放大器的频率特性和噪声

第二部分：运算放大器噪声介绍作者：TI高级应用工程师Art Kay噪声的重要特性之一就是其频谱密度。

电压噪声频谱密度是指每平方根赫兹的有效(RMS) 噪声电压（通常单位为nV/rt-Hz）。

功率谱密度的单位为W/Hz。

在上一篇文章中，我们了解到电阻的热噪声可用方程式 2.1 计算得出。

该算式经过修改也可适用于频谱密度。

热噪声的重要特性之一就在于频谱密度图较平坦（也就是说所有频率的能量相同）。

因此，热噪声有时也称作宽带噪声。

运算放大器也存在宽带噪声。

宽带噪声即为频谱密度图较平坦的噪声。

方程式2.1：频谱密度——经修改后的热噪声方程式图2.1：运算放大器噪声频谱密度除了宽带噪声之外，运算放大器常还有低频噪声区，该区的频谱密度图并不平坦。

这种噪声称作1/f 噪声，或闪烁噪声，或低频噪声。

通常说来，1/f 噪声的功率谱以1/f 的速率下降。

这就是说，电压谱会以1/f(1/2 ) 的速率下降。

不过实际上，1/f 函数的指数会略有偏差。

图2.1 显示了典型运算放大器在1/f 区及宽带区的频谱情况。

请注意，频谱密度图还显示了电流噪声情况（单位为fA/rt-Hz）。

我们还应注意到另一点重要的情况，即1/f 噪声还能用正态分布曲线表示，因此第一部分中介绍的数学原理仍然适用。

图2.2 显示了1/f 噪声的时域情况。

请注意，本图的X 轴单位为秒，随时间发生较慢变化是1/f 噪声的典型特征。

图2.2：时域所对应的1/f 噪声及统计学分析结果图2.3 描述了运算放大器噪声的标准模型，其包括两个不相关的电流噪声源与一个电压噪声源，连接于运算放大器的输入端。

我们可将电压噪声源视为随时间变化的输入偏移电压分量，而电流噪声源则可视为随时间变化的偏置电流分量。

图2.3：运算放大器的噪声模型运算放大器噪声分析方法运算放大器噪声分析方法是根据运放数据表上的数据计算出运放电路峰峰值输出噪声。

在介绍有关方法的时候，我们所用的算式适用于最简单的运算放大器电路。

放大器基本分类及特性分析放大器是电子设备中常见的一种电路器件，用于放大电信号的幅度、功率或电压。

根据电路结构和工作原理的不同，放大器可以被分为几种基本分类，每种分类都具备一些特性。

本文将简要介绍放大器的基本分类及其特性。

第一类：按信号类型分类1. 音频放大器：用于放大音频信号的放大器，广泛应用于音频设备中。

其特性包括较低的频率响应，高放大增益和较小的失真。

2. 射频放大器：用于放大高频信号的放大器，常见于无线通信系统中。

其特性包括宽频带、线性度好和高功率输出。

第二类：按元件类型分类1. 离散元件放大器：采用离散元件（如晶体管、三极管）搭建的放大器。

其特性包括可靠性高、成本低廉和易于调试。

2. 集成电路放大器：采用集成电路芯片构建的放大器，可以实现更高的集成度和性能。

其特性包括小尺寸、低功耗和稳定性好。

第三类：按工作方式分类1. A类放大器：工作在全部信号周期上的放大器，具有良好的线性增益和低功率损耗。

然而，其功率效率较低，主要用于音频放大器。

2. B类放大器：将信号分为正负半周进行放大的放大器，具有高功率效率和较小的失真。

但是在信号过渡边缘处可能产生失真，因此主要应用于音频功率放大器。

3. AB类放大器：综合了A类和B类的特点，可以在一定程度上兼顾功率效率和失真性能，广泛应用于音频放大器和通信领域。

4. C类放大器：仅在输入信号大于某个阈值时放大的放大器，适用于射频信号放大，具有高功率效率和小尺寸的优势。

然而，其失真较大且频率响应较窄。

第四类：按应用领域分类1. 模拟放大器：用于放大模拟信号的放大器，主要应用于音频和射频信号处理方面。

2. 数字放大器：将数字信号转换为模拟信号后进行放大的放大器，主要应用于数字音频系统和音频功率放大。

3. 工业放大器：主要用于工业领域，如传感器信号放大和控制系统中的信号处理。

总结起来，放大器根据信号类型、元件类型、工作方式和应用领域的不同，可以分为多种基本分类。

每种分类都有其独特的特性和适用场景。

功率放大器计量标准
功率放大器是一种电子设备，用于放大电信号的功率。

以下是一些功率放大器常见的计量标准：
1. 频率范围：功率放大器的工作频率范围是其能够放大信号的频率范围。

2. 增益：增益是指功率放大器对输入信号的放大程度，通常以倍数或分贝 dB）表示。

3. 带宽：带宽是指功率放大器能够有效放大信号的频率范围，通常以赫兹 Hz）表示。

4. 失真：失真指的是功率放大器输出信号与输入信号之间的差异，通常以百分比或分贝 dB）表示。

5. 噪声系数：噪声系数是指功率放大器引入的噪声与输入信号噪声之比，通常以分贝 dB）表示。

6. 输入阻抗：输入阻抗是指功率放大器输入端的等效阻抗，它会影响功率放大器与信号源之间的匹配。

7. 输出功率：输出功率是指功率放大器能够输出的最大功率，通常以瓦特 W）表
示。

这些计量标准可以帮助用户了解功率放大器的性能和特性，选择适合其应用的功率放大器。

同时，这些标准也是功率放大器生产厂家进行设计和测试的重要依据。

放大器参数说明工作频率范围（F）：指放大器满足各级指标的工作频率范围。

放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围。

功率增益（G）：指放大器输出功率和输入功率的比值，单位常用“dB”。

增益平坦度(ΔG)：指在一定温度下，在整个工作频率范围内，放大器增益变化的范围。

增益平坦度由下式表示（见图1）:图1ΔG=±（Gmax-Gmin）/2dBΔG：增益平坦度G max：增益——频率扫频曲线的幅度最大值三阶截点（IP3）：测量放大器的非线性特性，最简单的方法是测量1dB压缩点功率电平P1dB。

另一个颇为流行的方法是利用两个相距5到10MHz的邻近信号，当频率为f1和f2的这两个信号加到一个放大器时，该放大器的输出不仅包含了这两个信号，而且也包含了频率为mf1+nf2的互调分量（IM），这里，称m+n为互调分量的阶数。

在中等饱和电平时，通常起支配作用的是最接近基音频率的三阶分量（见图4）。

因为三阶项直到畸变十分严重的点都起着支配作用，所以常用三阶截点（IP3）来表征互调畸变（见图3）。

三阶截点是描述放大器线性程度的一个重要指标。

三阶截点功率的典型值比P1dB高10-12dB。

IP3可以通过测量IM3得到，计算公式为：IP3=P SCL+IM3/2；G min：增益——频率扫频曲线的幅度最小值噪声系数(NF)：噪声系数是指输入端信噪比与放大器输出端信噪比的比值，单位常用“dB”。

噪声系数由下式表示：NF=10lg(输入端信噪比/输出端信噪比）在放大器的噪声系数比较低（例如NF<1）的情况下，通常放大器的噪声系数用噪声温度（T）来表示。

噪声系数与噪声温度的关系为：T=（NF-1）T0 或 NF=T/T0+1T0-绝对温度（290K）噪声系数与噪声温度的换算表(见图2)1分贝压缩点输出功率（P1dB）：放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。

这种放大器称之为线性放大器，这两个功率之比就是功率增益G。

共源级放大器的频率响应
共源极放大器（Cascode Amplifier）的频率响应特点如下：
1.频率特性：共源极放大器的频率响应具有负相频和极点的固有特性。

这意味着放大器对于低频信号是低通滤波器，对于高频信号是高通滤波器。

其带宽受制于电路参数。

2.增益和带宽：共源极放大器的增益大小取决于输入阻抗和输出阻抗的比值，并且随频率增加而减小。

因为频率越高，阻抗越小，所以低频段的增益大于高频段的增益。

高频段（如RF电路）的设计目标通常为-3dB带宽是截止频率的2~3倍，在1GHz时，应至少保证300MHz的带宽。

3.输入阻抗和输出阻抗：共源极放大器的输入阻抗非常高，可以近似为无穷大。

但是，输出阻抗非常低，甚至在电阻几欧姆级别下仍具有相当高的功率容量。

因此，共源极放大器具有很高的输入阻抗和非常低的输出阻抗。

综上，共源极放大器在电路设计中可以作为放大器、滤波器和衰减器使用，根据其特点可以进行不同的应用场景选择。