目前在討論到低雜訊放大器時通常都會想到射頻與無線應用，但事實上雜訊對於低頻的類比應用，如資料緩衝轉換、應變（strain-gauge）信號放大與麥克風輸出信號預放等都有相當重要的影響，因此在選擇適合的放大器之前，設計工程師必須要先了解並決定放大器是否擁有低雜訊特性的相關雜訊參數，同時，也必須要明白不同型式的晶片，如雙載子、JFET輸入或CMOS輸入等在這些參數上的差異。

雜訊參數

雖然有許多參數會影響放大器的雜訊效能，但最重要的兩個參數分別為電壓雜訊與電流雜訊，電壓雜訊定義為無其他雜訊情況下放大器輸入短路時出現在輸入端的電壓變動，電流雜訊則定義為無其他雜訊情況下放大器輸入開路時出現在輸入端的電流變動。

描述放大器雜訊的常見方式為雜訊密度（noise density）或定點雜訊（spot noise），電壓雜訊密度以nV/為單位，電流雜訊密度則通常以pA/為單位，幾乎在所有的低雜訊放大器資料規格書中都可以找到這些數值，同時通常會以兩個頻率來提供，分別為低於200Hz的閃動雜訊（flicker noise）部份以及位於1kHz的平坦頻帶部份，為了簡單起見，這些測量值通常都以放大器的輸入端為基準，以便免除要考慮放大器增益的困擾。

(圖一)是一個電壓雜訊密度相對於頻率的典型曲線，雜訊曲線主要受到兩個雜訊成份影響，分別為閃動雜訊與散粒雜訊（shot noise），閃動雜訊是所有線性元件都存在的隨機雜訊，同時也稱為1/f雜訊，主要因為它的振幅大小與頻率成反比，同時它也通常是頻率低於200Hz時最主要的雜訊來源。1/f角頻率定義為雜訊大小接近一致而且不受頻率變化影響的起始頻率，另一方面，散粒雜訊，也就是因前向偏壓pn接面上電流變動所造成的白色雜訊則會出現在這個頻率範圍內，需注意的是，電壓雜訊的1/f角頻率與電流雜訊的1/f角頻率不一定會相同。

《圖一　電壓雜訊密度相對於頻率的典型曲線圖，主要受到兩個雜訊成份的影響，分別為閃動雜訊與散粒雜訊。閃動雜訊或1/f雜訊與頻率成反比，是頻率低於200Hz時的主要雜訊來源。》

放大器電路的整體雜訊會依所選用的放大器、外部電路阻抗、增益、電路頻寬與環境溫度而有所不同，由外部電路電阻所造成的熱雜訊同時也是整體雜訊的一部份，(圖二)為放大器與相關雜訊成份的一個範例。

《圖二　放大器電路的源阻抗會決定主要的雜訊成份，當源阻抗升高時，電流雜訊就成為主要的雜訊來源。》

特定頻率下運算放大器整體輸入相關雜訊的標準表示式為：

《公式一》

(公式一)是特定頻率下以頻寬函數代表雜訊的表示式，要計算整體的雜訊，必須將以nV/為單位的et乘以目標頻寬的平方根，例如，如果放大器電路的頻率範圍為100Hz到1kHz，那麼以下的表示式就是這個頻率範圍內的整體雜訊：

《公式二》

以上的例子顯示了電壓與電流雜訊在整個頻寬內不變時整體雜訊的計算方式，這通常適用於放大器電路頻寬的較低頻率值高於運算放大器的電壓與電流雜訊1/f頻率的情況下，如果電壓與電流雜訊在整個頻率範圍內會有所變動，那麼整個計算式就需要更詳細。

由方程式(一)與圖二可以很容易地看出電路源阻抗對整個雜訊的影響，在源阻抗較低的系統中，電壓雜訊是主要的雜訊來源，當等效來源阻抗增加時，電阻雜訊則逐漸佔有主要的地位，使得放大器的電壓雜訊變得可以被忽略，當源阻抗持續增加，電流雜訊就會成為雜訊的主要決定因素。

雜訊效能是放大器設計的一個函數，三種常見的低雜訊放大器設計分別為雙載子、JFET輸入與CMOS輸入，雖然每種設計都能提供低雜訊的特性，但在效能表現上則不盡相同。

雙載子放大器

雙載子放大器一直是低雜訊放大器的最常見選擇，低雜訊雙載子放大器，如MAX410就提供了相當低的輸入電壓雜訊密度（1.8nV/）與相對較高的輸入電流雜訊密度（1.2pA/），這類放大器的單位增益（unit-gain）頻寬大多低於30MHz。

為了確保能夠從雙載子運算放大器取得較低的電壓雜訊，晶片設計工程師通常會在輸入端安排高集極電流，原因是電壓雜訊與輸入端集極電流的平方根成反比，但是運算放大器的電流雜訊卻又正比於輸入集極電流的平方根，因此外部的回饋與源電阻必須要盡可能降低以得到較好的雜訊效能。請注意輸入偏壓電流與輸入集極電流成正比，因此必須要將源電阻盡量降低以便將因偏壓電流所帶來的偏移電壓降到最低。

雙載子放大器的電壓雜訊在它的等效源電阻低於200Ω時通常佔有絕對的地位，較大的輸入偏壓電流以及相對較大的電流雜訊使得雙載子放大器最適合低源阻抗的應用。

JFET輸入放大器

與雙載子設計比較，最佳的JFET輸入低雜訊放大器擁有超低的輸入電流雜訊密度（0.5fA/）但卻較高的輸入電壓雜訊密度（高於10nV/），JFET設計可以使用單一電源運作，而1pA的輸入偏壓電流也使得JFET放大器適合高阻抗源應用，但在低源阻抗的應用上，由於JFET的電壓雜訊較大，因此通常不是設計工程師的第一選擇。

CMOS輸入放大器

更新型的CMOS輸入低雜訊放大器設計提供了與雙載子設計同等級的電壓雜訊效能，但同時還能符合甚至超越最佳JFET設計的電流雜訊效能。CMOS輸入放大器擁有低輸入電壓雜訊密度（4.5 nV/）與低輸入電流雜訊密度（0.5fA/），同時在單電源下運作時擁有超低的失真（0.0002％ THD+N），這些特性使得CMOS輸入放大器成為需要低失真與低雜訊，如音訊預放電路等的最佳選擇，同時，CMOS輸入設計也具有相當低的輸入偏壓電流、低偏移電壓與相當高的輸入阻抗，使得這些元件相當適合應用在高阻抗源的信號整型，如(圖三)中的光二極體預放電路，(圖四)則為16-bit DAC的輸出緩衝電路。

《圖三　採用CMOS輸入的低雜訊放大器擁有相當低的輸入偏壓電流與偏移電壓以及相當高的輸入阻抗，使得它們非常適合高阻抗信號源，如光二極體預放大器等的信號整型功能。》

《圖四　低雜訊效能與低輸入偏壓電流使得CMOS輸入放大器成為16-bit DAC輸出緩衝的理想選擇》

結論

事實上沒有一種放大器可以適合所有的應用，但經過參數比較後，使用CMOS輸入的最新放大器產品就提供了幾乎所有前端應用的最佳雜訊效能組合，特別是高源阻抗的寬頻帶電路。（作者任職於Maxim Integrated Product）