运放的噪声源以及系统噪声最小化

丹尼尔?笛福和本杰明?富兰克林曾说，生命中只有两件事情是确定的：死亡与税收;不幸的是，对于与电子产品打交道的人来说，还有另外一个：噪声。虽然电噪声不可避免，但是设计人员更好地了解各个噪声源以及它们对整个系统噪声水平的影响，有助于将其影响降至最低。从系统角度来看，噪声的来源多种多样。比如，运放内部产生的噪声源，以及运放电路内使用的无源元件产生的噪声。还有各种外部噪声源，如无线电波或交流电源。本文将探索其中一些与运放的内部工作相关的噪声源。

1 闪烁噪声

闪烁噪声(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产生的噪声。在更高的频率，闪烁噪声可以忽略不计，因为其他噪声源产生的白噪声开始占据主导地位。这也是其1/f 噪声命名的由来。这种低频噪声在输入信号接近直流时将很成问题，通常出现在应变仪、压力传感器、热电偶的输出或任何缓慢变化的传感器信号中。

系统设计人员虽然无法控制放大器的内部闪烁噪声，但是可以通过为应用选择合适的放大器来将这种噪声源降至最小。如果1/f噪声是个大问题，那么最佳解决方案是选择自动调零放大器或斩波放大器。在这两类架构中，1/f噪声在失调校正过程中被消除。该噪声源出现在输入端并且变化相对缓慢，因此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陷造成的。电子根据所施加的电压向一个方向移动形成电流。当电子遇到障碍(金属缺陷等)时，势能积聚，直至电子穿越障碍。

由于散粒噪声与电流有关，如果没有电流，那么就没有散粒噪声。散粒噪声呈高斯概率密度分布，且不受频率和温度影响。它与直流电流呈反比，因此电流越小意味着散粒噪声电压越大。要确定给定设计中散粒噪声是否是其中一个因素，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名字命名的。热噪声存在于所有有源和无源电路元件中。热使电子的运动加剧，造成运动出现随机性，产生噪声。正因如此，热噪声和散粒噪声类似，呈高斯概率密度分布，且不受频率影响。

热噪声存在于无源元件中。对于电阻，这可能尤其明显。因为电阻的热噪声取决于电阻的大小和温度。小型电阻的热噪声较小，且较低的温度也有助于降低热噪声。

4 运放的噪声规范

我们回顾了运放内存在的几种噪声源，这些噪声源均影响实际放大器的噪声规范。系统设计人员在选择运放时有较多选择。然而，在选择低噪声运放时，则必须考虑众多因素，包括放大器的电压和电流噪声以及在应用中如何使用放大器。

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规范。虽然这是一个重要的规范，但不是唯一的一个。通常，可能更关注电流噪声。输入电压噪声密度是在放大器的白噪声占主导地位(排除1/f噪声的影响)时给出的。电流噪声密度虽然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应用十分关键。我们来看看一个简单的示例——使用两个等效运放：Microchip的MCP621S和Texas Instruments的LMP7731。表1 重点列举了这两个放大器的一些关键规范。

这两个运放在失调性能、速度和工作电源范围方面相似。而另一方面，它们的噪声规范相差甚远。通常以电压噪声密度较低来宣传运放为低噪声。然而，电压噪声密度最低的运放，其噪声性能往往就是最佳的吗?

我们来看看一个简单的电压跟随器电路，如图1所示。

图1 简单的电压跟随器电路

实际进行电路设计时，必须考虑来自多种噪声源的噪声，包括IC的内部噪声、所有元件的热噪声以及外部噪声源。不过，本示例仅关注与放大器相关的噪声和输入电阻(此处表示为RIN)的热噪声。为了实验目的，指定的是该电阻在环境温度为25?C 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分量(因为该电流必须流经电阻才能产生电压误差)。同样，当阻抗为零时，输入电阻的热噪声也为零。在这种情况下，噪声主要是放大器的电压噪声;因此，LMP7731提供更好的性能，可从表2的第一列数据看出。

然而，如果源阻抗增加到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定义：

其中：VTH = 热噪声电压(Vrms)

k = 玻尔兹曼常数(1.38 x 10-23)

T = 温度(?K)

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因素，而MCP621S并非这样(见表2的第二列数据)。最后，当源阻抗增加到100 k?时，电阻热噪声成为MCP621S的主导因素。然而，对于LMP7731，放大器电流噪声成为主导因素(见表2的第三列数据)。

这个简单电路示例凸显了一个事实，即当针对给定应用分析放大器的噪声性能时，必须同时考虑放大器的电压噪声和电流噪声。对于高阻抗应用，比如酸度计或恒温振荡器，使用具有较低电流噪声的放大器至关重要，因为该噪声源会迅速成为主要噪声因素。