電源放大器總諧波失真+噪聲(THD+N)的特性分析

自上市以來(lái)，CMOS單電源放大器就讓全球的單電源系統設計人員受益非淺。影響雙電源放大器總諧波失真加噪聲(THD+N)特性的主要因素是輸入噪聲和輸出級交叉失真。單電源放大器的THD+N性能源于放大器的輸入和輸出級。然而，輸入級對THD+N的影響又讓單電源放大器的這種規范本身復雜化。

　　有兩種單電源放大器拓撲可以接受電源之間的輸入信號。圖1a所示拓撲具有一個(gè)互補差動(dòng)輸入級。在該拓撲中，放大器的輸入位于負軌附近時(shí)，PMOS晶體管為“開(kāi)”，而NMOS晶體管為“關(guān)”。當放大器的輸入更接近于正電壓軌時(shí)，NMOS晶體管為“開(kāi)”，而PMOS晶體管為“關(guān)”。

　　圖1： 互補輸入級、單電源放大器：a);帶一個(gè)正充電泵的單差動(dòng)對輸入級：b)。

　　這種設計拓撲在共模輸入范圍會(huì )存在極大的放大器失調電壓差異。在接地電壓附近的輸入范圍，PMOS晶體管的失調誤差為主要誤差。在正電源附近的區域，NMOS晶體管對主導失調誤差。由于放大器的輸入通過(guò)這兩個(gè)區域之間，因此兩個(gè)對均為“開(kāi)”。最終結果是，輸入失調電壓將在兩個(gè)級之間變化。當PMOS和NMOS均為“開(kāi)”時(shí)，共模電壓區域約為400mV。這種交叉失真現象會(huì )影響放大器的總諧波失真(THD)。如果您以一種非反相結構來(lái)配置互補輸入放大器，則輸入交叉失真就會(huì )影響放大器的THD+N性能。例如，在圖2中，如果不出現輸入過(guò)渡區域，則THD+N等于0.0006%。如果THD+N測試包括了放大器的輸入交叉失真，則THD+N等于0.004%。您可以利用一種反相結構來(lái)避免出現這類(lèi)放大器交叉失真。

　　圖2：一個(gè)互補輸入級單電源放大器的THD+N性能。

　　另一個(gè)主要的THD+N影響因素是運算放大器的輸出級。通常，單電源放大器的輸出級有一個(gè)AB拓撲(請參見(jiàn)圖1a)。輸出信號做軌至軌掃描時(shí)，輸出級顯示出了一種與輸入級交叉失真類(lèi)似的交叉失真，因為輸出級在晶體管之間切換。一般而言，更高電平的輸出級靜態(tài)電流可以降低放大器的THD。

　　放大器的輸入噪聲是影響THD+N規范的另一個(gè)因素。高級別的輸入噪聲和/或高閉環(huán)增益都會(huì )增加放大器的總THD+N水平。

　　要想優(yōu)化互補輸入單電源放大器的THD+N性能，可將放大器置于一個(gè)反相增益結構中，并保持低閉環(huán)增益。如果系統要求放大器配置為非反相緩沖器，則選擇一個(gè)具有單差動(dòng)輸入級和充電泵的放大器更為合適。