正确选择低噪声放大器

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。

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:
R_n = 反相输入等效串联电阻
R_p = 同相输入等效串联电阻
e_n = 特定频率下输入电压噪声密度
i_n = 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^-23 J/°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、JFET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。

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。

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 PERFORMANCE
Bipolar¹	1.8nV/	1.2pA/	80nA	Good
JFET	>10nV/	0.5fA/	>1pA	Better
CMOS²	4.5nV/	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

类似文章发表于Electronic Products 2004年8月刊。