正確選擇低噪聲放大器(LNA)

目前，有關(guān)低噪聲放大器的討論常常關(guān)注于RF/無(wú)線應(yīng)用，但實(shí)際應(yīng)用中，噪聲對(duì)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(hào)放大和麥克風(fēng)前置放大器)也有很大影響，是一項(xiàng)重要的考慮因素。為了選擇一款合適的放大器，設(shè)計(jì)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(gè)參數(shù)是：電壓噪聲和電流噪聲。電壓噪聲是指在沒(méi)有它噪聲干擾的情況下，放大器輸入短路時(shí)出現(xiàn)在輸入端的電壓波動(dòng)。電流噪聲是指在沒(méi)有其它噪聲干擾的情況下，放大器輸入開(kāi)路時(shí)出現(xiàn)在輸入端的電流波動(dòng)。

描述放大器噪聲的典型指標(biāo)是噪聲密度，也稱作點(diǎn)噪聲。電壓噪聲密度單位為nV/√Hz，電流噪聲密度通常表示為pA/√Hz。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(gè)是低于200Hz的閃爍噪聲；另一個(gè)是在1kHz通帶內(nèi)的噪聲。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這些測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。噪聲曲線與兩個(gè)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(jī)噪聲，也稱作1/f 噪聲，因?yàn)樵肼曊穹c頻率成反比。閃爍噪聲通常是頻率低于200Hz時(shí)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(guò)正向偏置pn結(jié)的電流波動(dòng)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(huì)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(shí)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(shí)例。

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

計(jì)算總噪聲

特定頻率下運(yùn)算放大器總輸入噪聲的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式為：

其中：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(kāi)爾文(°K)為單位的絕對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系。為計(jì)算總噪聲，用et (以nV/√Hz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(gè)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(gè)帶寬范圍內(nèi)固定時(shí)，總噪聲的計(jì)算公式(適用于放大器電路帶寬的較低頻率值大于運(yùn)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(gè)帶寬范圍內(nèi)是變化的，那么總噪聲的計(jì)算公式要更復(fù)雜。

根據(jù)公式1和圖2可很容易地看出電路源阻抗對(duì)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(lái)源；源阻抗增大時(shí)，電阻噪聲占主導(dǎo)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(shí)，電流噪聲成為噪聲的主要因素。

放大器設(shè)計(jì)對(duì)噪聲性能的影響

噪聲性能是放大器設(shè)計(jì)的一個(gè)考慮因素，三種常見(jiàn)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(jì)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(jiàn)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/√Hz)和相對(duì)較高的輸入電流噪聲密度(1.2pA/√Hz)。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(yùn)算放大器獲得低電壓噪聲，IC設(shè)計(jì)人員會(huì)在輸入級(jí)設(shè)置較高的集電極電流。這是因?yàn)殡妷涸肼暸c輸入級(jí)集電極電流的平方根成反比；然而，運(yùn)算放大器電流噪聲與輸入級(jí)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(shí)占主導(dǎo)地位。較大的輸入偏置電流以及相對(duì)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(jì)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/√Hz)，但輸入電壓噪聲密度相對(duì)較大(大于10nV/√Hz)，JFET設(shè)計(jì)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(hào)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(jì)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(jì)相當(dāng)?shù)碾妷涸肼曋笜?biāo)。CMOS輸入放大器的電流噪聲與最好的JFET輸入設(shè)計(jì)相當(dāng)，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(shí)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(hào)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(hào)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(méi)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(jiàn)放大器設(shè)計(jì)的典型噪聲參數(shù)。

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?yàn)檩^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(biāo)，特別是高源阻抗、寬帶設(shè)計(jì)。