使用完整的仿真测试台，适用于OP AMPS，第4部分：噪音

文章：伊恩威廉姆斯

本文系列的以前的分期付款讨论了验证Spice模型准确性以及如何测量的需要输出阻抗那小信号带宽， 和输入引用的错误的运算放大器（运算放大器）模型。在第4部分中，我将向您展示如何验证运算放大器型号的噪声行为，包括输入电压噪声谱密度（例如_N）和输入电流噪声谱密度（i_N）。我还将演示总噪声模拟，提供完整的运算放大器电路的集成根均方（RMS）噪声。

噪声只是一种不需要的信号，通常是随机的，当与所需信号结合时导致错误。所有运算放大器以及某些其他电路元件，如电阻器和二极管，产生一定量的内在噪声或内部噪声。来自外部世界的噪音，称为外在噪声，也可能耦合到您的电路中。这包括来自移动电话和其他无线设备的AC电源线或高频电磁干扰（EMI）的50 Hz或60 Hz噪声。不幸的是，外部噪声难以预测和分析，因此本文将专注于内在的运算放大器噪声。

在模拟电路中，确认噪声水平足够低以获得所需输出信号的清晰测量是至关重要的。对于具有2 V / V的电压增益的假设电路，图1显示输入电压，理想的输出电压和具有噪声的输出电压。

图1噪音示例

宽带噪声，也称为白噪声或热噪声，是影响运算放大器电路的最常见的噪声现象。宽带噪声由广泛的基本频率范围为1 kHz和更高的贡献组成。只有白光如何用棱镜分成其组件颜色，您可以在其组件频率方面思考白噪声。在其组件频率方面表示噪声源的表示称为噪声谱密度，稍后将更详细地探索主题。

图2图示了如何在各种频率下集合的集合来组合以产生白噪声。右侧的绘图显示时域中的白噪声是什么样的。这就是您将在使用Lab示波器测量噪声或在Spice中运行瞬态噪声模拟的情况下。

图2白噪声频率分量

通过精确的Spice模型，预测运算放大器电路的噪声性能具有模拟变为简单的任务。这是许多工程师的令人吸引人的前景，因为手动执行完整的运算放大器噪声计算，包括所有噪声源和电路的带宽的效果，可以是涉及的过程。

输入电压噪声谱密度 - 例如_N

输入电压噪声谱密度或e_N，是第一种类型的内在运算放大器噪声，以及在执行噪声分析时通常最关心的类型。让我们重新审视一个简化的运算放大器的小信号模型，如图所示图3.。输入电压噪声谱密度被建模为与非变换输入串联连接的误差电压源（E_N）。此误差电压具有频率的特定特性，如运算放大器数据表中的典型特性曲线中的规定。

输入电压噪声参考，因此通过运算放大器电路的闭环增益进行放大，以及差分输入信号（VE），以产生总输出电压（VOUT）。由于噪声和所需的输入信号都放大，因此在设计高增益电路时必须特别小心。

图3.简化的输入引用电压噪声模型

电压噪声频谱密度在运行放大器数据表中指定，曲线如所示的曲线图4.。曲线表示测量范围中每个基频处的运算放大器的电压噪声贡献，通常以每平方根赫兹（NV /√Hz）为单位以纳米杆子为单位给出。

未熟悉噪声分析的工程师可能怀疑为什么这样的复杂单元用于量化运算放大器噪声。原因是因为电路的测量噪声高度依赖于其带宽。噪声计算经常涉及将噪声源的行为集成在特定频率范围内，并且在计算积分之后，每个根赫兹的纳维尔茨单位简化到RMS电压。

运算放大器噪声是一个深刻的主题，并详细说明如何执行完整的噪声计算超出了本文的范围。为了更完整地进入主题，包括降低运算放大器电路噪声的技术，观看德州仪器（TI）八件TI精密实验室 -OP AMPS视频系列噪音。

图4.典型的E._N曲线

IAN WILLIAMS是德克萨斯乐器的精密放大器组的应用工程师和SPICE模型开发人员。

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