運(yùn)放噪聲如何簡(jiǎn)單、快速計(jì)算？詳解-KIA MOS管

本文主要分析運(yùn)放電路噪聲的組成，計(jì)算時(shí)的注意要點(diǎn)，并提供一個(gè)計(jì)算的小工具，讓噪聲計(jì)算簡(jiǎn)單化。

在運(yùn)放構(gòu)成的反向放大電路中，噪聲主要來(lái)源于以下三方面：

（1）運(yùn)放的輸入噪聲電壓(datasheet有數(shù)據(jù)曲線)

（2）運(yùn)放的輸入電流噪聲(datasheet有數(shù)據(jù)曲線)，需要流過(guò)電阻后轉(zhuǎn)換成電壓噪聲。

（3）設(shè)置放大倍數(shù)的電阻R1和Rf的熱噪聲，可通過(guò)下面公式計(jì)算

運(yùn)放噪聲的計(jì)算就是將這三個(gè)值一一求出來(lái)，由于這些噪聲是不相關(guān)的，它們的矢量和就是總噪聲，再乘上噪聲增益就可以得到輸出端的噪聲。

計(jì)算公式如下（第三個(gè)公式輸入可能有誤）：

我們將計(jì)算得來(lái)的輸入總噪聲加到理想運(yùn)放的正輸入端，就得到了運(yùn)放的噪聲模型，注意：一定是正輸入端哦！因此不管是同相放大電路還是反相放大電路對(duì)噪聲的增益均為G = 1 + Rf/R1。

如下圖：

上面說(shuō)了噪聲增益，還有一個(gè)重要的問題：噪聲帶寬！

datasheet中給的運(yùn)放噪聲參數(shù)一般為譜密度值，比如

也就是說(shuō)需要對(duì)其在噪聲帶寬中進(jìn)行積分才可以得到噪聲的RMS電壓值（有效值）。噪聲帶寬不同于信號(hào)的 -3dB帶寬。確切的說(shuō)是Brickwall濾波器的帶寬。

簡(jiǎn)單說(shuō)就是把實(shí)際的濾波器響應(yīng)曲線，在保證包含面積不變時(shí)轉(zhuǎn)化成理想低通濾波器時(shí)的帶寬。好在我們可以查表得到，N階濾波器的 –3dB帶寬與Brickwall濾波器的帶寬換算系數(shù)。

如下表：

介紹一種最簡(jiǎn)單的方法，直接通過(guò)運(yùn)放電路噪聲計(jì)算器，由Bruce Trump 設(shè)計(jì)的一個(gè)Excel表。這個(gè)Excel表格只需要在黃色的單元格輸入相應(yīng)參數(shù)，就可以輸出結(jié)果。

比如：只要輸入1/f 噪聲在特定頻率的值，以及平坦噪聲的值，就可以計(jì)算出不同頻率下的噪聲密度。輸入頻帶的起止頻率，就可以分析出這些頻帶內(nèi)各個(gè)噪聲的供需率。

或者計(jì)算同相放大電路的噪聲密度時(shí)，只需要輸入信號(hào)源電阻，運(yùn)放電壓噪聲，運(yùn)放電流噪聲，電阻值和溫度，就可以計(jì)算出輸出電路的噪聲密度，計(jì)算結(jié)果同樣給出貢需率，方便我們進(jìn)行噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)。

以上提到的運(yùn)放固有噪聲根據(jù)頻段的不同分為低頻的閃爍噪聲1/f ，以及后面的寬帶噪聲。

閃爍噪聲：頻譜密度圖并不平坦，通常說(shuō)了功率譜以1/f 的速率下降。

寬帶噪聲：頻譜密度圖較平坦的噪聲。

注意這個(gè)和呼嘯自激不同。

呼嘯自激是因?yàn)檩敵鲂盘?hào)經(jīng)過(guò)反饋回路后與輸入信號(hào)疊加，產(chǎn)生了正反饋的一種現(xiàn)象。是因?yàn)槭褂眠^(guò)程中，沒有處理好反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的相位關(guān)系產(chǎn)生的。屬于在布線以及應(yīng)用時(shí)考慮的問題。

而本文的噪聲是器件固有的，由器件本身特性產(chǎn)生。所以選型的時(shí)候就要考慮。

通過(guò)在運(yùn)放的輸出端接一個(gè)濾波器選擇噪聲的帶寬，即限帶，一般信號(hào)調(diào)理電路前端都會(huì)這樣，帶寬夠用就好。

TI運(yùn)放技術(shù)手冊(cè)有一個(gè)Current and Voltage Noise參數(shù)表，這是噪聲密度在頻譜上的分布情況，最終輸出噪聲水平與噪聲增益和帶寬成正向關(guān)系。電流噪聲最終也轉(zhuǎn)換成電壓噪聲，最終通過(guò)平方和開根號(hào)算出總噪聲。

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