什么是運(yùn)放噪聲頻率曲線？怎么算噪聲有效值？

運(yùn)放有哪些噪聲源？什么是噪聲頻率曲線？什么是等效輸入噪聲？噪聲和帶寬是什么關(guān)系？什么是閃爍噪聲、什么是白噪聲？本文章帶你一次看個(gè)夠，千字長(zhǎng)篇分析，仿真文件已經(jīng)整理得明明白白，先收藏，后閱讀。

我們先從電阻熱噪聲說(shuō)起，圖1-1 是使用multisim做的理想電阻仿真結(jié)果，理想電阻只有電阻值這個(gè)參數(shù)，沒(méi)有考慮電阻的噪聲，兩個(gè)10kΩ的電阻對(duì)1V直流電壓分壓，結(jié)果就是500mV。

圖1-1理想電阻仿真

圖1-2 是仿真結(jié)果，當(dāng)電路開(kāi)路時(shí)，電阻兩端也是沒(méi)有電壓的，是0V。無(wú)論是萬(wàn)用表還是示波器的交流檔，交流測(cè)試結(jié)果都是0V。

圖1-2理想電阻仿真結(jié)果

下面我們加入電阻的熱噪聲看下結(jié)果，電阻熱噪聲在庫(kù)中的位置參考圖1-3 。

圖1-3加入電阻熱噪聲

圖1-4 是加入電阻熱噪聲的仿真原理圖，電阻是10KΩ，頻帶范圍是100KHz，此時(shí)電阻即使是開(kāi)路狀態(tài)，也會(huì)在兩端產(chǎn)生電壓波動(dòng)，產(chǎn)生噪聲，用萬(wàn)用表交流檔測(cè)量電阻兩端電壓有效值是4uV，電阻兩端開(kāi)路時(shí)熱噪聲計(jì)算公式如下：

k是玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38*10-23 J/K，T是開(kāi)爾文熱力學(xué)溫度，R是電阻值，B是系統(tǒng)等效噪聲帶寬。

舉例：

當(dāng)溫度是27℃（300開(kāi)爾文）時(shí)，10KΩ的電阻，在帶寬為100KHz放大電路中，電阻兩端的開(kāi)路熱噪聲電壓有效值是4uV。這個(gè)結(jié)果我們仿真的結(jié)果一致，上面的公式也說(shuō)明了電阻越大噪聲越大，這也就是我們基于運(yùn)算放大器來(lái)設(shè)計(jì)電路時(shí)，電阻不要太大，基本以KΩ為單位，如果電阻大那么電阻引入的噪聲也就會(huì)大。

圖1-4電阻熱噪聲仿真結(jié)果

說(shuō)完電阻我們?cè)趤?lái)說(shuō)運(yùn)算放大器，圖1-5 是AD8599的噪聲參數(shù)，主要有三種噪聲：0.1Hz-100Hz的峰峰值噪聲、超過(guò)1KHz的電壓噪聲密度、電流噪聲密度。我們這里以低頻峰峰值噪聲和電壓噪聲為主要介紹對(duì)象。

圖1-5運(yùn)放噪聲參數(shù)

圖1-6 是運(yùn)放的噪聲曲線，幾乎每一個(gè)運(yùn)放都會(huì)給出這樣的曲線圖，第一行是時(shí)域的峰峰值噪聲圖，主要以0.1Hz-10Hz為主（加入了濾波功能，只觀察0.1Hz-10Hz這部分的噪聲），這一部分以閃爍噪聲為主，閃爍噪聲隨著頻率的增加越來(lái)越小，與頻率成反比，見(jiàn)圖中的第二行圖起始位置，因此也被叫做1/f噪聲。而隨著頻率的增加，1/f噪聲減小，而白噪聲的作用就變成主要噪聲了。

圖1-6運(yùn)放噪聲曲線

圖1-6 中的噪聲曲線實(shí)際是1/f與白噪聲的合成，見(jiàn)圖1-7 ，我們通過(guò)曲線可以計(jì)算1/f噪聲與白噪聲的大小，來(lái)評(píng)估電路的噪聲情況。

圖1-7運(yùn)放噪聲曲線的合成

話不多說(shuō)，說(shuō)多了太抽象，枯燥無(wú)味，我們直接用multisim來(lái)畫(huà)出手冊(cè)中的噪聲曲線。仿真參數(shù)和電路見(jiàn)圖1-8 ，一個(gè)簡(jiǎn)單的跟隨器，運(yùn)放的輸出等于輸入，仿真頻率與手冊(cè)中的曲線保持一致，選擇為1Hz-1000Hz。

圖1-8運(yùn)放噪聲仿真

我們對(duì)比手冊(cè)中的曲線和我們仿真的曲線，見(jiàn)圖1-9 這兩條曲線雖然稱不上“一毛一樣”，但是說(shuō)它們“兩毛一樣”大家應(yīng)該認(rèn)同吧，比如在1Hz時(shí)噪聲密度是大約是5.9nV/√Hz，在1KHz時(shí)噪聲密度大約是1nV/√Hz，仿真結(jié)果與手冊(cè)是非常接近的。其中仿真結(jié)果其實(shí)是有兩條曲線的，一條是輸入噪聲曲線，一條是輸出噪聲曲線，由于仿真的是電壓跟隨器，噪聲增益（同相比例放大倍數(shù)）為1，因此輸入輸出就一樣了。

圖1-9運(yùn)放噪聲仿真結(jié)果1

我們把電路放大倍數(shù)設(shè)置為10倍，仿真結(jié)果見(jiàn)圖1-10 ，此時(shí)輸入噪聲和輸出噪聲就剛好相差10倍。

圖1-10運(yùn)放噪聲仿真結(jié)果2

我們繼續(xù)以10倍放大電路為研究對(duì)象，這次咱們仿真下噪聲有效值，并且看下怎么通過(guò)電壓曲線圖來(lái)手動(dòng)計(jì)算這個(gè)有效值，仿真電路和參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖1-11 。

圖1-11運(yùn)放噪聲仿真結(jié)果3

仿真的結(jié)果我放到了圖1-12 ，可以看到不管是噪聲曲線還是噪聲有效值仿真，輸出與出入都相差了10倍。計(jì)算噪聲有效值，我們需要分別結(jié)算白噪聲有效值Uw和1/f噪聲的有效值Uf，然后再求二者的總噪聲貢獻(xiàn)。

我這里直接拋出公式：

只需要3個(gè)公式就可以了，其中Uw是白噪聲有效值，Un是1/f噪聲有效值，fb是上限頻率，仿真里和手冊(cè)里都是1000Hz，fa是下限頻率，仿真里和手冊(cè)里都是1Hz。我們需要單獨(dú)看下K和C是怎么來(lái)的。在圖1-12 中，我們看紅色曲線（輸入噪聲曲線），取曲線的最終平穩(wěn)位置的噪聲密度值就是K，圖中大約是4.9 nV/√Hz，根據(jù)公式2-1，就可以計(jì)算出Uw大約是4.9*√(1000-1)=154.87nV。

圖1-12運(yùn)放噪聲仿真結(jié)果4

C是多少呢？在圖1-12 紅色輸入噪聲曲線中，取頻率為1Hz時(shí)的噪聲密度值就是C，圖中大約是31.32 nV/√Hz，根據(jù)公式2-2就可以計(jì)算出Un大約是31.32* √ln(1000)=82.32nV。

那么，我們就得到Uw=154.87nV，Un=82.32nV，（可見(jiàn)白噪聲貢獻(xiàn)大于1/f噪聲），根據(jù)公式2-3就可以得到總噪聲了，Usum=√(284.462+82.322)=175.38nV。

我們計(jì)算的輸入噪聲有效值是175.38nV，而仿真的結(jié)果是172.69nV，仿真與計(jì)算基本是一致的。

同樣的道理，我們也可以通過(guò)手冊(cè)的噪聲頻率曲線來(lái)計(jì)算放大倍數(shù)為1時(shí)的噪聲有效值，原理都是一樣的。