正確选择低噪声放大器

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    目前，有关低噪声放大器的讨论常常关注于RF/无线应用，但实际应用中，噪声描述放大器噪声的典型指标是噪声密度，也称作点噪声。电压噪声密度单位为nV图1所示为电压噪声密度与频率的对应关系曲线。噪声曲线与两个主要的噪声成分图1.电压噪声密度与频率的关系曲线，主要受两种噪声源的影响：闪烁噪声和散放大器电路的总噪声取决于放大器本身、外部电路阻抗、增益、电路带宽和环境温公式1是指定频率下噪声与带宽对应关系。为计算总噪声，用et(以nV/为单上述例子给出了电压噪声和电流噪声在整个带宽范围内固定时，总噪声的计算公式根据公式1和图2可很容易地看出电路源阻抗对噪声的影响。源阻抗较低的系统，为确保从双极型运算放大器获得低电压噪声，IC设计人员会在输入级设置较高的双极型放大器的电压噪声通常在其等效源阻抗小于200Ω时占主导地位。较大的图3.采用CMOS输入的低噪声放大器具有非常低的偏置电流和失调电压，以及



目前，有關低噪聲放大器的讨论常常關注于RF/无线应用，但实际應用中，噪声对于低频模擬产品(如数据转换器緩冲、应变儀信号放大和麥克风前置放大器)也有很大影响，是一项重要的考虑因素。为了选择一款合适的放大器，设计工程师必须首先了解放大器是否拥有低噪声特性和相关的噪声參数。另外，还要了解不同类型放大器(双极型、JFET输入或CMOS输入)的噪声參數差异。 噪聲参数 尽管影响放大器噪聲性能的参数有很多，但最重要的两个参数是：電压噪聲和电流噪声。電壓噪声是指在没有它噪声干扰的情況下，放大器輸入短路时出現在输入端的電壓波动。电流噪声是指在沒有其它噪声干扰的情况下，放大器輸入开路时出现在输入端的电流波动。

描述放大器噪声的典型指标是噪声密度，也称作點噪聲。电压噪声密度单位為nV/，电流噪声密度通常表示为pA/。在低噪声放大器数据资料中可以找到這些參数，而且，一般给出两种频率下的数值：一个是低于200Hz的闪烁噪声；另一个是在1kHz通带内的噪声。简單起见，這些测量值以放大器输入端为参考，不需要考慮放大器增益。

图1所示為電压噪声密度與频率的对应关系曲线。噪声曲线与两个主要的噪声成分有關：闪烁噪声和散粒噪聲。闪烁噪声是所有线性器件固有的随机噪声，也稱作1/f 噪声，因为噪聲振幅与頻率成反比。闪烁噪聲通常是频率低于200Hz時的主要噪声源，如图1所示。1/f角频率是指噪聲大小基本相同、不受频率变化影响的起始频率。散粒噪声是流過正向偏置pn结的电流波动所造成的白噪聲，也出现在该频段。值得注意的是：电压噪声的1/f角频率与电流噪声的1/f角频率可能会不同。

   



图1. 电压噪声密度与频率的关系曲线，主要受两种噪聲源的影響：闪爍噪声和散粒噪声。闪爍噪声或1/f噪声與频率成反比，是频率低于200Hz時的主要噪声源。

放大器电路的总噪声取决于放大器本身、外部电路阻抗、增益、電路带宽和環境温度等参數。電路的外部电阻所产生的热噪声也是總噪声的一部分。圖2所示为放大器和相关噪聲成分的实例。

   



图2. 放大电路的源阻抗決定占主導地位的噪聲類型，源阻抗升高时，电流噪声为主要来源。 计算总噪声 特定頻率下運算放大器总輸入噪声的标准表達式为：

   



where:

Rn = 反相输入等效串联电阻

Rp = 同相輸入等效串联電阻

en = 特定頻率下输入电压噪聲密度

in = 特定頻率下输入电流噪声密度

T = 以开尔文(°K)为單位的绝对温度

k = 1.38 x 10-23 J/°K (波尔兹曼常数)。

公式1是指定频率下噪声与带宽对應關系。为计算总噪声，用et (以nV/为单位)乘以带宽的平方根即可。例如，如果放大器的带宽范围为100Hz至1kHz，那么，下式就是整个带宽范圍内的总噪声：

   



上述例子给出了电压噪声和电流噪声在整个帶寬范围內固定时，总噪声的计算公式(适用于放大器电路带宽的较低频率值大于运算放大器的电压噪聲和电路噪声1/f頻率的情况)。如果电压噪声和電流噪声在整个带宽范圍内是变化的，那么總噪声的计算公式要更復雜。

根据公式1和圖2可很容易地看出電路源阻抗对噪聲的影响。源阻抗较低的系统，电壓噪声是主要的噪声來源；源阻抗增大时，电阻噪声占主导地位，甚至可以忽略放大器的电压噪声。源阻抗继续增大时，電流噪聲成为噪聲的主要因素。 放大器设计对噪声性能的影響 噪声性能是放大器设计的一个考虑因素，三種常见的低噪声放大器分別為：雙極型、JFET輸入和CMOS输入。尽管每种设计都能提供低噪声特性，但其性能不同。 双极型放大器 双极型放大器是低噪聲放大器中最常见的選择。低噪聲、双极型放大器，如MAX410，可提供极低的输入电压噪声密度(1.8nV/)和相对较高的输入电流噪声密度(1.2pA/)。该類放大器的单位增益帶宽的典型值小于30MHz。

为确保从双极型运算放大器获得低电压噪声，IC设计人员會在輸入级设置较高的集电極电流。這是因為电压噪声与输入級集电极电流的平方根成反比；然而，运算放大器電流噪声与输入级集电极电流的平方根成正比。因此，外部反馈和源阻抗必须尽可能低，以獲得較好的噪聲性能。输入偏置电流與输入集电極电流成正比，因此必须使源阻抗尽可能低，以便降低偏置电流产生的失調电压。

双极型放大器的電压噪声通常在其等效源阻抗小于200Ω时占主导地位。较大的輸入偏置電流以及相对较大的电流噪聲使雙极型放大器非常适合源阻抗较低的应用。 JFET输入放大器 与双極型设计相比，JFET输入低噪声放大器具有超低输入電流噪声密度(0.5fA/)，但輸入电压噪声密度相对较大(大于10nV/)，JFET設计允许单電源工作。1pA的输入偏置電流使JFET放大器非常適合高阻抗信号源应用。但是，由于JFET放大器的電压噪聲较大，在源阻抗较低的应用中，它通常不是设计工程师的首选。 CMOS输入放大器 新型CMOS输入低噪聲放大器能够提供與双极型設计相当的電压噪聲指標。CMOS输入放大器的電流噪聲與最好的JFET输入设计相当，甚至優于JFET输入放大器。例如，MAX4475具有低输入电压噪声密度(4.5nV/)和低输入电流噪声密度(0.5fA/)，单电源供电時可提供超低失真(0.0002% THD+N)。这些特性使得CMOS輸入放大器成为低失真、低噪聲应用(如音頻前置放大器)的最佳選择。另外，CMOS輸入放大器允许非常低的输入偏置電流、低失調电壓和非常高的输入阻抗，能够满足源阻抗较高的信号调理，如：图3所示的光电二极管前置放大电路。图4所示为用于16位DAC输出的緩沖器。

   



图3. 采用CMOS输入的低噪声放大器具有非常低的偏置电流和失调電压，以及非常高的輸入阻抗。这些器件非常適合源阻抗較高(如光电二极管前置放大器)的信号调理。

   



图4. 低噪聲性能和低输入偏置电流使得CMOS输入放大器成为16位DAC输出緩冲器的理想选择。

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