如何计算放大器噪声系数

2013-07-09 10:07:05来源: 德州仪器

毛华平---德州仪器 (TI) 高速应用工程师

摘要

本文简要介绍了两种放大器架构的噪声系数计算,包括inverting,non-inverting 架构的噪声系数计算,并提供计算小工具。

Abstract: this article introduce the noise figure calculation of several architecture, such as inverting, non-inverting, And also provide the calculation tool.

Key words: Noise figure, Inverting, non-inverting.

引言

在各种放大器使用的场合,我们时常需要计算到放大器,却没有一个直观的方式来看放大器这一级对链路噪声的影响。本文讨论了各种放大器架构下,放大器的噪声系数的计算方式。

放大器噪声指标

电子元件应用中,常见如下5 种噪声来源:

1. 散弹噪声(shot noise,白噪声,在频谱中表现为平坦的)
2. 热噪声(thermal noise,白噪声,在频谱中表现为平坦的)
3. 闪烁噪声(flicker noise,1/f 噪声)
4. 突发噪声(burst noise,脉冲噪声)
5. 雪崩噪声(Avalanche noise,反向击穿时才出现的噪声)

基本上每个放大器都有输入电压噪声和输入电流噪声两个指标。在频域,通常其单位用nV/rtHz,和pA/rtHz 来表征。 如下图:

1.gif
Figure 1 输入电压噪声和电流噪声曲线图例

按噪声种类来分, 其大致贡献在不同的频段如下:


Figure 2 噪声种类分布图

如果把所有电容,电感都看做无噪声的器件,一个普通的放大器的输出噪声按主要的贡献可以按如下图所示:


Figure 3 放大器噪声分量分解

其中电阻的噪声表征形式为4kTR , K 为玻尔兹曼常数, K=1.3806505×10-23J/K, T 为环境温度, 其单位是开尔文(K), K=273.15+摄氏度。 由这些参数, 可以简化估计电阻噪声的电压噪声贡献公式如下, 其单位是nV/rtHz



根据这个估计, 可以得到如下电阻值的电压噪声:


在输出的噪声中, 上图的各个分量其贡献如下:



输出的噪声是这些分量的均方和:



如果仔细观察这个公式, 会发现这个计算里做了简化, 1) 2) 3) 分量来自于正端输入的电压噪声, 其折合到输出端的增益是等于噪声增益, 也就是1+RFRG,4)和6)项是来自于负端输入的电流噪声,其中4)项是运放自己的负端电流噪声, 而6)是RG的电压噪声转换成的电流噪声, 它们的输出增益就为RF , 5) 项就是RF带来的电压噪声, 其折合到输出增益为1。

关于电阻引入的噪声(RF和RG ,上式中的第5 项和第6 项), 如果折合成电压噪声其实也可以按照如下的假设计算,得到的结果一样:


Figure 4 放大器电压噪声等效输出模型

同理,对上式中的第4 项,负端的电流噪声,也可以建立这样的模型:

Figure 5 放大器电流噪声等效输出模型

这里Gain 都为噪声增益: 1+Rf/Rg

最终得到的结果也和上面第4 项一样。

信噪比计算

以上的计算还仅限于噪声谱密度的计算,在实际应用中其实主要要关注的是信噪比,这就要引入噪声计算中很重要的一点: 带宽。所以还需要考虑到带宽积分后的总噪声。

在得到一定带宽内的电压噪声密度后,需要把电压噪声换算成功率,才能进行积分计算,而不能直接把电压噪声直接积分,如下: 假设我们已知一个放大器的电压噪声密度为5nV/rtHz,如果要计算10Hz 以内的积分噪声,则按如下方式计算:


Figure 6 通过噪声谱密度计算综合噪声



如我们上面所述,放大器的噪声分布是分区域的,如果再算上通道的滤波效应,计算积分噪声的步骤如下:


Figure 7 输入电压噪声及电流噪声谱密度频率分布图

1. 1/f 噪声区域(en1/f)


Figure 8 1/f 噪声

假定最高处的噪声为e1/f@1Hz,则



2. 平坦带(broadband region)+ 滤波器效应(enBB)


Figure 9 平坦带噪声

关键字:放大器

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0709/article_18840.html
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