4 电流噪声对高源阻抗同相放大器的影响

通常，对于具有大源电阻或大反馈电阻的系统而言，f 平方噪声是个问题。通过使用源阻抗进行简单分析，您会知道 f 平方电流噪声会转化为大电压噪声。但是，要充分了解系统性能，您需要查看所有寄生电容。寄生电容通常会被忽略，因为它们处于皮法范围内，通常不会对性能产生重大影响。但在这种情况下，源阻抗较大，与寄生电容性电抗相当。

下面拿具有 100MΩ 源阻抗的 OPA350 举例介绍。在低频时，该器件的电流噪声为 0.5fA/√Hz。根据表 1-1，低频电流噪声在源阻抗为 100MΩ 时肯定忽略不计，但随着电流噪声增加到数百飞安，更高频率的电流可能成为一个问题。该电路的模型如图 4-1 所示。在该图中，电流噪声会遇到一个分流器。一些电流将流入共模电容，另一些电流流入源。此外，源电阻产生的噪声电流取决于共模电容。请记住，在较高的频率下，共模电容的电抗远小于源电阻（1kHz 时， $X_c=1/\left(2\pi \left(1kHz\right)\left(6.5pF\right)\right)=24M\Omega$ )。因此，从分流器的角度来看，大多数电流将流入共模电容中。另请注意，同相输入端的任何 PCB 寄生电容都将与 C_cm 并联，并将进一步降低电抗 [ $X_{ccm}=1/\left(2\pi f\left(C_{cm}+C_{par}\right)\right)$ ]。

为了更好地了解该电路中各种源和阻抗之间的相互作用，使用叠加很有用。首先，看看源电阻噪声的影响。Rs 和 C_cm 电抗形成一个低通滤波器。放大器输入端的噪声电压将以 245Hz ( $f_c=1/\left(2\pi R_s{C}_{cm}\right)=245Hz$ ) 滚降。您还可以考虑该噪声电压会产生噪声电流 $i_{Rs}=e_{nr}/\sqrt{{\left(R_s\right)}^2+{\left(X_{ccm}\right)}^2}$ （请参阅图 4-2）

考虑以下情况：放大器的噪声电流 (i_n) 将从放大器流入分流器，C_cm 的电抗与 R_s 并联。请注意，在低频率下，流经电阻器的电流噪声与来自放大器的电流相同。但在较高频率下，共模电容器的容抗与源电阻相比较小，因此来自放大器的大部分电流都流经 C_cm。

图 4-5 所示为具有 100MΩ 源阻抗的 OPA350 的总噪声。请注意，低频时的输出噪声曲线主要是电阻器的热噪声。根据表 1-1，这是合理的，因为低频时的电流噪声为 0.5fA/√Hz，且 100MΩ 足够低，可以更大限度地降低此低电平电流噪声的影响。但在较高的频率下，由于 1MHz 时的噪声超过 100fA/√Hz，因此您可以预计电流噪声会更成问题。但是，由于共模电容器的阻抗与源阻抗相比较小，因此负载不会遇到电流噪声在较高频率下增加，因此大多数电流将处于共模电容中。实际上，流经源阻抗的噪声电流主要是阻抗的热噪声 ( $i_{np}\approx e_{nr}/R_s=1.28\mu V/100M\mathrm{\Omega }=12.8\mathrm{f}\mathrm{A}/\mathrm{r}\mathrm{t}\mathrm{H}\mathrm{z}$ )。最后，请注意，放大器输出噪声在大概 100Hz 时开始滚降。这是因为由源阻抗和共模电容形成的低通滤波器 ( $f_c=1/\left(2\pi R_s{C}_{cm}\right)=245Hz$ )。因此，噪声以及任何输入信号都将由源阻抗和共模电容形成的滤波器进行衰减。