电路噪声分析.pdf

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1、因为专业因为专业 所以安全所以安全 目目录录 一、电路的内部噪声与外部噪声 二、电路中主要的内部噪声 五、低噪声电路设计技巧 四、噪声的计算 三、噪声分析常用单位 电路噪声分析电路噪声分析 六、同相输入运放噪声计算 七、仪表放大器噪声计算 八、运放的输出噪声与ADC的输入噪声 一、电路的内部噪声和外部噪声 一般电路噪声分两种一般电路噪声分两种： 外部噪声外部噪声 来源于来源于ICIC外部外部 若若有外部有外部噪声引起干扰，应优先解决外部噪声噪声引起干扰，应优先解决外部噪声 内部噪声内部噪声 来源于来源于器件器件本身本身 有些工程师认为，这不应称为噪声，因为它不是有些工程师认为，这不应称为噪声，

2、因为它不是 随机产生的，使用干扰一词也许更为恰当。随机产生的，使用干扰一词也许更为恰当。 三种外部噪声来源：三种外部噪声来源： 1 RFI（射频干扰）（射频干扰）耦合耦合 2 电源电源噪声噪声 3 接地接地环路环路 外部噪声外部噪声 RFI（射频干扰）耦合（射频干扰）耦合 我们的我们的周围周围充斥着各种电磁波，这种电磁波很容易耦合进电路中，虽然这些电磁充斥着各种电磁波，这种电磁波很容易耦合进电路中，虽然这些电磁 波通常在目标带宽以外，但器件非线性有时会调整这些信号，将其带入目标带宽区波通常在目标带宽以外，但器件非线性有时会调整这些信号，将其带入目标带宽区 域中，特别是连接传感器的引线较长时，一

3、般会从输入引线进入电路。域中，特别是连接传感器的引线较长时，一般会从输入引线进入电路。抑制抑制射频干射频干 扰办法包括：输入端滤波、屏蔽、采用双绞线输入。扰办法包括：输入端滤波、屏蔽、采用双绞线输入。 外部噪声外部噪声 电源噪声电源噪声 电子电路抑制电源线干扰的能力有限，尤其是频率较高时，因此必须先消除电子电路抑制电源线干扰的能力有限，尤其是频率较高时，因此必须先消除 电源线上的高频干扰，使其无法到达低噪声电路，可以对电源进行适当滤波，以电源线上的高频干扰，使其无法到达低噪声电路，可以对电源进行适当滤波，以 及及ICIC本身采取良好的旁路措施。敏感模拟电路和逻辑数字电路应采用不同的电源本身采取

4、良好的旁路措施。敏感模拟电路和逻辑数字电路应采用不同的电源 ，或至少应深度滤波。，或至少应深度滤波。 有些低噪声场合甚至需要采用基准源作为传感器的电源，前提是传感器的功有些低噪声场合甚至需要采用基准源作为传感器的电源，前提是传感器的功 耗极低。耗极低。 外部噪声外部噪声 接地环路接地环路 原理图上到处都是接地符号，必须注意，在实际电路中，任何两点的电位都不可原理图上到处都是接地符号，必须注意，在实际电路中，任何两点的电位都不可 能完全相等，电流会流经地线，从而产生电位差，必须考虑电流如何流动，并将高电能完全相等，电流会流经地线，从而产生电位差，必须考虑电流如何流动，并将高电 流路径与敏感电路路

5、径隔离，例如使用星型接地配置、将数字地与模拟地单点连接。流路径与敏感电路路径隔离，例如使用星型接地配置、将数字地与模拟地单点连接。 注意：外来噪声源经常会覆盖电路本身的噪声。注意：外来噪声源经常会覆盖电路本身的噪声。 外部噪声外部噪声 内部噪声内部噪声 内部噪声来源于信号链中的电路元件，内部噪声来源于信号链中的电路元件，ICIC元件的数据手册中相关的元件的数据手册中相关的 性能规格就是描述的这类噪声。性能规格就是描述的这类噪声。 典型的内部噪声源包括：传感器、电阻、运算放大器、模数转换器典型的内部噪声源包括：传感器、电阻、运算放大器、模数转换器 ，这些噪声源是今天讨论的重点。，这些噪声源是今天

6、讨论的重点。 二、电路中主要的内部噪声 一般电路中主要有三种内部噪声：一般电路中主要有三种内部噪声： 电阻噪声电阻噪声 运算放大器及仪表放大器的噪声运算放大器及仪表放大器的噪声 电压噪声及电流噪声电压噪声及电流噪声 模数转换器噪声模数转换器噪声 电阻噪声电阻噪声 低噪声低噪声电路设计电路设计中，首先应了解电阻噪声，电阻噪声分为两类中，首先应了解电阻噪声，电阻噪声分为两类： 内部热噪声内部热噪声 这种噪声与电阻内部构成原理无关，仅取决于总电阻、温度、带宽，它这种噪声与电阻内部构成原理无关，仅取决于总电阻、温度、带宽，它 与所施加的信号无关。与所施加的信号无关。 附加电流附加电流噪声噪声 一般称为

7、过量噪声，它取决于电阻的构造，与热噪声不同，电阻电流噪一般称为过量噪声，它取决于电阻的构造，与热噪声不同，电阻电流噪 声与所施加的电压有关。薄膜电阻和绕线电阻具有出色的电流噪声性能，其声与所施加的电压有关。薄膜电阻和绕线电阻具有出色的电流噪声性能，其 主要是内部热噪声。碳膜电阻则不然，一般认为其噪声性能较差，后面讨论主要是内部热噪声。碳膜电阻则不然，一般认为其噪声性能较差，后面讨论 低噪声设计都采用高品质薄膜电阻，因此可以忽略电流噪声，只关注于热噪低噪声设计都采用高品质薄膜电阻，因此可以忽略电流噪声，只关注于热噪 声声。 电阻噪声电阻噪声 下图是理想电阻的热噪声计算公式，可以看出，它取决于温度

8、、电阻、带宽和下图是理想电阻的热噪声计算公式，可以看出，它取决于温度、电阻、带宽和 玻尔兹曼常数。记住与电阻相关的参数很有用，但在实际设计中，并不要求大家记玻尔兹曼常数。记住与电阻相关的参数很有用，但在实际设计中，并不要求大家记 住这个公式，因为我们有一个非常方便的速算法，请注意这里是均方根电压（所谓住这个公式，因为我们有一个非常方便的速算法，请注意这里是均方根电压（所谓 的有效值电压）而不是峰峰值电压。的有效值电压）而不是峰峰值电压。 公式中含有一个常数项：玻尔兹曼常数公式中含有一个常数项：玻尔兹曼常数K K；第二项是温度，这里请注意，噪声；第二项是温度，这里请注意，噪声 随温度升高而增大，

9、此温度的单位为开尔文随温度升高而增大，此温度的单位为开尔文K K，因此温度对噪声的影响不如你想象，因此温度对噪声的影响不如你想象 的那样大，例如温度从的那样大，例如温度从2525升高到升高到8585（标准工业温度范围的上限），只相当于（标准工业温度范围的上限），只相当于K K 式刻度上的式刻度上的20%20%多一点，再取平方根，其对噪声的影响只有约多一点，再取平方根，其对噪声的影响只有约10%10%，多数工程师会忽，多数工程师会忽 略温度对噪声的影响，但要记住我们看到的噪声规格都是在略温度对噪声的影响，但要记住我们看到的噪声规格都是在2525的值；第三项是电的值；第三项是电 带宽带宽，最后一项

10、是，最后一项是阻值阻值。 电阻噪声电阻噪声 大家应当记住下面的公式，大家应当记住下面的公式，1K1K电阻在室温下的热噪声是电阻在室温下的热噪声是4nV/4nV/无论从事何无论从事何 种噪声相关工作，这个公式都将让大家种噪声相关工作，这个公式都将让大家永远永远受益。受益。 这个公式很容易应用到其他电阻值的热噪声计算，只需要将被测电阻值开平方这个公式很容易应用到其他电阻值的热噪声计算，只需要将被测电阻值开平方 再乘以再乘以4nV/4nV/即可。即可。 电阻噪声电阻噪声 讨论几个常用电阻电路的热噪声计算，下图为电阻分压器的电阻热噪声分讨论几个常用电阻电路的热噪声计算，下图为电阻分压器的电阻热噪声分

11、析模型。析模型。 记住在分析噪声时，应将电源等效为地，它与分析放大电路的交流通路一记住在分析噪声时，应将电源等效为地，它与分析放大电路的交流通路一 样。样。 电阻噪声电阻噪声 惠斯通电桥（压力、温度等）噪声分析如下图所示。惠斯通电桥（压力、温度等）噪声分析如下图所示。 这里注意：在仅分析电阻噪声时，电阻可简化为上图最后一种模型，实际中一般这里注意：在仅分析电阻噪声时，电阻可简化为上图最后一种模型，实际中一般 简化为上图的第三种模型，因为要考虑运放的电流噪声（噪声是求均方根和运算）。简化为上图的第三种模型，因为要考虑运放的电流噪声（噪声是求均方根和运算）。 运算放大器运算放大器噪声噪声 运算放大

12、器噪声模型如下图所示。运算放大器噪声模型如下图所示。 放大器噪声分为两类：放大器噪声分为两类：1 1 电压噪声；电压噪声；2 2 电流噪声。在运放内部由许多晶体管组电流噪声。在运放内部由许多晶体管组 成，这些晶体管都有噪声，幸运的是所有的这些噪声都可以折合到运放的输入端（成，这些晶体管都有噪声，幸运的是所有的这些噪声都可以折合到运放的输入端（ 一般是同相输入端），如下图的一般是同相输入端），如下图的VxVx。 运算放大器运算放大器噪声噪声 运放电压噪声规格在数据手册中通常以两种方式表示：运放电压噪声规格在数据手册中通常以两种方式表示： nVnV/ / uVppuVpp或或uVrmsuVrms

13、下表下表为为AD8226AD8226的技术规格书中关于电压和电流噪声的描的技术规格书中关于电压和电流噪声的描 述。述。 运算放大器运算放大器噪声噪声 查看数据手册中的噪声特性时，一定要注意说明的是折合到输入端查看数据手册中的噪声特性时，一定要注意说明的是折合到输入端RTIRTI （Referred to InputReferred to Input）还是折合到输出端）还是折合到输出端RTORTO（Referred to OutputReferred to Output）, ,如果没如果没 有特殊说明，一般都是按照折合到输入端来说的。但是对于其他类型的固定增益有特殊说明，一般都是按照折合到输入端

14、来说的。但是对于其他类型的固定增益 放大器，例如差动放大器，噪声可能是折合到输出端。请注意这种噪声会被放大放大器，例如差动放大器，噪声可能是折合到输出端。请注意这种噪声会被放大 器放大，例如增益为器放大，例如增益为1010的同相放大器，出现在输出端的噪声将是指标中给出的数的同相放大器，出现在输出端的噪声将是指标中给出的数 据的据的1010倍，如下如所示。一些电路配置的噪声增益可能大于信号增益，例如反相倍，如下如所示。一些电路配置的噪声增益可能大于信号增益，例如反相 配置的放大器，例如信号增益为配置的放大器，例如信号增益为- -1 1的反相放大器，其噪声增益实际为的反相放大器，其噪声增益实际为2

15、 2。为了确。为了确 定实际噪声增益，需要将所有外部电压源短路，同时记住可以将电路的定实际噪声增益，需要将所有外部电压源短路，同时记住可以将电路的RTIRTI噪声噪声 看做是出现在放大器正输入端的噪声，如果以这一假设分析电路，应该能确定噪看做是出现在放大器正输入端的噪声，如果以这一假设分析电路，应该能确定噪 声所接受的增益。声所接受的增益。 仪表仪表放大器噪声放大器噪声 仪表放大器的噪声计算与运算放大器的噪声计算稍有不同，对于运算放大器，仪表放大器的噪声计算与运算放大器的噪声计算稍有不同，对于运算放大器， 所有内部晶体管噪声都可以折合到输入端，换言之，所有噪声源都会按增益比例缩所有内部晶体管噪

16、声都可以折合到输入端，换言之，所有噪声源都会按增益比例缩 放，仪表放大器则不然，电路中的一些噪声会按照增益比例缩放，而其他噪声则与放，仪表放大器则不然，电路中的一些噪声会按照增益比例缩放，而其他噪声则与 增益无关，这里与增益相关的噪声量显示为增益无关，这里与增益相关的噪声量显示为einein，与增益无关的噪声量显示为，与增益无关的噪声量显示为enoeno， 数据手册中一般都有二者关系，如下图所示。数据手册中一般都有二者关系，如下图所示。 注意此电路未注意此电路未 考虑电阻噪声考虑电阻噪声 运算运算放大器噪声放大器噪声 电流噪声电流噪声 除电压噪声外，运放输入端还有电流噪声，如果运放输入端有电阻

17、，电流噪除电压噪声外，运放输入端还有电流噪声，如果运放输入端有电阻，电流噪 声将与之相互作用产生电压噪声，例如大多数的源电压就有一定的内阻，毕竟将声将与之相互作用产生电压噪声，例如大多数的源电压就有一定的内阻，毕竟将 高阻抗信号源转换为低阻抗信号源是我们使用运算放大器的原因之一，电流噪声高阻抗信号源转换为低阻抗信号源是我们使用运算放大器的原因之一，电流噪声 流经与放大器相连的电阻产生电压噪声，流经与放大器相连的电阻产生电压噪声，一般来说，放大器的输入偏置电流越高一般来说，放大器的输入偏置电流越高 ，则电流噪声越高。，则电流噪声越高。 下下表为表为AD8226AD8226的技术规格书中的技术规格

18、书中关于电流关于电流噪声的描述。噪声的描述。 运算运算放大器噪声放大器噪声 噪声计算实例噪声计算实例 第一幅图显示具有一定源电阻的电压跟随器配置，运算放大器的电流噪声会第一幅图显示具有一定源电阻的电压跟随器配置，运算放大器的电流噪声会 与信号源内阻相互作用，在输出端产生一定的额外噪声，第二个幅图显示反馈路与信号源内阻相互作用，在输出端产生一定的额外噪声，第二个幅图显示反馈路 径中的电阻如何与电流噪声相互作用，电流噪声流经反馈电阻的并联组合，在输径中的电阻如何与电流噪声相互作用，电流噪声流经反馈电阻的并联组合，在输 出端产生一个额外噪声源，然后此噪声源经放大器放大，到达输出端。出端产生一个额外噪

19、声源，然后此噪声源经放大器放大，到达输出端。 模数转换器噪声模数转换器噪声 静态静态ADCADC的数据手册以的数据手册以VrmsVrms或或VppVpp的形式给出噪声特性（静态数据采集）；动的形式给出噪声特性（静态数据采集）；动 态态ADCADC是用是用代码跃迁噪声代码跃迁噪声来表示（动态数据采集）噪声特性。表来表示（动态数据采集）噪声特性。表6 6显示显示AD7190AD7190（ 4.8ksps4.8ksps带宽）的噪声特性指标，右边的图及最下面的表分别显示带宽）的噪声特性指标，右边的图及最下面的表分别显示AD7689AD7689（ 250ksps250ksps）的直方图表示的代码跃迁噪声

20、及规格表中显示的噪声性能）的直方图表示的代码跃迁噪声及规格表中显示的噪声性能。 模数转换器噪声模数转换器噪声 下图为信噪比与下图为信噪比与VrmsVrms之间的关系，使用信噪比计算模数转换器的之间的关系，使用信噪比计算模数转换器的rmsrms值与手值与手 册中给出的跃迁噪声的值基本是一样的。册中给出的跃迁噪声的值基本是一样的。 三、噪声分析常用单位 uVrms、uVpp 峰峰值噪声、有效值噪声与带宽的关系峰峰值噪声、有效值噪声与带宽的关系 噪声（电压、电流）谱密度噪声（电压、电流）谱密度 uVrms、uVpp、nV/ 之间的换算 峰峰值噪声、有效值噪声峰峰值噪声、有效值噪声 峰峰值噪声是指波形

21、中，波峰到波峰峰值噪声是指波形中，波峰到波 谷之间的距离，它仅取决于两个点，有谷之间的距离，它仅取决于两个点，有 利也有弊，有利的一面是非常容易计算利也有弊，有利的一面是非常容易计算 ，只需将最大点减去最小点，不利的一，只需将最大点减去最小点，不利的一 面是复现性不强，不太精确，噪声是一面是复现性不强，不太精确，噪声是一 个随机过程，实际上这种测量依赖于波个随机过程，实际上这种测量依赖于波 形的极值，采集数据的时间越长，则越形的极值，采集数据的时间越长，则越 有可能获得极值。均方根噪声使用波形有可能获得极值。均方根噪声使用波形 中的所有点，因此比峰峰值噪声精确的中的所有点，因此比峰峰值噪声精确

22、的 多，测量的点越多，均方根值越精确，多，测量的点越多，均方根值越精确， 但不利的是，由于要使用所有点，因此但不利的是，由于要使用所有点，因此 计算时间较长。计算时间较长。 峰峰值噪声、有效值噪声与带宽的关系峰峰值噪声、有效值噪声与带宽的关系 关于关于峰峰值和均方根值测量有一点需要注意，它们会随带宽发生较大变化，对峰峰值和均方根值测量有一点需要注意，它们会随带宽发生较大变化，对 于同一放大器，带宽越低，噪声也越低。下图清楚显示了这一点。实验中，我们测于同一放大器，带宽越低，噪声也越低。下图清楚显示了这一点。实验中，我们测 量了仪表放大器量了仪表放大器AD8222AD8222在多个不同带宽时的噪

23、声，可以清楚的看到带宽对于噪声的在多个不同带宽时的噪声，可以清楚的看到带宽对于噪声的 影响之大。带宽每提高十倍，噪声增加三倍。由于这些测量依赖于带宽，因此有几影响之大。带宽每提高十倍，噪声增加三倍。由于这些测量依赖于带宽，因此有几 点需要注意：首先，需要了解电路的带宽特性，需要确保测量仪器的带宽高于电路点需要注意：首先，需要了解电路的带宽特性，需要确保测量仪器的带宽高于电路 的带宽，只有这样，才能获得精确的读数。此外，使用数字万用表时，规定均方根的带宽，只有这样，才能获得精确的读数。此外，使用数字万用表时，规定均方根 值噪声或峰峰值噪声时，同时必须明确特定的带宽。对于绝大多数数据手册，带宽值噪

24、声或峰峰值噪声时，同时必须明确特定的带宽。对于绝大多数数据手册，带宽 为为0.1Hz0.1Hz至至10Hz10Hz频带，低频时更关注频带，低频时更关注0.110Hz0.110Hz的频带。的频带。 噪声谱密度噪声谱密度 频谱密度图使均方根测量更进一步，它实际上是将噪声测量分为不同的区间，频谱密度图使均方根测量更进一步，它实际上是将噪声测量分为不同的区间， 这样便可以明确哪些频率具有较多的噪声，下图电压、电流噪声谱密度来自这样便可以明确哪些频率具有较多的噪声，下图电压、电流噪声谱密度来自AD8422AD8422 的数据手册。由于频谱密度图将测量分为许多区间，因此需要大量的数据才能获得的数据手册。由

25、于频谱密度图将测量分为许多区间，因此需要大量的数据才能获得 一张清晰的图。一张清晰的图。 噪声谱密度噪声谱密度 高频下的噪声为白噪声高频下的噪声为白噪声( (即其频谱密度不会随频率而变化即其频谱密度不会随频率而变化) )。这种情况适用于运。这种情况适用于运 算放大器的大部分频率范围，但在低频率条件下，噪声频谱密度会以算放大器的大部分频率范围，但在低频率条件下，噪声频谱密度会以3dB/3dB/倍频程上倍频程上 升，密度在此区域内与频率成反比，所以电压噪声频谱密度与频率的平方根成反比升，密度在此区域内与频率成反比，所以电压噪声频谱密度与频率的平方根成反比 。因此。因此，这种噪声通常称为“，这种噪声

26、通常称为“1/f1/f噪声”。但应注意，有些教材中仍旧使用“闪烁噪噪声”。但应注意，有些教材中仍旧使用“闪烁噪 声”这个旧术语。声”这个旧术语。 这种这种噪声开始增加时的频率称为“噪声开始增加时的频率称为“1/f1/f转折频率”转折频率”(1/f corner)Fc(1/f corner)Fc，也是品质因也是品质因 数数之一之一 该频率越小越好。该频率越小越好。 1/f1/f噪声：闪烁的烛光，噪声：闪烁的烛光，1/f1/f噪声为什么会在半导体中存在，这是个很深的命题！噪声为什么会在半导体中存在，这是个很深的命题！ 宇宙中的“宇宙中的“1/f 1/f 波动波动(1/f fluctuation (

27、1/f fluctuation ，1/f 1/f 噪声噪声)”)”具有维系大环境平衡、和谐具有维系大环境平衡、和谐 的重要作用，在国外，“的重要作用，在国外，“1/f 1/f 波动”引起了科学家们的极大重视波动”引起了科学家们的极大重视。 uVrmsuVrms、uVppuVpp、nVnV/ /之间的换算 一般一般先先将频谱密度转算成电压均方根值，然后再将将频谱密度转算成电压均方根值，然后再将 电压均方根值换算为电压峰峰值。电压均方根值换算为电压峰峰值。 注意：一般不能反过程运算，主要是前面提到的注意：一般不能反过程运算，主要是前面提到的 峰峰值测量误差较大。峰峰值测量误差较大。 nV/nV/H

28、zuVrmsuVrms uVrmsuVrmsu uVppVpp 从噪声谱密度到均方根值从噪声谱密度到均方根值 理论上从噪声谱密度图获取理论上从噪声谱密度图获取 均方根值的正确方法是进行微积均方根值的正确方法是进行微积 分运算，实际使用中一般采用速分运算，实际使用中一般采用速 算方法，将数据手册上的标称值算方法，将数据手册上的标称值 乘以目标带宽的平方根，如果目乘以目标带宽的平方根，如果目 标频率带宽至少比标频率带宽至少比1/f1/f高出高出1010倍，倍， 适用速算法可以获得极佳的结果适用速算法可以获得极佳的结果 ，宽带噪声将湮没，宽带噪声将湮没1/f1/f噪声，宽带噪声，宽带 噪声具有平坦的

29、噪声密度，因此噪声具有平坦的噪声密度，因此 其积分值等于速算法所得的近似其积分值等于速算法所得的近似 值。值。 等效噪声带宽等效噪声带宽 让通带中的一些信号通过并阻止阻带中的一些信号，这就是砖墙式滤波器，让通带中的一些信号通过并阻止阻带中的一些信号，这就是砖墙式滤波器， 现实世界中并不存在这样的滤波器，实际中的滤波器比较接近，他会衰减通带中现实世界中并不存在这样的滤波器，实际中的滤波器比较接近，他会衰减通带中 的一小部分信号，让大部分信号通过通带，这会影响滤波器通过的噪声量如下图的一小部分信号，让大部分信号通过通带，这会影响滤波器通过的噪声量如下图 所示，这里显示的单极点滤波器（巴特沃斯）通过

30、的噪声量是截止频率相同的砖所示，这里显示的单极点滤波器（巴特沃斯）通过的噪声量是截止频率相同的砖 墙式滤波器的墙式滤波器的1.571.57倍（等效噪声带宽），倍（等效噪声带宽），因此我们需要在计算中考虑这一因素，因此我们需要在计算中考虑这一因素， 极点数越多，则滤波器越接近砖墙式滤波器，从阻带中漏入的噪声也越来越少。极点数越多，则滤波器越接近砖墙式滤波器，从阻带中漏入的噪声也越来越少。 系统带宽系统带宽接近接近1/f1/f转折频率转折频率 如果系统的带宽接近如果系统的带宽接近1/f1/f转折频率时，第一首先确保不要使用转折频率时，第一首先确保不要使用1/f1/f转折频率较转折频率较 差的放大器

31、，精密放大器的差的放大器，精密放大器的1/f1/f转折频率通常小于转折频率通常小于100Hz100Hz，而通用、高速放大器的，而通用、高速放大器的 转折频率往往高于转折频率往往高于1000Hz1000Hz；第二如果只想在两个放大器中选择其一，则只需比较；第二如果只想在两个放大器中选择其一，则只需比较 两个放大器的两个放大器的0.1Hz10Hz0.1Hz10Hz的峰峰值噪声特性，如下图示；第三如果带宽非常低，的峰峰值噪声特性，如下图示；第三如果带宽非常低， 可能需要使用自稳零（可能需要使用自稳零（AutozeroAutozero）或斩波放大器（）或斩波放大器（ChopperChopper），这类

32、放大器的），这类放大器的1/f1/f 噪声为零或非常低，但其白噪声一般较高，而且在斩波或自稳零频率附近可能具噪声为零或非常低，但其白噪声一般较高，而且在斩波或自稳零频率附近可能具 有额外噪声；第四如果要通过计算得到噪声值，则需要取图中的多个点，逐段进有额外噪声；第四如果要通过计算得到噪声值，则需要取图中的多个点，逐段进 行计算。行计算。 均方根值转换为峰峰值均方根值转换为峰峰值 理论上，峰峰值噪声可能无穷大，因为高斯分布曲线的极限值可能无穷大，理论上，峰峰值噪声可能无穷大，因为高斯分布曲线的极限值可能无穷大， 但实际上绝大部分噪声位于两个方向的三个标准差范围内，因此将均方根噪声乘但实际上绝大部

33、分噪声位于两个方向的三个标准差范围内，因此将均方根噪声乘 以以6.66.6便可得到峰峰值噪声的合理估计值。便可得到峰峰值噪声的合理估计值。 四、噪声的计算 噪声的加法、乘法、除法噪声的加法、乘法、除法 噪声噪声的快速计算法的快速计算法 噪声的加法、乘法、除法噪声的加法、乘法、除法 噪声的加法规则为噪声的平方和，假设噪声源不相关，这一假设在绝大多数噪声的加法规则为噪声的平方和，假设噪声源不相关，这一假设在绝大多数 情况下是成立的，噪声的乘法、除法规则与一般的信号相同情况下是成立的，噪声的乘法、除法规则与一般的信号相同。 噪声的快速计算法噪声的快速计算法 噪声的计算时有几点需要注意：噪声的计算时有

34、几点需要注意： 1 1 室温下，室温下，1K1K电阻的噪声对应电阻的噪声对应4nV/4nV/ ； 2 2 对噪声源求和时，可以忽略较小的项，如果一个噪声信号只有主导对噪声源求和时，可以忽略较小的项，如果一个噪声信号只有主导 噪声信号的噪声信号的1/51/5，则其贡献的额外噪声只有，则其贡献的额外噪声只有1/251/25，此噪声可以忽略；，此噪声可以忽略； 3 3 是第二点的扩展，如果第一增益级的增益足够大，则可以忽略其后是第二点的扩展，如果第一增益级的增益足够大，则可以忽略其后 的一切噪声。的一切噪声。 因为专业因为专业 所以安全所以安全 五、低噪声电路设计技巧 增益放在何处增益放在何处 如何

35、处理源电阻和反馈电阻如何处理源电阻和反馈电阻 增益放在何处增益放在何处 提高前端的增益：在第一级运提高前端的增益：在第一级运放配置尽可能多的增益，放配置尽可能多的增益， 让我们冷静一下，为让我们冷静一下，为 了改善整个信号链，要在第一级电路上花了改善整个信号链，要在第一级电路上花1010倍的时间以及倍的时间以及精力精力。如果你在第一级。如果你在第一级 增益级中获得纯净的低噪声信号，后级电路的设计将会很简单。增益级中获得纯净的低噪声信号，后级电路的设计将会很简单。 关注源阻抗关注源阻抗 源阻抗越大，系统噪声越大源阻抗越大，系统噪声越大 放大器必须与源阻抗匹配良好，如果源阻抗较高，电流噪声特型可能

36、比电压噪放大器必须与源阻抗匹配良好，如果源阻抗较高，电流噪声特型可能比电压噪 声特型更重要。声特型更重要。 传感器传感器内阻较高时，我们更应关注运放的电流噪声指标，越小越好。内阻较高时，我们更应关注运放的电流噪声指标，越小越好。 关注反馈电阻关注反馈电阻 如果选择超低噪声放大器，却使用很大的反馈电阻，则不可能实现低噪声电如果选择超低噪声放大器，却使用很大的反馈电阻，则不可能实现低噪声电 路，在同相或反相配置电路中，注意反馈电阻相当于折算到输出端的噪声源，而路，在同相或反相配置电路中，注意反馈电阻相当于折算到输出端的噪声源，而 其他电阻相当于输入端的电压源，更准确的说是反相输入端的电压源，之前已

37、经其他电阻相当于输入端的电压源，更准确的说是反相输入端的电压源，之前已经 谈到，设计低噪声系统时，第一级应拥有高增益配置，这种情况下谈到，设计低噪声系统时，第一级应拥有高增益配置，这种情况下RgRg噪声占据主噪声占据主 导地位。导地位。 因为专业因为专业 所以安全所以安全 六、同相输入运放噪声计算 Rf = 100K Rf = 100K RgRg =1K =1K 运放为运放为ADA4004ADA4004 因为专业因为专业 所以安全所以安全 计算步骤计算步骤 计算步骤：计算步骤： 1 1 将所有电压源接地，此时电路与反相输入运放的噪声分析完全相同；将所有电压源接地，此时电路与反相输入运放的噪声分

38、析完全相同； 2 2 计算电阻计算电阻RfRf贡献的噪声，贡献的噪声， RfRf噪声为噪声为40nV/40nV/ ，RfRf噪声直接出现在运放的输出噪声直接出现在运放的输出 端，先将所有噪声都参考输出端，最后在折算到输入端；端，先将所有噪声都参考输出端，最后在折算到输入端； 3 3 计算电阻计算电阻RgRg贡献的噪声，贡献的噪声，RgRg噪声为噪声为4nV/4nV/ ，因为，因为RgRg位于运放的反相输入端，需位于运放的反相输入端，需 要将要将RgRg的噪声乘以的噪声乘以- -100100，但是噪声并没有正负的概念，结果为，但是噪声并没有正负的概念，结果为400nV400nV/ / ， 所以看

39、出在高增益电路时所以看出在高增益电路时RgRg处于主导地位；处于主导地位； 4 4 计算有效电流噪声，查阅手册可知，计算有效电流噪声，查阅手册可知，ADA4004ADA4004的电流噪声约为的电流噪声约为1.2pA1.2pA/ / ，电流，电流 噪声从反相输入端流入，电流乘以噪声从反相输入端流入，电流乘以RfRf、RgRg的并联组合（按照的并联组合（按照1K1K），得到电流贡献），得到电流贡献 的噪声为的噪声为1.2nV1.2nV/ / 乘以放大倍数乘以放大倍数100100，得到为，得到为120120nV/nV/ ，如果同相输入端有电，如果同相输入端有电 阻，还要将电流乘以同相输入端的电阻值；

40、阻，还要将电流乘以同相输入端的电阻值； 5 5 运放的电压噪声，查阅手册得知，运放的电压噪声，查阅手册得知，ADA4004ADA4004的电压噪声为的电压噪声为1.81.8nV/nV/ ，乘以放大，乘以放大 倍数倍数100100，得到，得到180180nV/nV/ ； 6 6 将所有的噪声求均方根和，得到将所有的噪声求均方根和，得到457457nV/nV/ ，折合到输入端是，折合到输入端是4.574.57nV/nV/ ，这，这 里需要说明的是里需要说明的是4.57nV4.57nV/ / 大于大于1.8nV1.8nV/ / ，因此没有发挥电路的最佳性能，主，因此没有发挥电路的最佳性能，主 要原因

41、是我们电阻选取的不合适，我们应适当减小要原因是我们电阻选取的不合适，我们应适当减小RfRf、RgRg的值，这样电阻与电流贡的值，这样电阻与电流贡 献的噪声将小得多。献的噪声将小得多。 结论：在进行低噪声电路设计时，尽量选择小阻值电阻。结论：在进行低噪声电路设计时，尽量选择小阻值电阻。 因为专业因为专业 所以安全所以安全 七、仪表放大器噪声计算 R= 50K GAIN=10 R= 50K GAIN=10 仪表放大器为仪表放大器为AD8226AD8226 因为专业因为专业 所以安全所以安全 计算步骤计算步骤 计算步骤：计算步骤： 1 1 将所有电压源接地，简化电桥噪声模型；将所有电压源接地，简化电

42、桥噪声模型； 2 2 计算电阻计算电阻R R贡献的噪声，贡献的噪声， R R的噪声为的噪声为20nV/20nV/ ，两个电阻贡献的噪声为，两个电阻贡献的噪声为 2828nV/nV/ ； 3 3 计算有效电流噪声，查阅手册可知，计算有效电流噪声，查阅手册可知，AD8226AD8226的电流噪声约为的电流噪声约为100fA100fA/ / ，电流噪，电流噪 声乘以电阻值得到为声乘以电阻值得到为2.5nV2.5nV/ / ，电流噪声在两个电阻产生的电压噪声为，电流噪声在两个电阻产生的电压噪声为 3.53.5nVnV/ / ； 4 4 仪表放大器的电压噪声源一般有两个，一个在输出端，一个在输入端，查阅

43、数据仪表放大器的电压噪声源一般有两个，一个在输出端，一个在输入端，查阅数据 手册可知，手册可知，enoeno为为1 120nV20nV/ / ，enieni为为2222nVnV/ / ，参考输入端时，参考输入端时，enoeno折算到输入端折算到输入端 为为1212nVnV/ / ； 6 6 将所有的噪声求均方根和，将所有的噪声求均方根和， +.+得到得到38nV38nV/ / 。 因为专业因为专业 所以安全所以安全 八、运放的输出噪声与ADC的输出噪声 驱动驱动ADCADC的放大器产生的噪声必须足够低，以保持的放大器产生的噪声必须足够低，以保持ADCADC的的SNRSNR和转换噪声性能。和转换噪声性能。 下下式是式是AD7689AD7689因放大器引起的信噪比降低，因放大器引起的信噪比降低，AD7689AD7689的典型噪声为的典型噪声为35uVrms35uVrms。 /2/2 =1.57 =1.57 是单极点滤波器的补偿是单极点滤波器的补偿值；值； f f- -3dB 3dB表示 表示ADCADC的输入带宽；的输入带宽； N N为噪声增益；为噪声增益； eNeN为运放的等效输入噪声。为运放的等效输入噪声。 因为专业因为专业 所以安全所以安全 AD9632AD9632与与AD9225AD9225