將運放的輸入端接地,用示波器測量輸出,會出現(xiàn)在一定幅度內變化的雜亂無章的波形,這就是噪聲。不同的運放噪聲大小也不同,通常在nV~mV之間。在一些精密信號調理電路中,太大的噪聲會影響采樣準確度。比如在ADC采集信號時,如果運放輸出噪聲幅度大于1LSB,那么ADC的分辨率再高也無濟于事了。
為了準確評估運放和ADC的選型是否滿足設計需求,我們 需要對噪聲參數(shù)做詳細了解,并學會定量計算噪聲大小 。
01 噪聲電壓-電流密度
噪聲是由廣譜的、隨機發(fā)生的一系列信號疊加而成,其連續(xù)分布在各個頻率上。那我們怎么衡量噪聲大小呢?
假設頻率分別為f1和f2的兩信號疊加,有效值分別為u1和u2,那么合成信號的有效值為:(功率等效,切勿將電壓直接相加)
如果更多頻率信號疊加,計算方法如上,所以噪聲有效值等于各頻率分量平方和開根號,當△f足夠小時,我們可以寫出有效值和頻率的關系如下:
因此,在datasheet中,廠家通常會以噪聲電壓/電流的頻譜密度形式給出,如下圖所示:
02 噪聲帶寬
由于器件特性和電路分布參數(shù)的影響,任何電路都存在低通特性,即高于某一個頻率的信號會被大幅衰減,因此,對于噪聲的討論,也是在一定的帶寬范圍內才有意義。
噪聲帶寬BWn由運放電路帶寬Fh決定,和濾波器的階數(shù)有關,如下圖所示,濾波器的階數(shù)越高,噪聲帶寬越接近運放電路帶寬。
03 運放噪聲有效值
運放的噪聲分為閃爍噪聲和寬帶噪聲造成(也分別被稱為1/f噪聲和熱噪聲),前者的譜密度是頻率的倒數(shù)逐漸降低,后者的噪聲密度恒定。(可以參考上述的噪聲譜密度曲線圖)
本文以opa211運放為例,帶大家實際計算一遍,搭建一個如下所示的同相比例放大電路:
A、查閱OPA211 datasheet,電壓寬帶噪聲密度為1.1nV/√Hz,增益帶寬積是80MHz,則上述運放電路的帶寬為7.27Mhz,則噪聲帶寬BWn=7.27M*1.57=11.41MHz。
B、計算寬帶噪聲電壓有效值如下:
C、同理,計算得到寬帶電流噪聲為:
D、計算閃爍噪聲電壓有效值,對閃爍噪聲部分的面積做積分,其實頻率規(guī)定為0.1Hz,截止頻率為噪聲帶寬BWn。
先求解頻率1Hz時候的噪聲密度efnorm,直接從曲線讀取,或者從其他頻率點換算得到:
計算電壓閃爍噪聲如下:
E、電流的閃爍噪聲可以參考電壓計算,但是值很小,通常可以忽略不計。
04 電阻熱噪聲
電阻的熱噪聲是由于導體內部電子熱運動引起的一種白噪聲,其計算公式如下:
K是玻爾茲曼常數(shù),T為絕對溫度,R為電阻值,BWn為噪聲帶寬,我們計算常溫27°C下的電阻熱噪聲如下:
05 運放電路噪聲模型和輸出噪聲計算
運放電路總噪聲由電壓噪聲、電流噪聲和電阻噪聲共同組成,如下所示:
其中電流噪聲在R2和R1//Rf產生等效電壓噪聲un_i,需要注意的是,輸入噪聲經過運放后將被放大,因此輸出噪聲計算如下:
根據(jù)概率統(tǒng)計,99.9%以內的噪聲都在有效值的6.6倍以內,因此認為輸出噪聲的峰峰值為有效值的6.6倍。
06 噪聲計算軟件
上述的噪聲計算過程還是很復雜的,我們主要了解其原理就行,工程實踐中,我們直接使用計算工具即可。下面給大家介紹TI資深模擬工程師Bruce Trump開發(fā)的“FlickerNoise v1”,一款基于EXCEL的噪聲計算程序。
第一頁主要計算閃爍噪聲,根據(jù)datasheet的數(shù)值和帶寬,會自動計算出閃爍噪聲。
第二頁主要計算運放電路的輸出總噪聲,根據(jù)提示輸入電阻、溫度、噪聲密度等參數(shù)即可。需要注意的是最終得到的值仍是噪聲密度,單位為V/√Hz,因此需要乘以噪聲帶寬的根號,才得到輸出噪聲電壓。我們計算得到為78.16uV,和我們手動計算的值基本一致了。
07)多級放大電路噪聲計算
針對多級放大電路的噪聲計算,可以將電路拆分成一個個獨立的單元,前一級運放的輸出噪聲,作為后一級運放的輸入噪聲的一部分。需要注意的是,在計算本級運放的噪聲帶寬時,需要以后續(xù)所有單元中帶寬最小的,作為其等效帶寬。
因此,在一些多級聯(lián)的信號調理電路中,通常將濾波電路置后,目的就是為了降低整個鏈路的等效帶寬,從而降低總的輸出噪聲。
08)降低輸出噪聲的方法
對于信號或者電源干擾,這里就不贅述了,大家做好濾波和隔離基本就能避免,那如何降低運放電路本身的噪聲呢?結合運放噪聲的計算過程:
第一,盡量降低設計帶寬,這對于寬帶白噪聲的貢獻是巨大的;
第二,外部電阻盡量較小,降低電阻熱噪聲的影響(需要注意不能太小,通常百歐~幾K為佳);
第三,選擇噪聲密度較小的運放,可以從TI等官網(wǎng)的精密運算放大器欄目中挑選;
第四,多級信號放大時,盡量使第一級增益較高,且使用噪聲較低的運放,這是根本原則;
第五,濾波器通常置后,以降低所有單元的等效帶寬。
以上就是本期分享的所有內容啦,放大器很難,但也很有趣,小編在大學期間和放大器打交道比較多,工作之后就很少碰到放大器相關應用了,但一直保留著對放大器的熱愛,也希望各位同學能在這里有所學習。
-
示波器
+關注
關注
113文章
6240瀏覽量
184799 -
adc
+關注
關注
98文章
6496瀏覽量
544470 -
帶寬
+關注
關注
3文章
926瀏覽量
40913
發(fā)布評論請先 登錄
相關推薦
評論