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 它具有使用方便．容易购买．电路元件少，电路设计难度 小容易制作．电路性能高等诸多优点．深受音响发烧友的 喜爱 但是我们在产品于中查找到的仅仅是集成运算放大 器的数据表．对于初学者来说．正确地理解集成运算放大 器的数据表的各项参数和性能会存在一定的困难 为此特 意以连载的方式．对集成运算放大器的几项重要参数进行 噪声频谱密度通常以ｎｖ，＼／Ｈｚ为单位．定义为单位频 率的噪声密度 集成运算放大器存在的噪声分１ 声和散 粒噪声两种，两种噪声的特点和频率也各不相同．通常分 别对两种噪声所在频率区域的噪声密度进行规定 在变换 成噪声的有效值（ｒｍｓ）时必须指定具体的频率范围．例 ￣ｔｔｌ２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ．总的噪声是１艨声和散粒噪声的综合 在给出噪声有效值时．在数据表中都会附加有频率 范围或者滤波条件．所以在使用数据表中规定的噪声有 较为详细地介绍．并结合具体电路加以说明．随后还将介 绍几种音频领域中应用最为普遍的集成运算放大器及应 用电路举例 本期首先介绍运算放大器的噪声特性．并对 具体的电路的进行噪声分析 一、噪声特性 运算放大器的噪声特性是用折算到输入端的噪声 效值时．必需确认运算放大器的频率应用范围或者滤波 器的特性是否与表中的附加条件相符 条件不同时相互 之间不能简单地进行比较 （在输入端存在有一个噪声源的等效电路）来规定的．可 以分为下面两类噪声源 １． 电压性噪声：把噪声源折算成输入噪声电压 ２． 电流性噪声：把噪声源折算成输入噪声电流 在音频应用中除了特殊情况外．由于电流性噪声占 二、噪声频谱密度换算成有效值的方法 图ｌ是运算放大器噪声频谱密度特性曲线的一个例 子。噪声分成散粒区和１／ｆ区两个区域．１ 声以最低频率 总噪声的比例一般都非常小可以忽略．所以只要着眼于 电压性噪声即可。在实际的运算放大器的数据表中．有的 开始以１０ｄＢ／ｄｅｃ的斜率下降 通过作图可以求得１／ｆ噪声曲 线和散粒噪声曲线的交点（拐点频率ｆｃ）．把小于ｆｃ的区域 视为ｌ／ｆ噪声的区域．把大于ｆｃ的区域视为散粒噪声的区 也只规定了电压噪声的参数 作为电压性噪声的参数在数 ２０１０年第１１期＜、、６◇ 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。 ｌ２￣Ｎｓ＝２．２、／ｌＯ５－１ ＝２．２、／９９ｘ１０ ＝６３０ｎＶｒｍｓ １．１／￣声Ｎ嘶有效值换算 １，ｆ噪声的场合，图１的曲线上最低频率Ｆ （１０Ｈｚ）的 噪声为Ｎ ＝２２ｎ￣／Ｖ＇－￣，曲线的斜率为一１０ｄＢ／ｄｅｃ，ｒｅ＝ ｌｋＨｚ，１／ｆ噪声的有效值（１０Ｈｚ ｌｋＨｚ）Ｎ河用下式求得。 ３．运算放大器的总噪声Ｎｃ 运算放器的总噪声Ｎｔ可用下式求得。 Ｎｔ＝、／Ｎ Ｎ ＝、／４７２＋６３０２＝６３２ｎ￣ｒｍ￥ Ｎｌ＝Ｎ，Ｇ－ｃＬ＝２２￣／ｌｎ １０００一 ＝三、简化的噪声计算方法 由上面例子的计算结果可以看出．总噪声电压的有 效值Ｎｔ与散粒噪声电压的有效值Ｎｓ几乎相等．这说明对于 运算放大器来说．噪声主要受散粒噪声支配．１／｛噪声对总 噪声的影响很小．在计算时即使忽略掉对计算结果也影响 很小。 ２２、 ：石 ＝４７ｎＶｒｍｓ ２．散粒噪声Ｎｓ的有效值换算 在拐点频率ｆｅ以上的散粒噪声的区域内．噪声的频率 密度都是相同的，以拐点频率ｆｅ处的噪声频谱密度Ｎ：为基 准．从ｆｅ至频带上限频率ｆｍ间的噪声有效值Ｎｓ可以用下式 所以可以将噪声电压有效值的计算过程加以简化。 如果直接把拐点频率ｆｅ＝１ｋＨｚ处的噪声频谱密度Ｎ，在频率 范围内进行有效值的变换的话．得到的结果与实际的噪声 电压有效值几乎是相同的。例如在数据表中给出的ｌｋＨｚ 计算。 Ｎ Ｎ 、 在图１中Ｎ２＝２．２ｎＶ／Ｘ／－Ｈ￣，ｆｃ ｌｋＨｚ，ｆ，，＝１０００ｋＨｚ，所 实用影音技术 处的噪声频谱密度Ｎ为１０ｎＶ／Ｘ／Ｈｚ．音频带宽Ｂｗ设为２０ｋＨｚ 但值得注意的是．由信号源的内阻Ｒｓ和电流噪声Ｉｎ同 的话．噪声电压的有效值Ｎｒｍｓ为： 样会产生电压噪声．在信号源内阻小的场合对实际的电路 Ｎｒｍｓ＝ＮＸ／Ｋｗ＝ｌ０、／ ＝１．４１４【Ｉ￣Ｖｒｍｓ］ 几乎不会产生什么影响。但是当信号源内阻大到１０ｋｌ￣～ 这种计算方法是最为简单且实用的噪声电压有效值 １Ｍｆ￣＠程度时，影响有时就会显露出来。此时的输出噪 的计算方法。因此当看到运算放大器数据表（说明书）中 声电压Ｅｎｏ可以用Ｅ ＝、／＿（１、ｎ硼Ｉ （—Ｉｎ＇—Ｒｓ） 的公式来 的噪声特性时．就可以大体上判断出该运算放大器实际的 计算 所以在有些运算放大器的参数表中．噪声特性还对 噪声程度 信号源的内阻做了具体的规定 四、放大器的输出噪声电平 五、目标信噪比特性的噪声电平 上面所讲述的运算放大器的噪声是指折算到输入端 表２是相对于基准信号电平１Ｖｒｍｓ和２Ｖｒｍｓ（一般的线 的噪声．将放大器设想为不会产生噪声的理想放大器．在 路输出电平）在达到一定的信噪比（ＳＮＲ）时，信噪比与 其输出端存在有一个噪声源。在实际应用时．用运算放大 噪声电压有效值之间的对应关系 由表中的数值可知．希 器构成同相放大．反相放大具有一定增益的放大器时．放 望得到的信噪比的数值不同．要求的输入端噪声电压有效 大器对信号进行放大的同时．对输入端输入的噪声同样要 值的数值也完全不同。例如以２Ｖｒｍｓ的信号为例．信噪比 进行放大．所以放大器存在噪声增益Ｇｎ 为１００ｄＢ时的噪声电压容许值２０１ｘＶｒｍｓ 在Ｓ／Ｎ＝１２０ｄＢ￣ｌｉ样 设输出噪声电压为Ｅ～噪声增益为Ｇｎ、折换到输入 的超低噪声特性时噪声电压的容许值为２１￣Ｖｒｍｓ 端的噪声电压为Ｖｎ．它们三者之间存在下式的关系： 对于一般的音频用运算放大器来说．要实现１００ｄＢ的 Ｅ￣ｏ＝Ｇｎ・Ｖｎ 信噪比并不那么困难．但是想要实现１２０ｄＢ的信噪比就必 以图２的由运算放大器构成的反相放大器为例加以说 须选择具有超低噪声特性的运算放大器 明 反相放大器的信号增益Ｇｓ是由Ｒｏ和Ｒｉ的比值决定的． 即Ｇｓ＝Ｒｏ／Ｒｉ．但是噪声增益Ｇｎ＝ｌ＋（Ｒｏ／Ｒｉ）。 六、Ａ加权滤波器 在图２的电路图中同时画出了电压噪声Ｖｎ和电流噪声 在ＣＤ／Ｉ）ＶＤ播放机和多种音频设备的说明书中．都会 Ｉｎ．通常由于电流噪声非常小可以忽略不计。所以反相放 看到在信噪比的规定条件中会记述有Ａ滤波器、ＡＮ权、 大器的输出噪声电压Ｅｎ＝Ｇｎ・Ｖｎ 由此可知Ｅｎｏ＝Ｇｎ・Ｖｎ的 ＪＩＳ—Ａ、ＩＨＦ—Ａ等文字。这是在产业界的标准中，在测量 计算式是忽略输入端电流噪声的影响后的简便的计算公 信噪比时所使用的一种带通滤波器的标准．这种滤波器 式。 具有听觉校正的Ａ特性 图３是一个由运算放大器构成的同相放大器．此时的 噪声作为声音的背景．人耳对１００Ｈｚ以下的ｌ／ｆ噪声和 Ｅｎｏ又如何计算呢？对于同相放大器来说。信号的增益 １０ｋＨｚ以上的散粒噪声不太敏感．所以利用频率特性与人 Ｇｓ＝ｌ＋（Ｒｏ／Ｒｉ），对噪声而言噪声增益Ｇｎ同样等于１＋（Ｒｏ／ 耳听觉相吻合的滤波器．达到与人耳的听觉一致的目的 Ｒｉ）．也就是说在同相放大器的场合．信号增益和噪声增 图４是ＡＪＪＩ］权滤波器的频率特性曲线 该滤波特性在１００Ｈｚ 益是相同的值 因此．输出噪声电压Ｅｎｏ同样可以用Ｅｎｏ： 处有约２０ｄＢ的衰减．在２０ｋＨｚ处有约１０ｄＢ的衰减 例如对 Ｅｎ・Ｖｎ来计算 于２０ｋＨｚ带宽的音频信号的噪声特性来说．在测量时使用 或不使用Ａ滤波器测量得到的噪 声电平有１．５ｄＢ至２ｄＢ左右的差 异 也就是说．如果使用Ａ滤波 器测得的信噪比为１１０ｄＢ的话． 不使用Ａ滤波器测得的信噪比为 １０８ｄＢ～１０８．５ｄＢ。当然，利用Ａ 滤波器还可以进一步滤除５０Ｈｚ 的电源交流声 所以在数据表中的信噪比 ２０１０年第１１期 声增益决定 通过计算可以算出该放大电 路输出信号的信噪比为８２．６ｄＢ 对于信号来说．具有２００倍足够 了。整个放大电路的输入阻抗由 第一级放大器的输入阻抗 （６００１￣）决定．所以当信号源的 内阻为６００１］时．输入到放大电路 的信号电平为信号源输出电平的 １／２。 八、两级放大的放大电路 举例（２） 图６的放大电路与图５的放大 电路都是由两级放大器组成．具 特性通常会规定有Ａ加权时的参数和没有Ａ３，权时的参数． 以满足不同应用场合的需要 有相同的总增益（２００倍）。但是在图６的电路中．第一级 放大器与图５不同是同相放大器．可以应用于要求放大器 七、两级放大的放大电路举例（１） 图５是一个由两级放大器组成的放大电路．所使用的 输入阻抗高的场合．输入阻抗由运算放大器同相输入端 与地之间所接的电阻决定．在图６的放大电路中为ｌＯｋ１］ 由于第二级放大器是反相放大器．所以该放大电路 运算放大器是最为普及的低噪声运算放大器５５３２（双运 放）．其折算到输入端的噪声频谱密度为５ｎＶ／ 。当图 的输出信号与输入信号的相位是相反的 第一级放大器 的增益为ｌ＋（１０￣１ｏ３／１００）＝１０１倍．第二级的增益为３６０／ １８０＝２倍．总增益为２０２倍 使用的运算放大器同样是 ５５３２ 下面与图５的电路一样计算放大电路的输出噪声 折算到运算放大器输入端的噪声同样为７０７ｎＶ．第一级放 大级的输出噪声为７０７ｘ１０１＝７１４０７ｎＶ＝７１．４￣Ｖ 第二级放 大级的输出噪声为７１．４ｘ２＝１４２．８ｔｘＶ（第二级运算放大器的 ５的放大电路的带宽为２０ｋＨｚ时．把噪声频谱密度换算成 ２０ｋＨｚ带宽的噪声电压有效值为５ｎＶ．、／ ：７０７ｎＶｒｍｓ 由图５的电路图可知．整个放大电路由两级反相放大 器组成．把ＩＯｍＶＦＳＲ的信号放大到２ＶＦＳＲ输出．总增益 Ｇ＝２Ｖ／１０ｍＶ＝２００倍 放大电路的输入阻抗为６００ｆｔ．输出 信号的相位和输入信号是同相的 由于第一级的增益和第二级的增益决定了总的输出 噪声的大小．通过设定第一级和第二级的增益可以改变 折算到输入端的噪声很小忽略不计）．所以输出信号的信 噪比为２０ｌｏｇ ｆ２００００００／１４２．８）＝８２．９ｄＢ 该电路的特点是可以适用范围于输出阻抗比较高的 ＜ ６４“ 实用影音技术 、 九、差动（平衡）放大电路的电阻噪声 图７是用运算放大器构成的差动（平衡）放大电路， 下面考察电路中的电阻对噪声的影响程度。该放大电路是 Ｅｏ＝ｌｏ。ＲＦ 另一方面．变换放大电路的输出端的总噪声与折算 到运算放大器输入端的噪声电压Ｖｎ和折算到输入端的噪 声电流Ｉｎ有关 另外．信号源是电流源．一般认为电流源 的内阻为无穷大并没有具体的阻值的概念．但是在计算 噪声增益时又少不了要用到等价的信号源内阻ＲＳ。电路 的噪声增益Ｇｎ＝１＋（ＲｇＲ ），所以总输出噪声Ｖｎｏ可以用下 式计算： ｒ——————ｒ 处理线路信号电平的电路．并具有差动信号输入的特点， 所以可以应用于电流输出型差动Ｄ／Ａ变换器之类电路中。 这里为了简化计算，设差动增益为ｌ倍（电阻Ｒ ＝Ｒ ＝ Ｒ，＝Ｒ４：Ｒ）。在高端应用时要求信噪比大于１２０ｄＢ。此时， 运算放大器的噪声和电阻的热噪声都会对电路的输出噪 声造成影响 众所周知．电阻的热噪声Ｎｒ可以用下式计 Ｖｎｏ＝ＧｎｖＩｎ（ＲＦ／，Ｒｓ）２＋Ｅ 在这里ＲＦ通常小于１ｋＱ．Ｒｓ则在１００ｋＤ，以上，有ＲＦ＜＜ 算。 Ｎｒ＝、 Ｒ 的关系存在．所以可以将放大器的噪声增益Ｇｎ视为１。 所以上式可以简化为Ｖｎｏ＝Ｅｎｏ Ｇｎ＝ｌ是非常重要的条件．与增益不为１的放大器不 式中：ｋ是玻尔兹曼常数，Ｔ是绝对温度，Ｂ是放大器 的带宽．Ｒ是电阻值 用这个公式在具体计算时会有些烦 杂，所以在实际计算时往往用简易计算式替代。在常温 ２５℃时电阻的热噪声可以用下面的简易计算公式计算。 ＮＲ＝０．１３￣／Ｒ（ｋｎ）ｘＢ（ｋＨｚ） 同．Ｗ变换电路对折算到输人端的噪声只放大３１倍。也 就是说．ＩⅣ变换电路噪声对输出信号噪比的影响要比增 益不为１的放大电路噪声对输出信号信噪比的影响小。另 外，电流噪声通过ＲＦ和 的并联合成电阻变换成电压噪 声。 该电阻热噪声ＮＲ的总输出噪声Ｖｎｏ对于图６的电路来 说，Ｖｎｏ＝＂Ｖ／ＧＮ２ＲＩ＋【（１＋Ｇ）Ｎ ４］２＋Ｎ砬３：、／３Ｎ 。 ＮＲＦ＝ｌｋｆ￣、Ｒｓ＝１００ｋＯ，时并联后的阻值非常接近１ｋｎ。 依照表１的噪声参数．Ｉｎ＝３ｆＡ／Ｎ／Ｈｚ．２０ｋＨｚ带宽的电流噪 声为３ ｓＶ ＝０．４２ｐＡ，换算成电压噪声为１ｘｌ０３（ｎ） 当电阻的阻值分别为ｌ００Ｑ、１ｋＱ、１０ｋＤ￣、带宽取为 ２０ｋＨｚ时．三种电阻的总输出噪声Ｖｎｏ（ｒｍｓ）用上面的式 子计算分别为： Ｖｎｏｌ 】＝Ｏ－３ １ Ｖ Ｖｎｏ１ｋ １．００ｔｘＶ ×０．４２ ｆＤＡ１＝０．４２ｎＶ 由于与折算到输入端的电压噪声相 比．０．４２ｎＶ根本微不足道．所以输出的总噪声基本上是由 折算到输入端的电压噪声决定的 因此．Ｉ，、，变换放大电 路的输出噪声基本上是运算放大器折算到输入端的噪声。 当然．随着信号源内阻ＲＳ和负反馈电阻 的数值不 同，有可能不满足Ｒｓ＞＞Ｒ 的简化条件，所以在计算时必须 事先对实际的条件进行确认。要想实现１２０ｄＢ以上的信噪 比．必须选择相应的低噪声运算放大器．否则将始终无法 实现 网 Ｖｎｏ１０ｋ ３．１７１ｘＶ 当放大电路输出信号为电压为２Ｖｒｍｓ时．输出端信号 的信噪Ｉ％ＳＮＲ分别为： ＳＮＲｌ０ｍ＝１３６．２ｄＢ ＳＮＲｌｍ＝１２６．０ｄＢ ＳＮＲｌ ｌ １６．０ｄＢ 对实际的电路来说．电阻的热噪声和运算放大器的 噪声是相叠加的．对于该电路来说．３．９ｋｎ电阻的热噪声 所对应的信噪比为１２０ｄＢ．所以对于图７的平衡放大电路 来说。为了要实现信噪比在１２０ｄＢ以上的低噪声特性． 在电路中所使用的四个电阻的阻值必须小于３．９ｋｎ。 十、Ｉ／＼，变换放大电路的噪声 图８是一个Ｉ／、，变换放大电路 对于Ｉ厂ｖ变换来说．输 入的信号是来自电流源的电流Ｉｏ．当运算放大器的负反 馈电阻为ＲＦ时变换放大电路的输出电压可以用下式求 得 ２０１０年第１１期＜ ◇
