在精密電子系統(tǒng)中，運算放大器(簡稱運放)的固有噪聲是限制系統(tǒng)檢測精度與動態(tài)范圍的關鍵因素。尤其是在傳感器信號放大、醫(yī)療電子、航空航天等低電平信號處理場景中，運放噪聲可能掩蓋微弱有用信號，導致系統(tǒng)性能劣化。因此，深入分析運放固有噪聲的來源、特性及測量方法，對電路設計優(yōu)化具有重要工程意義。

一、運放固有噪聲的來源與特性

運放的固有噪聲是其內(nèi)部半導體器件(晶體管、電阻等)在微觀粒子熱運動和載流子隨機運動作用下產(chǎn)生的隨機電信號，主要分為四類：熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲和爆裂噪聲，其中前三者是影響電路性能的主要因素。

熱噪聲(Johnson-Nyquist 噪聲)由導體中自由電子的熱運動產(chǎn)生，存在于所有電阻性元件中，包括運放輸入級的基極電阻、反饋電阻等。其噪聲電壓的均方根值可通過公式 \( V_{n,rms} = \sqrt{4kTR\Delta f} \) 計算，其中 \( k \) 為玻爾茲曼常數(shù)(\( 1.38??10^{-23} \, \text{J/K} \))，\( T \) 為絕對溫度(單位：K)，\( R \) 為電阻值(單位：Ω)，\( \Delta f \) 為噪聲帶寬(單位：Hz)。熱噪聲的功率譜密度(PSD)在寬頻率范圍內(nèi)保持恒定，屬于 “白噪聲”，且僅與溫度和電阻值相關，降低電路工作溫度或減小關鍵路徑電阻可有效抑制熱噪聲。

散粒噪聲由半導體 PN 結中載流子的隨機穿越行為產(chǎn)生，主要存在于運放輸入級的晶體管中。當晶體管工作在正向偏置時，載流子越過勢壘的過程具有隨機性，導致電流出現(xiàn)微小波動。其電流均方根值滿足 \( I_{n,rms} = \sqrt{2qI_{DC}\Delta f} \)，其中 \( q \) 為電子電荷量(\( 1.6??10^{-19} \, \text{C} \))，\( I_{DC} \) 為 PN 結的直流偏置電流。散粒噪聲同樣屬于白噪聲，其強度與直流偏置電流正相關，因此在低噪聲電路設計中，需合理控制運放輸入級的偏置電流。

閃爍噪聲(1/f 噪聲)的產(chǎn)生機制與半導體材料表面缺陷、載流子陷阱捕獲 - 釋放過程相關，其功率譜密度隨頻率降低而顯著增大，即 \( S(f) \propto 1/f^?± \)(\( ?± \) 通常在 0.8-1.2 之間)，因此在低頻段(通常 < 1kHz)對電路噪聲起主導作用。閃爍噪聲的強度與晶體管的制造工藝(如 CMOS、BJT)、工作點電壓及器件尺寸相關，例如 CMOS 運放的閃爍噪聲通常低于 BJT 運放，而增大輸入級晶體管的柵極面積也可有效降低閃爍噪聲。

二、運放噪聲的關鍵參數(shù)與表征

在實際電路設計中，通常通過運放 datasheet 中的噪聲參數(shù)評估其噪聲性能，核心參數(shù)包括輸入電壓噪聲密度(\( e_n \))、輸入電流噪聲密度(\( i_n \))及噪聲轉(zhuǎn)折頻率(\( f_c \))。

輸入電壓噪聲密度(\( e_n \))是衡量運放輸入級電壓噪聲強度的指標，單位為 \( \text{nV/}\sqrt{\text{Hz}} \)，反映了單位帶寬內(nèi)的噪聲電壓均方根值。優(yōu)質(zhì)低噪聲運放(如 OPA277、AD8628)在 1kHz 頻率下的 \( e_n \) 可低至 1-5 \( \text{nV/}\sqrt{\text{Hz}} \)，而通用運放的 \( e_n \) 通常在 10-50 \( \text{nV/}\sqrt{\text{Hz}} \) 范圍內(nèi)。\( e_n \) 的頻率特性曲線通常呈現(xiàn) “白噪聲平臺 + 低頻 1/f 噪聲上升” 的形態(tài)，其轉(zhuǎn)折點對應的頻率即為噪聲轉(zhuǎn)折頻率(\( f_c \))，\( f_c \) 越低，說明運放在低頻段的噪聲性能越優(yōu)。

輸入電流噪聲密度(\( i_n \))用于表征運放輸入偏置電流的隨機波動，單位為 \( \text{pA/}\sqrt{\text{Hz}} \)，主要與輸入級晶體管類型相關。BJT 運放的輸入電流噪聲密度通常較高(10-100 \( \text{pA/}\sqrt{\text{Hz}} \))，因為其輸入偏置電流較大;而 CMOS 運放由于輸入偏置電流極小(通常 < 1pA)，其 \( i_n \) 可低至 0.1 \( \text{pA/}\sqrt{\text{Hz}} \) 以下，更適合高阻抗信號源(如電容式傳感器、光電二極管)的放大電路。

此外，運放的噪聲性能還需結合電路拓撲結構綜合評估。例如，在反相放大電路中，反饋電阻 \( R_f \) 產(chǎn)生的熱噪聲會通過反饋回路疊加到輸出端，其噪聲電壓為 \( \sqrt{4kTR_f\Delta f} \times (1+R_f/R_1) \)(\( R_1 \) 為輸入電阻)，因此需在增益需求與反饋電阻噪聲之間權衡，必要時可采用 “反饋電阻并聯(lián)電容” 的方式抑制高頻噪聲。

三、運放電路噪聲的測量方法

運放電路噪聲的測量需在低噪聲環(huán)境下進行，核心目標是準確提取噪聲電壓 / 電流的均方根值或功率譜密度，常用方法包括均方根值測量法和功率譜密度分析法。

(一)均方根值測量法

該方法適用于快速評估電路的總噪聲水平，核心設備包括低噪聲前置放大器(若待測電路增益較低)、帶通濾波器(BPF)、有效值(RMS)電壓表或示波器。測量步驟如下：

電路搭建：將待測運放電路的輸入短路(模擬無信號輸入狀態(tài))，輸出端依次連接帶通濾波器(設置合適的頻率范圍，如 10Hz-100kHz)和 RMS 電壓表;若待測電路輸出噪聲電壓過低(<1mV)，需在輸出端串聯(lián)低噪聲前置放大器(如 INA128)，避免測量設備自身噪聲干擾。

噪聲讀?。捍娐贩€(wěn)定后(通常需預熱 30 分鐘以上)，讀取 RMS 電壓表的數(shù)值，即為待測電路在設定帶寬內(nèi)的總噪聲電壓。若需計算噪聲密度，可將總噪聲電壓除以 \( \sqrt{\Delta f} \)(\( \Delta f \) 為帶通濾波器的 3dB 帶寬)。

(二)功率譜密度分析法

該方法可獲取噪聲隨頻率的分布特性(如 1/f 噪聲、白噪聲平臺)，需借助頻譜分析儀或動態(tài)信號分析儀，測量步驟如下：

電路校準：首先使用標準信號源(如低噪聲正弦波發(fā)生器)對待測系統(tǒng)(包括運放電路、連接線纜、頻譜分析儀)進行頻率響應校準，確保測量帶寬內(nèi)的增益平坦度誤差 < 0.5dB。

噪聲測量：將運放電路輸入短路，輸出端連接頻譜分析儀，設置合適的頻率范圍(如 1Hz-1MHz)和分辨率帶寬(RBW，通常取 10-100Hz)，避免 RBW 過大導致噪聲譜平滑過度。測量完成后，頻譜分析儀將顯示噪聲功率譜密度曲線，從中可提取白噪聲平臺的 \( e_n \)、噪聲轉(zhuǎn)折頻率 \( f_c \) 等關鍵參數(shù)。

(三)測量誤差控制

運放噪聲測量易受外部干擾(如電源噪聲、電磁輻射)影響，需采取以下措施降低誤差：

電源濾波：在運放電源端并聯(lián) 10μF 電解電容 + 0.1μF 陶瓷電容，抑制電源紋波;若需進一步降低電源噪聲，可采用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO，如 ADP150)為運放單獨供電。

電磁屏蔽：將待測電路置于金屬屏蔽盒內(nèi)，避免外部電磁輻射(如 50Hz 工頻干擾、射頻信號)耦合到電路中;連接線纜采用屏蔽線，且屏蔽層單端接地。

環(huán)境控制：測量環(huán)境溫度保持穩(wěn)定(如 25±1℃)，避免溫度波動導致熱噪聲變化;同時減少氣流擾動，防止電路中電阻、晶體管因溫度變化產(chǎn)生額外噪聲。

四、結論

運放電路的固有噪聲是由熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲共同作用的結果，其性能需通過輸入電壓噪聲密度、電流噪聲密度、噪聲轉(zhuǎn)折頻率等參數(shù)綜合表征。在實際設計中，應根據(jù)應用場景(如頻率范圍、信號源阻抗)選擇低噪聲運放，并通過優(yōu)化電路拓撲(如控制反饋電阻值、增大輸入級晶體管尺寸)抑制噪聲;噪聲測量需結合均方根值法與功率譜密度法，同時通過電源濾波、電磁屏蔽等措施降低外部干擾，確保測量結果的準確性。隨著低噪聲器件工藝的發(fā)展(如 GaN、SiC 器件)，未來運放的噪聲性能將進一步提升，為更高精度的電子系統(tǒng)提供支撐。