原创 放大器噪声系数计算

毛华平---德州仪器 (TI) 高速应用工程师

摘要

本文简要介绍了两种放大器架构的噪声系数计算，包括inverting，non-inverting 架构的噪声系数计算，并提供计算小工具。

Abstract: this article introduce the noise figure calculation of several architecture, such as inverting, non-inverting, And also provide the calculation tool.

Key words: Noise figure, Inverting, non-inverting.

1. 引言

在各种放大器使用的场合，我们时常需要计算到放大器，却没有一个直观的方式来看放大器这一级对链路噪声的影响。本文讨论了各种放大器架构下，放大器的噪声系数的计算方式。

2. 放大器噪声指标

电子元件应用中，常见如下5 种噪声来源：

1. 散弹噪声(shot noise，白噪声，在频谱中表现为平坦的)

2. 热噪声(thermal noise，白噪声，在频谱中表现为平坦的)

3. 闪烁噪声(flicker noise，1/f 噪声)

4. 突发噪声(burst noise，脉冲噪声)

5. 雪崩噪声(Avalanche noise，反向击穿时才出现的噪声)

基本上每个放大器都有输入电压噪声和输入电流噪声两个指标。在频域，通常其单位用nV/rtHz，和pA/rtHz 来表征。 如下图:

如果把所有电容，电感都看做无噪声的器件，一个普通的放大器的输出噪声按主要的贡献可以按如下图所示：

 

 

最终得到的结果也和上面第4 项一样。

 

1. 信噪比计算

以上的计算还仅限于噪声谱密度的计算，在实际应用中其实主要要关注的是信噪比，这就要引入噪声计算中很重要的一点: 带宽。所以还需要考虑到带宽积分后的总噪声。

 

在得到一定带宽内的电压噪声密度后，需要把电压噪声换算成功率,才能进行积分计算,而不能直接把电压噪声直接积分，如下: 假设我们已知一个放大器的电压噪声密度为5nV/rtHz，如果要计算10Hz 以内的积分噪声，则按如下方式计算：

 

 

以上的电路只是一个运放的通用模型，实际应用的场景下，运放的配置可能千差万别,可能可以是inverting 输入形式，也可能是non-inverting 输入的形式，还可能是全差分的运放形式。 且实际应用的时候，运放可能作为放大器，也可能作为ADC 驱动器，我们可能不仅关心运放等效输出的噪声有多大，同时也会关注运放这一级对整条链路的噪声恶化有多少，也就是运放的噪声系数。

 

下面我们就对三种形式的运放: inverting 输入运放，和Non-Inverting 输入运放进行分别的计算。

 

1. 放大器噪声系数计算

 

4.1  Inverting 输入运放噪声系数计算

 

假定源阻抗为

，链路配置如下:

 

由NF 的公式，可得到NF 如下:

按照上面介绍的方法，把两边的电阻合并在一起计算输出的噪声:

案例分析

 

我们可以通过两个增益相同的案例来看同样的放大器性能下，inverting 配置和Non-inverting 配置对噪声系数的影响：

此时算上源阻抗，signal gain 为15V/V，得到NF 为6.11dB。

 

可以看出不同的配置下，即使增益相同，得到的噪声系数也是不同的。在这种增益下，Inverting 配置得到的噪声系数要远比Non-Inverting 的好。

 

1. 总结

 

放大器的噪声计算需要考虑诸多因素，如放大器本身的噪声，外围匹配电阻带来的噪声,以及带后续滤波器宽带来的影响。通过上面所给的公式，就可以把放大器对整条链路的影响计算清楚。

 

7. 参考资料

 

1. Jim Karki OpAmpNoiseAnalysis2007_JK 9-10-07.ppt

2. Op Amp Noise Calc_Sim_Meas_TG92309[1].pdf