前置运算放大器的噪声分析与设计

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1、http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛前置运算放大器的噪声分析与设计黄令华,王新安,刘伟北京大学深圳研究生院信息学院，深圳518055摘要：D类音频功率放大器设计系统中，前置运算放大器大多采用全差分设计，为实现较好的THD性能及噪声特性，要求其具有较宽的输入输出电压范围，高SNR，高PSRR，高CMRR。本文运用标准的电路理论和噪声模型，详细分析了运算放大器电路的噪声及应用在D类功放中引起的整体噪声特性，并给出改善放大器噪声性能的设计方法及设计结果。关键

2、词：前置运算放大器；音频功放；噪声；噪声模型D类音频功率放大器中，前置运算放大器是一个比较（pop）噪声，其实现的电路内部结构如图2所示。重要的模块，它位于整个拓扑结构中的前面，完成输入信号源的加工处理，或者实现放大增益的设置，或者实现阻抗变换的目的，使其和后面功率放大级的输入灵敏度相匹配；前置放大器获得并稳定输入音频信号，并确保差动信号，设计时需要尽量减小其等效输入的闪烁噪声及热噪声，降低输出电阻，增加其PSRR、CMRR、SNR、频带宽度、转换效率等参数。一般来说，双极晶体管的闪烁噪声具有较低的转角频率（闪烁噪声和热噪声的交

3、叉点），低于MOS晶体管的闪烁噪声，在音频等低频的设计系统中，应用双极晶体管的设计有利于降低噪声，然而在混合信号电路的设计中，图2前置运放电路结构图衬底噪声对双极晶体管就有很大的影响，所以在混合信号2前置运算放大器的噪声特性电路设计中，更多的使用MOS晶体管，因此这里提到的运放就采用CMOS工艺完成了相应的设计。运算放大器电路中存在5种噪声源：散粒噪声(ShotNoise)、热噪声(ThermalNoise)、闪烁噪声(FlickerNoise)、1音频功放中前置运算放大器的功能爆裂噪声(BurstNoise)、雪崩噪声(Ava

4、lancheNoise)，对于CMOS工艺，散粒噪声、爆裂噪声和雪崩噪声在运算放大器电路中通常没有太大影响，即使有，也能够消除，在噪声分析中可以不予考虑。2.1噪声模型图1D类音频功放的基本模块如图1所示，D类音频功率放大器主要由以下几个模块组成：前置运算放大器、调制级、偏置、控制级、驱动级及输出功率管级（BTL）；前置运算放大器位于整个结构的最初端，本设计中，要求前置运放有正常工作模式图3电阻及运放的噪声模型（play）及噪声抑制工作模式（mute）两种工作模式，在电阻的噪声主要是热噪声。该噪声可以等效为一个理正常工作模式下，

5、运放接收信号源，正常工作，后面各级想的无噪声电阻串连一个电压源，或并联一个电流源作为完成相应调制及信号的再生；在噪声抑制工作模式下，运它的噪声模型，其等效的噪声电流及电压分别为：放停止接收输入信号源，差分输出端各被钳制在固定的电压下，其它模块正常工作，BTL输出端为相同的输出方24kTid=fn∫波，在负载上，看不到信号的再生重现，此时处于静音状R(1)态，使用静噪状态的主要作用是抑制开关机时候的爆裂http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛2其中，R1=R

6、3，R2=R4（可调）ek=∫4TRdf(2)其前置运算放大器的噪声为电阻噪声与其运放内运算放大器制造商提供的噪声指标，通常是指在部噪声的总和，下面就分析运放内部噪声。运算放大器输入端测试的噪声，包括热噪声及闪烁噪2.3全差分运放的内部噪声分析声。而运算放大器内部的噪声通过内部等效来描述，我们知道，噪声设计的关键是输入级的低噪声设运算放大器内部可视为一个理想的无噪声运算放大器计，因此在大多数运放设计的时候，第一级的关键不(NoislessOpAmp)，通过在理想无噪声运算放大器的同是增益的设计，因为这一级的噪声大小直接决定了整相

7、输入端串联一个噪声电压源，同相、反相输入端到个运放的噪声特性。PMOS管比NMOS管的噪声系数低，地分别串联一个噪声电流源，来表征内部噪声，对于利于减小其输入噪声电压，因此输入级常采用PMOS管单管NMOS或者PMOS，它们的等效噪声电流及噪声差分输入结构。图5就是运放输入级的噪声分析图，电压分别为：输入管为PMOS。28(kTgm1)+ηKFIDid=+[]f∫23fCLox(3)28(kT1)+ηKFed=+[]feq∫32'gfCWLKmox(4)上面各式及下面提到的公式中，K为Boltzmann常数，T是热力学温度，gm

8、为晶体管的跨导。k是MOS晶体管闪烁噪声系数，W，L分别为MOS晶体管的有效栅宽度和长度，Cox是单位面积的栅氧化层电容。2.2前置运算放大器的噪声分析图5差分运放内部输入级噪声模型差分管的源极接到同一点上，那么电流源负载的噪声就是相关噪声源，其等效到Mp1和M