THS1206M高速运算放大器的噪声分析：原理、计算与应用

 

在当今电子系统中，随着系统带宽的不断增加，准确估算信号通道中每个元件的噪声贡献变得愈发重要。作为电子工程师，我们在设计高速运算放大器（Op Amp）电路时，常常会面临噪声计算和分析的挑战。本文将深入探讨高速运算放大器的噪声分析，包括基本原理、计算方法以及实际应用案例。

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噪声分析基础

随机噪声的本质

几乎所有电路元件都会产生随机电噪声，它既可以表现为电流噪声，也可以是电压噪声。我们通常从频域角度来分析噪声，将其视为一种频率现象，然后结合噪声密度曲线的形状和噪声功率带宽分析，将其转换到时域。

运算放大器噪声的两种视角

一种有用的观点是将输入电压和电流噪声分别看作输入失调电压和偏置电流的时变分量。我们从频域到时域进行分析，从而获得预测时变分量幅度的工具。这里我们只考虑元件自身产生的随机电噪声，而忽略其他噪声源，如通过电源传导的噪声、辐射发射拾取（EMI）、系统振动引起的微音效应以及寄生振荡等。

运算放大器噪声模型

噪声分析电路

为了进行噪声分析，我们从一个基本的分析电路开始。该电路包含运算放大器的三个等效输入噪声项和三个电阻噪声项。任何特定的运算放大器应用电路通常都可以简化为这个基本电路。需要注意的是，电阻的约翰逊噪声可以表示为电流或电压，为了简化后续计算，分析电路对不同电阻采用了不同的表示形式。

噪声源的频率响应

图中所示的噪声电压和电流源被视为具有自身频率响应的点源。例如，运算放大器的输入电压噪声 $E_{NI}$ 通常会在低频时由于 $1/f$ 噪声效应而增加。对于双极型输入级，两个输入电流噪声项在低频时也会增加；而JFET输入级在低频时具有非常低且恒定的点输入噪声电流，但在高频时噪声会增加。

电流反馈和电压反馈运算放大器的差异

高速电流反馈运算放大器（如OPA695）和电压反馈运算放大器（如OPA655）的一个关键区别在于，电流反馈拓扑的两个输入显示出不相等的偏置和噪声电流。而电压反馈运算放大器的两个输入电流噪声项通常相等。

计算运算放大器的总输出点噪声

电阻噪声特性

通常，电阻噪声项在频率上具有恒定的噪声电压（或电流）密度。除了约翰逊噪声外，电阻噪声在低频时还会有额外的增加，这取决于电阻两端的直流电压。不同类型的电阻，如碳合成电阻、金属膜电阻和线绕电阻，其低频噪声特性各不相同。在本次讨论中，我们将电阻噪声密度视为频率上的平坦噪声（白噪声）。

总输出点噪声电压的计算

首先，我们计算总输出点噪声电压 $E_{O}$。每个噪声源在输出端的贡献是该源在特定频率下的值乘以其在该频率下的增益。如果所有噪声电压和电流源不相关，它们的功率在输出端代数相加。因此，总输出点噪声功率是每个项贡献的噪声功率之和，取其平方根即可得到总输出点噪声电压。

噪声增益的计算

通过叠加原理，我们可以找到每个电压或电流噪声项到输出的增益。以噪声增益 $GN = (1 + RF/RG)$ 为例，我们可以计算出每个噪声项的增益，并将其代入总输出点噪声电压的计算公式中。

计算运算放大器的总等效输入点噪声电压

输入参考噪声的概念

总等效输入点噪声电压是通过将总输出点噪声表达式输入参考得到的。它不是运算放大器本身的输入点电压噪声，而是一个抽象的概念。将总输出点噪声除以从所需信号输入点到输出的增益，即可得到输入参考的总点输出噪声。

降低输出噪声的方法

从公式可以看出，一旦 $E{NI}$、$I{B}$ 和 $G{N}$ 确定，通过减小 $R{F}$（以及相应的 $R{G}$ 和 $R{S}$ 以获得所需的增益和源匹配）可以降低输出噪声。但这种方法受到反馈网络增加的负载和电流反馈运算放大器稳定性的限制。

将点噪声转换为积分噪声

积分噪声的计算原理

点噪声在频率上的分布是比较有用的，但实际系统中需要将点噪声转换为某个带宽内的噪声。积分噪声的计算是将感兴趣的频率范围内的所有噪声功率相加。由于噪声只能以功率形式代数相加，所以我们先对噪声电压进行平方积分，然后再取平方根转换回电压。

频率响应的影响

计算输出积分噪声时，需要考虑两个与频率相关的部分：输入点噪声项本身的频率响应以及该项到输出的增益的频率响应。需要注意的是，从频率为 0 开始计算是不可行的，并且需要确定合适的高频限制。

噪声功率带宽（NPB）的确定

通常，系统会在检测阶段之前设置一个带宽限制，这个带宽限制就是系统的噪声功率带宽（NPB）。对于单极点低通滤波器，$NPB = (\frac{\pi}{2} \cdot F_{-3 dB})$ Hz。通过计算 NPB，我们可以简单地计算积分噪声。

从 RMS 噪声到峰值电压的转换

将积分噪声从频域描述转换到时域后，我们可以将 RMS 噪声电压转换为峰值电压。通常使用 $6 \cdot V_{RMS}$ 来得到一个很少被超过的 $VPP$ 限制。

计算噪声系数

噪声系数的定义

噪声系数是 RF 和 IF 放大器常用的噪声描述指标，定义为输入信号/噪声比与输出信号/噪声比的对数。对于运算放大器，由于输入终端由用户设置，其噪声系数的计算相对复杂。

非反相和反相配置的噪声系数

我们分别推导了非反相和反相配置下运算放大器的噪声系数公式。对于非反相配置，通过设置不同的输入终端电阻 $R_{T}$，可以得到不同的噪声系数表达式。一般来说，降低运算放大器的输入参考电压噪声可以降低噪声系数。对于反相配置，其噪声系数的计算更为复杂，但在某些情况下，反相配置的噪声系数可能低于非反相配置。

实际应用案例

宽带电流反馈运算放大器在 IF 放大器中的应用

以 OPA695 为例，我们将其应用于一个 I/O 阻抗匹配到 50Ω、增益为 10dB 的 IF 放大器中。通过计算总输出点噪声、输入参考电压噪声、噪声功率和噪声系数，我们可以评估该放大器的噪声性能。

电压反馈运算放大器在低频脉冲放大器中的应用

以 OPA655 为例，我们将其应用于一个直流耦合的时域脉冲放大器中。考虑到 1/f 噪声效应，我们计算了等效平坦带噪声、总输出点噪声和积分噪声。结果表明，在这个相对有限的频率范围内，1/f 噪声区域的贡献可以忽略不计。

总结

一旦推导出运算放大器的完整输出点噪声方程，就可以得到其他描述或简化形式。该方程对于理解噪声测量的实际情况非常重要。在实际设计中，我们可以忽略某些噪声源的频率响应，特别是在后续有带宽限制滤波器的情况下。低频 1/f 效应可以通过计算等效白噪声源来处理。通过本文中推导的公式，我们可以预测运算放大器的噪声系数。在进行噪声分析时，我们应该先考虑所有噪声项，然后根据实际情况适当忽略不重要的项。

你在实际设计中是否遇到过类似的噪声问题？你是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。