本文不研究運放的雜訊理論。ti的art kay有一系列分析運放雜訊的文章,鏈結為: (貌似沒用了?)
別急,還有人將其翻譯成中文了,叫「運算放大器電路固有雜訊的分析與測量(ti合集).pdf 」。
今天,我們主要分析運放電路雜訊的組成,計算時的注意要點,並提供乙個計算的小工具,讓雜訊計算簡單化。
(1)運放的輸入雜訊電壓(datasheet有資料曲線)運放雜訊的計算就是將這三個值一一求出來,由於這些雜訊是不相關的,它們的向量和就是總雜訊,再乘上雜訊增益就可以得到輸出端的雜訊。(2)運放的輸入電流雜訊(datasheet有資料曲線),需要流過電阻後轉換成電壓雜訊。
(3)設定放大倍數的電阻r1和rf的熱雜訊,可通過下面公式計算
計算公式如下(第三個公式應該打寫有誤,因為我沒看懂什麼意思,說是rms均方根雜訊值與vpp雜訊峰峰雜訊值直接的轉換,有內行的還請多多指教):
我們將計算得來的輸入總雜訊加到理想運放的正輸入端,就得到了運放的雜訊模型,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雜訊的增益均為g = 1 + rf/r1。如下圖:
上面說了雜訊增益,還有乙個重要的問題:雜訊頻寬!
datasheet中給的運放雜訊引數一般為譜密度值,比如
也就是說需要對其在雜訊頻寬中進行積分才可以得到雜訊的rms電壓值(有效值)。雜訊頻寬不同於訊號的 -3db頻寬。確切的說是brickwall濾波器的頻寬。簡單說就是把實際的濾波器響應曲線,在保證包含面積不變時轉化成理想低通濾波器時的頻寬。好在我們可以查表得到,n階濾波器的 –3db頻寬與brickwall濾波器的頻寬換算係數。如下表:
number of poles in filter
kn ac noise bandwidth ratio
11.57
21.22
31.16
41.13
51.12
看上去好麻煩(其實我壓根沒看懂。。。),別急還有更麻煩的就是:運放的輸入電壓雜訊和輸入電流雜訊是和頻率有關的,在極低頻率時(0.1hz—10hz)主要是1/f 雜訊,以後就是白雜訊。需要進行分段積分,在art kay的op-amp noise calculation and measurement.ppt(原文說google或ti官網有,但是我沒找到。不過找到乙個類似的,
以上提到的運放固有雜訊根據頻段的不同分為低頻的閃爍雜訊1/f ,以及後面的寬頻雜訊。
閃爍雜訊:頻譜密度圖並不平坦,通常說了功率譜以1/f 的速率下降。
寬頻雜訊:頻譜密度圖較平坦的雜訊。
注意這個和呼嘯自激不同。
呼嘯自激是因為輸出訊號經過反饋迴路後與輸入訊號疊加,產生了正反饋的一種現象。是因為使用過程中,沒有處理好反饋訊號與輸入訊號的相位關係產生的。屬於在佈線以及應用時考慮的問題。
而本文的雜訊是器件固有的,由器件本身特性產生。所以選型的時候就要考慮。
通過在運放的輸出端接乙個濾波器選擇雜訊的頻寬,即限帶,一般訊號調理電路前端都會這樣,頻寬夠用就好。
ti運放技術手冊有乙個current and voltage noise參數列,這是雜訊密度在頻譜上的分布情況,最終輸出雜訊水平與雜訊增益和頻寬成正向關係。電流雜訊最終也轉換成電壓雜訊,最終通過平方和開根號算出總雜訊。
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