運算放大器雜訊——同相放大電路

作者: Bruce Trump

以之前對電阻雜訊的討論為基礎,這次讓我們一起學習放大器雜訊的一些基本知識。對於低雜訊應用來講,同相放大電路是最常見的,因此本文將主要探討同相運算放大器…

以之前對電阻雜訊的討論為基礎,這次讓我們一起學習放大器雜訊的一些基本知識。對於低雜訊應用來講,同相放大電路是最常見的,因此本文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的雜訊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)。低雜訊放大器的設計目標是在電阻引入雜訊的基礎上,盡可能少地引入運算放大器附加的雜訊。

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如圖1所示,放大器雜訊的等效模型為在一個輸入端串聯一個電壓雜訊,同時在兩端分別連接一個電流雜訊源。把電壓雜訊看作失調電壓的時變元件。同樣,電流雜訊是輸入偏置電流的時變元件,在每個輸入端各有一個。由於總能將反相輸入端的電流雜訊值降到最低,因此本文將忽略它。

圖2提供了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雜訊的曲線。在25℃的時候,兩條曲線均與源電阻的雜訊成比例關係。對每個運算放大器而言,都透過平方和的均方根的方式來對三種雜訊源進行求和,你也許會在某些運算放大器的資料手冊上看到這樣的圖形。

當源電阻阻值減小時,它的詹森雜訊隨之減小(由阻值平方根值的倒數決定),在一定程度上,放大器的雜訊電壓將起主導作用,總的雜訊將等於放大器的電壓雜訊。當源電阻阻值增加時,流過源電阻的電流雜訊將線性增加,而且會增加很快且最終會超過源電阻的雜訊。因此當源電阻阻值很高時,電流雜訊將會起主導作用。

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當源電阻值為2kΩ或者更低時,低雜訊放大器的設計會遇到最大的挑戰。較低的源電阻雜訊就要求放大器有很低的雜訊電壓,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的總雜訊與源電阻雜訊幾乎相等,源阻最佳雜訊性能發生在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雜訊。只有當源電阻阻值達到幾GΩ的時候,FET運算放大器的電流雜訊才會產生影響。可以遵循以下準則:當源電阻阻值小於10kΩ時,低雜訊的BJT放大器會產生較低的雜訊;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。

回饋網路中的R1和R2也會產生一定的雜訊,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,它們將僅僅使總雜訊的值產生小於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,回饋網路中元件的雜訊被設定為零。

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,雜訊性能很好。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?

(參考原文: Op Amp Noise—the non-inverting amplifier,by Bruce Trump)

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