运算放大器电路固有噪声的分析与测量之放大器的内部噪声（1）

运算放大器作为模拟电路中的重要组成部分，其固有噪声分析与测量对于电路设计至关重要。运算放大器的噪声主要分为宽带噪声和1/f噪声两种。宽带噪声一般是由运算放大器偏置电流引起的，而1/f噪声则与半导体的制造工艺和晶体结构的瑕疵有关。本文将针对这些噪声来源，提出五条经验法则，并介绍相关的数学计算方法，以帮助集成电路设计人员和电路板及系统级设计人员在设计过程中进行适当的性能折衷。 经验法则1提到，半导体工艺的变化不会对宽带电压噪声产生影响，这主要是因为运算放大器的噪声主要由偏置电流引起，而偏置电流在不同器件间相对恒定。宽带电压噪声的变化一般低于10%，而宽带电流噪声频谱密度的变化则一般不超过30%。因此，在选择运算放大器时，可以忽略工艺变化对宽带噪声的影响。 经验法则2指出，放大器噪声会随着温度变化而变化。在某些偏置方案中，噪声与绝对温度的平方根成正比。这导致在25℃至125℃的工业温度范围内，噪声变化可能仅为15%。然而，对于零温度系数（Zero-TC）偏置方案，噪声与绝对温度成正比，可能在同等温度范围内导致33%的变化。设计时应考虑到这种温度依赖性，以确保电路在不同温度下均能稳定工作。 经验法则3指出，1/f噪声受制造工艺影响较大，这与晶体结构的瑕疵有关。良好的工艺控制可以减少1/f噪声的漂移。器件的1/f噪声最大值通常会在产品说明书中给出，但关于工艺变化对噪声的影响却鲜有提及。设计人员应充分考虑工艺因素，以避免潜在的噪声问题。 经验法则4强调，输入偏置电流（Iq）与宽带噪声之间存在负相关关系。对于低噪声放大器而言，宽带噪声与Iq的平方根成反比。因此，设计人员不应盲目追求低静电流，因为这可能会导致更高的噪声水平。应根据具体的设计需求，权衡噪声与功耗之间的关系。 经验法则5提到，场效应晶体管（FET）运算放大器的固有电流噪声较低。这是因为FET放大器的输入栅极电流远小于双极放大器的输入基极电流。相反，双极放大器在给定偏置电流值时，具有更低的电压噪声。因此，在选择放大器类型时，设计人员需要根据应用需求在噪声与放大器类型之间做出选择。 在运算放大器的内部噪声分析中，电路设计人员还应熟悉双极晶体管噪声模型。双极热噪声主要与物理电阻的热噪声有关，通常由差动输入级基极串联的ESD保护电路产生。在集成电路中，通常为该电阻设置±20%的容差值是合理的。输入电阻的微小变化会引起噪声的相应变化，这对于噪声的准确预测和电路设计至关重要。 运算放大器的固有噪声分析与测量是一项复杂的工作，它要求设计人员不仅要有扎实的理论知识，还需要对实际应用中的电路进行细致的考量。通过以上经验法则和数学计算方法，设计人员可以更有效地平衡噪声与放大器性能的其他参数，以达到设计目标。