上述例子给出了电压噪声和电流噪声在整个带宽范围内固定时,总噪声的计算公式(适用于放大器电路带宽的较低频率值大于运算放大器的电压噪声和电路噪声1/f频率的情况)。如果电压噪声和电流噪声在整个带宽范围内是变化的,那么总噪声的计算公式要更复杂。
根据公式1和图2可很容易地看出电路源阻抗对噪声的影响。源阻抗较低的系统,电压噪声是主要的噪声来源;源阻抗增大时,电阻噪声占主导地位,甚至可以忽略放大器的电压噪声。源阻抗继续增大时,电流噪声成为噪声的主要因素。
放大器设计对噪声性能的影响
噪声性能是放大器设计的一个考虑因素,三种常见的低噪声放大器分别为:双极型、JFET输入和CMOS输入。尽管每种设计都能提供低噪声特性,但其性能不同。
双极型放大器
双极型放大器是低噪声放大器中最常见的选择。低噪声、双极型放大器,如MAX410,可提供极低的输入电压噪声密度(1.8nV/√Hz)和相对较高的输入电流噪声密度(1.2pA/√Hz)。该类放大器的单位增益带宽的典型值小于30MHz。
为确保从双极型运算放大器获得低电压噪声,IC设计人员会在输入级设置较高的集电极电流。这是因为电压噪声与输入级集电极电流的平方根成反比;然而,运算放大器电流噪声与输入级集电极电流的平方根成正比。因此,外部反馈和源阻抗必须尽可能低,以获得较好的噪声性能。输入偏置电流与输入集电极电流成正比,因此必须使源阻抗尽可能低,以便降低偏置电流产生的失调电压。
双极型放大器的电压噪声通常在其等效源阻抗小于200Ω时占主导地位。较大的输入偏置电流以及相对较大的电流噪声使双极型放大器非常适合源阻抗较低的应用。
JFET输入放大器
与双极型设计相比,JFET输入低噪声放大器具有超低输入电流噪声密度(0.5fA/√Hz),但输入电压噪声密度相对较大(大于10nV/√Hz),JFET设计允许单电源工作。1pA的输入偏置电流使JFET放大器非常适合高阻抗信号源应用。但是,由于JFET放大器的电压噪声较大,在源阻抗较低的应用中,它通常不是设计工程师的首选。
CMOS输入放大器
新型CMOS输入低噪声放大器能够提供与双极型设计相当的电压噪声指标。CMOS输入放大器的电流噪声与最好的JFET输入设计相当,甚至优于JFET输入放大器。例如,MAX4475具有低输入电压噪声密度(4.5nV/)和低输入电流噪声密度(0.5fA/),单电源供电时可提供超低失真(0.0002% THD+N)。这些特性使得CMOS输入放大器成为低失真、低噪声应用(如音频前置放大器)的最佳选择。另外,CMOS输入放大器允许非常低的输入偏置电流、低失调电压和非常高的输入阻抗,能够满足源阻抗较高的信号调理,如:图3所示的光电二极管前置放大电路。图4所示为用于16位DAC输出的缓冲器。
图3. 采用CMOS输入的低噪声放大器具有非常低的偏置电流和失调电压,以及非常高的输入阻抗。这些器件非常适合源阻抗较高(如光电二极管前置放大器)的信号调理。
图4. 低噪声性能和低输入偏置电流使得CMOS输入放大器成为16位DAC输出缓冲器的理想选择。
结论
没有一种放大器能够适合所有应用。表1总结了三种常见放大器设计的典型噪声参数。
比较所有的噪声源,可以看出:新型CMOS输入放大器(例如MAX4475)能够为较低频率的模拟应用和绝大多数前端应用提供最佳的噪声指标,特别是高源阻抗、宽带设计。
本文由Maxim Integrated Product公司提供
根据公式1和图2可很容易地看出电路源阻抗对噪声的影响。源阻抗较低的系统,电压噪声是主要的噪声来源;源阻抗增大时,电阻噪声占主导地位,甚至可以忽略放大器的电压噪声。源阻抗继续增大时,电流噪声成为噪声的主要因素。
放大器设计对噪声性能的影响
噪声性能是放大器设计的一个考虑因素,三种常见的低噪声放大器分别为:双极型、JFET输入和CMOS输入。尽管每种设计都能提供低噪声特性,但其性能不同。
双极型放大器
双极型放大器是低噪声放大器中最常见的选择。低噪声、双极型放大器,如MAX410,可提供极低的输入电压噪声密度(1.8nV/√Hz)和相对较高的输入电流噪声密度(1.2pA/√Hz)。该类放大器的单位增益带宽的典型值小于30MHz。
为确保从双极型运算放大器获得低电压噪声,IC设计人员会在输入级设置较高的集电极电流。这是因为电压噪声与输入级集电极电流的平方根成反比;然而,运算放大器电流噪声与输入级集电极电流的平方根成正比。因此,外部反馈和源阻抗必须尽可能低,以获得较好的噪声性能。输入偏置电流与输入集电极电流成正比,因此必须使源阻抗尽可能低,以便降低偏置电流产生的失调电压。
双极型放大器的电压噪声通常在其等效源阻抗小于200Ω时占主导地位。较大的输入偏置电流以及相对较大的电流噪声使双极型放大器非常适合源阻抗较低的应用。
JFET输入放大器
与双极型设计相比,JFET输入低噪声放大器具有超低输入电流噪声密度(0.5fA/√Hz),但输入电压噪声密度相对较大(大于10nV/√Hz),JFET设计允许单电源工作。1pA的输入偏置电流使JFET放大器非常适合高阻抗信号源应用。但是,由于JFET放大器的电压噪声较大,在源阻抗较低的应用中,它通常不是设计工程师的首选。
CMOS输入放大器
新型CMOS输入低噪声放大器能够提供与双极型设计相当的电压噪声指标。CMOS输入放大器的电流噪声与最好的JFET输入设计相当,甚至优于JFET输入放大器。例如,MAX4475具有低输入电压噪声密度(4.5nV/)和低输入电流噪声密度(0.5fA/),单电源供电时可提供超低失真(0.0002% THD+N)。这些特性使得CMOS输入放大器成为低失真、低噪声应用(如音频前置放大器)的最佳选择。另外,CMOS输入放大器允许非常低的输入偏置电流、低失调电压和非常高的输入阻抗,能够满足源阻抗较高的信号调理,如:图3所示的光电二极管前置放大电路。图4所示为用于16位DAC输出的缓冲器。
图3. 采用CMOS输入的低噪声放大器具有非常低的偏置电流和失调电压,以及非常高的输入阻抗。这些器件非常适合源阻抗较高(如光电二极管前置放大器)的信号调理。
图4. 低噪声性能和低输入偏置电流使得CMOS输入放大器成为16位DAC输出缓冲器的理想选择。
结论
没有一种放大器能够适合所有应用。表1总结了三种常见放大器设计的典型噪声参数。
比较所有的噪声源,可以看出:新型CMOS输入放大器(例如MAX4475)能够为较低频率的模拟应用和绝大多数前端应用提供最佳的噪声指标,特别是高源阻抗、宽带设计。
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