1、正確選擇低噪聲放大器（LNA）該應用筆記檢驗了影響放大器噪聲的關鍵參數，說明不同放大器設計 （雙極型、JFET輸入或CMOS輸入設計）對噪聲的影響。本文還闡述 了如何選擇一款適合低頻模擬應用（如數據轉換器緩沖、應變儀信號 放大和麥克風前置放大器）的低噪聲放大器。基于CMOS輸入放大器， MAX4475，舉例說明多數低頻模擬應用中這種新型CMOS放大器的 設計優(yōu)勢。目前，有關低噪聲放大器的討論常常關注于RF/無線應用，但實際應 用中，噪聲對于低頻模擬產品（如數據轉換器緩沖、應變儀信號放大 和麥克風前置放大器）也有很大影響，是一項重要的考慮因素。為了 選擇一款合適的放大器，設計工程師必須首先了解放

2、大器是否擁有低 噪聲特性和相關的噪聲參數。另外，還要了解不同類型放大器（雙極 型、JFET輸入或CMOS輸入）的噪聲參數差異。噪聲參數盡管影響放大器噪聲性能的參數有很多，但最重要的兩個參數是：電 壓噪聲和電流噪聲。電壓噪聲是指在沒有它噪聲干擾的情況下，放大 器輸入短路時出現在輸入端的電壓波動。電流噪聲是指在沒有其它噪 聲干擾的情況下，放大器輸入開路時出現在輸入端的電流波動。描述放大器噪聲的典型指標是噪聲密度，也稱作點噪聲。電壓噪聲密 度單位為nVNHz，電流噪聲密度通常表示為pA/Hz。在低噪聲放大 器數據資料中可以找到這些參數，而且，一般給出兩種頻率下的數值:一個是低于200Hz的閃爍噪聲；

3、另一個是在1kHz通帶內的噪聲。簡 單起見，這些測量值以放大器輸入端為參考，不需要考慮放大器增益。JLL-S/M 攜誓忠 UHQAU10.E圖1所示為電壓噪聲密度與頻率的對應關系曲線。噪聲曲線與兩個主 要的噪聲成份有關：閃爍噪聲和散粒噪聲。閃爍噪聲是所有線性器件 固有的隨機噪聲，也稱作1/f噪聲，因為噪聲振幅與頻率成反比。閃 爍噪聲通常是頻率低于200Hz時的主要噪聲源，如圖1所示。1/f角 頻率是指噪聲大小基本相同、不受頻率變化影響的起始頻率。散粒噪 聲是流過正向偏置pn結的電流波動所造成的白噪聲，也出現在該頻 段。值得注意的是：電壓噪聲的1/f角頻率與電流噪聲的1/f角頻率可 能會不同。J

4、LL-S/M 攜誓忠 UHQAU10.E的，電壓嚼潭虛度W搓掌由關茨葩出主一受誨蜓聲重曲卷咆:沖啤聲耕航?嘍聲-內即狼四至7#狼產屈痛單顯我 焰是罹稱腿如啪主菱擘泮嬴圖1.電壓噪聲密度與頻率的關系曲線，主要受兩種噪聲源的影響： 閃爍噪聲和散粒噪聲。閃爍噪聲或1/f噪聲與頻率成反比，是頻率低 于200Hz時的主要噪聲源。放大器電路的總噪聲取決于放大器本身、 外部電路阻抗、增益、電路帶寬和環(huán)境溫度等參數。電路的外部電阻 所產生的熱噪聲也是總噪聲的一部分。圖2所示為放大器和相關噪聲 成份的實例。Whert：Vthrp Uthh3 Tfiennsl Noise trorn R1, R2h R3Rn =

5、 Inverting input Effciw SafIqs RsslstanceHp 三 NGniverfiig input Eheclivs Series fiBsistente日h = Eput Vdltags-Ioisa Osiity at tha Frequency of Int&nes! in = mpvt Curi-Molw Densl al 眠 Fluency of 缶陽，手就 T - Ambia nt Tsfnpsraluna in Kaivink = 1.23X IO23 J/K 時靜色 CwMa航）暖,放大電密斂最嘔第決定占笑尋嚼聲美主,涅阻撫彗瘙時.也拖）再為主要弟攘.

6、圖2.放大電路的源阻抗決定占主導地位的噪聲類型，源阻抗升高時， 電流噪聲為主要來源。計算總噪聲 特定頻率下運算放大器總輸入噪聲的標準表達式為:其中：Rn=反相輸入等效串聯(lián)電阻Rp=同相輸入等效串聯(lián)電阻en=特定頻率下輸入電壓噪聲密度in=特定頻率下輸入電流噪聲密度丁=以開爾文（K）為單位的絕對溫度k=1.38 x 10-23 J/K （波爾茲曼常數）。公式1是指定頻率下噪聲與帶寬對應關系。為計算總噪聲，用et （以 nV/Hz為單位）乘以帶寬的平方根即可。例如，如果放大器的帶寬范 圍為100Hz至1kHz，那么，下式就是整個帶寬范圍內的總噪聲：b J（皿卜順）上述例子給出了電壓噪聲和電流噪聲在

7、整個帶寬范圍內固定時，總噪 聲的計算公式（適用于放大器電路帶寬的較低頻率值大于運算放大器 的電壓噪聲和電路噪聲1/f頻率的情況）。如果電壓噪聲和電流噪聲在 整個帶寬范圍內是變化的，那么總噪聲的計算公式要更復雜。根據公式1和圖2可很容易地看出電路源阻抗對噪聲的影響。源阻抗 較低的系統(tǒng)，電壓噪聲是主要的噪聲來源；源阻抗增大時，電阻噪聲 占主導地位，甚至可以忽略放大器的電壓噪聲。源阻抗繼續(xù)增大時， 電流噪聲成為噪聲的主要因素。放大器設計對噪聲性能的影響噪聲性能是放大器設計的一個考慮因素，三種常見的低噪聲放大器分 別為：雙極型、JFET輸入和CMOS輸入。盡管每種設計都能提供低 噪聲特性，但其性能不同

8、。雙極型放大器是低噪聲放大器中最常見的選擇。低噪聲、雙極型放大 器，如MAX410，可提供極低的輸入電壓噪聲密度(1.8nV/Hz)和相 對較高的輸入電流噪聲密度(1.2pA/Hz)。該類放大器的單位增益帶 寬的典型值小于30MHz。為確保從雙極型運算放大器獲得低電壓噪聲，IC設計人員會在輸入 級設置較高的集電極電流。這是因為電壓噪聲與輸入級集電極電流的 平方根成反比；然而，運算放大器電流噪聲與輸入級集電極電流的平 方根成正比。因此，外部反饋和源阻抗必須盡可能低，以獲得較好的 噪聲性能。輸入偏置電流與輸入集電極電流成正比，因此必須使源阻 抗盡可能低，以便降低偏置電流產生的失調電壓。雙極型放大器

9、的電壓噪聲通常在其等效源阻抗小于200Q時占主導地 位。較大的輸入偏置電流以及相對較大的電流噪聲使雙極型放大器非 常適合源阻抗較低的應用。JFET輸入放大器與雙極型設計相比，JFET輸入低噪聲放大器具有超低輸入電流噪聲 密度(0.5fA/Hz)，但輸入電壓噪聲密度相對較大(大于10nV/Hz)， JFET設計允許單電源工作。1pA的輸入偏置電流使JFET放大器非 常適合高阻抗信號源應用。但是，由于JFET放大器的電壓噪聲較大， 在源阻抗較低的應用中，它通常不是設計工程師的首選。CMOS輸入放大器新型CMOS輸入低噪聲放大器能夠提供與雙極型設計相當的電壓噪 聲指標CMOS輸入放大器的電流噪聲與最

10、好的JFET輸入設計相當， 甚至優(yōu)于JFET輸入放大器。例如，MAX4475具有低輸入電壓噪聲 密度(4.5nV/)和低輸入電流噪聲密度(0.5fA/)，單電源供電時可提供超 低失真(0.0002% THD+N)。這些特性使得CMOS輸入放大器成為低 失真、低噪聲應用(如音頻前置放大器)的最佳選擇。另外，CMOS輸 入放大器允許非常低的輸入偏置電流、低失調電壓和非常高的輸入阻 抗，能夠滿足源阻抗較高的信號調理，如：圖3所示的光電二極管前 置放大電路。圖4所示為用于16位DAC輸出的緩沖器。.宗霍岫密,人的柢簍瑾敏六庭耳擇恭帝旗獨蠢置再宣撞玉睇電弘敏及春某庵故璃八隋試.還竺菇養(yǎng)等帶蛭專曜 撼就飽混 二昔癡城方割散常號譚蘑圖3.采用CMOS輸入的低噪聲放大器具有非常低的偏置電流和失調 電壓，以及非常高的輸入阻抗。這些器件非常適合源阻抗較高(如光 電二極管前置放大器)的信號調理。曲.曲.底密海邂能屈盛舞入儡晝定短蹤澈幡忘姓入敏大既成員姑膠gc蠡出費抻器浙建想送擇、圖4.低噪聲性能和低輸入偏置電流使得CMOS輸入放大器成為16 位DAC輸出緩沖器的理想選擇。結論 沒有一種放大器能夠適合所有應用。表1總結了三種常見放大器設計 的典型噪聲參數。妾1.放大割涉計中曲賓星嘿聲扳松I