低噪声放大器选择指南，实现最佳噪声性能

在评估放大器在低噪声应用中的性能时，必须同时考虑内部和外部噪声源。本应用笔记简要讨论了内部和外部噪声的基本原理，并确定了为低噪声设计选择最佳放大器的相关权衡。

外部噪声源

外部噪声包括任何类型的外部影响，例如外部组件和电气/电磁干扰。干扰被定义为任何不需要的信号以电压或电流的形式到达放大器的任何端子或在其相关电路中感应。它可以显示为尖峰、步进、正弦波或随机噪声。干扰可能来自任何地方：机械、附近的电源线、射频发射器或接收器、计算机，甚至是同一设备内的电路（即数字电路或开关式电源）。如果通过电路板的仔细设计和/或布局消除了所有干扰，则仍然可能存在与放大器及其电路元件相关的随机噪声。

必须考虑周围电路组件的噪声。在高于绝对零度的温度下，由于电荷载流子的热运动，所有电阻都充当噪声源，称为约翰逊噪声或热噪声。这种噪声随着电阻、温度和带宽的增加而增加。电压噪声如公式1所示。

其中：
Vn是电压噪声。
k 是玻尔兹曼常数 （1.38 × 10−23J/K）。
T 是以开尔文 （K） 为单位的温度。
B 是以赫兹 （Hz） 为单位的带宽。
R 是以欧姆 （Ω） 为单位的电阻。

电流噪声（与电流相关的噪声）如公式2所示

哪里：
我n是电流噪声。
k 是玻尔兹曼常数 （1.38 × 10−23J/K）。
T 是以开尔文 （K） 为单位的温度。
B 是以赫兹 （Hz） 为单位的带宽。
R 是以欧姆 （Ω） 为单位的电阻。

电阻

在本应用笔记中，电阻噪声仅限于热（约翰逊）噪声。为了保持此类噪声的低水平，电阻值应尽可能低，因为热（约翰逊）噪声的RMS电压与电阻值的平方根成正比。例如，1 kΩ电阻在室温下的热噪声为~4 nV/√Hz。

为了进行深入分析和低噪声设计，应考虑其他类型的电阻噪声，例如接触噪声和散粒噪声。以下是一些实用说明，在选择电阻器时应考虑这些注意事项。

选择最大实用功率电阻器，因为接触噪声随着材料体积的增加而降低。

选择低噪声电阻元件材料

由纯金属和/或金属合金组成的块状电阻元件具有低噪声特性。如 Vishay 散装金属箔技术电阻器（如 S102C、Z201）®

由金属合金组成的绕线技术电阻器具有与块状金属箔技术相似的噪声特性，但电感性要强得多。

金属膜技术电阻器作为薄膜比块状金属箔或绕线技术电阻器噪声更大，因为遮挡、表面缺陷和不均匀沉积会产生显著的噪声。

厚膜和碳成分电阻器是最嘈杂的电阻器。

电抗

电容器和电感器等电抗不会产生噪声，但通过电抗的噪声电流会产生噪声电压以及相关的寄生。

实用技巧

通过降低总元件电阻或限制电路带宽，可以降低电路的输出噪声。除非可以将电阻器做得很冷，否则降低温度通常不是很有帮助，因为噪声功率与绝对温度成正比，

电路中的所有电阻都会产生噪声。必须始终考虑产生的噪声的影响。实际上，只有输入和反馈路径中的电阻（通常在高增益配置中）可能对总电路噪声产生明显影响。噪声可以被认为是来自电流源或电压源（在给定电路中以更方便者为准）。

内部噪声源

放大器输出端出现的噪声通常以电压来测量。但是，它是由电压和电流源产生的。所有内部源通常都称为输入，即被视为与理想无噪声放大器的输入串联或并联的不相关或独立的随机噪声发生器（见图1）。由于这些噪声源被认为是随机的和/或表现出高斯分布行为，因此在对噪声源求和时要格外小心，如噪声源求和部分所述。

图1.运算放大器噪声模型。

如果电路中的两个或多个点（即输入偏置电流消除电路）出现相同的噪声，则两个噪声源是相关的噪声源，噪声分析中应包括相关系数因子。本应用笔记对相关噪声的进一步分析受到限制，因为典型的相关噪声源小于10%至15%，通常可以忽略不计。

内部放大器噪声分为四类：

折合到输入端的电压噪声

折合到输入端的电流噪声

闪烁噪声

爆米花噪音

折合到输入端的电压噪声和折合到输入端的电流噪声是放大器噪声分析最常用的规格。它们通常被指定为折合到输入端的频谱密度函数或Δf带宽中包含的均方根噪声，通常以nV/√Hz（电压噪声）或pA/√Hz（电流噪声）表示。之所以需要/√Hz，是因为噪声功率随带宽（Hz）的累积而增加，或者电压和电流噪声密度随带宽的平方根（√Hz）相加（参见公式1和公式2）。

折合到输入端的电压噪声

折合到输入端的电压噪声（en） 通常被视为噪声电压源。

电压噪声是通常强调的噪声规格;但是，如果输入阻抗水平较高，则电流噪声通常是系统噪声性能的限制因素。它类似于失调，其中输入失调电压通常承担输出失调的责任，而实际上偏置电流会导致输入阻抗较高的输出失调。

关于折合到输入端的电压噪声，请注意以下几点：

对于最高性能放大器，运算放大器电压噪声可低于1 nV/√Hz。

虽然双极性运算放大器传统上比FET运算放大器具有更低的电压噪声，但它们的电流噪声也大得多。

双极性放大器的噪声特性取决于静态电流。

当今的FET运算放大器能够获得与双极性放大器性能相似的低电流噪声和电压噪声，但不如最好的双极性输入放大器低。

折合到输入端的电流噪声

折合到输入端的电流噪声（in）通常被视为两个噪声电流源，通过两个差分输入端子泵送电流。

散粒噪声（有时称为肖特基噪声）是由于电流中电荷载流子随机分布而流过电位势垒（例如PN结）而产生的电流噪声。散粒噪声电流，in，从公式获得

其中：
IB是以安培 （A） 为单位的偏置电流。
q 是以库仑为单位的电子电荷 （1.6 × 10−19C).
B 是以赫兹 （Hz） 为单位的带宽。

简单双极性和JFET运算放大器的电流噪声通常在输入偏置电流散粒噪声的1 dB或2 dB范围内。该规格并不总是列在数据手册中。

关于折合到输入端的噪声，请注意以下几点：

OP27等典型双极晶体管运算放大器的电流噪声约为400 fA/√Hz，其中IB为10 nA，除偏置电流补偿放大器外，随温度变化不大。

JFET输入运算放大器（如AD8610）的电流噪声：I时为5 fA/√HzB= 10 pA），而更低，芯片温度每升高20°C，就会翻倍，因为JFET运算放大器偏置电流每升高10°C就会翻倍。

具有平衡输入的传统电压反馈运算放大器的反相和同相输入通常具有相等（相关和不相关）电流噪声。

许多放大器，尤其是那些带有输入偏置电流消除电路的放大器，其相关噪声分量比不相关噪声分量大得多。总体而言，可以通过增加一个阻抗平衡电阻（匹配正负输入引脚上的阻抗）来改善噪声。

闪烁噪声

运算放大器的噪声是高斯噪声，在很宽的频率范围内具有恒定的频谱密度（白噪声）。随着频率的降低，由于制造工艺、IC器件布局和器件类型，频谱密度开始上升，CMOS放大器的速率约为每倍频程3 dB，双极性放大器的速率为每倍频程3.5 dB至4.5 dB，JFET放大器的速率高达每倍频程5 dB。

这种低频噪声特性称为闪烁噪声或1/f噪声，因为噪声功率谱密度与频率（1/f）成反比。它在对数图上具有 −1 斜率。外推−3 dB/倍频程（对于CMOS型放大器）频谱密度线与宽带恒定频谱密度值相交的频率称为1/f转折频率，是放大器的品质因数（见图2）。双极性和JFET放大器的1/f转折频率通常低于CMOS放大器。

图2.频谱噪声密度。

爆米花噪音

爆米花噪声（未指定或宣传）是偏移电压或电流的突然变化，持续几毫秒，幅度从几微伏到数百微伏。这种突发或爆裂是随机的。低温和高源电阻通常会为爆米花噪音提供最有利的条件。虽然爆米花噪声的根本原因不是绝对的，但金属污染和硅晶格中的内部或表面缺陷都可能导致IC中的爆米花噪声。尽管在现代晶圆制造中已经做了大量工作来减少爆米花噪音的来源，但无法消除。对爆米花噪声的进一步分析超出了本应用笔记的范围。

对噪声源求和

如果噪声源不相关（即一个噪声信号不能转换为另一个噪声信号），则产生的噪声不是它们的算术和，而是它们的平方和的平方根。

其中：
VNI， 总计是参考输入的总噪声（RTI）。
en是折合到输入端的电压噪声。
In是折合到输入端的电流噪声。
RS是放大器的等效源或输入电阻。
Vn（R前任） 是来自外部电路的电压噪声。

请注意以下几点：

同相输入中的任何电阻都有约翰逊噪声，并将电流噪声转换为电压噪声。

反馈电阻中的约翰逊噪声在高电阻电路中可能很大。

图 3 直观地将等式 5 显示为使用勾股定理对向量求和。

Figure 3. Vector Summation of Noise Sources.

噪声增益

前面讨论的噪声可以分为放大器电路的参考输入（RTI）噪声。要计算放大器电路的总输出噪声，必须将输入端的总组合噪声乘以放大器电路的噪声增益。噪声增益是放大器电路对参考输入噪声的增益，通常用于确定放大器电路的稳定性。

为了简化噪声增益计算，图1所示简单放大电路中的噪声源可以减少到单个总RTI噪声源（Vni，TOTAL），如图4所示。通常的做法是将总组合RTI噪声与放大器的同相输入混为一谈。

哪里：
Vno，TOTAL是总参考输出（RTO）噪声。
Vni，总计是总参考输入（RTI）噪声

哪里：
GN是噪声增益。
R1是反馈等效阻抗。
R2是增益设置等效阻抗。

图4.简化放大器噪声电路。

在某些情况下，噪声增益和信号增益并不等效（见图5）。请注意，闭环带宽是通过将增益带宽积（或单位增益频率）除以放大器电路的噪声增益来确定的。

图5.信号增益与噪声增益的关系

情况1：在同相配置中，信号增益和噪声增益均等于1 + R1/R2.

情况2：在反相配置中，信号增益等于−（R1/R2），但噪声增益仍等于 1 + R1/R2.

选择低噪声运算放大器

如果运算放大器由源电阻驱动，则等效噪声输入将成为放大器电压噪声、源电阻产生的电压和放大器电流噪声流过源阻抗引起的电压之和的平方根。

对于极低的源电阻，源电阻和放大器电流噪声产生的噪声对总噪声的贡献不大。在这种情况下，输入端的噪声实际上只是运算放大器的电压噪声。

如果源电阻较高，源电阻的约翰逊噪声可能同时主导运算放大器电压噪声和电流噪声引起的电压。但是，请注意，由于约翰逊噪声仅随电阻的平方根而增加，而电流噪声引起的噪声电压与输入阻抗成正比，因此放大器的电流噪声始终在足够高的输入阻抗值下占主导地位。当放大器的电压和电流噪声足够高时，可能没有约翰逊噪声占主导地位的输入电阻值。

通过使用品质因数RS， OP、运算放大器。它可以通过使用放大器的噪声规格来计算。

哪里：
en是折合到输入端的电压噪声。
我n是折合到输入端的电流噪声。

图6显示了ADI公司多个高压（高达44 V）运算放大器与R的电压噪声密度比较S， OP在 1 kHz 时。对角线绘制了与电阻相关的约翰逊噪声。

图6.ADI公司运算放大器噪声图。

可以根据运算放大器数据手册中的数据为所选频率构建类似类型的图形（见图8）。例如，AD8599在1 kHz时折合到输入端的电压噪声为07.2 nV/√Hz，折合到输入端的电流噪声为3.1 pA/√Hz。R型S， OP在 465 kHz 时约为 ~1 Ω。此外，请注意以下事项：

与该器件相关的约翰逊噪声相当于约69.6 Ω的源电阻（见图6）。

对于高于~465 Ω的源电阻，放大器电流噪声产生的噪声电压超过源电阻贡献的噪声电压;放大器的电流噪声成为主要的噪声源。

若要使用该图形（请参阅图 7），请按照步骤 1 到步骤 4 进行操作。

通常，源电阻是已知的（例如传感器阻抗）。如果电阻未知，请根据周围或前面的电路元件进行计算。

在约翰逊噪声线上找到给定的源电阻，例如1 kΩ。

从步骤 2 中位于绘图右侧的点创建一条水平线。

从步骤 2） 中的点向下和向左创建一条线，方法是每 <> 个电阻降低一个十倍频程的电压噪声。

线路下方和右侧的任何放大器都是适合设计的低噪声运算放大器，如图7中的灰色阴影所示。

图7.选择用于低噪声设计的运算放大器。

对于图7所示的示例，以下器件非常适合本设计：AD8597、AD8599、AD797、ADA4075-2、ADA4004、OP270、OP27/OP37、AD743/AD745和OP184。

结论

在评估放大器的低噪声设计噪声性能时，请考虑所有潜在的噪声源。

运算放大器的关键噪声贡献取决于源电阻，如下所示：

RS>>·S， OP;折合到输入端的电流噪声占主导地位。

RS= RS， OP;放大器噪声和电阻噪声相等

RS<<·S， OP;折合到输入端的电压噪声占主导地位。

总之，减少或消除干扰信号

适当的布局技术以减少寄生效应。

正确的接地技术，例如隔离数字和模拟接地。

适当的屏蔽。

对于电阻噪声源，请使用以下规则：

将带宽限制为仅必要的带宽。

尽可能降低电阻值。

使用低噪声电阻器，例如块状金属箔、绕线和金属膜技术电阻器。

尽可能减少电阻噪声源的数量。

使用图8和图9，根据本应用笔记中所述的标准选择ADI公司的低噪声放大器。

图8.ADI公司的低输入电压噪声放大器选型表

图9.ADI公司的低输入电流噪声放大器选型表。

审核编辑：郭婷