运算放大器的噪声分析

问：有关运算放大器的噪声我应该知道些什么?

答：首先，必须注意到运算放大器及其电路中元器件本身产生的噪声与外界干扰或无用信号并且在放大

器的某一端产生的电压或电流噪声或其相关电路产生的噪声之间的区别。

干扰可以表现为尖峰、阶跃、正弦波或随机噪声而且干扰源到处都存在：机械、靠近电源线、射频发

送器与接收器、计算机及同一设备的内部电路(例如，数字电路或开关电源)。认识干扰，防止干扰在你

的电路附近出现，知道它是如何进来的并且如何消除它或者找到对干扰的方法是一个很大的题目。

如果所有的干扰都被消除，那么还存在与运算放大器及其阻性电路有关的随机噪声。它构成运算放大

器的控制分辨能力的终极限制。我们下面的讨论就从这个题目开始。

问：好，那就请你讲一下有关运算放大器的随机噪声。它是怎么产生的?

答：在运算放大器的输出端出现的噪声用电压噪声来度量。但是电压噪声源和电流噪声源都能产生噪

声。运算放大器所有内部噪声源通常都折合到输入端，即看作与理想的无噪声放大器的两个输入端相串

联或并联不相关或独立的随机噪声发生器。我们认为运算放大器噪声有三个基本来源：

★ 一个噪声电压发生器(类似失调电压，通常表现为同相输入端串联)。

★ 两个噪声电流发生器(类似偏置电流，通过两个差分输入端排出电流)。

★ 电阻噪声发生器(如果运算放大器电路中存在任何电阻，它们也会产生噪声。可把这种噪声看作来自

电流源或电压源，不论哪种形式在给定电路中都很常见)。

运算放大器的电压噪声可低至3 nV/Hz。电压噪声是通常比较强调的一项技术指标，但是在阻抗很

高的情况下电流噪声常常是系统噪声性能的限制因素。这种情况类似于失调，失调电压常常要对输出失调

负责，但是偏置电流却有真正的责任。双极型运算放大器的电压噪声比传统的FET运算放大器低，虽然有

这个优点，但实际上电流噪声仍然比较大。现在的FET运算放大器在保持低电流噪声的同时，又可达到双

极型运算放大器的电压噪声水平。

问：电压噪声达到3 nV/Hz的单位是怎么来的?它的含义如何?

答：让我们讨论一下随机噪声。在实际应用中(即在设计者关心的带宽内)许多噪声源都属于白噪声和高

斯噪声。白噪声是指在给定带宽内噪声功率与频率无关的噪

[1]

流子组成(单个载流子的流动非常慢)，所以与电流的流动有关的噪声相应地也非常小，因此电

路中的热噪声一般都忽略不计。这里引用Horowiz和Hill在其论文中的一段话：“电流是离散电荷的流

动，而不是像流体一样的连续流动。根据电荷量子的有限性产生了电流的统计波动性理论。如果这些电荷

的作用彼此独立，那么波动电流为：

In(rms)=InR =(2 Iq dc B)/2

其中q为电子电荷(1.60×10^-19 C)，B为测量带宽，rms表示有效值。例如1 A“稳定”电流，波动

电流的有效值为57 nA，测量带宽为10 kHz。这说明波动程度大约为0.000006% 。这种相对波动对小电流

来讲比较大。例如在10 kHz带宽内，1 μA的“稳定”电流，实际上电流噪声有效值的波动为0.006%。即-

85 dB。对于1 pA直流电流，同样带宽内其电流波动有效值为56 fA，即相对波动为5.6 %。可见，散粒噪

声岂不微乎其微码?散粒噪声，类似电阻热噪声，属于高斯噪声和白噪声。”

“早期给出的散粒噪声公式假设电荷载流子具有独立地形成电流的作用。这实际上是电荷穿过势垒的

过程，例如结二极管电流，通过扩散电荷形成。与此相反，散粒噪声在金属导体中的重要程度是不真实

的，因为在金属导体中，在电荷载流子之间存在着大范围的相关性。因此简单阻性电路中的这种电流噪声

远小于由散粒噪声公式的计算值。在标准晶体管电流源电路中我们提供了散粒噪声公式以外的又一个重要

公式，在这里负反馈起到减小散粒噪声的作用。” [9]