模拟运算放大器噪声

出处:维库电子市场网 发布于:2024-07-01 16:40:48

  此设计要求将增益为三的非反相放大器放置在现有电阻源之间,该电阻源的电阻为 3500 欧姆。传感器输出为 0 至 5 伏,因此放大器输出将为 0 至 15 伏。放大器负载为高阻抗。整个电路的小信号带宽约为 500 Hz。基本问题是设计此接口放大器以实现非常低的附加噪声。图 1 显示了基本电路。

  图 1:Tina 中绘制的基本电路。R1 模拟低噪声传感器 OP2 的电阻,这是一个通用运算放大器模型,不包含噪声模型,用于模拟实际运算放大器电压和电流噪声的噪声源由 TI 的宏模型 Vn1 和 In1 提供。参考文献 3 详细描述了如何在 Tina 中设置模拟以测量运算放大器噪声。
  设计的部分很简单,即设置反馈电阻的值。由于放大器输出的电压如此之高,我们将选择反馈电阻来将驱动反馈所需的电流限制在 2.5 mA 左右。然后将图 1 中的反馈电阻值设置为 4000 欧姆,然后发现输入电阻为 2000 欧姆以获得所需的增益。
  请注意,反馈电阻也会增加噪声,但在本例中,它们对负输入端产生的并联电阻小于源电阻的一半,因此暂时将其忽略。在接下来的模拟中,它们不会被忽略,因此我们将得到终的准确结果。
  几乎每个着手设计其个低噪声放大器的工程师都会搜索低压噪声设备的数据表。然后意识到随着源电阻的增加,电流噪声开始成为一个因素,甚至可能主导整个放大器的噪声。
  在之前的文章 [1] 中,我描述了如何直观地展示运算放大器的总噪声与源电阻的关系,并介绍了 Ropt 的概念,即任何给定放大器的源电阻。
  这比制作设备 Vn 和 In 值表并尝试确定哪个将产生噪声更好。
  10 Hz 时的运算放大器噪声比较
  LT1028     Vn = 1 nV/rt-Hz 输入 = 4.7 pA/rt-Hz

  AD8675      Vn = 3.5 nV/rt-Hz 输入 = 0.3 pA/rt-Hz

  表 1:在我们提出的电路中,哪个放大器会产生较低的总噪声——Linear Technology LT1028 还是 Analog Devices AD8675?仅从数据表参数很难判断。

  然而,使用可视化工具很容易发现可能的候选人(图 2)。

  图 2:在Visualizer 电子表格[1]上同时绘制 LT1028 和 AD8675 在 10 Hz 时的噪声,可立即得到结果。传感器的源电阻也在该图上绘制为 3.5 k Ohms 处的红色垂直线。在此源电阻值下,可以清楚地看到 AD8675 是总噪声较低的放大器,即使其数据手册中的电压噪声值是 LT1028 的 3.5 倍。
  图 2 中值得注意的一个有趣项目是每个运算放大器绘制的 Ropt 值。在 10 Hz 时,LT1028 的 Ropt 为 210 欧姆,而 AD8675 的 Ropt 约为 12k 欧姆。
  如前所述,在大多数电路配置中,在 Ropt 或低于 Ropt 的条件下运行将使实际电路的总噪声。从 Ropt 值中,我们也可以缩小选择范围,因为 LT1028 的 Ropt 对于我们正在研究的电路来说太低了,尽管它通常被认为是地球上电压 噪声的运算放大器,至少我一直这么认为。
  Ropt 是底线吗?
  Ropt 随频率变化 - 通常它在 1/f 区域较低,在平坦噪声区域较高。我发现,如果您的电路需要工作到 DC,您需要根据频率 Ropt 值选择放大器。如果 1/f 转折频率较高,则尤其如此,因为在这种情况下,噪声在较低频率下会很快增加。
  如果放大器在噪声的 1/f 区域之上进行交流耦合,则可以查看较高频率的 Ropt 值,因为可以通过正确选择交流耦合电容器来滤除 1/f 噪声,其作用类似于高通滤波器。

  然而,任何电路的底线都是总综合噪声。如前所述,Tina 只需按一下按钮即可进行完整的噪声分析,结果图表之一就是总综合 RMS 噪声。

  图 3 是 LT1028 的总积分噪声图,该噪声连接起来与图 1 所示的电路类似。可以看出,随着带宽不断增加,噪声也不断增加,终“消失”。
  图 3:图 1 电路中 LT1028 的总积分噪声。随着带宽不断增加,总积分噪声也不断增加。

  设计目标是将设计的小信号带宽限制在 500Hz 左右。在电路中尽可能多地添加噪声滤波电容器,可产生图 4 所示的电路。通过将带宽限制在终设计所需的范围内,这将控制放大器电路不断增加的总集成噪声。

  图 4:为了限制噪声带宽,从而限制电路的总噪声,在原始原理图的每个可能点都添加了简单的滤波。此滤波将电路的带宽限制在 500 Hz 左右。

  采用图 4 所示的滤波方法,总积分噪声便绘制出来了,如图 5 所示。

  图 5:再次模拟图 4 的滤波时,可以看出总积分输出噪声被限制在约 900 nV RMS。
  让我们看一下当 LT1028 和 AD8675 都应用于图 4 的原理图时,它们的总积分输出噪声如何比较。

  图 6:图 4 电路中 LT1028 和 AD8675 的总集成噪声并列显示。AD8675 是本例中噪声的放大器,因为它的电流噪声较低,尽管其 10 Hz 电压噪声是 LT1028 电压噪声的 3.5 倍。

  从图 6 中可以看出,AD8675 的总积分噪声为 700 nV RMS,而 LT1028 的总积分噪声为 900 nV RMS。可视化电子表格让我们看到情况可能如此,只需几秒钟即可在运算放大器之间做出明智的选择 - 每个运算放大器的总积分噪声的仿真也证明了这一点,并且使用适当的工具只需很少的时间。
关键词:运算放大器

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