正確選擇低噪聲放大器

目前，有關(guān)低噪聲放大器的討論常常關(guān)注于RF/無線應(yīng)用，但實際應(yīng)用中，噪聲對于低頻模擬產(chǎn)品(如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器緩沖、應(yīng)變儀信號放大和麥克風前置放大器)也有很大影響，是一項重要的考慮因素。為了選擇一款合適的放大器，設(shè)計工程師必須首先了解放大器是否擁有低噪聲特性和相關(guān)的噪聲參數(shù)。另外，還要了解不同類型放大器(雙極型、JFET輸入或CMOS輸入)的噪聲參數(shù)差異。

噪聲參數(shù)

盡管影響放大器噪聲性能的參數(shù)有很多，但最重要的兩個參數(shù)是：電壓噪聲和電流噪聲。電壓噪聲是指在沒有它噪聲干擾的情況下，放大器輸入短路時出現(xiàn)在輸入端的電壓波動。電流噪聲是指在沒有其它噪聲干擾的情況下，放大器輸入開路時出現(xiàn)在輸入端的電流波動。

描述放大器噪聲的典型指標是噪聲密度，也稱作點噪聲。電壓噪聲密度單位為nV/，電流噪聲密度通常表示為pA/。在低噪聲放大器數(shù)據(jù)資料中可以找到這些參數(shù)，而且，一般給出兩種頻率下的數(shù)值：一個是低于200Hz的閃爍噪聲；另一個是在1kHz通帶內(nèi)的噪聲。簡單起見，這些測量值以放大器輸入端為參考，不需要考慮放大器增益。

圖1所示為電壓噪聲密度與頻率的對應(yīng)關(guān)系曲線。噪聲曲線與兩個主要的噪聲成份有關(guān)：閃爍噪聲和散粒噪聲。閃爍噪聲是所有線性器件固有的隨機噪聲，也稱作1/f 噪聲，因為噪聲振幅與頻率成反比。閃爍噪聲通常是頻率低于200Hz時的主要噪聲源，如圖1所示。1/f角頻率是指噪聲大小基本相同、不受頻率變化影響的起始頻率。散粒噪聲是流過正向偏置pn結(jié)的電流波動所造成的白噪聲，也出現(xiàn)在該頻段。值得注意的是：電壓噪聲的1/f角頻率與電流噪聲的1/f角頻率可能會不同。

圖1. 電壓噪聲密度與頻率的關(guān)系曲線，主要受兩種噪聲源的影響：閃爍噪聲和散粒噪聲。閃爍噪聲或1/f噪聲與頻率成反比，是頻率低于200Hz時的主要噪聲源。

放大器電路的總噪聲取決于放大器本身、外部電路阻抗、增益、電路帶寬和環(huán)境溫度等參數(shù)。電路的外部電阻所產(chǎn)生的熱噪聲也是總噪聲的一部分。圖2所示為放大器和相關(guān)噪聲成份的實例。

圖2. 放大電路的源阻抗決定占主導地位的噪聲類型，源阻抗升高時，電流噪聲為主要來源。

計算總噪聲

特定頻率下運算放大器總輸入噪聲的標準表達式為：

where:
R_n = 反相輸入等效串聯(lián)電阻
R_p = 同相輸入等效串聯(lián)電阻
e_n = 特定頻率下輸入電壓噪聲密度
i_n = 特定頻率下輸入電流噪聲密度
T = 以開爾文(°K)為單位的絕對溫度
k = 1.38 x 10^-23 J/°K (波爾茲曼常數(shù))。

公式1是指定頻率下噪聲與帶寬對應(yīng)關(guān)系。為計算總噪聲，用et (以nV/為單位)乘以帶寬的平方根即可。例如，如果放大器的帶寬范圍為100Hz至1kHz，那么，下式就是整個帶寬范圍內(nèi)的總噪聲：

上述例子給出了電壓噪聲和電流噪聲在整個帶寬范圍內(nèi)固定時，總噪聲的計算公式(適用于放大器電路帶寬的較低頻率值大于運算放大器的電壓噪聲和電路噪聲1/f頻率的情況)。如果電壓噪聲和電流噪聲在整個帶寬范圍內(nèi)是變化的，那么總噪聲的計算公式要更復雜。

根據(jù)公式1和圖2可很容易地看出電路源阻抗對噪聲的影響。源阻抗較低的系統(tǒng)，電壓噪聲是主要的噪聲來源；源阻抗增大時，電阻噪聲占主導地位，甚至可以忽略放大器的電壓噪聲。源阻抗繼續(xù)增大時，電流噪聲成為噪聲的主要因素。

放大器設(shè)計對噪聲性能的影響

噪聲性能是放大器設(shè)計的一個考慮因素，三種常見的低噪聲放大器分別為：雙極型、JFET輸入和CMOS輸入。盡管每種設(shè)計都能提供低噪聲特性，但其性能不同。

雙極型放大器

雙極型放大器是低噪聲放大器中最常見的選擇。低噪聲、雙極型放大器，如MAX410，可提供極低的輸入電壓噪聲密度(1.8nV/)和相對較高的輸入電流噪聲密度(1.2pA/)。該類放大器的單位增益帶寬的典型值小于30MHz。為確保從雙極型運算放大器獲得低電壓噪聲，IC設(shè)計人員會在輸入級設(shè)置較高的集電極電流。這是因為電壓噪聲與輸入級集電極電流的平方根成反比；然而，運算放大器電流噪聲與輸入級集電極電流的平方根成正比。因此，外部反饋和源阻抗必須盡可能低，以獲得較好的噪聲性能。輸入偏置電流與輸入集電極電流成正比，因此必須使源阻抗盡可能低，以便降低偏置電流產(chǎn)生的失調(diào)電壓。

雙極型放大器的電壓噪聲通常在其等效源阻抗小于200Ω時占主導地位。較大的輸入偏置電流以及相對較大的電流噪聲使雙極型放大器非常適合源阻抗較低的應(yīng)用。

JFET輸入放大器

與雙極型設(shè)計相比，JFET輸入低噪聲放大器具有超低輸入電流噪聲密度(0.5fA/)，但輸入電壓噪聲密度相對較大(大于10nV/)，JFET設(shè)計允許單電源工作。1pA的輸入偏置電流使JFET放大器非常適合高阻抗信號源應(yīng)用。但是，由于JFET放大器的電壓噪聲較大，在源阻抗較低的應(yīng)用中，它通常不是設(shè)計工程師的首選。

CMOS輸入放大器

新型CMOS輸入低噪聲放大器能夠提供與雙極型設(shè)計相當?shù)碾妷涸肼曋笜恕MOS輸入放大器的電流噪聲與最好的JFET輸入設(shè)計相當，甚至優(yōu)于JFET輸入放大器。例如，MAX4475具有低輸入電壓噪聲密度(4.5nV/)和低輸入電流噪聲密度(0.5fA/)，單電源供電時可提供超低失真(0.0002% THD+N)。這些特性使得CMOS輸入放大器成為低失真、低噪聲應(yīng)用(如音頻前置放大器)的最佳選擇。另外，CMOS輸入放大器允許非常低的輸入偏置電流、低失調(diào)電壓和非常高的輸入阻抗，能夠滿足源阻抗較高的信號調(diào)理，如：圖3所示的光電二極管前置放大電路。圖4所示為用于16位DAC輸出的緩沖器。

圖3. 采用CMOS輸入的低噪聲放大器具有非常低的偏置電流和失調(diào)電壓，以及非常高的輸入阻抗。這些器件非常適合源阻抗較高(如光電二極管前置放大器)的信號調(diào)理。

圖4. 低噪聲性能和低輸入偏置電流使得CMOS輸入放大器成為16位DAC輸出緩沖器的理想選擇。

結(jié)論

沒有一種放大器能夠適合所有應(yīng)用。表1總結(jié)了三種常見放大器設(shè)計的典型噪聲參數(shù)。

表1. 放大器設(shè)計中的典型噪聲規(guī)格INPUT STAGEVOLTAGE NOISECURRENT NOISEINPUT BIAS CURRENTOVERALL PERFORMANCEBipolar¹1.8nV/1.2pA/80nAGoodJFET>10nV/0.5fA/>1pABetterCMOS²4.5nV/0.5fA/1pABest
1. 數(shù)據(jù)來自MAX410。
2. 數(shù)據(jù)來自MAX4475。

比較所有的噪聲源，可以看出：新型CMOS輸入放大器(例如MAX4475)能夠為較低頻率的模擬應(yīng)用和絕大多數(shù)前端應(yīng)用提供最佳的噪聲指標，特別是高源阻抗、寬帶設(shè)計

類似文章發(fā)表于Electronic Products 2004年8月刊。