1、 http:/ 正确选择低噪声放大器 摘要：该应用笔记检验了影响放大器噪声的关键参数，说 明不同放大器设计(双极型、JFET输入或 CMOS 输入设计)对 噪声的影响。本文还阐述了如何选择一款适合低频模拟应用(如数据转换器缓冲、 应变仪信号放大和麦克风前置放大器)的低噪 声放大器。 基于 CMOS 输入 放大器 MAX4475，举例说明多数低频模拟应用中这种新型 CMOS 放大器的设计优势。 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， 噪声对于低频 模拟产品(如数 据转换器缓冲、 应变仪信号放大和麦克风前置放大器)也有很 大影响， 是一项重要的考虑因素。 为了选
2、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参数。另外，还要了解不同类型放大器(双极型、JFET 输入或 CMOS 输入)的噪声参数差异。 噪声参数 尽管影响放大器噪声性能的参数有很多， 但最重要的两个参数是： 电压噪声和电流噪声。 电压噪声是指在没有它噪声干扰的情况下， 放大器输入短路时出现在输入端的电压波动。 电流噪声是指在没有其它噪声干扰的情况下，放大器输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，也称作点噪声。电压噪声密度单位为 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这些参数，而且，一般
3、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。简单起见，这些测量值以放大器输入端为参考，不需要考虑放大器增益。 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份有关： 闪烁噪声和散粒噪声。闪烁噪声是所有线性器件固有的随机噪声，也称作 1/f 噪声，因为噪声振幅与频率成反比。闪烁噪声通常是频率低于 200Hz 时的主要噪声源，如图 1 所示。1/f角频率是指噪声大小基本相同、不受频率变化影响的起始频率。散粒噪声是流过正向偏置pn 结的电流波动所造成的白噪声，也出现在该频段。值得注意的是：电压噪声的 1/f 角频
4、率与电流噪声的 1/f 角频率可能会不同。 http:/ 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：闪烁噪声和散粒噪声。闪烁噪声或 1/f 噪声与频率成反比，是频率低于 200Hz 时的主要噪声源。 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、 电路带宽和环境温度等参数。电路的外部电阻所产生的热噪声也是总噪声的一部分。 图2 所示为放大器和相关噪声成份的实例。 图 2. 放大电 路的源阻抗决定占主导地位的噪声类型， 源阻抗升高时， 电流噪声为主要来源。 http:/ 计算总噪声 特定频率下运算放大器总输入噪声的标准表达式为： where: Rn = 反相
5、输入等效串联电阻 Rp = 同相输入等效串联电阻 en = 特定频率下输入电压噪声密度 in = 特定频率下输入电流噪声密度 T = 以开尔文(K)为单位的绝对温度 k = 1.38 x 10-23J/K (波尔兹曼常数)。 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围内的总噪声： 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(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声和电路噪声 1/f 频率的情况)。如果
6、电压噪声和电流噪声在整个带宽范围内是变化的，那么总噪声的计算公式要更复杂。 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， 电压噪声是主要的噪声来源； 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，电流噪声成为噪声的主要因素。 放大器设计对噪声性能的影响 噪声性 能是 放大器 设计 的一个 考虑 因素， 三种 常见的 低噪 声放大 器分 别为： 双极 型、J FET输入和 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 器是低噪声 放大器中最 常见的选择 。低噪声、 双极型放
7、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/ )。该类放大器的单位增益带宽的典型值小于 30MHz。 http:/ 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集电极电流。 这是因为电压噪声与输入级集电极电流的平方根成反比； 然而， 运算放大器电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， 以获得较好的噪声性能。 输入偏置电流与输入集电极电流成正比， 因此必须使源阻抗尽可能低， 以便降低偏置电流产生的失调电压。 双极型放大器的电压噪声通常在其等效
8、源阻抗小于 200 时占主导地位。 较大的输入偏置电流以及相对较大的电流噪声使双极型放大器非常适合源阻抗较低的应用。 JFET 输入放大器 与双极型设计相比， JFET 输入低噪声 放大器具有超低输入电流噪声密度(0.5fA/ )， 但输入电压噪声密度相对较大(大于 10nV/ )，JFET 设 计允许单电源工作。1pA 的输入偏置电流使 JFET 放 大器非常适合高阻抗信号源应用。 但是， 由于 JFET 放大器的 电压噪声较大， 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 入低噪声放大器能够提供与双极型设计相当的电压噪声指标。 CMOS输入 放
9、大器的电流噪声与最好的JFET输入设计相当，甚至优于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 电源供电时 可提供超低失真(0.0002% THD+N)。 这些特性使得CMOS输入 放大器成为低失真、 低噪声应用(如 音频前置放大器)的最佳选择。另外，CMOS 输入放大器允许非常低的输入偏置电流、低失调电压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输出的缓冲器。 图 3. 采用 CMOS 输入的低噪声放大器具有非
10、常低的偏置电流和失调电压，以及非常高的输入阻抗。这些器件非常适合源阻抗较高(如光电二极管前置放大器)的信号调理。 http:/ 图 4. 低噪声 性能和低输入偏置电流使得 CMOS输 入放大器成为 16位 DAC输出缓冲器的理想选择。 结论 没有一种放大器能够适合所有应用。 表1 总结了三种常见放大器设计的典型噪声参数。 表 1. 放大器设计中的典型噪声规格 INPUT STAGE VOLTAGE NOISE CURRENT NOISE INPUT BIAS CURRENT OVERALL PERFORMANCEBipolar11.8nV/ 1.2pA/ 80nA Good JFET 10nV/ 0.5fA/ 1pA Better CMOS24.5nV/ 0.5fA/ 1pA Best 1. 数据来自 MAX410。 2. 数据来自 MAX4475。 比较所有的噪声源，可以看出：新型 CMOS 输入放大器(例如 MAX4475)能够为较低频率的模拟应用和绝大多数前端应用提供最佳的噪声指标，特别是高源阻抗、宽带设计。 本文由美信供稿。
