解決電源噪聲的新思路

自上市以來，CMOS 單電源放大器就讓全球的單電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jí)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(jí)。然而，輸入級(jí)對(duì) THD+N 的影響又讓單電源放大器的這種規(guī)范本身復(fù)雜化。

　　有兩種單電源放大器拓?fù)淇梢越邮茈娫粗g的輸入信號(hào)。圖 1a 所示拓?fù)渚哂幸粋€(gè)互補(bǔ)差動(dòng)輸入級(jí)。在該拓?fù)渲?，放大器的輸入位于?fù)軌附近時(shí)，PMOS 晶體管為“開”，而 NMOS 晶體管為“關(guān)”。當(dāng)放大器的輸入更接近于正電壓軌時(shí)，NMOS 晶體管為“開”，而 PMOS 晶體管為“關(guān)”。

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

　　這種設(shè)計(jì)拓?fù)湓诠材］斎敕秶鷷?huì)存在極大的放大器失調(diào)電壓差異。在接地電壓附近的輸入范圍，PMOS 晶體管的失調(diào)誤差為主要誤差。在正電源附近的區(qū)域，NMOS 晶體管對(duì)主導(dǎo)失調(diào)誤差。由于放大器的輸入通過這兩個(gè)區(qū)域之間，因此兩個(gè)對(duì)均為“開”。最終結(jié)果是，輸入失調(diào)電壓將在兩個(gè)級(jí)之間變化。當(dāng) PMOS 和 NMOS 均為“開”時(shí)，共模電壓區(qū)域約為 400 mV。這種交叉失真現(xiàn)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(jié)構(gòu)來配置互補(bǔ)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(xiàn)輸入過渡區(qū)域，則 THD+N 等于0.0006%。如果 THD+N 測(cè)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(jié)構(gòu)來避免出現(xiàn)這類放大器交叉失真。

圖 2 一個(gè)互補(bǔ)輸入級(jí)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(yùn)算放大器的輸出級(jí)。通常，單電源放大器的輸出級(jí)有一個(gè) AB 拓?fù)洌ㄕ?qǐng)參見圖 1a）。輸出信號(hào)做軌至軌掃描時(shí)，輸出級(jí)顯示出了一種與輸入級(jí)交叉失真類似的交叉失真，因?yàn)檩敵黾?jí)在晶體管之間切換。一般而言，更高電平的輸出級(jí)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(guī)范的另一個(gè)因素。高級(jí)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(bǔ)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(jié)構(gòu)中，并保持低閉環(huán)增益。如果系統(tǒng)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(jí)和充電泵的放大器更為合適。