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放大器的噪声系数计算

[日期:2013-07-31] 来源:  作者:毛华平 [字体: ]

    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.

    1. 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。

    2. 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:

输入电压噪声和电流噪声曲线图例.jpg

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:

噪声种类分布图.jpg

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:

放大器噪声分量分解.jpg

Figure 3 放大器噪声分量分解

    其中电阻的噪声表征形式为 , K 为玻尔兹曼常数, K=1.3806505×J/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

33

    输出的噪声是这些分量的均方和:

    公式1

    这个公式分了6 项:

    1)

    2)

    3)

    4)

    5)

    6)

    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,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)是的电压噪声转换成的电流噪声, 它们的输出增益就为 , 5) 项就是带来的电压噪声, 其折合到输出增益为1。

    关于电阻引入的噪声(和 ,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:

输出模型

    这里Gain 都为噪声增益: 1+/

    最终得到的结果也和上面第4 项一样。

    3. 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

    公式2

    公式3

    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:

噪声

假定最高处的噪声为e1/[email protected],则

                                        公式4

 

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