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[原创] 降低放大器噪声峰化以提高SNR

关键词:降低放大器噪声 缓冲器

时间:2013-06-13 16:29:03       来源:网络

Reduce Amplifier Noise Peaking to Improve SNR

■ ADI公司 Mark Reisiger

许多放大器在接近单位增益交越频率时,其电压噪声谱密度(NSD)会提高。这种噪声峰化现象可能导致电路噪声比预期高出39%。在单位增益电路(有时也称为缓冲器或电压跟随器应用)中,噪声峰化尤其麻烦。

当散粒噪声大于放大器的本底噪声时,就会发生峰化现象。这种行为可能扩展到交越频率之外的数个倍频程,影响到的频率远超过大多数制造商的数据手册显示的频率。大部分教科书未探讨此问题。我们一般也不会注意这个问题,除非碰到噪声似乎过大的低噪声、低增益电路。

图1所示的放大器设置为单位增益缓冲器,-3dB带宽为16MHz,100kHz时的本底噪声为16nV/√Hz。请注意,噪声密度在大约2MHz时开始提高。更糟糕的是,-3dB噪声带宽约为30MHz。理论计算规定,总噪声等于本底噪声乘以噪声带宽(对于单极点滚降,它是-3dB带宽的π/2倍)的平方根。结果显示,总噪声为80µVrms。但如果实际将NSD对整个带宽积分,则得到111µVrms,比理论值高出39%。

图1 单位增益配置的放大器频率响应的滚降符合预期
(红色)。电压噪声谱密度曲线显示噪声峰化(黑色)

不幸的是,这一误差量还算是好的,许多放大器比这糟糕得多。笔者看到过峰值比本底噪声高10倍的案例。多数放大器的峰值比本底噪声高出50%到200%。

噪声峰化分为两类。第一类称为固有噪声峰化,由特定运算放大器的设计决定。一旦电路选定某一运算放大器,固有噪声峰化就是固定值。第二类称为稳定性噪声峰化,受放大器在电路中的使用方式影响。

稳定性噪声峰化现象存在于所有反馈结构中,包括基准电压源和稳压器的输出缓冲器。普通的放大器可能具有很高的本底噪声,以至于掩盖了任何固有噪声峰化。高性能、低噪声放大器具有足够低的频带噪声,您可以观察到噪声峰化的影响。

在大多数放大器的设计中,噪声性能主要由输入级决定。放大器中的所有晶体管都会贡献噪声,但通过应用负反馈可降低其噪声。噪声源之前的任何增益都会降低该噪声源贡献给放大器的噪声。在大多数频率下,除输入级之外的所有其它晶体管前方都有大量增益。很多的精力和相当一部分电流都被用来使输入级实现放大器要求的噪声性能。在较低频率时,这种方法很有效。但在较高频率(大约为放大器的单位增益交越频率)时,则没有增益用来抑制放大器内部晶体管产生的噪声。任何达到输出端且幅度大于放大器噪底的噪声,都将是总噪声的主要部分。具体以哪些晶体管为主取决于每个放大器的设计。

稳定性噪声峰化受反馈环路稳定性的控制。前面说过,大多数晶体管产生的噪声会受到放大器负反馈的抑制。随着相位裕量降低,此反馈将不再为负。接近单位增益交越频率的信号更多地是以与输入信号同相的方式反馈,这导致闭环响应在交越频率附近峰化。这种引起信号发生频率峰化的机制也会导致噪声发生频率峰化。

应避免使反馈环路变得不稳定,否则会对噪声性能产生有害影响。有些工程师会在运算放大器输出端放置一个电容用以“滤除”噪声,虽然出于好意,但这实际上会使噪声变得更严重,因为容性负载会增加反馈环路的相移(图2)。

图2 增加负载电容会降低相位裕量并提高噪声峰化

当增加放大器输出端的负载电容时,噪声峰化变得更大。此图的对数刻度掩盖了实际情况的真实严重性。输出端的总噪声等于噪声频谱密度对整个带宽的积分。从2MHz到16MHz的带宽远大于从DC到2MHz的带宽,这意味着噪声完全由噪声峰值决定,与热噪底无关。为比较这些结果,假设系统其余部分已将-3dB带宽限制在16MHz(25MHz噪声带宽)。对于8pF、220pF和470pF的CL,总积分噪声分别等于95µVrms、110µVrms和115µVrms。

对缓冲器的输出端进行滤波的正确方式是在输出端放置一个RC滤波器(图3)。电阻使得高频时的放大器负载呈现阻性,避免增加反馈环路的相移。对于具有阻性负载的缓冲器,这种技术会降低其精度。


图3 使用串联电阻电容网络以适当地滤除噪声

本例假设应用需要缓冲器的全部16MHz带宽。滤波器的极点频率设为大约28MHz。该滤波器使带外噪声大幅降低(图4)。无滤波器的总积分噪声为111µVrms,而有滤波器的总噪声为84µVrms。这说明噪声降低25%,而信号带宽不受影响。


图4 利用RC滤波改善整个频率范围内的噪声频谱密度

当RC滤波器限制放大器的信号带宽时,可以获得更好的性能。这种情况下,滤波器设置信号的-3dB带宽和放大器的噪声带宽。在本底噪声开始峰化之前设置此滤波器频率时,噪声结果最低;对于AD823,该频率约为2MHz。在这些条件下,可以接近本底噪声乘以1.57*f-3dB的理论限值。用户须确定,为了改善电路的噪声性能,牺牲放大器的相当一部分带宽是否合适。

讨论至此,读者可能会奇怪,为什么放大器数据手册要标榜与放大器总噪声毫无关系的1/f噪声和热噪声性能?答案是有关系,但仅在较高增益配置下。在增益配置下使用运算放大器时,结果会很好。环路稳定性提高,使得相移引起的噪声峰化被降低至微不足道的水平。固有噪声峰值仍然存在,但与热噪底相比已变得无足轻重(图5)。这是因为固有噪声源直接馈入放大器的输出端,而不会经过任何放大。因此,无论放大器如何设置,固有噪声均保持相对稳定。

图5 AD823输出NSD与频率的关系

本底热噪声则变得非常重要,因为它会被放大器放大。固有噪声峰化在较高增益曲线的滚降区显示为凸点。

噪声峰化有很多实际的影响需要考虑。首先,在低增益配置中,总噪声以噪声峰化为主。如果这对应用很重要,应预先规划并测试多种放大器。相同噪底的两款不同放大器,可能具有截然不同的总积分噪声量。其次,应利用无源RC滤波器对输出进行正确滤波。这些滤波器可能对系统总噪声产生严重影响。切勿在放大器输出端(或输入端)直接添加电容,这只会降低反馈环路的稳定性。最后,设计信号路径时,应将尽可能多的增益放在系统的前面部分。如果可能,这是最佳解决方案,因为系统的总噪声性能主要由高增益前端放大器决定。

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