技术专家手把手教你计算放大器噪声系数
1. 引言
在各种放大器使用的场合，我们时常需要计算到放大器，却没有一个直观的方式来看放大器这一级对链路噪声的影响。本文讨论了各种放大器架构下，放大器的噪声系数的计算方式。
2. 放大器噪声指标
电子元件应用中，常见如下5 种噪声来源：
1. 散弹噪声（shot noise，白噪声，在频谱中表现为平坦的）
2. 热噪声（thermal noise，白噪声，在频谱中表现为平坦的）
3. 闪烁噪声（flicker noise，1/f 噪声）
4. 突发噪声（burst noise，脉冲噪声）
5. 雪崩噪声（avalanche noise，反向击穿时才出现的噪声）
基本上每个放大器都有输入电压噪声和输入电流噪声两个指标。在频域，通常其单位用nv/rthz，和pa/rthz 来表征。 如下图：
figure 1 输入电压噪声和电流噪声曲线图例
按噪声种类来分， 其大致贡献在不同的频段如下：
figure 2 噪声种类分布图
如果把所有电容，电感都看做无噪声的器件，一个普通的放大器的输出噪声按主要的贡献可以按如下图所示：
figure 3 放大器噪声分量分解
根据这个估计， 可以得到如下电阻值的电压噪声：
在输出的噪声中， 上图的各个分量其贡献如下：
输出的噪声是这些分量的均方和：
figure 4 放大器电压噪声等效输出模型
同理，对上式中的第4 项，负端的电流噪声，也可以建立这样的模型：
figure 5 放大器电流噪声等效输出模型
3. 信噪比计算
以上的计算还仅限于噪声谱密度的计算，在实际应用中其实主要要关注的是信噪比，这就要引入噪声计算中很重要的一点： 带宽。所以还需要考虑到带宽积分后的总噪声。
在得到一定带宽内的电压噪声密度后，需要把电压噪声换算成功率，才能进行积分计算，而不能直接把电压噪声直接积分，如下： 假设我们已知一个放大器的电压噪声密度为5nv/rthz，如果要计算10hz 以内的积分噪声，则按如下方式计算：
figure 6 通过噪声谱密度计算综合噪声
如我们上面所述，放大器的噪声分布是分区域的，如果再算上通道的滤波效应，计算积分噪声的步骤如下：
figure 7 输入电压噪声及电流噪声谱密度频率分布图
1. 1/f 噪声区域（en1/f）
figure 8 1/f 噪声
figure 9 平坦带噪声
以上的电路只是一个运放的通用模型，实际应用的场景下，运放的配置可能千差万别，可能可以是inverting 输入形式，也可能是non-inverting 输入的形式，还可能是全差分的运放形式。 且实际应用的时候，运放可能作为放大器，也可能作为adc 驱动器，我们可能不仅关心运放等效输出的噪声有多大，同时也会关注运放这一级对整条链路的噪声恶化有多少，也就是运放的噪声系数。
下面我们就对三种形式的运放： inverting 输入运放，和non-inverting 输入运放进行分别的计算。
4. 放大器噪声系数计算
4.1 inverting 输入运放噪声系数计算
假定：
计算出总的输出噪声如下：
4.2 non-inverting 输入运放噪声系数计算
同样的计算方法，假定一个non-inverting 电路如下：
figure 13 non-inverting 放大器噪声模型
根据如下信噪比计算公式：
5. 案例分析
由附件里的计算工具可以得到：
rs=50 ohm，
rg=80 ohm
rf=2.4 kohm
rm=133 ohm
rt=116 ohm
此时算上源阻抗后的信号增益是-15v/v，
由计算工具可以得到，此时的nf=4.6db
更改配置为non-inverting 输入，如下：
figure 15 non-inverting 放大器输入电路
rs=50 ohm，
rt=50 ohm
rg=25 ohm
rf=725ohm
此时算上源阻抗，signal gain 为15v/v，得到nf 为6.11db。
可以看出不同的配置下，即使增益相同，得到的噪声系数也是不同的。在这种增益下，inverting 配置得到的噪声系数要远比non-inverting 的好。
6. 总结
放大器的噪声计算需要考虑诸多因素，如放大器本身的噪声，外围匹配电阻带来的噪声，以及带后续滤波器宽带来的影响。通过上面所给的公式，就可以把放大器对整条链路的影响计算清楚。
车载语音为什么不好用？关键在这几点
经纬恒润全面布局面向自动驾驶L2-L4的冗余EPS
硬盘有哪些种类？有什么作用
科学家利用“好奇号”探测器收集的数据证明火星发生过大洪水
上海兰宝的测量光幕的工作状态及故障提示
技术专家手把手教你计算放大器噪声系数
ZiFiSense Asia携ZETA系列产品方案亮相泰国Smart City Expo 2022
银河水滴步态识别成安防刚需
三菱定位模块QD75定位控制操作步骤
迅速了解虚拟现实的发展现状、机遇及风险
MyvuTV，移动数字电视的大屏体验不再是梦
使用ESP32连接腾讯云实现远程控制
当东阿阿胶粉遇上“轻养生”，随时随地健康生活
下一代HTTP底层协议将改用QUIC技术
QUIC是如何工作的？为什么HTTP/3要选择QUIC协议？
新的一年里技术将会以怎样的姿势，在我们的世界中继续发展呢？
闲谈数码相机的防手抖技术
胶体量子点红外探测器厂商中芯热成完成Pre-A轮融资
中国电信即将在全国范围内试商用VoLTE业务
什么叫电力线载波通信 plc电力载波通信和plc控制柜的区别
在各种放大器使用的场合，我们时常需要计算到放大器，却没有一个直观的方式来看放大器这一级对链路噪声的影响。本文讨论了各种放大器架构下，放大器的噪声系数的计算方式。
2. 放大器噪声指标
电子元件应用中，常见如下5 种噪声来源：
1. 散弹噪声（shot noise，白噪声，在频谱中表现为平坦的）
2. 热噪声（thermal noise，白噪声，在频谱中表现为平坦的）
3. 闪烁噪声（flicker noise，1/f 噪声）
4. 突发噪声（burst noise，脉冲噪声）
5. 雪崩噪声（avalanche noise，反向击穿时才出现的噪声）
基本上每个放大器都有输入电压噪声和输入电流噪声两个指标。在频域，通常其单位用nv/rthz，和pa/rthz 来表征。 如下图：
figure 1 输入电压噪声和电流噪声曲线图例
按噪声种类来分， 其大致贡献在不同的频段如下：
figure 2 噪声种类分布图
如果把所有电容，电感都看做无噪声的器件，一个普通的放大器的输出噪声按主要的贡献可以按如下图所示：
figure 3 放大器噪声分量分解
根据这个估计， 可以得到如下电阻值的电压噪声：
在输出的噪声中， 上图的各个分量其贡献如下：
输出的噪声是这些分量的均方和：
figure 4 放大器电压噪声等效输出模型
同理，对上式中的第4 项，负端的电流噪声，也可以建立这样的模型：
figure 5 放大器电流噪声等效输出模型
3. 信噪比计算
以上的计算还仅限于噪声谱密度的计算，在实际应用中其实主要要关注的是信噪比，这就要引入噪声计算中很重要的一点： 带宽。所以还需要考虑到带宽积分后的总噪声。
在得到一定带宽内的电压噪声密度后，需要把电压噪声换算成功率，才能进行积分计算，而不能直接把电压噪声直接积分，如下： 假设我们已知一个放大器的电压噪声密度为5nv/rthz，如果要计算10hz 以内的积分噪声，则按如下方式计算：
figure 6 通过噪声谱密度计算综合噪声
如我们上面所述，放大器的噪声分布是分区域的，如果再算上通道的滤波效应，计算积分噪声的步骤如下：
figure 7 输入电压噪声及电流噪声谱密度频率分布图
1. 1/f 噪声区域（en1/f）
figure 8 1/f 噪声
figure 9 平坦带噪声
以上的电路只是一个运放的通用模型，实际应用的场景下，运放的配置可能千差万别，可能可以是inverting 输入形式，也可能是non-inverting 输入的形式，还可能是全差分的运放形式。 且实际应用的时候，运放可能作为放大器，也可能作为adc 驱动器，我们可能不仅关心运放等效输出的噪声有多大，同时也会关注运放这一级对整条链路的噪声恶化有多少，也就是运放的噪声系数。
下面我们就对三种形式的运放： inverting 输入运放，和non-inverting 输入运放进行分别的计算。
4. 放大器噪声系数计算
4.1 inverting 输入运放噪声系数计算
假定：
计算出总的输出噪声如下：
4.2 non-inverting 输入运放噪声系数计算
同样的计算方法，假定一个non-inverting 电路如下：
figure 13 non-inverting 放大器噪声模型
根据如下信噪比计算公式：
5. 案例分析
由附件里的计算工具可以得到：
rs=50 ohm，
rg=80 ohm
rf=2.4 kohm
rm=133 ohm
rt=116 ohm
此时算上源阻抗后的信号增益是-15v/v，
由计算工具可以得到，此时的nf=4.6db
更改配置为non-inverting 输入，如下：
figure 15 non-inverting 放大器输入电路
rs=50 ohm，
rt=50 ohm
rg=25 ohm
rf=725ohm
此时算上源阻抗，signal gain 为15v/v，得到nf 为6.11db。
可以看出不同的配置下，即使增益相同，得到的噪声系数也是不同的。在这种增益下，inverting 配置得到的噪声系数要远比non-inverting 的好。
6. 总结
放大器的噪声计算需要考虑诸多因素，如放大器本身的噪声，外围匹配电阻带来的噪声，以及带后续滤波器宽带来的影响。通过上面所给的公式，就可以把放大器对整条链路的影响计算清楚。
车载语音为什么不好用？关键在这几点
经纬恒润全面布局面向自动驾驶L2-L4的冗余EPS
硬盘有哪些种类？有什么作用
科学家利用“好奇号”探测器收集的数据证明火星发生过大洪水
上海兰宝的测量光幕的工作状态及故障提示
技术专家手把手教你计算放大器噪声系数
ZiFiSense Asia携ZETA系列产品方案亮相泰国Smart City Expo 2022
银河水滴步态识别成安防刚需
三菱定位模块QD75定位控制操作步骤
迅速了解虚拟现实的发展现状、机遇及风险
MyvuTV，移动数字电视的大屏体验不再是梦
使用ESP32连接腾讯云实现远程控制
当东阿阿胶粉遇上“轻养生”，随时随地健康生活
下一代HTTP底层协议将改用QUIC技术
QUIC是如何工作的？为什么HTTP/3要选择QUIC协议？
新的一年里技术将会以怎样的姿势，在我们的世界中继续发展呢？
闲谈数码相机的防手抖技术
胶体量子点红外探测器厂商中芯热成完成Pre-A轮融资
中国电信即将在全国范围内试商用VoLTE业务
什么叫电力线载波通信 plc电力载波通信和plc控制柜的区别