根据应用程序，您可能需要考虑噪声在电路中的影响。不幸的是，噪音是一个复杂的主题。虽然各种在线资源确实详细涵盖了这一话题，但了解对降噪的根本方法也有所帮助。在本文中，我将通过使用无源滤波比较两个不同放大器的噪声性能，并通过无源滤波优化噪声性能。要验证方法，我将使用Spice Simulations和噪声计算器。最后，我将涵盖包含反馈电容和隔离电阻的脚印，以帮助微调噪声性能。
考虑在100kHz的50至450 mV的模拟输入信号。使用+10V / v的增益配置中的非关系电路可以将该信号放大到500mV至4.5V的范围（图1）。对于这个应用程序，让我们使用TLV6741，具有10MHz的增益带宽，具有10 MHz的低噪声（5nv /√Hz）通用运算放大器（OP-AMP）。请记住，考虑热噪声性能，选择电阻值非常重要。您不想挑选一个低噪声放大器，仅具有大电阻的热噪声主导整体噪声性能。
图1所示。TLV6741非反相，G = 10 V/V噪声模拟
您现在可以使用Spice仿真使用TINA-TI™软件遵守整体噪声性能（图1）并使用A计算结果噪音的计算器（图2）。
图2。TLV6741非逆变，G = 10 V/V噪声计算
假设期望输出电压为4v页，模拟输出噪声约为55µVrms.(或330µV页)相对较小。64µVRMS的计算噪声与模拟值相近，但可能低估了总噪声。这种差异可能是由于将宽带噪声的保守值5 nV/√Hz输入计算器造成的。在更高的频率，宽带噪声水平实际上更低。电流闪烁噪声被认为是可忽略的，不包括在计算估计。
现在让我们考虑同样的电路，但是这次使用LMP7731．LMP7731也是低噪声OP-AMP，但具有22 MHz的带宽更大，宽带电压噪声为2.9 NV /√Hz。鉴于该设备的电压噪声显着低于TLV6741，您可能希望在相同配置中为LMP7731的整体输出噪声较低。
然而，LMP7731电路实际上有一个略高的模拟输出噪声电平63µVrms.，或378µV页，如图3所示，由56.9µV的噪声计算器计算得到rms.．那么为什么低噪声LMP7731电路比TLV6741电路有更大的输出噪声，即使它们有相同的配置?记住，电路的总输出噪声取决于跨频率集成的噪声密度。由于TLV6741的带宽低于LMP7731, TLV6741将不会有与LMP7731相同的高频噪声贡献。因此，在这种情况下TLV6741电路的整体噪声更低。
图3。LMP7731非反相，G = 10 V/V噪声模拟
为了进一步优化噪声性能，您可以在反馈路径中添加一个过滤器。包括与反馈电阻并联的电容降低了较高频率下的增益，从而减少了输出参考噪声。通过这种方式，您可以将低噪声设备的高性能与前面描述的带宽限制的降噪技术结合起来。这种反馈电容方法通常用于削减高增益配置的带宽。
让我们通过添加一个反馈电容来模拟TLV6741和LMP7731电路，该电容将截止频率设置为500 kHz。图4和5示出了新电路及其模拟噪声。
图4。TLV6741无反相，G = 10 V/V带反馈电容噪声模拟
图5。LMP7731无值，G = 10 V / V，反馈电容噪声仿真
仿真结果表明，在电路中加入反馈电容后，整体噪声从55µV下降rms.（330μV.页到41μVrms.（246μV.页）对于TLV6741。LMP7731电路的噪声从63μV降低rms.（378μV.页)至31µVrms.(186µV页）.根据这些结果，为了降低噪音，在布局上留下反馈电容足迹是一个好主意。如果您不需要它，您可以不填充内存足迹。这种方法的主要缺点是，电压增益的减少也减少了反馈电容的噪声衰减，甚至到可以忽略的程度。
对于低增益放大器配置，放大器输出的低通电阻电容（RC）滤波器可以是更有效的降低噪声的方法。这种技术背后的想法再次衰减只有贡献噪声的更高频率范围，同时继续通过信号频率。在输出时创建RC滤波器涉及添加两个组件 - 电阻器和电容器。如果您不需要它，您可以断开电阻并使电容未填充。还可以使用该输出电阻以稳定称为“隔离电阻”技术的技术的放大器电路。
由于两个运算放大器的特性不同，您需要略微不同的隔离电阻来为两个电路设置相同的截止频率。图6和7分别示出了TLV6741和LMP7731电路 - 使用具有500 kHz截止的输出RC滤波器而不是反馈电容 - 以及它们的TINA-TI软件噪声仿真结果。注意额外的噪声改善至35μVrms.(210µV页)为TLV6741和26µVrms.(156µV页)为LMP7731。所有这些噪声模拟的结果如表1所示，其中总结了不同降噪技术的有效性。
图6。TLV6741非反相，G = 10 V/V带输出RC滤波噪声仿真
图7。LMP7731非反相，G = 10 V/V，输出RC滤波噪声模拟
表1.比较TLV6741和LMP7731的噪声性能
| 电路 | 没有过滤 | CF过滤器 | RC滤波器输出 |
| TLV6741 | 55µVrms.（330μV.页） | 41µVrms.（246μV.页） | 35µVrms.(210µV页） |
| LMP7731 | 63μV.rms.（378μV.页） | 31μV.rms.(186µV页） | 26μV.rms.(156µV页） |
正如我在本文开头提到的，噪声是一个复杂的主题，但是处理它可以很简单。我建议在您的设计中包括反馈电容和隔离电阻的足迹，以评估噪声性能。如果您不需要它们，您可以始终不填充这些组件或缩短它们。最后，这里讨论的技术的正确实现应该使您对最小化系统中噪声的影响有信心。
额外的资源
- TI精密实验室-运算放大器:噪声（培训系列）
- 模拟工程师口袋参考（电子书）
- 信号：OP-AMP设计主题上的博客帖子汇编（电子书）
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