ZHCADY1 February 2024 OPA182 , OPA186 , OPA187 , OPA188 , OPA189 , OPA333 , OPA387 , OPA388

7 放大器固有噪声

选择最佳的斩波放大器以及相关的反馈网络对整体放大器噪声具有重大影响。该理论适用于斩波放大器和传统放大器，也作为后续各部分讨论的相关背景信息。如需了解固有噪声的全部内容，请参阅放大器高精度实验室。

固有噪声是指电路组件本身产生的噪声。放大器会产生数据表中所述的固有电压噪声和电流噪声。通过仿真或计算可以准确预测放大器的总 RMS 固有噪声。但是，反馈网络和源阻抗中使用的电阻器也会产生固有噪声。此噪声可用热噪声公式算出。

方程式 7.

e_{n} = \sqrt{4 k T R}

其中

e_n - 电阻器产生的噪声密度 (nV/ $\sqrt{Hz}$ )

k - 玻尔兹曼常数 1.38 × 10^–23 J/K

R - 电阻，单位为欧姆

T - 绝对开氏温度 (K)： T_K = T_C + 273.15

如方程式 8 所示，使用“平方和开平方根”方法将两个不相关的噪声源相加。将两个噪声源相加时，如果较大噪声源幅度至少是较小噪声源幅度的三倍，则认为这两个噪声源中较小的一个噪声源无足轻重。例如，将
3nV/ $\sqrt{Hz}$ 噪声源与 1nV/ $\sqrt{Hz}$ 噪声源相加得出的总噪声约为 3.2nV/ $\sqrt{Hz}$ ，因此 1nV/ $\sqrt{Hz}$ 噪声源无足轻重 ( $\sqrt{{(3.0 n V / \sqrt{H z})}^{2} + {(1.0 n V / \sqrt{H z})}^{2}} = 3.2 n V / \sqrt{H z}$ )。

方程式 8.

e_{n T o t a l} = \sqrt{{(e_{n 1})}^{2} + {(e_{n 2})}^{2}}

其中

e_nTotal - 合并 e_n1 和 e_n2 所产生的总噪声

e_n1、e_n2 - 两个不相关的随机噪音源

一个放大器电路的噪声模型如图 7-1 所示。该放大器具有一个电压噪声源和多个电流噪声源。该放大器的数据表中指明了这些噪声源。CMOS 放大器中的电流噪声源通常非常低 (I_bn < 100fA/ $\sqrt{Hz}$ )，在大多数应用中可以忽略不计。不要将电流噪声源与斩波校准生成的电流瞬态相混淆。这些瞬态会产生噪声，在节 8中对此进行了讨论。除了放大器噪声源外，每个电阻器都有一个相关的噪声源（由方程式 7 定义）。

图 7-1 放大器噪声模型

对于等效电路，请注意放大器电压噪声源位于同相输入端。源阻抗产生的任何噪声也位于同相输入端，并用“平方和开平方根”方法相加（方程式 8）。此外，来自反馈网络的噪声可以作为 R_f 和 R_g 的并联组合反映到同相输入端。

从噪声的角度来看，当总噪声大约等于放大器噪声时，通常认为电路已优化。‌此处思路是您不希望选择能够实现出色噪声特性的放大器，而是使用在总噪声中贡献最大噪声的大噪声电阻器。因此，为了优化总噪声，将电阻器噪声设置为放大器噪声的三分之一（请参阅方程式 9）。表 7-1 总结了常见斩波放大器的最大噪声优化等效反馈电阻。

方程式 9.

R_{e q} = \frac{{(e_{n A m p} / 3)}^{2}}{4 k T}

表 7-1 为应用选择最佳零漂移放大器

器件	噪声 (nV/ $\sqrt{Hz}$ )	GBW (MHz)	用于噪声优化的 R_f\|\|R_g (kΩ)	使用 R_f\|\|R_g 优化后的噪声 (nV/ $\sqrt{Hz}$ )
OPA189	5.2	14	0.183	5.5
OPA388	7	10	0.331	7.4
OPA333	55	0.35	20.4	58.0
OPA187	20	0.55	1.51	21.1
OPA188	8.8	2	0.523	9.3
OPA186	40	0.75	10.8	42.2
OPA182	5.7	5	0.219	6.0
OPA387	8.5	5.7	0.488	9.0

在选择能够实现理想热噪声的反馈网络时，主要的权衡因素是驱动反馈网络时所需的放大器输出电流。例如，OPA388 的电压噪声密度为 7nV/ $\sqrt{Hz}$ 。这种情况下的理想噪声反馈网络是 331Ω。请注意，该等效阻抗是 R_f 和 R_g 的并联组合。使用该最佳反馈阻抗时，放大器看到的负载取决于放大器增益。图 7-2 展示了增益分别为 2V/V 和 11V/V 的示例。显然，增大增益可提高 R_f 值并降低总体放大器负载。

图 7-2 噪声等效电阻和负载与增益间的关系

源阻抗通常由系统要求决定。例如，源可以是具有特定源阻抗的传感器，系统设计人员无法灵活调整该值。在这种情况下，为了更大限度降低总体系统噪声，源阻抗应该在总噪声中占主导地位，因此放大器噪声最好是源阻抗噪声的三分之一。不过，在某些情况下，很难找到噪声足够低而让源阻抗噪声占主导地位的放大器。图 7-3 展示了源阻抗噪声以及建议的放大器噪声与电阻间的关系。

图 7-3 选择源阻抗噪声占主导地位的运算放大器