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运放噪声到底是什么东西?

2020-2-20 09:50:43 显示全部楼层

运放和电源,LDO一样是我们在电路中最常用的器件,然而我们在使用运放的过程中常常会忽略掉一个参数,就是运放噪声,有的工程师甚至搞不清楚运放噪声是什么东西。

一、运放噪声到底是什么呢?
其实运放噪声并不是运放回路对前级或者电源的抑制能力(那是CMRR和PSRR),而是指运放回路新产生的噪声。

二、运放的噪声包括哪些部分又是怎么计算的?
运放噪声分为电压噪声,电流噪声和电阻热噪声,一般情况下运放的电流噪声都比较小,我们可以忽略它。这里首先以电压噪声为例进行分析:
如下图所示运放噪声密度曲线可以分为1/f 噪声和宽带噪声,所谓1/f 噪声,是指噪声的密度与频率成反比。所谓宽带噪声是指噪声密度在整个频段内保持不变。


1.jpg 这里总的电压噪声有效值的平方是1/f 噪声和宽带噪声的平方和。
因为我们不好计算整个频率范围噪声的大小(曲线包围的面积),所以我们用一个长方形等效出包围的面积,长方形的一边对应的就是等效带宽频率,即使用砖墙效应得到等效频率。实际带宽BW由闭环带宽和运放回路的极点数决定。





砖墙效应图


Kn 取值和运放回路中极点数的关系
宽带噪声的大小由宽带噪声密度和实际带宽决定:


1/f 噪声的大小由1Hz处的噪声密度和实际带宽决定:





三、能不能举一个例子?
下面用OPA313举一个实际的例子:
已知OPA313的电路如下:



原理图
从OPA313 datasheet里截取噪声曲线如下:



噪声密度曲线
Datasheet 里得到GBW=1MHz:


因此,闭环带宽=GBW/Gain=500khz,实际带宽BW如下:


宽带噪声大小的计算如下:


1/f噪声大小的计算如下:


总的电压噪声大小如下:


电流噪声的算法类似于电压噪声:






电流噪声的等效电路
电阻热噪声的算法如下:(其中Tk=273+Tc), k=1.38E-23


运放回路总的噪声如下:


最后计算噪声的峰峰值,因为运放噪声服从正态分布,一般考虑99.7%的可能性,即用噪声有效值乘以6得到噪声峰峰值。


峰峰值,有效值系数和可能性之间的关系

四、那这个计算的噪声值对我们有什么意义呢?
如果这个运放回路使用在ADC电路之前,那运放的噪声的峰峰值就必须小于ADC的1LSB,不然就会影响ADC的实际有效位数。所以通过上面的分析我们就可以确认一个运放回路是否具有足够的噪声特性来满足某一分辨率的ADC。

五、如果噪声计算值太大怎么办?
首先看是什么噪声起主导作用,如果是电压噪声比较大,可以选用噪声参数更好的运放来实现。如果是电阻热噪声起了主导作用,可以通过等比例减小电阻的阻值来实现(这样会增加运放的功耗)。


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yzw92

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