運算放大器雜訊——回饋會有什麼影響?

作者: Bruce Trump

在之前的系列文章中,研究了同相放大器的雜訊,但是忽略了回饋網路帶來的雜訊問題。一位讀者向我提出疑問,並希望得到更多詳細資訊…事實上,反相輸入端帶來的雜訊包含回饋電阻的熱雜訊和運算放大器的電流雜訊在回饋電阻上引起的電壓雜訊,這些雜訊源在輸出端帶來的雜訊可以使用下列幾個運算放大器最基本的知識來估計…

之前的系列文章中,我們研究了同相放大器的雜訊:《運算放大器雜訊——同相放大電路》,但是我忽略了回饋網路帶來的雜訊問題。一位讀者向我提出疑問,並希望得到更多詳細資訊。那麼,在圖1中R1和R2帶來的雜訊是多少呢?

 

反相輸入端帶來的雜訊包含回饋電阻的熱雜訊和運算放大器的電流雜訊在回饋電阻上引起的電壓雜訊。這些雜訊源在輸出端帶來的雜訊可以使用下列幾個運算放大器最基本的知識來估算:

·R1的熱雜訊電壓透過電路的反相增益-R2/R1放大到輸出端;

·R2帶來的熱雜訊直接輸出到運算放大器的輸出端;

反相輸入端的電流雜訊流過R2,在運算放大器的輸出端帶來IN*R2的雜訊。

這些雜訊源是不相關的,所以它們可以平方根的方式求和。

但是有更直觀的方法來看待這個問題。如果這些雜訊源都是在運算放大器的同相輸入端將會非常方便。輸出雜訊除以同相放大增益,這種歸類到輸入端(RTI)的方法可以方便地比較雜訊源和輸入訊號。

反相輸入端的雜訊與R1和R2的並聯值有關。當歸類到同相輸入端時, R1和R2疊加起來的熱雜訊歸類到輸入端(RTI)雜訊等於R1和R2並聯電阻的熱雜訊。反相輸入端的電流RTI雜訊等於IIN*(R1||R2)。這些都與R1||R2相關。

 

這個結果揭示了一個重要的低雜訊設計因素。使(R1||R2)<< RS, R1和R2的RTI雜訊可以忽略。如果(R1||R2)等於RS,回饋網路帶來的雜訊與訊號源輸出阻抗的雜訊相同。對於一些設計來說,這個雜訊可能太大了。

在高增益時,可以很容易地得到較低的並聯電阻,R1可以遠小於RS且R2可以很大;在中等增益時,要得到較低的並聯電阻變得較難。增益為2(R1等於R2時)是最差的情況。舉個例子,如果你希望得到100歐姆的並聯電阻,R1和R2需要為200歐姆。

回饋網路給運算放大器帶來了一個400歐姆的負載,在大多數情況下,這個負載電阻值太小了。當R1大而R2小的時候,可以比較容易地讓增益接近1。這種情況並不多見,因為你通常希望在低雜訊的第一級得到較大的增益。

注意一個常見問題,R2變大時,輸出雜訊並沒有增加。如果透過增加R2,減少R1來得到更高的增益,此時並聯電阻不變,雜訊將會保持不變。

可以下載一個Excel檔來估算這種普遍在運算放大器輸入級存在的雜訊,包括運算放大器和訊號源阻抗雜訊。它能夠估算出每個雜訊源所佔的比列並且畫出在一定訊號源阻抗範圍內的總雜訊曲線,還能計算出由運算放大器電路雜訊疊加到訊號源熱雜訊上而產生的雜訊係數(dB)。這是個運算放大器雜訊性能分析的便利工具。利用這種方工具不斷修改你的電路,將很快地找到存在的問題並且做一些權衡。

(參考原文: Op Amp Noise—but what about the feedback?,by Bruce Trump)

發表評論