运算放大器电路的噪声分析和设计

赵俊俊

（第七一五研究所，浙江杭州，311101）

1 反相放大电路的噪声分析

1.1 总输入噪声谱密度计算

在传统的运算放大器中，其中噪音主要由三个等级的来表示，主要是谱密度为e。的电压源，还有谱密度为K的电流源以及同中类型的谱密度为0的电流源，并且，在一定的特殊情况中，电路图中的电阻也会产生一些比较低的噪音。而在这四种噪音的效果叠加的基础上，在与放大器的噪声增幅度相乘就可以算出反放大器电路图中的总噪音。在这里反相放大电路,噪声增幅度为：

散粒噪声通常定义为这个平均值变化量的均方值,记为∶

电压噪声源或电流噪声源的均方值分别记为∶

其中,露为波尔兹曼常数,r为绝对温度,Af 为噪声带宽。将上述各项相加可得总输入噪声谱密度为

1.2 总输出噪声计算

噪声的有效值与噪声谱密度关系为∶

对于运算放大器,其噪声是由白噪声和噪声叠加而成的网。高频部分与低频部分起到作用的分别是白噪声与噪声。

2 低噪声运放放大电路的设计原则

首先,我们分析输入噪声谱密度的各个组成 部分对最终结果的影响,具有对称输入端和不相关噪声电流的运算放大器,为了便于计算,取R2=R3,则公式化简为

放输入频谱噪声e及它的三个单独分量关于的函数曲线。观察发现,电压噪声项e与R无关,电流噪声项随着的增加以1.0dec/dec的速率增加,R的增加以0.5dec/dec的速率增加。

当R值足够小时,电压噪声起主要作用,R值足够大时,电流噪声起主要作用,尺值居中时,热噪声也会起作用,取决于相对于其他两相的幅度。热噪声在A点超过电压噪声,电流噪声在日点超过电压噪声,电流噪声在C点超过热声。A,B,C的相对位置对于不同的运算放大器是不相同的,可根据该性质选用不同器件。通常,为了补偿偏置电流,而该电阻会产生额外的热噪声,可以采用一个大电容与冠,并联的方法来滤除相应的热噪声。根据以上分析可知,在低噪声设计中需要主要以下几点∶（1）选择具有低噪声电平、低噪声电流及低转 角频率的运算放大器;（2）首先需要保持运算放大器中电路中的电阻达到一定的标准，从而就可以有效的使得电流噪声和热噪声比较小，相比较其他的噪音而言就可以完全的忽略不计。（3）然后需要把噪声的增幅度严格限制在放大器电路的最小电流上，形成其正常的运转。（4）此外,电路的布线也是也是影响运算放大器出现问题的重要因素,所以在布线的时候一定要严格的按照图纸中的标准来进行。在布线的时候需要注意的是运算放大器的电路中的输入信号回路的正确布线，使其完全的接地。

3 数据验证

前文推导了运放放大电路输出噪声的计算公式,下面列举一个典型的例子,计算路输出噪声,同时采用PSpice软件仿真的方法计算,验证两种方法计算结果的一致。运算放大器连接成反相放器。

4 运算放大器电路的设计原理

集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻以及低输出电阻的多级直接放大电路，对于整体的噪音有着一定的控制。集成运算放大器的类型比较多样化，所以放大器电路相比较其他运算放大器有着一定的不同，但是从结构方面来看，集成运算放大器与其它运算放大器一样具有一定的共同之处，集成运算器的输入级一般是由BJT或者MOSFET组成的存在一定程度的差距的放大电路，从而在集成运算器中加大了两者之间的对称性，从而使得整个电路的模式以及功能有着一定的改进。而集成运算放大器电路中的电压也是一种呈放大级的形式的存在，其主要的作用是提高电路中整体的电压幅度，其的组成不仅仅是由一级电路的，同时也有多级电路的存在，这也极大的方便了其完美的运用自身拥有的功能，更大程度的使得自身的功能得到发挥。

从常规运放符号看，除了输入、输出3个端子，正常工作时还需供电两个端子，这样一来，运放电路其实是个五端元件了。输入端+、－的标记是依据两输入端与OUT端相互影响的电压变化趋势来规定的，若令IN+端接地（或施加固定不变之电压），信号从IN-端进入，输入电压升高时，输出电压是降低的，呈反相关系，则为反相放大器；反之，当信号从IN+端进入，输入电压与输出电压变化则是同步的，则为同相放大器。

运放电路的典型供电电压为±15V，其输出级电路为NPN和PNP三极管构成的电压互补式放大器，Q1的c极接+15V，Q2的c极接－15V。±15V电源的公共地（+15V电源的负端）即为信号地（即0V基准），此后所指输入电压、输出电压的高低，均指针对信号地而言。为了图面简洁，将前级电路的供电省略掉。

我们先来从比较特性来出发，规定输入端IN+、IN-与输出级Q1、Q2的对应关系：

IN+对应Q1，当IN+IN-时，Q1导通，使OUT输出电压往+15V上靠拢；

IN－对应Q2，当IN－IN+时，Q2导通，使OUT输出电压往－15V上靠拢。

运放电路有着其自身独有的倍数无穷放大的特征，所以在运放电路的状态处于一种开环状态的时候，只要IN－和IN+之间略有电位差，其输出电压即要么接近+15V，要么接近-15V。输出只有高、低电平，而无其它结果，这说明开环时，运放变身为比较器身份，而出离放大器区域了。

5 总结

对于运算放大器的设计本文主要是以集成放大器为例，集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻以及低输出电阻的多级直接放大电路，对于整体的噪音有着一定的控制。集成运算放大器的类型比较多样化，所以放大器电路相比较其他运算放大器有着一定的不同。