基于降低放大器噪聲峰化來(lái)提高SNR

許多放大器在接近單位增益交越頻率時(shí)，其電壓噪聲譜密度(NSD)會(huì )提高。這種噪聲峰化現象可能導致電路噪聲比預期高出39%。在單位增益電路（有時(shí)也稱(chēng)為緩沖器或電壓跟隨器應用）中，噪聲峰化尤其麻煩。

當散粒噪聲大于放大器的本底噪聲時(shí)，就會(huì )發(fā)生峰化現象。這種行為可能擴展到交越頻率之外的數個(gè)倍頻程，影響到的頻率遠超過(guò)大多數制造商的數據手冊顯示的頻率。大部分教科書(shū)未探討此問(wèn)題。我們一般也不會(huì )注意這個(gè)問(wèn)題，除非碰到噪聲似乎過(guò)大的低噪聲、低增益電路。

圖1所示的放大器設置為單位增益緩沖器，-3dB帶寬為16MHz，100kHz時(shí)的本底噪聲為16nV/√Hz。請注意，噪聲密度在大約2MHz時(shí)開(kāi)始提 高。更糟糕的是，-3dB噪聲帶寬約為30MHz。理論計算規定，總噪聲等于本底噪聲乘以噪聲帶寬（對于單極點(diǎn)滾降，它是-3dB帶寬的π/2倍）的平方 根。結果顯示，總噪聲為80µVrms。但如果實(shí)際將NSD對整個(gè)帶寬積分，則得到111µVrms，比理論值高出39%。

圖1 單位增益配置的放大器頻率響應的滾降符合預期
(紅色)。電壓噪聲譜密度曲線(xiàn)顯示噪聲峰化(黑色)

不幸的是，這一誤差量還算是好的，許多放大器比這糟糕得多。筆者看到過(guò)峰值比本底噪聲高10倍的案例。多數放大器的峰值比本底噪聲高出50%到200%。

噪聲峰化分為兩類(lèi)。第一類(lèi)稱(chēng)為固有噪聲峰化，由特定運算放大器的設計決定。一旦電路選定某一運算放大器，固有噪聲峰化就是固定值。第二類(lèi)稱(chēng)為穩定性噪聲峰化，受放大器在電路中的使用方式影響。

穩定性噪聲峰化現象存在于所有反饋結構中，包括基準電壓源和穩壓器的輸出緩沖器。普通的放大器可能具有很高的本底噪聲，以至于掩蓋了任何固有噪聲峰化。高性能、低噪聲放大器具有足夠低的頻帶噪聲，您可以觀(guān)察到噪聲峰化的影響。

在大多數放大器的設計中，噪聲性能主要由輸入級決定。放大器中的所有晶體管都會(huì )貢獻噪聲，但通過(guò)應用負反饋可降低其噪聲。噪聲源之前的任何增益都會(huì )降低該噪 聲源貢獻給放大器的噪聲。在大多數頻率下，除輸入級之外的所有其它晶體管前方都有大量增益。很多的精力和相當一部分電流都被用來(lái)使輸入級實(shí)現放大器要求的 噪聲性能。在較低頻率時(shí)，這種方法很有效。但在較高頻率（大約為放大器的單位增益交越頻率）時(shí)，則沒(méi)有增益用來(lái)抑制放大器內部晶體管產(chǎn)生的噪聲。任何達到 輸出端且幅度大于放大器噪底的噪聲，都將是總噪聲的主要部分。具體以哪些晶體管為主取決于每個(gè)放大器的設計。

穩定性噪聲峰化受反饋環(huán)路穩 定性的控制。前面說(shuō)過(guò)，大多數晶體管產(chǎn)生的噪聲會(huì )受到放大器負反饋的抑制。隨著(zhù)相位裕量降低，此反饋將不再為負。接近單位增益交越頻率的信號更多地是以與 輸入信號同相的方式反饋，這導致閉環(huán)響應在交越頻率附近峰化。這種引起信號發(fā)生頻率峰化的機制也會(huì )導致噪聲發(fā)生頻率峰化。

應避免使反饋環(huán)路變得不穩定，否則會(huì )對噪聲性能產(chǎn)生有害影響。有些工程師會(huì )在運算放大器輸出端放置一個(gè)電容用以“濾除”噪聲，雖然出于好意，但這實(shí)際上會(huì )使噪聲變得更嚴重，因為容性負載會(huì )增加反饋環(huán)路的相移（圖2）。

圖2 增加負載電容會(huì )降低相位裕量并提高噪聲峰化

當 增加放大器輸出端的負載電容時(shí)，噪聲峰化變得更大。此圖的對數刻度掩蓋了實(shí)際情況的真實(shí)嚴重性。輸出端的總噪聲等于噪聲頻譜密度對整個(gè)帶寬的積分。從 2MHz到16MHz的帶寬遠大于從DC到2MHz的帶寬，這意味著(zhù)噪聲完全由噪聲峰值決定，與熱噪底無(wú)關(guān)。為比較這些結果，假設系統其余部分已將 -3dB帶寬限制在16MHz（25MHz噪聲帶寬）。對于8pF、220pF和470pF的CL，總積分噪聲分別等于95µVrms、110µVrms 和115µVrms。

對緩沖器的輸出端進(jìn)行濾波的正確方式是在輸出端放置一個(gè)RC濾波器（圖3）。電阻使得高頻時(shí)的放大器負載呈現阻性，避免增加反饋環(huán)路的相移。對于具有阻性負載的緩沖器，這種技術(shù)會(huì )降低其精度。

圖3 使用串聯(lián)電阻電容網(wǎng)絡(luò )以適當地濾除噪聲

本例假設應用需要緩沖器的全部16MHz帶寬。濾波器的極點(diǎn)頻率設為大約28MHz。該濾波器使帶外噪聲大幅降低（圖4）。無(wú)濾波器的總積分噪聲為111µVrms，而有濾波器的總噪聲為84µVrms。這說(shuō)明噪聲降低25%，而信號帶寬不受影響。

圖4 利用RC濾波改善整個(gè)頻率范圍內的噪聲頻譜密度

當 RC濾波器限制放大器的信號帶寬時(shí)，可以獲得更好的性能。這種情況下，濾波器設置信號的-3dB帶寬和放大器的噪聲帶寬。在本底噪聲開(kāi)始峰化之前設置此濾 波器頻率時(shí)，噪聲結果最低；對于A(yíng)D823，該頻率約為2MHz。在這些條件下，可以接近本底噪聲乘以1.57*f-3dB的理論限值。用戶(hù)須確定，為了 改善電路的噪聲性能，犧牲放大器的相當一部分帶寬是否合適。

討論至此，讀者可能會(huì )奇怪，為什么放大器數據手冊要標榜與放大器總噪聲毫無(wú)關(guān) 系的1/f噪聲和熱噪聲性能？答案是有關(guān)系，但僅在較高增益配置下。在增益配置下使用運算放大器時(shí)，結果會(huì )很好。環(huán)路穩定性提高，使得相移引起的噪聲峰化 被降低至微不足道的水平。固有噪聲峰值仍然存在，但與熱噪底相比已變得無(wú)足輕重（圖5）。這是因為固有噪聲源直接饋入放大器的輸出端，而不會(huì )經(jīng)過(guò)任何放 大。因此，無(wú)論放大器如何設置，固有噪聲均保持相對穩定。

圖5 AD823輸出NSD與頻率的關(guān)系

本底熱噪聲則變得非常重要，因為它會(huì )被放大器放大。固有噪聲峰化在較高增益曲線(xiàn)的滾降區顯示為凸點(diǎn)。

噪 聲峰化有很多實(shí)際的影響需要考慮。首先，在低增益配置中，總噪聲以噪聲峰化為主。如果這對應用很重要，應預先規劃并測試多種放大器。相同噪底的兩款不同放 大器，可能具有截然不同的總積分噪聲量。其次，應利用無(wú)源RC濾波器對輸出進(jìn)行正確濾波。這些濾波器可能對系統總噪聲產(chǎn)生嚴重影響。切勿在放大器輸出端 （或輸入端）直接添加電容，這只會(huì )降低反饋環(huán)路的穩定性。最后，設計信號路徑時(shí)，應將盡可能多的增益放在系統的前面部分。如果可能，這是最佳解決方案，因 為系統的總噪聲性能主要由高增益前端放大器決定。