采用面向低噪聲的運放進行設計

市場經理BrianBlack

高級應用工程師GlenBrisebois

物理過程的現實使我們無法獲得具有完美精度、零噪聲、無窮大開環增益、轉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的并聯電阻，而就 in+而言則為R1與RS的并聯電阻)相乘，憑借歐姆定律的“魔力”產生了電壓噪聲。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動能力以及可接受之熱和功率耗散量而產生的限制。除了輸入所承載的電阻之外，還應考慮頻率。總噪聲包括在整個頻率范圍內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。

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境中考慮。輸入失調電壓(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境應用，由于失調電壓和漂移所致的測量不確定性會產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 ℃ 溫度范圍內經歷一個625 μV的輸入參考偏移。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目，使輸入和匹配結點緊靠在一起，以及避免產生熱梯度是很重要的。

結 論