运算放大器电路固有噪声的分析与测量3
运算放大器电路固有噪声的分析与测量(三)
运算放大器电路固有噪声的分析与测量(三):电阻噪声与计算示例在第二部分中,我们给出了将产品说明书上噪声频谱密度曲线转换为运算放大器噪声源模型的方法。
在本部分中,我们将了解如何用该模型计算简单运算放大器电路的总输出噪声。
总噪声参考输入(RTI) 包含运算放大器电压源的噪声、运算放大器电流源的噪声以及电阻噪声等。
上述噪声源相加,再乘以运算放大器的噪声增益,即可得出输出噪声。
图3.1 显示了不同噪声源及各噪声源相加再乘以噪声增益后的情况。
图 3.1:噪声源相结合噪声增益是指运算放大器电路对总噪声参考输入(RTI) 的增益。
在某些情况下,这与信号增益并不相同。
图 3.2 给出的实例显示了信号增益(1)与噪声增益(2)不同的情况。
Vn 信号源是指不同噪声源的噪声影响。
请注意,通常在工程设计中,我们会在非反向输入端将所有噪声源结合为单个的噪声源。
我们的最终目标是计算出运算放大器电路的噪声参考输出(RTO)。
图 3.2:噪声增益与信号增益。
方程式 3.1:简单运算放大器电路的噪声增益在上一篇文章中,我们了解到如何计算电压噪声输入,不过我们如何将电流噪声源转换为电压噪声源呢?一种办法就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。
这时我们要注意,要用和的平方根(RSS) 对每个电流源的结果进行求和。
通过方程式 3.2 和 3.3,我们可将简单运算放大器电路的电流噪声转换为等效电压噪声源。
图 3.3 给出了有关图示。
附录 3.1 给出了该电路的整个演算过程。
方程式 3.2与3.3:将简单运算放大器的电流噪声转换为电压噪声(RTI)图 3.3:将电流噪声转换为电压噪声(等效电路)。
我们还必须考虑的另一因素是运算放大器电路中电阻器的热电压噪声。
我们可用节点分析法来独立分析电压源。
我们可用叠加法与RSS 添加法将结果相结合。
通过方程式 3.4 与3.5,我们可将所有热噪声源相结合,从而得到单个的噪声源参考输入。
运算放大器的噪声分析
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。
运算放大器电路的噪声分析和设计_何峥嵘
Noise Analysis and Design of Operational Amplifier Circuits
H E Zheng2rong
( Sich uan Inst it ut e of Sol id2St ate Ci rcuit s , Chi na El ectr oni cs T ech nol ogy Grou p Corp or ati on, Chongqi ng 400060, P . R. China)
Abstr act: Diff er ent noise types in oper ational amplifier ( op2amp) circuits are described. Standard circuit theory
and noise models are used to calculate noises in op2amp cir cuits. With inverting, noninverting and differ ential op2 amp cir cuits as examples, methods to noise calculations are illust rated. Finally, useful advices and techniques for noise design ar e pr ovided.
爆裂噪声和雪崩噪声在运算放大器电路中通常 没有太大影响, 即使有, 也能够消除, 在噪声分析中 可以不予考虑。下面逐一介绍各种噪声源。 2. 1 散粒噪声
散粒噪声总是与电流流动相联系的。无论何时 电荷流过势垒(如 pn 结), 导体不再处于热平衡状 态, 都会导致散粒噪声产生。流过势垒纯粹是随机 事件, 因此, 大量随机、独立的电流脉冲的平均值 iD
运放的噪声特性和放大电路的噪声分析
也只规定 了 电压 噪声 的参 数 作 为电压性 噪声 的参数在数
21年 第1 期 <6 00 1 、 ◇
域.分别用下面的方法换算成有效值。然后再用两个有效
值的平方 和开平 方根 的方法 求 出总噪声 。
lN = . / O 1 2 、 9x 0 2  ̄ s2 、 l5 = . /9 1 2 - 2
E ̄ Gn・ o = Vn
五 、 目标 信 噪 比特 性 的噪 声 电平
表2 相对 于基 准信 号 电平 1r s Vm 一般 的线 是 V m 和2 r s(
路输出电平)在达到一定 的信噪比 (N )时,信噪比与 SR
噪声 电压 有效值 之间 的对应关 系 由表 中的数值 可知 .希 望得到 的信噪 比的数值 不同 .要求 的输入 端噪声 电压有效 值 的数值 也完 全 不 同。例 如以2 r s Vm 的信 号为例 .信 噪 比 为10 B 的噪声 电压容许 值2 1 rs 0d 时 0 V m 在S = 2d  ̄样 x / 10 B l N i 的超低噪 声特性 时噪声 电压 的容许 值为2 Vm 1 rs  ̄ 对 于一般 的音 频用运 算放 大器 来说 .要 实现 10 B 0d 的
运放的噪声特性和放大电路的噪声分析
口张
运算 放 大 器集 成 电路 是 在模 拟 电路 中 .包 括音 频 应
用 电路 在 内应 用最 为广 泛 、普及 度很 高的放 大器件 由于
达
据表 中有两种 表示方 法 ,一种 是噪声 频谱密 度 .另一种 是 噪声 有效 值 表 1 是集 成运 算放 大 器噪声 参数 的表 示方 法 的例 子 。在 该 表 中对 噪 声频 谱 密 度 和噪 声有 效 电压 都 同 时做 了规 定 。但 是对 于 一些 不针 对音 频应 用 的型号来 说 . 有的并不 规定 噪声有效 值 只给出噪声 频谱密 度
放大电路噪声分析
放大电路噪声分析放大电路噪声是指在电子设备或电路中,由于器件的非线性特性、温度影响以及外部环境等因素所引起的电压或电流的波动。
在现代电子领域中,电路的噪声特性对于保证电路的稳定性和性能起着至关重要的作用。
因此,正确分析和评估放大电路的噪声是电子工程师们必须要面对和解决的问题之一。
一、噪声的基本概念与分类噪声通常可以分为两类:热噪声和非热噪声。
热噪声是由于电子器件内部的热运动引起的电子运动产生的电流或电压的波动。
非热噪声则主要受到放大器本身的非线性行为、外界电磁干扰等影响。
热噪声可以用热噪声电压和热噪声电流来描述。
热噪声电压可以由热噪声电流通过电阻器引入电压的公式来计算。
非热噪声则可以表示为一种干扰信号,它与输入信号相加后影响放大器的输出。
二、放大电路噪声的来源在放大电路中,噪声主要来自于有源器件(如晶体管、场效应管等)和无源器件(如电阻、电容等)。
1. 有源器件的噪声有源器件的噪声主要来自于器件本身的非线性行为和内部电流的随机分布。
晶体管由于内部结构复杂,会引起雜訊。
而场效应管的噪声则与通道电流和通道电阻有关。
由于有源器件的噪声是由内部过程产生的,因此很难对其进行控制和消除。
2. 无源器件的噪声无源器件的噪声主要来自于内部分子的热运动,也称为热噪声。
热噪声与温度、电阻值和频率等因素有关。
例如,电阻器的热噪声可以由热噪声电压的均方根值与电阻值和带宽之间的关系来表示。
三、放大电路噪声的分析方法放大电路噪声的分析方法通常可以分为两类:直接分析和间接分析。
1. 直接分析法直接分析法是通过对放大电路中各个元件的噪声源进行建模,并利用相关的理论和公式来计算和分析放大电路的噪声指标。
这种方法要求对电路的内部结构和噪声源有较深入的了解,适用于研究和设计复杂的放大电路。
2. 间接分析法间接分析法是通过测量放大电路的噪声指标,然后利用统计方法进行分析和推导。
这种方法不需要对电路内部噪声源的详细了解,只需测量输出信号的噪声特性即可。
运算放大器电路固有噪声的分析与测量 第八部分:爆米花噪声
运算放大器电路固有噪声的分析与测量第八部分:爆米花噪声作者:Art Kay,德州仪器 (TI) 高级应用工程师 本文将讨论如何测量并辨别爆米花噪声;以及相对于1/f 及宽带噪声的幅度;还有对爆米花噪声特别敏感的诸多应用。
讨论爆米花噪声以前,对时域和宽带及1/f噪声的统计表示法进行回顾是非常有帮助的。
1/f 和宽带噪声均具有高斯分布的特点。
此外,在一个特定设计中,这些噪声类型都是一贯的并且是可以预见的。
到目前为止,我们已经从本文中了解了如何通过计算和仿真(图 1-2)来预测噪声级别。
但是,这些方法均不能用于测量爆米花噪声。
图 8.1 宽带噪声——时域及柱状图图 8.2 1/f 噪声——时域及柱状图爆米花噪声是一种在双极晶体管基极电流中的突然阶跃或跳跃,或 FET 晶体管阈值电压中的一种阶跃。
之所以将其称为爆米花噪声,是因为当通过扬声器播放出来时其听起来类似爆米花的声音。
这种噪声也被称为猝发噪声和随机电报信号 (RTS)。
爆米花噪声出现在低频率(通常为 f < 1kHz)下。
每秒钟可以发生数次猝发,在极少数情况下,可能数分钟才发生。
图 8.3 显示了时域中的爆米花噪声及其相关的统计分布情况。
需要注意的是,噪声级别的不同跳跃与分布峰值相对应。
很明显,该分布情况与非高斯爆米花噪声相关。
实际上,本例中显示的分布情况为三条放置于彼此顶部的高斯曲线(三模分布)。
出现这种情况的原因是,本例中的爆米花噪声具有三个离散电平。
各猝发间的噪声为宽带和 1/f 噪声的组合。
因此,该噪声由三个不同的 1/f 及宽带噪声高斯分布组成,而 1/f 及宽带噪声又被爆米花噪声转换为不同的电平。
图 8.3爆米花噪声时域及柱状图人们认为,爆米花噪声是由电荷陷阱或半导体材料中的微小缺陷引起的。
我们已经知道重金属原子污染是引起爆米花噪声的原因。
在失效分析时,专家通常会对具有较多爆米花噪声的器件进行仔细的检查。
失效分析将查找会引起爆米花噪声的微小缺陷。
运放的噪声特性和放大电路的噪声分析
露霜鳃圆运放的噪声特性和放大电路的噪声分析口张达运算放大器集成电路是存模拟电路巾包括音频成川电路在内应川罐为广泛、昔皿度很高的艘大器件。
山于它具有使用方诬窖易购买电路元仆少电路设计难度小容舄制作电路性能岛等诸多忧点罐受者响发烧友的喜爱,但是张们在产品f十查拽到的仪但是集成运算放大器的数据表对于韧学者束说.正确地理孵集成运算放大器的数据表的各项毒数和性能金存在一定的嘲难.为此特意m连载的方式时熊或运算放大器的几项巫要垂教进{r 较为详绑地介绍井结台且体电路加以说明黼后还将介绍几种齿颧领域中应川展为普避封搬成运算放大器及应用电路举例,本埘首先舟绍运算肚大器的噪声特忡并时县体的电路的进行煤声丹折一.噪声特性运算放凡器的噪声特性是Ⅲ折算到箍^端的噪声 (枉辚^端存在有个碟声源的荨破电路}米规定的町以分为下面N娄噪声嘏l 电堆性噪声把噪声源折算成输凡噪声电版 2电流性噪牟:把噪声潭折算成输^噪声电流庄音瓢府崩中除了特殊情况外由丁电谶性噪声占总峨一的比州一般都m 常小I Tf以忽略昕HH蚤着¨&十屯M性噪声即l”在实际n0运并放大器的数姑裘t 卜有的也其墁定,电压噤声的摩敏作为电压性噪声的参数在数据表巾有两种表示方法一种是噪声频谱密度.另种足噪声有效值捉1是集成量并放^器噪声参数的袁Ⅲ打迭的倒丁庄媛表中对噪声频讲密度和噪声有敛电压部同时惜r舰宅。
世是对】。
・些小“对音频应用的型号米通卉的并小胤定噪声有效值只精出噤声频谱督度,噪声颧谱密度JⅢ常以nYⅣHz为单位定义为单位频率的噪声崭度。
辐成运算放太器存档的噪声分l,牌声和敬牲啭声两种.剜种噪声的特点和频率也各不相同通常分刹对两种噪声所在频毕区域的噪声密度进行规定在变换成噪声的打破值(m*}时必觚指症其津的额卓越咐唰 iD20Hz。
20kHz.总的噪小培lH噪声和敞粒咩声的综合在缭Ⅱ;嵘声有效伉时.在数蚶袅中部会跗加有顿率范附!£拧滤池荣件所“在佳用数据表中规定的噪一有敬恤时必需确认丝算坡凡器的额率应川范l目c*者滤波器的特性楚卉与表巾的附加条件扣符,荣件水同时相互之问不能简啦地进行}E较二、噪声频谱密度换算成有效值的方法囤I是运算放大器噪出颠谱密度特性曲线的一十例干噪声丹成敲耗M和l/fill峨千lz域lH噪声“最低翱率开蛤“l制卧lcc的斜率下降迪址作崮叮“求耨1删声曲线和散粒噪声曲线的交点(拐点频丰k.把小于k的区域税为1^噪声帕区城把太丁^的区域税却般粒雌声的噬万方数据输出噪声Eno岛=瓜而丙丽∞2&*t^t*自●自lltJll‘lEno域.分别用下面的方法换算戚有艘值.髂后冉朋两个有敢值的平方和开平方根的方法求出总噪卢。
运算放大器电路的噪声分析和设计
运算放大器电路的噪声分析和设计赵俊俊【摘要】本文将运算放大器的设计原理做了一个详细的分析,并且将生活中常见的一些电路图的设计做了计算与分析.【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2018(000)016【总页数】2页(P62-63)【关键词】运算放大器;电路图;噪声;设计原理【作者】赵俊俊【作者单位】第七一五研究所,浙江杭州,311101【正文语种】中文1 反相放大电路的噪声分析1.1 总输入噪声谱密度计算在传统的运算放大器中,其中噪音主要由三个等级的来表示,主要是谱密度为e。
的电压源,还有谱密度为K的电流源以及同中类型的谱密度为0的电流源,并且,在一定的特殊情况中,电路图中的电阻也会产生一些比较低的噪音。
而在这四种噪音的效果叠加的基础上,在与放大器的噪声增幅度相乘就可以算出反放大器电路图中的总噪音。
在这里反相放大电路,噪声增幅度为:散粒噪声通常定义为这个平均值变化量的均方值,记为∶电压噪声源或电流噪声源的均方值分别记为∶其中,露为波尔兹曼常数,r为绝对温度,Af 为噪声带宽。
将上述各项相加可得总输入噪声谱密度为1.2 总输出噪声计算噪声的有效值与噪声谱密度关系为∶对于运算放大器,其噪声是由白噪声和噪声叠加而成的网。
高频部分与低频部分起到作用的分别是白噪声与噪声。
2 低噪声运放放大电路的设计原则首先,我们分析输入噪声谱密度的各个组成部分对最终结果的影响,具有对称输入端和不相关噪声电流的运算放大器,为了便于计算,取R2=R3,则公式化简为放输入频谱噪声e及它的三个单独分量关于的函数曲线。
观察发现,电压噪声项e 与R无关,电流噪声项随着的增加以1.0dec/dec的速率增加,R的增加以0.5dec/dec的速率增加。
当R值足够小时,电压噪声起主要作用,R值足够大时,电流噪声起主要作用,尺值居中时,热噪声也会起作用,取决于相对于其他两相的幅度。
热噪声在A点超过电压噪声,电流噪声在日点超过电压噪声,电流噪声在C点超过热声。
2-3集成运算放大器的噪声
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: 滤波阶数 校正系数 1.57 1.22 1.16 1.13 1.12
BWn=Kn﹒ƒH
1 2 3 4 5
ƒH:上限截止频率,
Kn:滤波器的校正系数。
A
ƒ
2.2 热噪声的计算
计算热噪声电压公式为:
enBB eBB BWn
enBB
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
总的输出噪声电压: en_out=en_in﹒Noise_Gain en_out=3205﹒101=324μV(rms) 总峰峰值输出噪声电压: en_out—pp= 6.0×en_out en_out—pp= 6.0×324μV=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
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。
请看下一节
3.1 运算放大器放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。
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)
运算放大器的电阻噪声与计算示例
例 3.4:计算总峰值对峰值输出噪声
本文总结与下文内容简介 在噪声系列文章中,本部分全面介绍了简单运算放大器电路噪声的演算过程。采用 上述峰值的输出噪声。对示例 中电路的配置情况而言,我们估算出的峰值对峰值输出噪声为 1.94mVpp。我们在 随后几篇文章中还将参考上述示例,并测定本文通过测量与 SPICE 分析所得的输 出噪声估算值确实是准确的。
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运算放大器电路固有噪声的分析与测量 第三部分:电阻噪声与计算示例
作者:TI 高级应用工程师 Art Kay
在第二部分中,我们给出了将产品说明书上噪声频谱密度曲线转换为运算放大器噪 声源模型的方法。在本部分中,我们将了解如何用该模型计算简单运算放大器电路 的总输出噪声。总噪声参考输入 (RTI) 包含运算放大器电压源的噪声、运算放大器 电流源的噪声以及电阻噪声等。上述噪声源相加,再乘以运算放大器的噪声增益, 即可得出输出噪声。图 3.1 显示了不同噪声源及各噪声源相加再乘以噪声增益后的 情况。
方程式 3.4 与 3.5:简单运算放大器电路的热噪声 RTI
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图 3.4:简单运算放大器电路的热噪声 RTI(等效电路) 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,从而计算出输出 噪声。该均方根噪声乘以 6 通常用于估算峰值对峰值噪声。我们记得,在第一部分 中,瞬时噪声测量结果小于均方根噪声乘以 6 的概率达 99.7%。根据方程式 3.6、 3.7 及 3.8, 即可计算出输出噪声。
放大器噪声模型及噪声参数测试方法
放大器噪声模型与噪声测量方法摘要:运算放大器是最基本、最具代表性的、应用最广泛的一种模拟集成电路。
随着集成芯片制造工艺的提髙和电路结构的完善,相继研发了一系列用于微弱信号检测的高性能专用集成运放,基于低噪声运放的放大电路得到了十分广泛的应用。
放大器的噪声水平及噪声特性直接关系到信号检测灵敏度,关系到系统的整体性能,并且可以用于电路和系统的可靠性工作。
给岀了放大器噪声的模型,并介绍了噪声测量的一些方法,最后通过实验案例对噪声应用于放大器的可靠性作了简要介绍。
关键词:放大器,噪声模型,噪声测量,可靠性1.放大器的噪声类型[1]运算放大器电路中存在5种噪声源:>散粒噪声(Shot Noise)》热噪声(Thermal Noise)>闪烁噪声(Flicker Noise)》爆裂噪声(Burst Noise)》雪朋噪声(Avalance Noise)爆裂噪声和雪朋噪声在运算放大器电路中通常没有太大影响,即使有,也能够消除,在噪声分析中可以不予考虑。
下而逐一介绍各种噪声源。
1.1散粒噪声散粒噪声总是与电流流动相联系的。
无论何时电荷流过势垒(如pn结),导体不再处于热平衡状态,都会导致散粒噪声产生。
流过势垒纯粹是随机事件,因此,大量随机、独立的电流脉冲的平均值i,就形成了瞬时电流i。
散粒噪声通常泄义为这个平均值变化量的均方值,记为:式中,q是电子电荷(1.62X10_19C), df是频率微分,q b左义为电流功率密度,单位为A7HZO散粒噪声是白噪声(某一频率范用内谱密度保持常数的噪声信号),它的频谱是平坦的(作一条相对于频率的散粒噪声曲线时,噪声值始终恒泄),即功率密度是均匀的。
此外, 散粒噪声与温度无关。
1.2热噪声热噪声是由于导体内部载流子(电子或空穴)的无规则热运动产生的。
热噪声存在于所有无源电阻型材料中。
热噪声也是白噪声,但热噪声与电流流动无关,与绝对温度成比例。
导体热噪声可以用电压或电流模型来表征,等效为电压源串联一个理想的无噪声电阻,或电流源并联一个理想的无噪声电阻。
运算放大器电路固有噪声的分析与测量
运算放大器电路固有噪声的分析与测量第六部分:噪声测量实例作者:德州仪器 (TI) 高级应用工程师 Art Kay在第 5 部分我们介绍了不同类型的噪声测量设备。
我们将在第 6 部分讨论与噪声测量相关的参数和操作模式。
在这里我们将列举一些实际应用的例子,来说明如何使用该设备对第 3 部分及第 4 部分所描述的电路进行测量。
屏蔽:测量固有噪声时,消除外来噪声源是很重要的。
常见的外来噪声源有:电源线路“拾取”(“拾取”是指引入外来噪声,比如 60Hz 噪声)、监视器噪声、开关电源噪声以及无线通信噪声。
通常利用屏蔽外壳将所测电路放置于其中。
屏蔽外壳通常由铜、铁或铝制成,而重要的是屏蔽外壳应与系统接地相连。
一般来说,电源线缆和信号线缆是通过外壳上的小孔连接到屏蔽外壳内电路的。
这些小孔尽可能地小,数量也要尽可能地少,这一点非常重要。
实际上,解决好接缝、接合点以及小孔的(电磁)泄露,就可以实现较好的屏蔽效果。
[1]图 6.1 举例显示了一种极易构建且非常有效的屏蔽外壳,该屏蔽外壳是采用钢漆罐制成的(这些材料可从绝大多数五金商店买到,而且价格也不高)。
漆罐有紧密的接缝,并且罐盖的设计可以使我们方便地接触到所测电路。
请注意,I/O 信号是采用屏蔽式同轴线缆进行连接的,该同轴线缆采用 BNC 插孔-插孔式连接器将其连接到所测试的电路;BNC 插孔-插孔式连接器壳体与漆罐进行电气连接。
外壳唯一的泄露路径是将电源连接到所测电路的三个香蕉插头 (banana connector)。
为了实现最佳的屏蔽效果,应确保漆罐密封紧固。
图 6.2 为测试用漆罐装配示意图图 6.1:使用钢漆罐进行测试)BNC jack to jackconnected to can图 6.2:测试用漆罐装配示意图检测噪声底限一个常见的噪声测量目标是测量低噪声系统或组件的输出噪声。
通常的情况是,电路输出噪声太小,以至于绝大多数的标准测试设备都无法对其进行测量。
运算放大器电路的固有噪声的分析与测量第四部分SPIC噪声分析介绍
运算放大器电路的固有噪声的分析与测量第四部分:SPIC噪声分析介绍运算放大器电路的固有噪声的分析与测量第四部分:SPIC噪声分析介绍在本系列的第三部分,我们对简单的运算放大器电路进行了实际分析。
在本部分中,我们将采用所谓“TINA SPICE”电路模拟套件来分析运算放大器电路。
(您可在TI网站上通过输入TINA搜索,获得TINA SPICE 的免费版TINA-TI)。
TINA SPICE能够就SPICE套件进行传统类型的模拟(如dc、瞬态、频率域分析、噪声分析等)。
此外,TINA-TI还配有众多TI模拟宏模型。
在本部分,我们将介绍TINA噪声分析以及如何证明运算放大器的宏模型能准确对噪声进行建模。
重要的是,我们应当了解,有些模型可能不能对噪声做适当建模。
为此,我们可以用一个简单的测试步骤来加以检查,并通过用分离噪声源噪声源和通用运算放大器开发自己的模型来解决这一问题。
?测试运算放大器噪声模型的准确性图 4.1显示了用于确认运算放大器噪声模型准确性的测试电路测试电路。
CCV1是一种流控电压源,我们用它来将噪声电流转换为噪声电压。
之所以要进行这种转换,是因为TINA中的“输出噪声输出噪声分析”需要对噪声电压进行严格检查。
CCV1的增益必须设为1,这样电流就能直接转换为电压。
运算放大器采用电压输出器配置,这样输出就能反映输入噪声情况。
TINA能够识别到两个输出测量节点“voltage_noise”与“current_noise”,它们用于生成噪声图。
由于TINA需要输入源才能进行噪声分析,因此我们添加了信号源VG1。
我们将此信号源配置成正弦曲线,但这对噪声分析并不重要(见图 4.2)。
???图4.1:配置噪声测试电路(设置CCV1增益为1)?图4.2:配置噪声测试电路(设置信号源VG1)随后,我们可从下来菜单中选择“分析噪声分析”(),进行噪声分析,这将生成噪声分析表。
然后输入需要的起始和终止频率。
该频率范围由受测试的运算放大器的规范决定。
运算放大器电路固有噪声的分析与测量
和 用叠 加将 两个分 析结果 整合 。放 大器 来 ,把图 1 图 2中最 终传递函数 的
的上半部分是一个简单 的反相放 大器 , 结 果整 合。请注 意所有 的增益 都位于 增益为 一 :0 =- 1v V t 第一个级 ,第二 个级将 第一个 级 的差 动输 出转 换成 了一个 单端信 号。参考 电压直 接添加 到 了输 出端 ( 考信号 参
归并 在一起 。图 5显示了具有一 个或
增益 变化下 降。输出噪 声将 随着增益
两 噪 源 简 噪模 。 个 声 的化 声 型
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的提 高而一 直增加。因此正 确的结论 是输入 级和输 出级在低增益 时都会 引 起 噪声 ,但 在高增益 时输入级 是带来
噪声 的主要原 因。由于在高增益 时噪
运算放大器 电路固有噪声的 分析与测量
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图 5顶 部 的两 级模 型 具 有 一个 输 入 级 ( n i)电压 噪 声 源 和 一 个 V _n 输 出 级 (n ot V _ u)电压 噪 声 源。Vn
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向放大器每一半输 出端的转移 。
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运算放大器电路固有噪声的分析与测量
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。
运算放大器的噪声分析
运算放大器的噪声分析运算放大器的噪声分析2010年11月02日星期二16:24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。
噪声系数的计算及测量方法
噪声系数的计算及测量方法(一)时间:2012-10-25 14:32:49 来源:作者:噪声系数(NF)是RF系统设计师常用的一个参数,它用于表征RF放大器、混频器等器件的噪声,并且被广泛用作无线电接收机设计的一个工具。
许多优秀的通信和接收机设计教材都对噪声系数进行了详细的说明.现在,RF应用中会用到许多宽带运算放大器和ADC,这些器件的噪声系数因而变得重要起来。
讨论了确定运算放大器噪声系数的适用方法。
我们不仅必须知道运算放大器的电压和电流噪声,而且应当知道确切的电路条件:闭环增益、增益设置电阻值、源电阻、带宽等。
计算ADC的噪声系数则更具挑战性,大家很快就会明白此言不虚。
公式表示为:噪声系数NF=输入端信噪比/输出端信噪比,单位常用“dB”。
该系数并不是越大越好,它的值越大,说明在传输过程中掺入的噪声也就越大,反应了器件或者信道特性的不理想。
在放大器的噪声系数比较低的情况下,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+1 其中:T0-绝对温度(290K)噪声系数计算方法研究噪声的目的在于如何减少它对信号的影响。
因此,离开信号谈噪声是无意义的。
从噪声对信号影响的效果看,不在于噪声电平绝对值的大小,而在于信号功率与噪声功率的相对值,即信噪比,记为S/N(信号功率与噪声功率比)。
即便噪声电平绝对值很高,但只要信噪比达到一定要求,噪声影响就可以忽略。
否则即便噪声绝对电平低,由于信号电平更低,即信噪比低于1,则信号仍然会淹没在噪声中而无法辨别。
因此信噪比是描述信号抗噪声质量的一个物理量。
1 噪声系数的定义要描述放大系统的固有噪声的大小,就要用噪声系数,其定义为设Pi为信号源的输入信号功率,Pni为信号源内阻RS产生的噪声功率,Po和Pno 分别为信号和信号源内阻在负载上所产生的输出功率和输出噪声功率,Pna表示线性电路内部附加噪声功率在输出端的输出。
运算放大器电路固有噪声的分析与测量
运算放大器电路中固有噪声的分析与测量第一部分:引言与统计数据评论作者:德州仪器公司高级应用工程师 Art Kay我们可将噪声定义为电子系统中任何不需要的信号。
噪声会导致音频信号质量下降以及精确测量方面的错误。
板级与系统级电子设计工程师希望能确定其设计方案在最差条件下的噪声到底有多大,并找到降低噪声的方法以及准确确认其设计方案可行性的测量技术。
噪声包括固有噪声及外部噪声,这两种基本类型的噪声均会影响电子电路的性能。
外部噪声来自外部噪声源,典型例子包括数字交换、60Hz 噪声以及电源交换等。
固有噪声由电路元件本身生成,最常见的例子包括宽带噪声、热噪声以及闪烁噪声等。
本系列文章将介绍如何通过计算来预测电路的固有噪声大小,如何采用 SPICE 模拟技术,以及噪声测量技术等。
热噪声热噪声由导体中电子的不规则运动而产生。
由于运动会升高温度,因此热噪声的幅度会随温度的上升而提高。
我们可将热噪声视为组件(如电阻器)电压的不规则变化。
图 1.1 显示了标准示波器测得的一定时间域中热噪声波形,我们从图中还可看到,如果从统计学的角度来分析随机信号的话,那么它可表现为高斯分布曲线。
我们给出分布曲线的侧面图,从中可以看出它与时间域信号之间的关系。
图 1.1: 在时间域中显示白噪声以及统计学分析结果热噪声信号所包含的功率与温度及带宽直接成正比。
请注意,我们可简单应用功率方程式来表达电压与电阻之间的关系(见方程式1.1),根据该表达式,我们可以估算出电路均方根 (RMS) 噪声的大小。
此外,它还说明了在低噪声电路中尽可能采用低电阻元件的重要性。
e n4kTR∆f where e is the rms noise voltageT is Temperature in Kelvin (K)R is Resistance in Ohms (Ω)f is noise bandiwdth frequency in Hertz (Hz)k is Boltzmann's Constant 1.381E-23 joule/KNote to convert degrees Celsius to KelvinT K = 273.15o C + T C方程式 1.1:热电压方程式 1.1 中有一点值得重视的是,根据该表达式我们还可计算出 RMS 噪声电压。
运算放大器电路固有噪声的分析与测量
运算放⼤器电路固有噪声的分析与测量作者:Art Kay,德州仪器 (TI) ⾼级应⽤⼯程师本⽂主要阐述仪表放⼤器电路中的噪声分析与仿真。
此外,我们还将探讨将仪表放⼤器设计中噪声最⼩化的⽅法。
三运放仪表放⼤器的简单回顾仪表放⼤器 (INA) 对⼩差动信号进⾏了放⼤。
⼤多数 INA 都包括若⼲个电阻和运算放⼤器 (op amps)。
虽然可以使⽤分⽴组件来构建这些 INA,但是使⽤单⽚集成电路 INA 的优点颇多。
使⽤分⽴组件很难达到单⽚ INA 的精度和尺⼨。
图 10.1 显⽰了三运放INA 的拓扑结构以及⼀些主要连接。
就仪表放⼤器⽽⾔,三运放INA 是最流⾏的拓扑结构。
在本节,我们将开发针对 INA 的增益⽅程式,这是进⾏噪声分析的⼀个重要的⽅程式。
但是本⽂并不会全⾯阐述如何设计并分析仪表放⼤器。
图 10.1 三运放仪表放⼤器概述诸如电阻式桥接的传感器⽣成⽤于 INA 的输⼊信号。
为了理解 INA 增益⽅程式,您必须要⾸先理解输⼊信号中的共模和差动组件的正式定义。
共模信号是 INA 两个输⼊端上的平均信号,差动信号是两信号之间的差。
因此按照定义,有⼀半的差动信号会⾼于共模电压,⼀半的差动信号会低于共模电压。
图 10.2 中的信号源描述了共模信号和差动信号的定义。
图 10.2 共模信号和差动信号的定义现在我们将图 10.2 中的共模和差动电压信号源表⽰法应⽤于三运放INA,并对增益⽅程求解。
这⼀练习给我们的噪声分析提供了颇具价值的启发。
通过分离输⼊级和输出级(请参见图10.3),我们将简化这⼀分析过程。
这就允许我们可以单独分析每⼀半,从⽽我们可以在后期将⼆者整合,以得出全部的结果。
图 10.3 开始三运放INA 分析在图 10.4 中我们对称地将输⼊级的上半部分和下半部分分离后开始进⾏分析。
放⼤器的每⼀半均可视为⼀个简单的、⾮反相放⼤器(增益= Rf/Rin +1)。
请注意,增益设置电阻也被分成了两半,因此每⼀半的增益为:增益= 2Rf/Rg+1。
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Analysis And Measurement Of Intrinsic Noise In Op Amp CircuitsPart III: Resistor Noise And Sample Calculationsby Art Kay, Senior Applications Engineer, Texas Instruments IncorporatedIn part II we developed a method for converting the noise spectral density curves from a product data sheet to noise sources in an op amp model. In this part we will learn how to use the model to compute the total output noise for a simple op amp circuit. The total noise referred-to-input (RTI) will contain noise from the op amp voltage noise source, noise from the op amp current noise source, and resistor noise. This combined noise source will be multiplied by the op amp noise gain. Fig. 3.1 shows all the different sources, to be combined and multiplied by the noise gain.Fig. 3.1: Combine The Noise SourcesNoise gain is the gain that the op amp circuit sees to the total noise referred-to-input (RTI). In some cases this is not equivalent to the signal gain. Fig. 3.2 shows an example where the signal gain is one and the noise gain is two. The Vn source represents contributions of noise from several sources. Note that it is common engineering practiceto lump all of the noise sources to a common source at the non-inverting input. Our endgoal is to compute noise referred-to-output (RTO) of our op amp circuit.Fig. 3.2: Noise Gain Vs Signal Gain3.1EqFrom the previous article we know how to compute the voltage noise input, but how dowe convert the current noise sources to a voltage noise source? One way to do this is todo an independent nodal analysis for each current source and use superposition to sumthe results. Be careful to make sure that the results from each current source is addedusing the root sum of the squares (RSS). Equations 3.2 and 3.3 allow you to convertcurrent noise to an equivalent voltage noise source for a simple op amp circuit. Fig. 3.3 shows this graphically. The full derivation for this circuit is given in the Appendix 3.1.3.3-3.2EqsFig. 3.3: Convert Current Noise To Voltage Noise (Equivalent Circuit)Another thing that must be considered is the thermal voltage noise from the resistors inthe op amp circuit. These voltage sources can be independently analyzed using a nodal analysis. The results are combined using superposition and RSS addition. Equations 3.4and 3.5 allow you to combine all the thermal noise sources into a single noise source referred to the input. This noise input referred thermal noise source is expressed as an equivalent resistor. Fig. 3.4 shows this graphically. The full derivation for this circuit is given in Appendix 3.2.3.53.4Eqs-Fig. 3.4: Thermal Noise RTI For Simple Op Amp Circuit (Equivalent Circuit) The final step to computing noise is to combine all these noise sources and multiply by the noise gain to compute the output noise. This rms noise is typically used to estimate the peak-to-peak value by multiplying by six. Recall from Part I that there is a 99.7% chance that any instantaneous noise measurement will be less then six times the rms noise. Equations 3.6, 3.7, and 3.8 summarize this final step.Eq3.63.73.8Example CalculationAt this point, finally, we are ready to go through a real world example. Sometimes engineers are overwhelmed by the amount of work required to get to this point. In fact, it is possible to use simulation software to do some of this difficult work for you. However, it is important to have an understanding of the theoretical background because it will give you a more intuitive understanding of how noise works. Furthermore, you should always do a quick back-of-the-envelope calculation before you simulate a circuit so that you know if your simulation result is correct. In Part 4 we will discuss how to do this analysis using a SPICE simulator package.Fig. 3.5 illustrates the simple op amp configuration that will be used for this analysis example. Note that the specifications used in this example were taken from the OPA627 data sheet, downloadable at the Texas Instruments web site. Fig. 3.5: Example CircuitThe first step to this analysis is to determine the noise gain and noise bandwidth for this circuit. The noise gain is given by Equation 3.2 (Noise_Gain = Rf/R1 + 1= 100 kΩ/1 kΩ +1 = 101). The signal bandwidth is limited by the closed-loop bandwidth of the op amp. Using the unity-gain bandwidth from the data sheet, the closed-loop bandwidth can be determined using Equation 3.9. If the gain-bandwidth product is not listed in the data sheet, use the unity-gain bandwidth specification -- which is the same for unity-gain stable amplifiers.Eq 3.9Fig. 3.6: Closed-Loop Bandwidth For Simple Non-Inverting AmpThe next part of the analysis is to get the broadband and 1/f noise spectral density specification from the data sheet. The specification is sometimes shown graphically (see Fig. 3.7) or in a table format (see Fig. 3.8). The spectral density values and the closed-loop bandwidth are used to compute the total input voltage noise. Example 3.1 shows how the total input noise is computed using the formulas introduced previously.Fig. 3.7: OPA627 Noise Spectral Density Specification To Be Used In CalculationsFig. 3.8: OPA627 Noise Spectral Density SpecificationsExample 3.1: Compute Magnitude Of Voltage Noise Referred To InputNext we need to convert the current noise to an equivalent input referred voltage noise. First we will convert the current noise spectral density to a current source which is multiplied by an equivalent input resistance to compute input voltage noise. It should be noted that the 1/f calculation is not required for this example because the amplifier is a J-FET input. J-FET amplifiers generally do not have 1/f current noise. This procedure is summarized in Example 3.2. Note that the equations for all parts of this sample calculation are summarized in Appendix 3.1. The summary in the appendix shows the case where current noise does have a 1/f region.Example 3.2: Convert Current Noise Spectral Density to Equivalent Input NoiseVoltageExample 3.3 illustrates how input referred resistor noise is calculated. Note that for this example the resistor noise is similar in magnitude to the op amp noise and so it will significantly contribute to the output noise.Example 3.3: Convert Resistor Noise To Equivalent Input Noise Voltage Now that we have computed all the noise components we can determine the total noise referred-to-input (RTI). This result will be multiplied by the noise gain to compute the noise referred to the output. Finally, the conversion factor from Table 1.1 will be used to estimate the peak-to-peak output. Example 3.4 shows the details.Example 3.4: Compute Total Peak-To-Peak Output NoiseSummary And PreviewThis part of the noise series completes the hand calculations for a simple op amp circuit. Using this technique we are able to predict the peak-to-peak output noise based on data sheet specifications. For the example circuit in this configuration we estimate that the peak-to-peak output noise will be 1.94 mVpp. We will return to this example in upcoming articles and verify that this is indeed an accurate estimate of the output noise through measurement and SPICE analysis.Although the calculations shown were for a simple configuration, this technique can be used for more complex circuits. In the next section we will show how a circuit simulation software package (TINA SPICE) can be used to do noise analysis. It should be noted, however, that the hand analysis technique should always be performed before doing circuit simulation to give confidence that the simulation was done properly.AcknowledgmentsSpecial thanks to all of the technical insights from the following individuals at Texas Instruments:•Rod Burt, Senior Analog IC Design Manager•Bruce Trump, Manager Linear Products•Tim Green, Applications Engineering Manager•Neil Albaugh, Senior Applications EngineerReferencesRobert V Hogg, and Elliot A Tanis, Probability and Statistical Inference, 3rd Edition, Macmillan Publishing CoC. D. Motchenbacher, and J. A. Connelly, Low-Noise Electronic System Design, A Wiley-Interscience PublicationAbout The AuthorArthur Kay is a Senior Applications Engineer at Texas Instruments and specializes in the support of sensor signal conditioning devices. Prior to Texas Instruments, Art was a semiconductor test engineer for Burr-Brown and Northrop Grumman Corp. He graduated from Georgia Institute of Technology with an MSEE in 1993. Art can be reached atkay_art@.Appendix 3.1: Derivation Of Conversion Of Current Noise To Voltage NoiseAppendix 3.2: Derivation Of Resistor Noise To Voltage Noise For Simple Op AmpAppendix 3.5: Equations For Simple Op Amp Circuit (Resistor And Total Noise)。