采用面向低噪声的运放进行设计

市场经理BrianBlack

高级应用工程师GlenBrisebois

物理过程的现实使我们无法获得具有完美精度、零噪声、无穷大开环增益、转换速率和增益带宽乘积的理想运放。但是，我们期待一代又一代连续面市的放大器可比前一代的放大器更好。那么，低频噪声运放的下一步会怎么样呢?

图1 LT1028和LT6018积分电压噪声

嘈杂的噪声令人苦恼

但是，与针对某个给定频段选择具有最低电压噪声密度(en)的放大器相比，设计低噪声电路要复杂得多。如图2所示，其它噪声源开始起作用，不相干噪声源以平方根之和组合起来。

图2 运放电路噪声源

另外，运放还具有由流入和流出每个输入的电流引起的输入电流噪声(in-和 in+)。这些与它们流入的电阻(就in-来说为R1与R2的并联电阻，而就 in+而言则为R1与RS的并联电阻)相乘，凭借欧姆定律的“魔力”产生了电压噪声。往放大器里面看(如图3)，该电流噪声是由多个噪声源组成的。

图3 一个运放差分对中的相干和不相干噪声源

就宽带噪声而论，两个输入晶体管均具有与其基极相关联的点噪声(ini-和 ini+)，这些点噪声是不相干的。来自位于输入对尾部之电流源的噪声(int)还产生了在两个输入之间划分的相干噪声(在每个输入中为int/2β)。如果两个输入上承载的电阻相等，则每个输入上的相干电压噪声也是相等的，并且抵消(根据放大器的共模抑制能力)，因而留下的主要是不相干噪声。这在产品手册中被列为平衡电流噪声。如果两个输入上的电阻极大地失配，则相干和不相干噪声分量保留，而且电压噪声以平方根之和相加。这在有些产品手册中被列为不平衡噪声电流。

尽量降低电路噪声

那么，设计工程师要采取什么措施来最大限度地降低噪声呢? 对于处理电压信号，把等效电阻减小至低于放大器的中点电阻是一个很好的起点。对于许多应用来说，源电阻是由前面的电路级(通常是一个传感器)固定的，可以选择很小的增益和反馈电阻器。然而，由于反馈电阻器构成了运放负载的一部分，因此存在着因放大器输出驱动能力以及可接受之热和功率耗散量而产生的限制。除了输入所承载的电阻之外，还应考虑频率。总噪声包括在整个频率范围内进行积分的噪声密度。在高于(或许也包括低于)信号带宽的频率上对噪声进行滤波是很重要的。

在放大器的输入是一个电流的跨阻抗应用中，需要采取一种不同的策略。在该场合中，反馈电阻器的约翰逊噪声以其电阻值的一个平方根因子增加，但与此同时信号增益的增加则与电阻值成线性关系。于是，最佳的 SNR 利用运放的电压能力或电流噪声所允许的最大电阻来实现。

噪声和其它让人头疼的问题

噪声只是误差的一个来源，而且应在其它误差源的环境中考虑。输入失调电压(运放输入端上的电压失配)可被认为是DC噪声。它的影响虽可通过实施一次性系统校准得到显著的抑制，但是由于机械应力变化的原因，该失调电压会随着温度的起伏和时间的推移而改变。另外，它还随着输入电平(CMRR)和电源(PSRR)而变化。旨在消除由这些变量所引起之漂移的实时系统校准很快就变得既昂贵又不切实际。对于温度大幅波动的严酷环境应用，由于失调电压和漂移所致的测量不确定性会产生比噪声更强的主导作用。例如，单单因为温度漂移，一款具有5 μV/℃温度漂移性能指标的运放会在-40～85 ℃ 温度范围内经历一个625 μV的输入参考偏移。与之相比，几百纳伏的噪声就无关紧要了。

在此类高精度电路中，还必须谨慎地最大限度抑制热电偶效应，任何存在异类金属结点的场合都会出现该效应。甚至由不同制造商提供的两根铜导线之结点都会产生200 nV/℃的热电势，这比LTC2057的最差漂移高出13倍以上。在这些低漂移电路中，采用正确的PCB布局方法以匹配或尽量减少放大器输入通路中的结点数目，使输入和匹配结点紧靠在一起，以及避免产生热梯度是很重要的。

结 论