運(yùn)算放大器電路的噪聲分析和設(shè)計(jì)

趙俊俊

（第七一五研究所，浙江杭州，311101）

1 反相放大電路的噪聲分析

1.1 總輸入噪聲譜密度計(jì)算

在傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器中，其中噪音主要由三個(gè)等級(jí)的來表示，主要是譜密度為e。的電壓源，還有譜密度為K的電流源以及同中類型的譜密度為0的電流源，并且，在一定的特殊情況中，電路圖中的電阻也會(huì)產(chǎn)生一些比較低的噪音。而在這四種噪音的效果疊加的基礎(chǔ)上，在與放大器的噪聲增幅度相乘就可以算出反放大器電路圖中的總噪音。在這里反相放大電路,噪聲增幅度為：

散粒噪聲通常定義為這個(gè)平均值變化量的均方值,記為∶

電壓噪聲源或電流噪聲源的均方值分別記為∶

其中,露為波爾茲曼常數(shù),r為絕對(duì)溫度,Af 為噪聲帶寬。將上述各項(xiàng)相加可得總輸入噪聲譜密度為

1.2 總輸出噪聲計(jì)算

噪聲的有效值與噪聲譜密度關(guān)系為∶

對(duì)于運(yùn)算放大器,其噪聲是由白噪聲和噪聲疊加而成的網(wǎng)。高頻部分與低頻部分起到作用的分別是白噪聲與噪聲。

2 低噪聲運(yùn)放放大電路的設(shè)計(jì)原則

首先,我們分析輸入噪聲譜密度的各個(gè)組成 部分對(duì)最終結(jié)果的影響,具有對(duì)稱輸入端和不相關(guān)噪聲電流的運(yùn)算放大器,為了便于計(jì)算,取R2=R3,則公式化簡(jiǎn)為

放輸入頻譜噪聲e及它的三個(gè)單獨(dú)分量關(guān)于的函數(shù)曲線。觀察發(fā)現(xiàn),電壓噪聲項(xiàng)e與R無關(guān),電流噪聲項(xiàng)隨著的增加以1.0dec/dec的速率增加,R的增加以0.5dec/dec的速率增加。

當(dāng)R值足夠小時(shí),電壓噪聲起主要作用,R值足夠大時(shí),電流噪聲起主要作用,尺值居中時(shí),熱噪聲也會(huì)起作用,取決于相對(duì)于其他兩相的幅度。熱噪聲在A點(diǎn)超過電壓噪聲,電流噪聲在日點(diǎn)超過電壓噪聲,電流噪聲在C點(diǎn)超過熱聲。A,B,C的相對(duì)位置對(duì)于不同的運(yùn)算放大器是不相同的,可根據(jù)該性質(zhì)選用不同器件。通常,為了補(bǔ)償偏置電流,而該電阻會(huì)產(chǎn)生額外的熱噪聲,可以采用一個(gè)大電容與冠,并聯(lián)的方法來濾除相應(yīng)的熱噪聲。根據(jù)以上分析可知,在低噪聲設(shè)計(jì)中需要主要以下幾點(diǎn)∶（1）選擇具有低噪聲電平、低噪聲電流及低轉(zhuǎn) 角頻率的運(yùn)算放大器;（2）首先需要保持運(yùn)算放大器中電路中的電阻達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，從而就可以有效的使得電流噪聲和熱噪聲比較小，相比較其他的噪音而言就可以完全的忽略不計(jì)。（3）然后需要把噪聲的增幅度嚴(yán)格限制在放大器電路的最小電流上，形成其正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。（4）此外,電路的布線也是也是影響運(yùn)算放大器出現(xiàn)問題的重要因素,所以在布線的時(shí)候一定要嚴(yán)格的按照?qǐng)D紙中的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。在布線的時(shí)候需要注意的是運(yùn)算放大器的電路中的輸入信號(hào)回路的正確布線，使其完全的接地。

3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

前文推導(dǎo)了運(yùn)放放大電路輸出噪聲的計(jì)算公式,下面列舉一個(gè)典型的例子,計(jì)算路輸出噪聲,同時(shí)采用PSpice軟件仿真的方法計(jì)算,驗(yàn)證兩種方法計(jì)算結(jié)果的一致。運(yùn)算放大器連接成反相放器。

4 運(yùn)算放大器電路的設(shè)計(jì)原理

集成運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻以及低輸出電阻的多級(jí)直接放大電路，對(duì)于整體的噪音有著一定的控制。集成運(yùn)算放大器的類型比較多樣化，所以放大器電路相比較其他運(yùn)算放大器有著一定的不同，但是從結(jié)構(gòu)方面來看，集成運(yùn)算放大器與其它運(yùn)算放大器一樣具有一定的共同之處，集成運(yùn)算器的輸入級(jí)一般是由BJT或者M(jìn)OSFET組成的存在一定程度的差距的放大電路，從而在集成運(yùn)算器中加大了兩者之間的對(duì)稱性，從而使得整個(gè)電路的模式以及功能有著一定的改進(jìn)。而集成運(yùn)算放大器電路中的電壓也是一種呈放大級(jí)的形式的存在，其主要的作用是提高電路中整體的電壓幅度，其的組成不僅僅是由一級(jí)電路的，同時(shí)也有多級(jí)電路的存在，這也極大的方便了其完美的運(yùn)用自身擁有的功能，更大程度的使得自身的功能得到發(fā)揮。

從常規(guī)運(yùn)放符號(hào)看，除了輸入、輸出3個(gè)端子，正常工作時(shí)還需供電兩個(gè)端子，這樣一來，運(yùn)放電路其實(shí)是個(gè)五端元件了。輸入端+、－的標(biāo)記是依據(jù)兩輸入端與OUT端相互影響的電壓變化趨勢(shì)來規(guī)定的，若令I(lǐng)N+端接地（或施加固定不變之電壓），信號(hào)從IN-端進(jìn)入，輸入電壓升高時(shí)，輸出電壓是降低的，呈反相關(guān)系，則為反相放大器；反之，當(dāng)信號(hào)從IN+端進(jìn)入，輸入電壓與輸出電壓變化則是同步的，則為同相放大器。

運(yùn)放電路的典型供電電壓為±15V，其輸出級(jí)電路為NPN和PNP三極管構(gòu)成的電壓互補(bǔ)式放大器，Q1的c極接+15V，Q2的c極接－15V。±15V電源的公共地（+15V電源的負(fù)端）即為信號(hào)地（即0V基準(zhǔn)），此后所指輸入電壓、輸出電壓的高低，均指針對(duì)信號(hào)地而言。為了圖面簡(jiǎn)潔，將前級(jí)電路的供電省略掉。

我們先來從比較特性來出發(fā)，規(guī)定輸入端IN+、IN-與輸出級(jí)Q1、Q2的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

IN+對(duì)應(yīng)Q1，當(dāng)IN+IN-時(shí)，Q1導(dǎo)通，使OUT輸出電壓往+15V上靠攏；

IN－對(duì)應(yīng)Q2，當(dāng)IN－IN+時(shí)，Q2導(dǎo)通，使OUT輸出電壓往－15V上靠攏。

運(yùn)放電路有著其自身獨(dú)有的倍數(shù)無窮放大的特征，所以在運(yùn)放電路的狀態(tài)處于一種開環(huán)狀態(tài)的時(shí)候，只要IN－和IN+之間略有電位差，其輸出電壓即要么接近+15V，要么接近-15V。輸出只有高、低電平，而無其它結(jié)果，這說明開環(huán)時(shí)，運(yùn)放變身為比較器身份，而出離放大器區(qū)域了。

5 總結(jié)

對(duì)于運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)本文主要是以集成放大器為例，集成運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻以及低輸出電阻的多級(jí)直接放大電路，對(duì)于整體的噪音有著一定的控制。集成運(yùn)算放大器的類型比較多樣化，所以放大器電路相比較其他運(yùn)算放大器有著一定的不同。