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运算放大器的噪声分析

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运算放大器的噪声分析

07-06-04 10:37 发表于：《活石家园》 分类：未分类

问：有关运算放大器的噪声我应该知道些什么?

答：首先，必须注意到运算放大器及其电路中元器件本身产生的噪声与外界干扰或无用信号并且在放大

器的某一端产生的电压或电流噪声或其相关电路产生的噪声之间的区别。

干扰可以表现为尖峰、阶跃、正弦波或随机噪声而且干扰源到处都存在：机械、靠近电源线、射频发

送器与接收器、计算机及同一设备的内部电路(例如，数字电路或开关电源)。认识干扰，防止干扰在你

的电路附近出现，知道它是如何进来的并且如何消除它或者找到对干扰的方法是一个很大的题目。

如果所有的干扰都被消除，那么还存在与运算放大器及其阻性电路有关的随机噪声。它构成运算放大

器的控制分辨能力的终极限制。我们下面的讨论就从这个题目开始。

问：好，那就请你讲一下有关运算放大器的随机噪声。它是怎么产生的?

答：在运算放大器的输出端出现的噪声用电压噪声来度量。但是电压噪声源和电流噪声源都能产生噪

声。运算放大器所有内部噪声源通常都折合到输入端，即看作与理想的无噪声放大器的两个输入端相串

联或并联不相关或独立的随机噪声发生器。我们认为运算放大器噪声有三个基本来源：

★ 一个噪声电压发生器(类似失调电压，通常表现为同相输入端串联)。

★ 两个噪声电流发生器(类似偏置电流，通过两个差分输入端排出电流)。

★ 电阻噪声发生器(如果运算放大器电路中存在任何电阻，它们也会产生噪声。可把这种噪声看作来自

电流源或电压源，不论哪种形式在给定电路中都很常见)。

运算放大器的电压噪声可低至3 nV/Hz。电压噪声是通常比较强调的一项技术指标，但是在阻抗很

高的情况下电流噪声常常是系统噪声性能的限制因素。这种情况类似于失调，失调电压常常要对输出失调

负责，但是偏置电流却有真正的责任。双极型运算放大器的电压噪声比传统的FET运算放大器低，虽然有

这个优点，但实际上电流噪声仍然比较大。现在的FET运算放大器在保持低电流噪声的同时，又可达到双

极型运算放大器的电压噪声水平。

问：电压噪声达到3 nV/Hz的单位是怎么来的?它的含义如何?

答：让我们讨论一下随机噪声。在实际应用中(即在设计者关心的带宽内)许多噪声源都属于白噪声和高

斯噪声。白噪声是指在给定带宽内噪声功率与频率无关的噪声。高斯噪声是指噪声指定幅度X出现的概率

服从高斯分布的噪声。高斯噪声具有这样的特性：当来自两个以上的噪声有效值(rms)进行合成时，而且

提供的这些噪声源都是不相关的(即一种噪声信号不能转换为另一种噪声信号)，这样合成的总噪声不是

这些噪声的算术和而是它们平方和的平方根(rss)(这意味着噪声功率线性叠加，即平方和相加)。例如有

三个噪声源V1，V2和V3，它的rms和为：

V0=V21 + V22 + V23

由于噪声信号的不同频率分量是不相关的，从而rss合成结果是：如果单位带宽(brick wall

bandwidth)为∆f的白噪声为V，那么带宽为2∆f的噪声为V2 + V2 = 2V。更为普遍的情况，如果我们用系数

K乘以单位带宽，那么K∆f带宽的噪声为KV。因此在任何频率范围内将∆f=1Hz带宽的噪声有效值所定义的函

数称作(电压或电流)噪声谱密度函数，单位为nV/Hz或pA/Hz。对于白噪声，噪声谱密度是一个常数，用带

宽的平方根乘以谱密度便可得到总有效值噪声。

有关rss和的一个有用结果是：如果有两个噪声源都对系统噪声有贡献，而且一个比另一个大3或4

倍，那么其中较小的那个常常被忽略，因为较大的噪声源对噪声起主要作用。

问：那么电流噪声又如何呢?

答：简单(即不带偏置电流补偿)的双极型和JFET运算放大器的电流噪声通常在偏置电流的散粒噪声(有

时称为肖特基噪声)的1或2 dB范围以内。在产品说明中一般不给出。散粒噪声是由于电荷载流子随机分布

以电流形式通过PN结引起的电流噪声。如果流过的电流为I，那么在带宽B内的散粒噪声In可用下述公式来

计算：

In=2IqB

其中q为电子电荷(1.6×10^ -19 C)。应当注意2Iq为噪声谱密度，即这种噪声为白噪声。

从而告诉我们，简单双极型运算放大器的电流噪声谱密度在Ib=200 nA时大约为250 fA/Hz，而且随温

度变化不大，而JFET输入运算放大器的电流噪声谱密度比较低(在Ib=50 pA时为4 fA/Hz)，并且温度每增

加20 °C其噪声谱密度加倍，因为温度每增加10 °C其偏置电流加倍。

带偏置电流补偿的运算放大器的实际电流噪声比根据其输入电流预测的电流噪声要大得多。理由是

其净偏置电流是输入偏置电流与补偿电流源之差，而其噪声电流是从这两个噪声电流的rss和导出的。

具有平衡输入的传统的电压反馈运算放大器，其同相输入与反相输入端的电流噪声总相等(但不相关)。

而电流反馈或跨导运算放大器在两个输入端具有不同的输入结构，所以其电流噪声也不同。有关这两种运

算放大器两个输入端电流噪声的详细情况请参考其产品说明。

运算放大器的噪声服从高斯分布，在很宽的频带范围内具有恒定的谱密度，或“白”噪声，但当频率

降低时，谱密度以3 dB/倍频程开始上升。这种低频噪声特性称作“1/f噪声”，因为这种噪声功率谱密度

与频率成反比。它在对数坐标上斜率为-1(噪声电压或电流1/f频谱密度斜率为-1/2)。-3 dB/倍频程谱密

度直线延长线与中频带恒定谱密度直线的交点所对应的频率称作1/f转折频率(corner

frequency)，它是

放大器的品质因数。早期的单片集成运算放大器的1/f在500Hz以上转折，但当今的运算放器在20～50 Hz

转折是常见的，最好的放大器(例如AD OP-27和AD OP-37)转折频率低到2.7 Hz。1/f噪声对于等比率的频

率间隔(如每倍频程或每十倍频程)具有相等的增量。

问：为什么你们不公布噪声系数?

答：放大器的噪声系数(NF)用来表示放大器噪声与源电阻热噪声之比，单位为dB ，可用下式表示：

NF＝20logVn(amp)+Vn(source)Vn(source)

其中Vn(amp)表示放大器噪声，Vn(source)表示源电阻热噪声。

NF对射频放大器来说是一项很有用的技术指标，一般总是使用相同的源电阻(50或75 Ω )来驱动射频放大

器，但当这项指标用于运算放大器时容易引起误解，因为运算放大器在许多不同应用中其源阻抗(不一定

是阻性的)变化范围很宽。

问：源阻抗对噪声有何影响?

答：当温度在绝对零度以上时所有电阻都是噪声源，其噪声随电阻、温度和带宽的增加而增加(随后我们

将讨论基本电阻噪声或热噪声)。电抗不产生噪声，但噪声电流通过电抗将产生噪声电压。

如果我们从某一个源电阻驱动一个运算放大器，那么等效输入噪声将是该运算放大器的噪声电压，源

电阻产生的噪声电压和放大器的噪声电流In流过源电阻产生的噪声电压的rss和。如果源电阻很低，那么

源电阻产生的噪声电压和放大器的噪声电流通过源电阻产生的噪声电压对总噪声的贡献不明显。在这种情

况下放大器输入端的总噪声只有运算放大器的电压噪声起主要作用。

如果源电阻很高，那么源电阻产生的热噪声对运算放大器的电压噪声和由电流噪声引起的电压噪声

都起主要作用。但值得注意的是，由于热噪声只是随电阻的平方根增加，而由电流噪声引起的噪声电压

直接与输入阻抗成正比，所以放大器的电流噪声对于输入阻抗足够高的情况下总是起主要作用。当放大

器的电压噪声和电流噪声都足够高时，则不存在输入电阻为何值时热噪声起主要作用的问题。

通过图8.1来说明这一点，上图给出了ADI公司的几种典型

运算放大器在某一源电阻范围内其电压噪声与电流噪声

的比较。图中的对角线表示纵坐标热噪声与横坐标源电阻 之间的关系。让我们看一下图中的AD OP-27：水平线表示

约为3 nV/Hz的电压噪声对应小于500 Ω的源电阻。可以

看出源阻抗减小100 Ω并没有使噪声减小，但源阻抗增加

2 kΩ却使噪声增加。AD OP-27的垂直线表示，当源电阻

大约在100 kΩ以上的情况下，放大器的电流噪声产生的

噪声电压将超过源电阻产生的热噪声，所以电流噪声为主

要噪声源。

应该记住，放大器同相输入端的任何电阻都具有热噪声，并且又把电流噪声转换成噪声电压。另外反馈电

阻的热噪声在高电阻电路中非常突出。当评价运算放大器性能时所有可能的噪声源必须考虑。

问：请你介绍一下热噪声。

答：当温度在绝对零度以上，由于电荷载流子的热运动，所有电阻都具有噪声，这种噪声称为热噪声，又

称约翰逊噪声。有时利用这种特性测量冷冻温度。在温度为T(开氏温度)，带宽为BHz，电阻为R Ω的电压

噪声Vn和电流噪声In由下式计算：

Vn=4kTRB 和In=4kTB/R

其中k为波尔兹曼常数(1.38×10^-23 J/K)。经验规则表明，1 kΩ电阻在室温下具有的噪声为4

nV/Hz。

电路中所有电阻产生的噪声及其带来的影响是总要考虑的问题。实际上，只有输入电路、反馈电路、

高增益电路及前端电路的电阻才可能对总电路噪声有上述明显影响。

一般可通过减小电阻或带宽的方法减小噪声，但降低温度的方法通常没有很大作用，除非使电阻器

的温度非常低，因为噪声功率与绝对温度成正比，绝对温度T= °C+273°。

问：什么是“噪声增益”?

答：到现在为止我们只讨论了噪声源，但还没有讨论出现噪声电路的增益。人们可能会想到，如果在放大

器的指定输入端的噪声电压为Vn并且该电路的信号增益为G，那么输出端的噪声电压应为GVn。但实际并非

总是这样。

现在请看图8.2所示的基本运算放大器增益电路。如果运算放大器接成反相放大器(接B 端)，同相输入端

接地，将信号加到电阻Ri的自由端，那么这时增益为-Rf/Ri。反之，如果运算放大器接成同相放大器(接A

端)，把信号加到同相输入端，并且电阻Ri的自由端接地，那么增益为(1+Rf/Ri)。

放大器本身的电压噪声总是以同相放大器的方式被放大。所以当运算放大器接成信号增益为G的反

相放大器时，其本身的电压噪声仍以噪声增益(G+1)被放大。对于精密衰减的情况(G＜1)，这

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运算放大器常见参数解析

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运算放大器是一种功率放大器，可以将输入电压放大到更大的输出电压，同时保持输入电压与输出电压之间的线性关系。在电子设备与电路中广泛应用，例如音频放大器、通信系统等。下面将对运算放大器的常见参数进行解析。

1.增益(Av)：运算放大器的增益即输出电压与输入电压之间的比值，通常用一个数字表示。增益越大，输出信号放大倍数就越高。运算放大器通常有固定增益和可调增益两种类型。

2. 输入偏置电压(Vos)：运算放大器的输入端有一个微小的直流偏置电压，即输入电压接近于零时实际电压。输入偏置电压可以引起输出偏置电压，影响放大器的性能。常见解决方法是使用一个偏置调零电路来降低输入偏置电压。

3.输入偏置电流(Ib)：运算放大器的输入端也有一个微小的直流偏置电流。输入偏置电流过大会引起伪输出电压，并对信号放大造成影响。输入偏置电流可以通过使用PN结和电流源进行补偿。

4. 输入电阻(Rin)：输入电阻是指运算放大器输入端对外部电路的等效电阻。输入电阻越大，输入电压的损失就越小，维持输入信号的原始性。输入电阻对应于差模模式和共模模式。

5.带宽(BW)：运算放大器的带宽是指输出信号能够跟随输入信号的频率范围。带宽越高，放大器能够处理更高频率的信号。带宽可以通过增加放大器的带宽限制元件来提高。 6. 输出电阻(Rout)：输出电阻是指运算放大器输出端对外部电路的等效电阻。输出电阻影响着输出电压的稳定性和与外部电路的匹配性。输出电阻越小，输出电压与负载电阻的影响就越小。

7.摆幅(Av)：摆幅是指运算放大器能够提供的最大输出电压幅值。摆幅取决于供电电源电压和运算放大器内部极限电压。摆幅越大，放大器能够输出的电压范围就越广。

8.直流增益(Ao)：直流增益是指运算放大器在输入信号频率为零时的增益。直流增益可以决定运算放大器的静态精度，即输出电压与输入电压之间的比值。

9.共模抑制比(CMRR)：共模抑制比是指运算放大器对共模信号的压制能力。具体来说，CMRR是输入共模信号和差模信号的幅值比值。CMRR越高，共模干扰信号对差模信号的影响就越小。

电路中的运算放大器有哪些特点和应用

电路中的运算放大器有哪些特点和应用

电路中的运算放大器有哪些特点和应用

运算放大器是电路中应用广泛的一种电子器件，它具有许多特点和应用。本文将介绍运算放大器的特点，并探讨其在电路中的各种应用。

一、特点

1. 高增益：运算放大器的主要特点之一是具有较高的电压增益。它能够将输入信号增加到一个较高的水平，以便于后续的处理和分析。

2. 宽频带宽：运算放大器的频带宽度较宽，能够处理较高频率的信号。这使得它在许多应用中都能够提供精确和有效的放大功能。

3. 低噪声：运算放大器通常具有较低的噪声水平，这使得它在信号处理中非常有用。低噪声的特性使得运算放大器能够提供更清晰和准确的信号放大。

4. 高输入阻抗和低输出阻抗：运算放大器的输入阻抗很高，可以减小对输入信号源的负载，保持传输信号的完整性。同时，输出阻抗较低，能够驱动负载电路。

5. 可调节增益和偏置：运算放大器通常具有可调节的增益和偏置特性，这使得它在不同应用场景下能够灵活应对和满足需求。

二、应用

1. 信号放大和滤波：运算放大器广泛应用于信号放大和滤波电路中。通过调节放大器的增益和频率响应，可以实现对信号的放大和滤波功能，使得信号的频率范围和振幅得到控制和优化。 2. 模拟计算：运算放大器也常用于模拟计算电路中。其高增益和精确性能使其成为模拟电路中一种重要的元器件，例如用于模拟加法、乘法、积分和微分等运算。

3. 电压比较和开关：运算放大器的高增益和灵敏度使其非常适合于电压比较和开关电路的应用。通过将运算放大器配置为比较器或开关，可以实现对电压信号的比较和控制。

4. 反馈控制系统：运算放大器在反馈控制系统中起着至关重要的作用。通过引入适当的反馈电路，可以实现对电路稳定性、增益和响应速度的控制。

5. 传感器信号处理：运算放大器还广泛应用于传感器信号处理中。传感器常常输出微弱的信号，而运算放大器能够对这些信号进行放大和处理，以提高信号的灵敏度和稳定性。

6. 精密测量仪器：运算放大器也被广泛应用于精密测量仪器中。它能够提供高增益和低噪声的特性，以及对信号的精确放大和测量功能，使得仪器在测量和分析中具有更高的准确性和可靠性。

运算放大器参数说明及选型指南

运算放大器参数说明及选型指南

运算放大器参数说明及选型指南

一、运放的参数说明：

1.增益：运算放大器的增益是指输出信号与输入信号之间的比值，通常用V/V表示。增益可以是固定的，也可以是可调的。增益决定了输出信号相对于输入信号的放大程度。

2.带宽：运算放大器的带宽是指在其增益达到-3dB时的频率范围。带宽决定了运放的工作频率范围，对于高频应用，需要选择具有宽带宽的运放。

3.输入偏置电压：输入偏置电压是指在无输入信号时，运放输入端的直流偏置电压。输入偏置电压可能会引入偏置误差，对于精密测量电路，需要选择输入偏置电压尽可能小的运放。

4.输入偏置电流：输入偏置电流是指在无输入信号时，运放输入端的直流偏置电流。输入偏置电流可能会引起输入端的电平漂移，对于高精度应用，需要选择输入偏置电流尽可能小的运放。

5.输入偏置电流温漂：输入偏置电流温漂是指输入偏置电流随温度变化的比例。输入偏置电流温漂可能会导致运放的工作点发生变化，对于温度变化较大的应用，需要选择输入偏置电流温漂较小的运放。

6.输入噪声：输入噪声是指在无输入信号时，运放输入端产生的噪声。输入噪声可能会影响信号的纯净度，对于低噪声应用，需要选择输入噪声较低的运放。 7.输出电流：输出电流是指运放输出端提供的最大电流。输出电流决定了运放的输出能力，在驱动负载电流较大的应用中，需要选择输出电流较大的运放。

8.输出电压：输出电压是指运放输出端能够提供的最大电压。输出电压决定了运放的输出范围，在需要大幅度信号放大的应用中，需要选择输出电压较大的运放。

二、选型指南：

1.确定应用需求：根据实际应用需求确定所需的放大倍数、带宽、输入/输出电压等参数。例如，对于音频放大器，需要考虑音频频率范围、输出功率等因素。

2.选择性能指标：根据应用需求选择合适的性能指标。不同应用对各个参数的要求可能会有所差异，需根据实际情况进行权衡与选择。

3.查询产品手册：查询供应商的产品手册或网站，获取相关产品的详细参数信息。产品手册通常会提供各项参数的典型值和极限值，可以用于评估是否满足需求。

运算放大器波形失真原因

运算放大器波形失真原因

运算放大器波形失真原因

运算放大器是一种常用的电子设计元件，用于放大电压、电流或功率等信号。它的重要应用包括电视和音频设备、通信系统、计算机硬件等。然而，在实际应用中，我们可能会遇到波形失真的问题，即放大后的信号波形出现畸变。波形失真可能由多种原因引起，下面我将对其进行详细的讨论。

1.频率响应不平坦：运算放大器通常具有一个指定的增益带宽积（GBW），定义为放大器的开环增益乘以其3dB截止频率。当输入信号频率超过GBW时，放大器的放大倍数会下降，导致波形失真。这种失真称为高频截断失真，通常会使波形变得平坦或产生振荡。

2.非线性增益响应：运算放大器的放大特性应当是线性的，即输入信号和输出信号之间存在简单的比例关系。然而，操作放大器通常会导致非线性增益响应，使输出信号失真。非线性增益响应可能由于放大器本身的非线性特性，如饱和效应、漏斗效应等引起。

3.输入电平范围限制：运算放大器通常有一个最大可接受输入电压范围。当输入信号超过这个范围时，放大器可能会进入饱和状态，导致输出失真。此外，输入电平过低可能导致动态范围不足，使得较小的信号无法被恢复出来。

4.输入和输出阻抗不匹配：运算放大器通常有一个指定的输入和输出阻抗，这些阻抗决定了放大器与其它电路之间的信号传递效率。当输入和输出阻抗不匹配时，会产生信号反射和功率损耗，进而引起波形失真。 5.温度变化：运算放大器的性能常常受温度变化的影响。温度变化会改变放大器的特性，如增益、偏置电压等，从而导致波形失真。这种失真可能是瞬时的、周期性的或渐进性的。

6.噪声影响：运算放大器通常会引入一定的噪声。噪声的存在可能使放大信号的波形变得不清晰，特别是在低信号水平下。噪声可以来自放大器自身的热噪声、外部环境的干扰等。

解决波形失真问题的方法通常包括以下几个方面：

1.选用合适的运算放大器：根据设计需求，选择具有合适特性的运算放大器，如增益带宽积、线性增益响应、输入输出阻抗等。选用合适的运算放大器可以降低波形失真的风险。