市場經(jīng)理BrianBlack

高級應用工程師GlenBrisebois

物理過程的現(xiàn)實使我們無法獲得具有完美精度、零噪聲、無窮大開環(huán)增益、轉(zhuǎn)換速率和增益帶寬乘積的理想運放。但是，我們期待一代又一代連續(xù)面市的放大器可比前一代的放大器更好。那么，低頻噪聲運放的下一步會怎么樣呢?

圖1 LT1028和LT6018積分電壓噪聲

嘈雜的噪聲令人苦惱

但是，與針對某個給定頻段選擇具有最低電壓噪聲密度(en)的放大器相比，設計低噪聲電路要復雜得多。如圖2所示，其它噪聲源開始起作用，不相干噪聲源以平方根之和組合起來。

圖2 運放電路噪聲源

另外，運放還具有由流入和流出每個輸入的電流引起的輸入電流噪聲(in-和 in+)。這些與它們流入的電阻(就in-來說為R1與R2的并聯(lián)電阻，而就 in+而言則為R1與RS的并聯(lián)電阻)相乘，憑借歐姆定律的“魔力”產(chǎn)生了電壓噪聲。往放大器里面看(如圖3)，該電流噪聲是由多個噪聲源組成的。

圖3 一個運放差分對中的相干和不相干噪聲源

就寬帶噪聲而論，兩個輸入晶體管均具有與其基極相關聯(lián)的點噪聲(ini-和 ini+)，這些點噪聲是不相干的。來自位于輸入對尾部之電流源的噪聲(int)還產(chǎn)生了在兩個輸入之間劃分的相干噪聲(在每個輸入中為int/2β)。如果兩個輸入上承載的電阻相等，則每個輸入上的相干電壓噪聲也是相等的，并且抵消(根據(jù)放大器的共模抑制能力)，因而留下的主要是不相干噪聲。這在產(chǎn)品手冊中被列為平衡電流噪聲。如果兩個輸入上的電阻極大地失配，則相干和不相干噪聲分量保留，而且電壓噪聲以平方根之和相加。這在有些產(chǎn)品手冊中被列為不平衡噪聲電流。

盡量降低電路噪聲

那么，設計工程師要采取什么措施來最大限度地降低噪聲呢? 對于處理電壓信號，把等效電阻減小至低于放大器的中點電阻是一個很好的起點。對于許多應用來說，源電阻是由前面的電路級(通常是一個傳感器)固定的，可以選擇很小的增益和反饋電阻器。然而，由于反饋電阻器構成了運放負載的一部分，因此存在著因放大器輸出驅(qū)動能力以及可接受之熱和功率耗散量而產(chǎn)生的限制。除了輸入所承載的電阻之外，還應考慮頻率?？傇肼暟ㄔ谡麄€頻率范圍內(nèi)進行積分的噪聲密度。在高于(或許也包括低于)信號帶寬的頻率上對噪聲進行濾波是很重要的。

在放大器的輸入是一個電流的跨阻抗應用中，需要采取一種不同的策略。在該場合中，反饋電阻器的約翰遜噪聲以其電阻值的一個平方根因子增加，但與此同時信號增益的增加則與電阻值成線性關系。于是，最佳的 SNR 利用運放的電壓能力或電流噪聲所允許的最大電阻來實現(xiàn)。

噪聲和其它讓人頭疼的問題

噪聲只是誤差的一個來源，而且應在其它誤差源的環(huán)境中考慮。輸入失調(diào)電壓(運放輸入端上的電壓失配)可被認為是DC噪聲。它的影響雖可通過實施一次性系統(tǒng)校準得到顯著的抑制，但是由于機械應力變化的原因，該失調(diào)電壓會隨著溫度的起伏和時間的推移而改變。另外，它還隨著輸入電平(CMRR)和電源(PSRR)而變化。旨在消除由這些變量所引起之漂移的實時系統(tǒng)校準很快就變得既昂貴又不切實際。對于溫度大幅波動的嚴酷環(huán)境應用，由于失調(diào)電壓和漂移所致的測量不確定性會產(chǎn)生比噪聲更強的主導作用。例如，單單因為溫度漂移，一款具有5 μV/℃溫度漂移性能指標的運放會在-40～85 ℃ 溫度范圍內(nèi)經(jīng)歷一個625 μV的輸入?yún)⒖计?。與之相比，幾百納伏的噪聲就無關緊要了。

在此類高精度電路中，還必須謹慎地最大限度抑制熱電偶效應，任何存在異類金屬結點的場合都會出現(xiàn)該效應。甚至由不同制造商提供的兩根銅導線之結點都會產(chǎn)生200 nV/℃的熱電勢，這比LTC2057的最差漂移高出13倍以上。在這些低漂移電路中，采用正確的PCB布局方法以匹配或盡量減少放大器輸入通路中的結點數(shù)目，使輸入和匹配結點緊靠在一起，以及避免產(chǎn)生熱梯度是很重要的。

結 論