集成运算放大器的噪声.pptx

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1、1、集成运算放大器的噪声、集成运算放大器的噪声1/噪声热噪声（宽带噪声）表征噪声特性：频谱密度。电压噪声频谱密度：每平方根赫兹的有效(RMS)噪声电压（单位为nV/Hz1/2）功率谱密度单位为W/Hz1/2集成运算放大器噪声频谱密度曲线第1页/共43页1.1 热噪声 热噪声的重要特性之一：白噪声频谱密度图较平坦即所有频率的能量相同。因此，热噪声有时也称作宽带噪声。运算放大器也存在热噪声:热噪声频谱密度:第2页/共43页在时间域中显示热噪声以及统计学分析结果 第3页/共43页1.2 1/噪声 除了宽带噪声之外，运算放大器还有低频噪声区，该区的频谱密度图并不平坦。这种噪声称作1/噪声，或闪烁噪声，

2、或低频噪声。通常说来，1/噪声的功率谱以1/的速率下降。电压谱会以1/1/2的速率下降。1/噪声也能用正态分布曲线表示。第4页/共43页时域所对应的 1/噪声及统计学分析结果 第5页/共43页1.3 运算放大器噪声的标准模型 包括：两个电流噪声源一个电压噪声源电压噪声源：随时间变化的输入偏移电压分量电流噪声源：随时间变化的偏置电流分量。第6页/共43页2 2、运算放大器噪声分析方法、运算放大器噪声分析方法 方法：通过对电压与电流频谱的功率谱密度曲线进行积分计算，可得到运算放大器模型中信号源的RMS幅度。频谱密度曲线：1/区低通滤波器的宽带区。计算上述两个区域的总噪声，再对两个计算的结果做和的平

3、方根运算。如何将噪声频谱密度曲线转换为噪声源？第7页/共43页2.1 带宽校正系数 低通滤波器的宽带区域进行积分计算。理想情况下，曲线的低通滤波器部分是一条直线，为理想滤波器。由于理想滤波器情况下的曲线下方区域为矩形，因此这一区域的问题比较好解决，长乘宽即可。在实际情况下，不可能实现理想的滤波器。不过，可用一组常量来将实际情况下的滤波器带宽转换为等效的理想滤波器带宽，以满足噪声计算的需要。这就是带宽校正系数第8页/共43页噪声带宽的校正理想滤波器校正系数理想滤波器的噪声带宽校正：BWn=KnHH：上限截止频率，Kn：滤波器的校正系数。滤波阶数校正系数11.5721.2231.1641.1351

4、.12A第9页/共43页2.2 热噪声的计算计算热噪声电压公式为：热噪声电压的有效值RMS；热噪声电压密度；是热噪声宽带；计算热噪声电流公式为：第10页/共43页根据产品说明书中的数据，用公式便可计算出热噪声第11页/共43页2.3 1/噪声电压 1/区域第12页/共43页1/噪声的计算对噪声频率密度图1/区域的功率频谱进行积分计算。将1/区的噪声测量结果归一化为1Hz时的噪声。是归一化为 1Hz 时的噪声电压，频率为时的噪声电压密度 第13页/共43页两个1/归一化示例0.1Hz时，噪声电压密度：20nV/Hz1/2 归一化到1Hz：1Hz时，噪声电压密度：50nV/Hz1/2 第14页/共

5、43页1/噪声计算公式如下：是1/噪声在任意频率的有效值rms；是下限截止频率，常取0.1Hz；是归一化为 1Hz 时的噪声电压，是上限截止频率，常取噪声带宽BWn；第15页/共43页2.4 热噪声与 1/噪声的叠加 宽带与1/噪声是不相关噪声源，叠加：en_v：总的噪声输入电压enf：1/f 噪声电压enBB：热噪声电压 第16页/共43页1/噪声区与热噪声区重叠 第17页/共43页3 3、运算放大器放大电路的噪声分、运算放大器放大电路的噪声分析析运算放大器构成的放大电路：运算放大器和外围电阻运算放大器电路总噪声输入：运算放大器本身的噪声 外围电阻的噪声第18页/共43页3.1 运算放大器放

6、大电路的总输出噪声包含三大部分：运算放大器电压源的噪声运算放大器电流源的噪声电阻噪声。上述噪声源相叠加，再乘以运算放大器的噪声增益，即可得出总的输出噪声。第19页/共43页不同噪声源及各噪声源相加再乘以噪声增益后的情况总噪声输入(RTI)第20页/共43页3.2 噪声增益 噪声增益：指运算放大器电路对总噪声参考输入(RTI)的增益。噪声增益与信号增益不是所有的情况下都相同。信号增益与噪声增益不同的情况（如下一页图）Vn：是指不同噪声源的噪声影响。注意：通常在工程设计中，会在同向输入端将所有噪声源等效为单个的噪声源。最后计算出运算放大器电路的噪声输出(RTO)。第21页/共43页噪声增益与信号增

7、益噪声增益：Noise_Gain=1+Rf/R1 第22页/共43页3.3 运算放大器电路的电流噪声如何将电流噪声源转换为电压噪声源？方法：是对每个电流源进行独立的节点分析并用叠加法将结果求和。第23页/共43页将电流噪声转换为电压噪声（等效电路）运算放大器电路的电流噪声转换为等效电压噪声源的公式：en_i=inReqReq=R1/Rf第24页/共43页3.4 运算放大器电路中电阻的噪声 还必须考虑的另一因素：运算放大器电路中电阻的热噪声电压。用节点分析法来独立分析电压源。用叠加法与 RSS 添加法将结果相结合。第25页/共43页运算放大器电路的电阻热噪声（等效电路）通过方程式 Req=R1|

8、Rf 将所有电阻热噪声源相结合，得到电阻热噪声源参考输入。乘以噪声增益得到输出端电阻热噪声第26页/共43页计算噪声的最后一步就是将所有噪声源相结合，再乘以噪声增益，从而计算出总的输出噪声的均方根。均方根噪声乘以6通常用于估算峰峰值噪声。瞬时噪声测量结果小于均方根噪声乘以6的概率达99.7%。3.5 计算总的输出噪声 第27页/共43页根据下列公式，可计算出总的输出噪声。所有噪声源 RTI 相加：乘以噪声增益：en_out=en_inNoise_Gain 转换为峰值对峰值噪声：en_out_pp=6.0en_out 第28页/共43页四、四、计算实例计算实例运算放大器的配置情况：R1=100k

9、，R2=1k集成电路：TI（B_B）公司的运算放大器型号：OPA627采用同相放大电路第29页/共43页计算噪声增益：噪声增益=Rf/R1+1=100k/1k+1=101信号带宽受到运算放大器的闭环带宽的影响。根据产品说明书中的单位增益带宽，可用下式来确定闭环带宽。Closed_Loop_Bandwidth=Unitity_Gain_Bandwidth/Noise_Gain得：BW=16M/101=158kHz第30页/共43页由参数表第31页/共43页OPA627噪声频谱密度曲线第32页/共43页4.1 计算电压噪声输入的大小（RMS）热噪声电压带宽：BWn=KnBWBWn=1.57(158

10、kHz)=248KHz由：得：rms第33页/共43页1/f噪声电压:全部电压噪声：RMS第34页/共43页4.2 电流噪声 将电流噪声转换为等效输入参考电压噪声。首先，将电流噪声频谱密度转换为电流源，然后将电流源乘以等效输入电阻，即可得出输入电压噪声。第35页/共43页宽带噪声电流：第36页/共43页不需要考虑1/f噪声：in=inBB=1.244pAReq=R1/Rf en_i=in.Req en_i=1.244pA(0.99k)=1.23nV(rms)本例中电流噪声相对很小，无须计算。第37页/共43页4.3 电 阻 噪 声 电阻噪声（热噪声）部分:l电阻噪声的幅度与运算放大器噪声幅度相

11、当，因此将对输出噪声造成很大影响。l电压噪声的有效值是2497nV，l电阻噪声电压的有效值达2010nV。第38页/共43页4.4 计算总输出噪声的峰峰值集成运算放大器的输入电压噪声：en_V=2497nV(rms)输入电流噪声：en_i=1.23nV(rms)电阻噪声：en_R=2010nV(rms)第39页/共43页总的输入噪声电压：总的输出噪声电压：en_out=en_inNoise_Gain en_out=3205101=324V（rms）总峰峰值输出噪声电压：en_outpp=6.0en_out en_outpp=6.0324V=1.94mV 集成运算放大器OPA627构成的低噪声前置放大器（同相放大器）的输出噪声电压峰峰值为：1.94 mV 第40页/共43页作业：1.利用集成运算放大器设计低噪声放大器应遵守的原则？2.选择一集成运算放大器，设计一简单放大电路，计算其输出噪声的峰峰值大小。第41页/共43页请看下一节第42页/共43页感谢您的观看！第43页/共43页