范围内具有小于 7μV 的最大失调电压。其宽带噪声为 11nV/√Hz，而其 DC 至 10Hz 噪声为 200nVP-P。尽管该噪声高于 LT6018，可是因为其在整个温度范围内具有超卓的输入失调漂移功能，因而关于低频运用来说 LTC2057 有时会是一种更好的挑选。别的还值得注意的是，因为其具有低偏置电流，所以 LTC2057 的电流噪声比 LT6018 低得多。LTC2057 低输入偏置电流的另一个优点是：与许多其他的零漂移放大器比较，它具有十分低的时钟馈通。当源阻抗很高时，这些其他零漂移放大器中有的会发生大的电压噪声杂散信号。
在此类高精度电路中，还有必要慎重地最大极限按捺热电偶效应，任何存在异类金属结点的场合都会呈现该效应。乃至由不同制造商供给的两根铜导线之结点都会发生 200nV/°C 的热电势，这比 LTC2057 的最差漂移高出 13 倍以上。在这些低漂移电路中，选用正确的 PCB 布局办法以匹配或尽量削减放大器输入通路中的结点数目，使输入和匹配结点紧靠在一起，以及防止发生热梯度是很重要的。
定论
噪声是一种根本的物理约束。为了最大极限地下降其在处理传感器信号进程中所发生的不良影响，在挑选适宜的运放、尽量减小和匹配输入电阻、以及施行规划的物理布局方面有必要慎重从事。
作者：
Brian Black，产品商场司理，信号调度产品
Glen Brisebois，高档运用工程师，信号调度产品
