運算放大器的噪聲計算(一)


近期 整理了關於運放噪聲的一些理論與計算方法,如下:

1、熱噪聲電壓計算公式

  由於運動幅度會隨着溫度的上升而上升,熱噪聲的幅度也會跟隨溫度上升,熱噪聲均方根RMS(root meam square),可以表示如下:

                                                                 (1)

其中:en 表示RMS噪聲電壓 ,k是玻爾茲曼常數(1.38x10-23 J/K),T表示開爾文為單位的溫度值,R是以歐姆為單位的電阻,Δf是以Hz為單位的噪聲帶寬

   噪聲的一個重要特點是它的頻譜密度,電壓噪聲頻譜密度是每平方根赫茲測量到的RMS電壓噪聲,通常表示為,因此可以由公式(1)得到:

                                                                                                                             (2)

由公式(2)可以知道,純電阻的熱噪聲密度是平坦的,因為其在所有的頻譜上都有一樣的功率。

 2、概率密度函數:

  大部分的本征噪聲滿足高斯分布且可以用統計學的方法來分析,描述正態分布的數學公式叫做概率密度函數。

其中f(x)是指在任意時間間隔內被測量的概率,μ代表平均值,δ代表標准差。當μ=0,δ=1時候,稱為標准正態分布。

3、概率分布函數:

  概率分布函數是概率密度函數的積分
                                    圖1 標准正態分布表
 
舉個例子:假設在標准正態分布下,我們想得到(-1~1)的概率P,解法:

   (1)從圖1中可以得到:Φ(1)=0.8413,由對稱性可以知道:Φ(-1)=1-Φ(1)=0.1587;

   (2)概率P=Φ(1)-Φ(-1)=0.6826=68.26%。

概率分布函數有助於我們將均方根噪聲RMS NOISE 轉化為峰峰值噪聲或者電流噪聲。用這種方法可以得到:

P(-3δ~3δ)=99.7%,表示噪聲電壓幅度在-3δ~3δ的概率為99.7%(幾乎為100%),因此6δ(即:6倍標准差)被經常用來評估噪聲的峰峰值Vpp。因此我們知道了通過標准差δ來計算噪聲峰峰值的方法。

4、標准差與RMS的聯系

  直接由標准差的定義可知:  

其中,μ代表總體X的平均值。 

  RMS均方根的定義如下:

因此,可知當μ=0時候,標准差和RMS是相等的,即為當噪聲中沒有了直流分量DC成分下(DC成分就是平均值μ),δ=RMS。

因此在進行噪聲計算時,最好選擇標准差而不是RMS,選擇標准差可以消除DC成分的影響。

 

參考資料:

    1.《運算放大器電路中固有噪聲的分析與測量

    2. Anolog Devices 文檔 MT-047指南 運算放大器噪聲

 


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