基于降低放大器噪聲峰化來提高SNR

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

當(dāng)散粒噪聲大于放大器的本底噪聲時，就會發(fā)生峰化現(xiàn)象。這種行為可能擴展到交越頻率之外的數(shù)個倍頻程，影響到的頻率遠超過大多數(shù)制造商的數(shù)據(jù)手冊顯示的頻率。大部分教科書未探討此問題。我們一般也不會注意這個問題，除非碰到噪聲似乎過大的低噪聲、低增益電路。

圖1所示的放大器設(shè)置為單位增益緩沖器，-3dB帶寬為16MHz，100kHz時的本底噪聲為16nV/√Hz。請注意，噪聲密度在大約2MHz時開始提 高。更糟糕的是，-3dB噪聲帶寬約為30MHz。理論計算規(guī)定，總噪聲等于本底噪聲乘以噪聲帶寬（對于單極點滾降，它是-3dB帶寬的π/2倍）的平方 根。結(jié)果顯示，總噪聲為80µVrms。但如果實際將NSD對整個帶寬積分，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(yīng)的滾降符合預(yù)期
(紅色)。電壓噪聲譜密度曲線顯示噪聲峰化(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。筆者看到過峰值比本底噪聲高10倍的案例。多數(shù)放大器的峰值比本底噪聲高出50%到200%。

噪聲峰化分為兩類。第一類稱為固有噪聲峰化，由特定運算放大器的設(shè)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。第二類稱為穩(wěn)定性噪聲峰化，受放大器在電路中的使用方式影響。

穩(wěn)定性噪聲峰化現(xiàn)象存在于所有反饋結(jié)構(gòu)中，包括基準(zhǔn)電壓源和穩(wěn)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，您可以觀察到噪聲峰化的影響。

在大多數(shù)放大器的設(shè)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貢獻噪聲，但通過應(yīng)用負反饋可降低其噪聲。噪聲源之前的任何增益都會降低該噪 聲源貢獻給放大器的噪聲。在大多數(shù)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(dāng)一部分電流都被用來使輸入級實現(xiàn)放大器要求的 噪聲性能。在較低頻率時，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，則沒有增益用來抑制放大器內(nèi)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放大器的設(shè)計。

穩(wěn)定性噪聲峰化受反饋環(huán)路穩(wěn) 定性的控制。前面說過，大多數(shù)晶體管產(chǎn)生的噪聲會受到放大器負反饋的抑制。隨著相位裕量降低，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(dǎo)致閉環(huán)響應(yīng)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導(dǎo)致噪聲發(fā)生頻率峰化。

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

圖2 增加負載電容會降低相位裕量并提高噪聲峰化

當(dāng) 增加放大器輸出端的負載電容時，噪聲峰化變得更大。此圖的對數(shù)刻度掩蓋了實際情況的真實嚴重性。輸出端的總噪聲等于噪聲頻譜密度對整個帶寬的積分。從 2MHz到16MHz的帶寬遠大于從DC到2MHz的帶寬，這意味著噪聲完全由噪聲峰值決定，與熱噪底無關(guān)。為比較這些結(jié)果，假設(shè)系統(tǒng)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行濾波的正確方式是在輸出端放置一個RC濾波器（圖3）。電阻使得高頻時的放大器負載呈現(xiàn)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)會降低其精度。

圖3 使用串聯(lián)電阻電容網(wǎng)絡(luò)以適當(dāng)?shù)貫V除噪聲

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

圖4 利用RC濾波改善整個頻率范圍內(nèi)的噪聲頻譜密度

當(dāng) RC濾波器限制放大器的信號帶寬時，可以獲得更好的性能。這種情況下，濾波器設(shè)置信號的-3dB帶寬和放大器的噪聲帶寬。在本底噪聲開始峰化之前設(shè)置此濾 波器頻率時，噪聲結(jié)果最低；對于AD823，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。用戶須確定，為了 改善電路的噪聲性能，犧牲放大器的相當(dāng)一部分帶寬是否合適。

討論至此，讀者可能會奇怪，為什么放大器數(shù)據(jù)手冊要標(biāo)榜與放大器總噪聲毫無關(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，結(jié)果會很好。環(huán)路穩(wěn)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，而不會經(jīng)過任何放 大。因此，無論放大器如何設(shè)置，固有噪聲均保持相對穩(wěn)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，因為它會被放大器放大。固有噪聲峰化在較高增益曲線的滾降區(qū)顯示為凸點。

噪 聲峰化有很多實際的影響需要考慮。首先，在低增益配置中，總噪聲以噪聲峰化為主。如果這對應(yīng)用很重要，應(yīng)預(yù)先規(guī)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(yīng)利用無源RC濾波器對輸出進行正確濾波。這些濾波器可能對系統(tǒng)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，這只會降低反饋環(huán)路的穩(wěn)定性。最后，設(shè)計信號路徑時，應(yīng)將盡可能多的增益放在系統(tǒng)的前面部分。如果可能，這是最佳解決方案，因 為系統(tǒng)的總噪聲性能主要由高增益前端放大器決定。