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如何為低噪聲設(shè)計(jì)選擇最佳放大器?

發(fā)布時(shí)間:2020-10-12 來(lái)源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】當(dāng)針對(duì)低噪聲應(yīng)用評(píng)估放大器的性能時(shí),考慮因素之一是噪聲,本文簡(jiǎn)要探討在為低噪聲設(shè)計(jì)選擇最佳放大器時(shí)涉及到的權(quán)衡問(wèn)題。
 
如果驅(qū)動(dòng)一個(gè)帶有一定源電阻的運(yùn)算放大器,等效噪聲輸人則等于以下各項(xiàng)平方和的平方根:放大器的電壓噪聲;源電阻產(chǎn)生的電壓;以及流過(guò)源阻抗的放大器電流噪聲所產(chǎn)生的電壓。
 
如果源電阻很小,則源電阻產(chǎn)生的噪聲和放大器的電流噪聲對(duì)總噪聲的影響不大。這種情況下,輸人端的噪聲實(shí)際上只是運(yùn)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(yuǎn)高于運(yùn)算放大器的電壓噪聲和由電流噪聲產(chǎn)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(zhǎng),而受電流噪聲影響的噪聲電壓與輸人阻抗成正比關(guān)系,因而對(duì)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(dǎo)。當(dāng)放大器的電壓和電流噪聲足夠高時(shí),在任何輸人電阻值情況下,約翰遜噪聲都不會(huì)是主導(dǎo)。
 
如果某個(gè)放大器的噪聲貢獻(xiàn)相對(duì)于源電阻可以忽略不計(jì),則可通過(guò)運(yùn)算放大器的品質(zhì)因數(shù)Rs, op來(lái)進(jìn)行選擇。這可以通過(guò)放大器的噪聲指標(biāo)來(lái)計(jì)算:
 
如何為低噪聲設(shè)計(jì)選擇最佳放大器?
 
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(yùn)算放大器的電壓噪聲密度對(duì)與RS, OP關(guān)系的比較,1 kHz。斜線(xiàn)顯示了與電阻相關(guān)的約翰遜噪聲。
 
如何為低噪聲設(shè)計(jì)選擇最佳放大器?
圖1. ADI的放大器噪聲坐標(biāo)圖
 
根據(jù)運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)中的數(shù)據(jù),可以為某個(gè)選定頻率制作類(lèi)似的曲線(xiàn)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(diǎn):
 
     ○ 與該器件相關(guān)的約翰遜噪聲等效于約為69.6 Ω的源電阻  (見(jiàn)圖1);
     ○ 對(duì)于超過(guò)465 Ω的源電阻,放大器電流噪聲產(chǎn)生的噪聲電壓會(huì)超過(guò)源電阻產(chǎn)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(jiàn)圖2),請(qǐng)執(zhí)行第1至第4步。
 
1. 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(jù)周?chē)幕蚯岸说碾娐菲骷M(jìn)行計(jì)算;
2. 在約翰遜噪聲線(xiàn)上確定給定源電阻的位置,如1 kΩ;
3. 從第2步確定的點(diǎn)向坐標(biāo)圖右側(cè)畫(huà)一條水平線(xiàn);
4. 從第2步確定的點(diǎn)向左下方畫(huà)一條直線(xiàn)線(xiàn)。斜率為,每下降10倍電壓噪聲則下降10倍電阻。
 
如何為低噪聲設(shè)計(jì)選擇最佳放大器?
圖2. 為低噪聲設(shè)計(jì)選擇運(yùn)算放大器
 
位于線(xiàn)條右下方的放大器均為適用于目標(biāo)設(shè)計(jì)的優(yōu)質(zhì)低噪聲運(yùn)算放大器,如圖2陰影部分所示。
 
敲黑板!重點(diǎn)來(lái)了!
 
在針對(duì)低噪聲設(shè)計(jì)評(píng)估放大器噪聲性能時(shí),應(yīng)考慮所有潛在噪聲源。
 
 
運(yùn)算放大器的主要噪聲貢獻(xiàn)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(yōu)勢(shì)
     ○ Rs = Rs, op;放大器噪聲可忽略;電阻噪聲占優(yōu)勢(shì)
     ○ Rs <<Rs, op;折合到輸人端的電壓噪聲占優(yōu)勢(shì)
 
概括而言,可通過(guò)以下方式減少或消除干擾信號(hào):
 
     ○ 良好的布線(xiàn)技術(shù),以減少寄生效應(yīng)
     ○ 良好的接地技術(shù),如數(shù)字接地和模擬接地的隔離
     ○ 良好的屏蔽
 
對(duì)于電阻性噪聲源,請(qǐng)遵循以下規(guī)則:
 
     ○ 根據(jù)應(yīng)用的需要來(lái)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(xiàn)繞式和金屬薄膜技術(shù)的電阻
     ○ 盡可能減少電阻性噪聲源的數(shù)量
 
 
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