了解音频电路中的运算放大器噪声
摘要
构建高保真音频电路时，重大设计挑战之一是如何降低系统总噪声。该噪声通常与系统信号进行比较，表示为信噪比 (SNR)。噪声可以定义为干扰所需信号而导致出错的不必要信号。音频电路的总体噪声可能有多个来源，一些是固有的，一些是非固有的。
放大器电路中固有噪声的三大影响因素是热噪声、电压噪声和电流噪声。在这篇文章中，我们将介绍在为音频应用选择放大器之前计算总噪声的重要性。我们将使用两种不同的放大器架构（CMOS 和双极）来演示不同噪声源对音频电路的影响。
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1 热噪声
电阻器可能是音频电路总体噪声的主要来源。电阻器产生的噪声也称为热噪声，是电阻器内电荷随机运动产生的噪声。我们可以使用Equation1 计算理想电阻器产生的噪声。
其中
- en(R) = 电阻产生的噪声频谱密度，单位为 nV/√Hz
- k = 玻尔兹曼常数 1.38 x 10-23J/K
- Tk = 温度，单位为开尔文
- R = 以放大器的同相端子为基准的输入电阻
图 1-1 电压噪声密度曲线图 1-1 显示了在 T = 25°C (298K) 条件下随源电阻值变化绘制的噪声频谱密度（单位为 nV/√Hz）和电阻（单位为欧姆）之间的关系。当源电阻只有 1k 欧姆时，电压噪声便已达到 4nV/√Hz。
需要注意的是，理想电阻器将表现出可预测的噪声密度，该噪声密度在整个频谱范围内保持不变。将Equation1 乘以噪声带宽可得到 RMS。噪声带宽是电路的带宽。可通过运算放大器内部电路或使用滤波器来设置该带宽。该 RMS 噪声计算如Equation2 所示。
2 运算放大器电压噪声
运算放大器具有电压噪声和电流噪声源。放大器数据表中给出了放大器内部噪声源的幅度。考虑放大器的电压噪声时，必须了解放大器的架构。通常，对于相同的静态电流量，双极输入放大器的电压噪声将比 CMOS 输入放大器低得多。更多有关放大器架构之间差异的信息，请参阅此技术文章：CMOS、JFET 和双极输入级技术之间的权衡。讨论不同类型的电压噪声之前，务必了解这种噪声在放大器电路中的样子。可通过在放大器正极端子上将放大器噪声建模为外部电压噪声 en(v) 来简化放大器噪声，如图 2-1 所示。
图 2-1 电压噪声放大器电压噪声可分为两个主要部分：闪烁噪声和宽带噪声。图 1-1 显示了这些噪声区域。
图 2-2 电压噪声密度曲线2.1 闪烁噪声
我们认为闪烁噪声（1/f 噪声）处于低频范围内，即频率低于 1kHz。1/f 噪声的斜率等于 1 除以频率的平方根。对于低频聚焦电路（如低音扬声器或低音控制级），1/f 噪声可能至关重要。然而，对于一个涵盖全音频带宽的电路，1/f 噪声将不是主要的噪声源。
2.2 宽带噪声
宽带噪声被认为处于中高频范围内；例如，频率大于 1kHz。在大多数放大器数据表中，该噪声频谱密度规格以 1kHz 和 10kHz 的频率示出。
3 运算放大器电流噪声
如前所述，放大器的电流噪声影响如图 2-2 中的 IN 所示。电流噪声表示为反相和同相输入之间的噪声源。输入电流噪声密度 (in) 是放大器数据表中很常见的单位。对于电流噪声计算，通常有必要计算 Req，即输入端的等效电阻，如图 3-1 所示。
图 3-1 Req 等效电路Rf 和 R1 的并联组合相当于放大器同相输入端的电阻，因此本示例中的 Req 值约为 1kΩ。
该 Req 值可以乘以放大器数据表中的输入电流噪声密度规格，以产生电流噪声引起的噪声，单位为 V/√Hz。该计算如Equation3 所示。
将频谱密度乘以噪声带宽的平方根，即可得到 RMS 电压噪声。Equation4 展示了这种情况。
4 计算输出端的电压噪声
现在，我们通过手工计算来得出简化音频系统的总噪声。在本示例中，我们在同相配置中使用 OPA1656，增益为 40dB 或 100V/V。我们还使用Topic Link Label1中所述的滤波来限制 BW。图 4-1 是我们在该示例中使用的电路配置。
图 4-1 电路配置第一步是计算电路的噪声 BW。本例电路的截止频率设置为 25.9K。可以使用Equation5 来计算电路的带宽噪声。
其中：
- BWn = 噪声 BW
- Kn – 砖墙因数（对于第一阶滤波器为 1.57）
- Fc = 截止频率
我们首先看一下电路的热噪声。热噪声是可通过首先计算增益网络的 Req 来进行计算的电路。这是通过将 R1 和 R2 并联来完成的。对于电路 1 中所示的电路，使用以下方法完成此操作：
在更高速度下，直流阻断电容器的作用将类似于短路。因此，考虑将 R4 电阻器与源电阻并联。该值非常低，因此不包括在 Req 计算中。使用Equation1，可以计算电阻器产生的 2RMS 电压噪声。
接下来，我们看一下电路的电压噪声。评估运算放大器产生的电压噪声时，第一步是获取数据表中显示的输入电压噪声，并将其乘以频率的平方根。如果我们看一下 OPA1656 SoundPlus 超低噪声和失真、Burr-Brown 音频运算放大器 数据表中的电压噪声，会发现 10kHz 时的值为 2.9nV/rtHz。如图 1-1 所示，宽带噪声在整个频率范围内保持不变，因此我们可以将此数字用于任何超过 10kHz 的频率。将放大器的电压噪声乘以截止频率将得出放大器的 RMS 电压噪声。
下一步是计算放大器产生的电流噪声。使用Equation4 可以计算放大器产生的 RMS 电流噪声。对于该示例，OPA1656 的电流噪声为 6fA/rtHz。
这将得出所谓的总输入基准电压噪声。接下来，将输入基准电压噪声乘以电压噪声增益，对于我们的电路，增益为 100V/V。请记住，这是放大器同相端子处的增益。
根据计算，得到的值为 100uVpp。该值非常接近图 4-2 中所示电路的仿真值。请注意，为了更准确地计算，可以单独计算 1/f 噪声。更多有关电压噪声以及如何计算该误差的信息，请观看培训视频：TI 精密实验室 - 运算放大器：噪声。
图 4-2 仿真电路手动计算的一个关键原因是它允许您评估各个噪声源。在我们的示例中，实际上可以看到电阻器噪声是主要噪声源。
5 总结
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