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為低噪聲設計選擇最佳放大器時應該注意的幾個要點

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為低噪聲設計選擇最佳放大器時應該注意的幾個要點

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2020/10/23
瀏覽量

當針對低噪聲應用評估放大器的性能時,考慮因素之一是噪聲,本文簡要探討在為低噪聲設計選擇最佳放大器時涉及到的權衡問題。

如果驅動一個帶有一定源電阻的運算放大器,等效噪聲輸人則等于以下各項平方和的平方根:放大器的電壓噪聲;源電阻產生的電壓;以及流過源阻抗的放大器電流噪聲所產生的電壓。

如果源電阻很小,則源電阻產生的噪聲和放大器的電流噪聲對總噪聲的影響不大。這種情況下,輸人端的噪聲實際上只是運算放大器的電壓噪聲。

如果源電阻較大,源電阻的約翰遜噪聲可能遠高于運算放大器的電壓噪聲和由電流噪聲產生的電壓。但需要注意,由于約翰遜噪聲僅隨電阻的平方根而增長,而受電流噪聲影響的噪聲電壓與輸人阻抗成正比關系,因而對于輸人阻抗值足夠高的情況,放大器的電流噪聲將成為主導。當放大器的電壓和電流噪聲足夠高時,在任何輸人電阻值情況下,約翰遜噪聲都不會是主導。

如果某個放大器的噪聲貢獻相對于源電阻可以忽略不計,則可通過運算放大器的品質因數 Rs, op 來進行選擇。這可以通過放大器的噪聲指標來計算:

其中:

en 表示折合到輸人端的電壓噪聲

in 表示折合到輸人端的電流噪聲

圖 1 給出的是 1 KHz 下,多種 ADI 工高壓(最高 44 V)運算放大器的電壓噪聲密度對與 RS, OP 關系的比較,1 kHz。斜線顯示了與電阻相關的約翰遜噪聲。

 
圖 1. ADI 的放大器噪聲坐標圖

根據運算放大器數據手冊中的數據,可以為某個選定頻率制作類似的曲線圖。例如,AD8599 的折合到輸人端的電壓噪聲約為 1.07 nV/√Hz,折合到輸人端的電流噪聲為 2.3 pA/√Hz(1 kHz)。其 Rs,op 值約為 465 S2(1 kHz)。另外,需要注意以下幾點:

與該器件相關的約翰遜噪聲等效于約為 69.6 Ω的源電阻  (見圖 1);

對于超過 465 Ω的源電阻,放大器電流噪聲產生的噪聲電壓會超過源電阻產生的噪聲電壓;放大器的電流噪聲成為主要噪聲源。

若欲使用該圖(見圖 2),請執行第 1 至第 4 步。

通常情況下,源電阻是已知的(如傳感器阻抗)。如果不知道電阻值,則根據周圍的或前端的電路器件進行計算;

在約翰遜噪聲線上確定給定源電阻的位置,如 1 kΩ;

從第 2 步確定的點向坐標圖右側畫一條水平線;

從第 2 步確定的點向左下方畫一條直線線。斜率為,每下降 10 倍電壓噪聲則下降 10 倍電阻。

 
圖 2. 為低噪聲設計選擇運算放大器

位于線條右下方的放大器均為適用于目標設計的優質低噪聲運算放大器,如圖 2 陰影部分所示。

敲黑板!重點來了!
在針對低噪聲設計評估放大器噪聲性能時,應考慮所有潛在噪聲源。

運算放大器的主要噪聲貢獻取決于源電阻,具體如下:
Rs > > Rs, op;折合到輸人端的電流噪聲占優勢

Rs = Rs, op;放大器噪聲可忽略;電阻噪聲占優勢

Rs <<Rs, op;折合到輸人端的電壓噪聲占優勢

概括而言,可通過以下方式減少或消除干擾信號:
良好的布線技術,以減少寄生效應

良好的接地技術,如數字接地和模擬接地的隔離

良好的屏蔽

對于電阻性噪聲源,請遵循以下規則:
根據應用的需要來限制帶寬

盡可能降低電阻值

使用低噪聲電阻,如采用大金屬薄片、線繞式和金屬薄膜技術的電阻

盡可能減少電阻性噪聲源的數量
 

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