丹尼尔.笛福和本杰明.富兰克林曾说,生射中只要两件作业是确认的:逝世与税收;不幸的是,关于与电子产品打交道的人来说,还有别的一个:噪声。尽管电噪声不可避免,可是规划人员更好地了解各个噪声源以及它们对整个体系噪声水平的影响,有助于将其影响降至最低。从体系视点来看,噪声的来历多种多样。比方,运放内部发生的噪声源,以及运放电路内运用的无源元件发生的噪声。还有各种外部噪声源,如无线电波或交流电源。本文将探究其间一些与运放的内部作业相关的噪声源。
1 闪耀噪声
闪耀噪声(又称为1/f噪声)是一种由传导通路的不规则导致的低频现象,是晶体管的偏置电流发生的噪声。在更高的频率,闪耀噪声能够忽略不计,由于其他噪声源发生的白噪声开端占有主导地位。这也是其1/f 噪声命名的由来。这种低频噪声在输入信号挨近直流时将很成问题,一般呈现在应变仪、压力传感器、热电偶的输出或任何缓慢改变的传感器信号中。
体系规划人员尽管无法控制放大器的内部闪耀噪声,可是能够通过为运用挑选适宜的放大器来将这种噪声源降至最小。假如1/f噪声是个大问题,那么最佳解决方案是挑选主动调零放大器或斩波放大器。在这两类架构中,1/f噪声在失调校对进程中被消除。该噪声源呈现在输入端而且改变相对缓慢,因而可看作放大器失调的一部分并得到相应的补偿。
2 散粒噪声
散粒噪声(又称为肖特基噪声)为内部噪声源。这种噪声源是由载流子传导缺点构成的。电子依据所施加的电压向一个方向移动构成电流。当电子遇到妨碍(金属缺点等)时,势能积累,直至电子穿越妨碍。
由于散粒噪声与电流有关,假如没有电流,那么就没有散粒噪声。散粒噪声呈高斯概率密度散布,且不受频率和温度影响。它与直流电流呈反比,因而电流越小意味着散粒噪声电压越大。要确认给定规划中散粒噪声是否是其间一个要素,可减小或增大直流电流来看噪声是否受到影响。
3 热噪声
热噪声也称为约翰逊噪声,是以发现它的科学家的姓名命名的。热噪声存在于一切有源和无源电路元件中。热使电子的运动加重,构成运动呈现随机性,发生噪声。正因如此,热噪声和散粒噪声类似,呈高斯概率密度散布,且不受频率影响。
热噪声存在于无源元件中。关于电阻,这或许特别显着。由于电阻的热噪声取决于电阻的巨细和温度。小型电阻的热噪声较小,且较低的温度也有助于下降热噪声。
4 运放的噪声标准
咱们回忆了运放内存在的几种噪声源,这些噪声源均影响实践放大器的噪声标准。体系规划人员在挑选运放时有较多挑选。但是,在挑选低噪声运放时,则有必要考虑很多要素,包含放大器的电压和电流噪声以及在运用中怎么运用放大器。
在大多数情况下,制造商在谈及噪声时会吹捧运放的电压噪声密度标准。尽管这是一个重要的标准,但不是仅有的一个。一般,或许更重视电流噪声。输入电压噪声密度是在放大器的白噪声占主导地位(扫除1/f噪声的影响)时给出的。电流噪声密度尽管也是在放大器的白噪声占主导地位时给出的,但该密度对输入阻抗很高的运用非常要害。咱们来看看一个简略的示例——运用两个等效运放:Microchip的MCP621S和Texas Instruments的LMP7731。表1 要点列举了这两个放大器的一些要害标准。
这两个运放在失调功能、速度和作业电源规模方面类似。而另一方面,它们的噪声标准相差甚远。一般以电压噪声密度较低来宣扬运放为低噪声。但是,电压噪声密度最低的运放,其噪声功能往往便是最佳的吗?
咱们来看看一个简略的电压跟从器电路,如图1所示。
实践进行电路设计时,有必要考虑来自多种噪声源的噪声,包含IC的内部噪声、一切元件的热噪声以及外部噪声源。不过,本示例仅重视与放大器相关的噪声和输入电阻(此处表明为RIN)的热噪声。为了试验意图,指定的是该电阻在环境温度为25oC 条件下的噪声。
当源阻抗为零时,不存在由放大器的电流噪声导致的噪声重量(由于该电流有必要流经电阻才干发生电压差错)。相同,当阻抗为零时,输入电阻的热噪声也为零。在这种情况下,噪声首要是放大器的电压噪声;因而,LMP7731供给更好的功能,可从表2的榜首列数据看出。
但是,假如源阻抗增加到10 k?,则与该阻抗相关的热噪声成分要考虑进来。回想一下电阻的热噪声电压的界说:
其间:VTH = 热噪声电压(Vrms)
k = 玻尔兹曼常数(1.38 x 10-23)
T = 温度(oK)
R = 阻抗(?)
B = 带宽(Hz)
当源阻抗成倍增加时,LMP7731的放大器电流噪声也成为一个要素,而MCP621S并非这样(见表2的第二列数据)。最终,当源阻抗增加到100 k?时,电阻热噪声成为MCP621S的主导要素。但是,关于LMP7731,放大器电流噪声成为主导要素(见表2的第三列数据)。
这个简略电路示例凸显了一个现实,即当针对给定运用剖析放大器的噪声功能时,有必要一起考虑放大器的电压噪声和电流噪声。关于高阻抗运用,比方酸度计或恒温振荡器,运用具有较低电流噪声的放大器至关重要,由于该噪声源会敏捷成为首要噪声要素。
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